WO2023131602A1 - Steckverbinder mit einem ersten und einem zweiten sensorelement zur erfassung eines kriechstroms, anordnung mit zwei steckverbindern und verfahren zur erkennung eines kriechstroms in einem steckverbinder - Google Patents

Steckverbinder mit einem ersten und einem zweiten sensorelement zur erfassung eines kriechstroms, anordnung mit zwei steckverbindern und verfahren zur erkennung eines kriechstroms in einem steckverbinder Download PDF

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WO2023131602A1
WO2023131602A1 PCT/EP2023/050051 EP2023050051W WO2023131602A1 WO 2023131602 A1 WO2023131602 A1 WO 2023131602A1 EP 2023050051 W EP2023050051 W EP 2023050051W WO 2023131602 A1 WO2023131602 A1 WO 2023131602A1
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connector
sensor element
plug
leakage current
contact element
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PCT/EP2023/050051
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Elmar Schaper
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • H01R13/70—Structural association with built-in electrical component with built-in switch
    • H01R13/713—Structural association with built-in electrical component with built-in switch the switch being a safety switch
    • H01R13/7135—Structural association with built-in electrical component with built-in switch the switch being a safety switch with ground fault protector

Definitions

  • Connector with a first and a second sensor element for detecting a leakage current arrangement with two connectors and method for detecting a leakage current in a connector
  • the present invention is in the field of electromobility and relates to a plug connector which is designed as a charging socket for an electrically driven vehicle and/or as a charging plug for a charging station for transmitting electrical energy and/or electrical signals.
  • the connector has at least a first and a second sensor element for detecting a leakage current between at least a first contact element and at least a second contact element in order to ensure monitoring of the insulation resistance of the connector and, above all, to be able to detect insulation errors.
  • the invention also relates to an arrangement with two connectors and a method for detecting a leakage current in a connector.
  • a standardized plug connector in the form of a charging plug is used to form a plug connection with a standardized plug connector in the form of a charging socket as part of the charging process for accumulators in an electrically driven vehicle (electric vehicle).
  • the respective plug connectors can be specified, for example, according to the IEC 62196-3-1 standard, which also relates to direct current charging processes for electric vehicles with a pilot contact element and a control contact element.
  • the requirements for the geometric dimensions of the plug-in connector, especially in relation to the plug-in face are standardized.
  • environmental requirements, clearances, creepage distances and overvoltage categories are defined in standards and specifications.
  • Insulation strengths of electrical components and parts made of insulating materials are tested in grounded networks, for example with the help of monitoring devices.
  • line protection is required and must be specified by the manufacturer of the charging system.
  • the German patent application no. DE 41 00 586 A1 relates to a high-voltage DC system with an active part to which DC voltage is applied, which is supported by means of an insulating part in relation to system parts that are at a lower potential.
  • the active part is supported by the insulating part and a grounded metal enclosure.
  • An electrode is applied to or integrated into the insulating part to detect leakage currents from the active part along the surface of the insulating part. If leakage currents occur along the surface of the insulating part in the high-voltage direct current system, these flow from the active part via the insulating part into the electrode and from there through a conductor, a detection network and through another conductor to the lower potential of the metal enclosure.
  • a signal is initiated in the detection network, preferably a light signal, which is either used for a direct display or sent to an evaluation unit through the signal output.
  • the invention relates to a plug connector for forming a plug connection essentially in one plugging direction in order to transmit electrical energy and/or electrical signals, the plug connector having an insulating material housing with a plugging section, in which at least one first Contact element and at least one second contact element are accommodated, with the at least one first contact element and the at least one second contact element being arranged at a distance from one another, with at least one first sensor element and at least one second sensor element being located between the at least one first contact element and the at least one second contact element in the Insulating material housing are arranged and configured to detect a leakage current between the at least one first contact element and the at least one first sensor element, and/or a leakage current between the at least one second contact element and the at least one second sensor element.
  • the at least one first contact element and the at least one second contact element are preferably each designed as a load contact element for transmitting electrical energy.
  • the plug connector according to the present invention can be designed as a charging plug and/or as a charging socket, which are configured to form a plug connection with one another.
  • a connector is provided, for example, in which damage and, above all, dangers caused by leakage currents can be avoided. Furthermore, in the connector according to the present invention, the entry and/or presence of a medium, preferably an electrically conductive liquid medium, can be detected and corresponding measures can be taken, for example initiating a shutdown of the charging process of an electrically driven vehicle (electric vehicle).
  • a medium preferably an electrically conductive liquid medium
  • the ingress of water through a break or crack in the insulating housing of the connector can be detected.
  • molluscs and other foreign bodies can also be detected.
  • the at least one first sensor element and the at least one second sensor element are arranged at a distance from one another, and that the at least one first sensor element is assigned to the at least one first contact element in order to channel the leakage current at a Bring about surface of the insulating material, and / or that the at least one second sensor element is associated with the at least one second contact element in order to bring about a channeling of the leakage current on a surface of the insulating material.
  • the occurrence of a leakage current on the surface of the insulating material between the at least one first contact element and the at least one second contact element can be optimally detected.
  • the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element is/are located at least in sections in a wall section of the insulating material housing, preferably for delimiting the plug-in section in the plug-in direction and/or preferably at a narrow point between the at least one first contact element and the at least one second contact element is integrated, preferably integrally and/or non-positively integrated, the wall section extending at least in sections essentially in the plug-in direction and/or essentially perpendicular to the plug-in direction.
  • the wall section can be a side wall section inside the plug-in section and can also be designed to hold or carry the at least one first contact element and the at least one second contact element. It is also possible that the wall section extends at least in sections essentially in the insertion direction and is arranged between the at least one first contact element and the at least one second contact element.
  • the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element can be formed and integrated in the wall section in such a way that the wall section and the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element have at least one essentially planar Form end face, which is preferably aligned substantially perpendicular to the plug-in direction and / or which preferably limits the plug-in section in the plug-in direction.
  • the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element is essentially plate-shaped and/or is essentially flat and/or preferably to form an essentially planar end face on a Wall section of the insulating housing essentially flush.
  • the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element extends, preferably essentially in the plug-in direction, at least through the wall section and/or preferably into the plug-in section at least in sections extends, and/or that the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element is at least in sections essentially cylindrical or essentially pin-shaped or essentially lance-shaped.
  • the at least one first sensor element and the at least one second sensor element each comprise at least one electrode or are each designed as an electrode.
  • the electrode can be made of an electrically highly conductive material, preferably a metallic material.
  • the electrode has a very low impedance and/or resistance, for example less than 1 ohm.
  • the at least one first sensor element and the at least one second sensor element are connected to one another, preferably connected to one another outside of the plug-in section, in order to prevent a cross current, which preferably results from a leakage current, between the at least one first To detect sensor element and the at least one second sensor element.
  • the at least one first sensor element and the at least one second sensor element can be connected to a monitoring unit, with the monitoring unit being configured to evaluate a leakage current present at the at least one first sensor element and/or at the at least one second sensor element.
  • the monitoring unit can include at least one current measuring element, preferably in the form of a Hall probe element, wherein the at least one current measuring element is preferably configured to measure at least one current strength of the detected leakage current.
  • the monitoring unit comprises at least one comparison element, wherein the at least one comparison element is configured to have a leakage current detected on the at least one first sensor element and/or a leakage current on the at least one second sensor element with a reference current, preferably with a predetermined or with a predefined reference current, and preferably to initialize a shutdown of the transmission of electrical energy via the connector.
  • the insulating material housing prefferably has at least one discharge element, preferably one discharge element each, for draining the at least one first contact element and the at least one second contact element, and for the at least one discharge element, preferably the respective discharge element, to be arranged and configured in the insulating material housing in this way , A medium located in the plug-in section, preferably a flowable or castable medium, is removed from the plug-in section.
  • the invention relates to an arrangement for forming a plug connection in order to transmit electrical energy and/or electrical signals, comprising a first plug connector as disclosed herein, the first plug connector being designed as a charging plug, and a second plug connector as disclosed herein , wherein the second connector is designed as a charging socket, and preferably when the connector is formed, the at least one first sensor element of the first connector contacts the at least one first sensor element of the second connector and the at least one second sensor element of the first connector contacts the at least one second sensor element of the second connector , preferably via a spring element.
  • the first plug connector in the form of the charging plug can have the spring element, preferably exactly one spring element.
  • the second plug connector in the form of the charging socket can have the spring element, preferably exactly one spring element.
  • the spring element can be arranged at least in sections in the plug-in section, preferably between the at least one first contact element and the at least one second contact element. It is possible that the spring element at least is integrated in sections in the wall section of the insulating material housing, preferably for delimiting the plug-in section in the plug-in direction and/or preferably at a constriction, between the at least one first contact element and the at least one second contact element.
  • the spring element can be connected to the at least one first sensor element and/or to the at least one second sensor element.
  • the at least one first sensor element and/or the at least one second sensor element can be designed at least in sections as a spring element and/or to comprise a spring element at least in sections.
  • the spring element can preferably extend at least in sections essentially in the plug-in direction in the plug-in section.
  • the second connector in the form of the charging socket can also be monitored with regard to the formation of leakage currents or leakage currents by means of the first connector in the form of the charging connector and vice versa.
  • the invention relates to a method for detecting a leakage current in a connector, the connector being configured as disclosed herein, wherein a leakage current is detected by at least one first sensor element and/or by at least one second sensor element; the detected leakage current is compared in a monitoring unit with a reference current, preferably with a predetermined reference current or with a predefined reference current, and at least one shutdown of the transmission of electrical energy is initiated as soon as the detected leakage current exceeds the reference current.
  • the method according to the present invention can preferably be carried out, inter alia, with the monitoring unit which is configured for this purpose and has corresponding components and elements as disclosed herein.
  • FIG. 1A shows a connector face with a connector section of an embodiment of the connector according to the present invention as a charging connector in a perspective view
  • FIG. 1B shows the connector from FIG. 1A in a schematic representation
  • FIG. 2A shows a mating face with a mating section of an embodiment of the connector according to the present invention as a charging socket in a front view
  • FIG. 2B shows the connector from FIG. 2A in a schematic representation
  • FIG 3 shows the plug connector from FIGS. 1A and 1B and the plug connector from FIGS. 2A and 2B with at least partial formation of a plug connection in a schematic representation
  • FIGS. 1A and 1B shows an equivalent circuit diagram of the connector from FIGS. 1A and 1B with a monitoring unit.
  • FIG. 1A shows a perspective view of a connector face 103 with a connector section 102 of an exemplary embodiment of a connector 100 according to the present invention as a charging connector.
  • the connector 100 is configured as a charging connector for forming a plug-in connection with a connector 200 according to the present invention as a charging socket (see Figures 2A to 3) essentially in the plug-in direction X in order to transmit electrical energy and/or electrical signals.
  • the connector 100, 200 is thus in one Embodiment configured as a charging plug 100 and configured in a further embodiment as a charging socket 200 for an electric vehicle or as a charging socket 200 of an electric vehicle.
  • the plug connector 100 is preferably permanently connected to a charging station of a charging station via a charging cable, the charging station providing electrical energy for charging accumulators of electrically driven vehicles (electric vehicles).
  • the connector 100 in Figure 1A is preferably specified according to the IEC 62196-3 standard or is preferably based at least in part on the requirements of the IEC 62196-3 standard.
  • the connector 100 can be designed and/or specified according to the Combined Charging System (CCS) connector system standard as what is known as a combo-2 charging connector. It is alternatively possible for the connector 100 to be designed and/or specified according to a different standard or according to a different standard or according to a different specification, for example according to the "CHAdeMO standard" or according to the "ChaoJi stacked specification".
  • CCS Combined Charging System
  • the connector 100 includes an insulating material housing 101, that is, a housing made of an insulating material with inherent electrical insulating properties.
  • the plug-in section 102 is part of the insulating material housing 101.
  • An end face of the plug-in section 102, preferably in the plug-in direction X, is used to form the plug-in face 103 of the connector 100.
  • the insulating material housing 101 can be made in several parts.
  • the insulating material housing 101 can be produced, for example, by at least one casting process and/or by at least one injection molding process with an insulating material.
  • the connector 100 is preferably used for charging accumulators of electric vehicles by means of direct current and for this purpose comprises a first contact element 111 and a second contact element 112.
  • a charging voltage applied to the contact elements 111 and 112 during a charging process can be in a range from 400 V to 800 V, for example and is therefore relatively high.
  • the first contact element 111 and the second contact element 112 are each configured as a load contact element and are essentially sleeve-shaped, at least in sections, in order to mechanically connect a complementary, i.e. a correspondingly configured and formed, contact element 211, 212 of a connector 200 (see Figures 2A to 3).
  • Both the first contact element 111 and the second contact element 112 are each surrounded or encased by an insulating material sleeve 107 and 108 and thus a sleeve made of insulating material.
  • the first contact element 111 and the second contact element 112 are accommodated in the plug-in section 102 and arranged at a distance from one another. The distance between the first contact element 111 and the second contact element 112 is identified by the reference symbol D in FIG. 1A.
  • Walls and/or wall sections of the plug-in section 102 are preferably formed integrally in one piece.
  • the insulating material sleeves 107 and 108 to protect the contact elements 111 and 112 as individual parts, i.e. as individually manufactured components or elements, for example screwed into corresponding wall sections of the plug-in section 102 and thus of the insulating material housing 101.
  • the connector 100 includes the other contact elements 113 to 115, which are accommodated or arranged in a further area of the plug-in section 102 in corresponding insulating material sleeves (not specifically identified in FIG. 1A) and are only briefly described below.
  • the contact element 113 serves as a protective contact element (so-called PE contact element).
  • the contact elements 114 and 115 are used to transmit electrical signals between a charging station and an electric vehicle via the connector during a charging process.
  • the contact element 114 represents the so-called pilot contact (Control Pilot/CP) and the contact element 115 represents the so-called proximity switch (Proximity Pilot/PP) and, in other words, are used for communication between the charging station and the electric vehicle during the charging process.
  • FIG. 1B shows the connector 100 from FIG. 1A in a schematic representation.
  • the illustration in FIG. 1B preferably focuses on the contact elements 111 and 112 of the connector 100, which, as already described, transmit electrical energy as load contact elements.
  • the illustration in FIG. 1B clearly shows that the contact elements 111 and 112 are accommodated or arranged in the insulating material sleeves 107 and 108 at least in sections.
  • leakage currents KS can occur during operation of the plug connector 100 along a section of surfaces of the insulating material.
  • a distance is also referred to as a so-called creepage distance and preferably represents the shortest distance along surfaces of the insulating material between conductive elements, here between the contact elements 111 and 112.
  • Such leakage currents KS can be dangerous both for the connector 100 as a charging connector, the connector 200 as a charging socket and thus for an electric vehicle during a charging process, and for a user of the connector 100 as a charging connector during handling.
  • creepage distances and also so-called air gaps must be dimensioned sufficiently.
  • An air gap is preferably the shortest distance in air between two conductive elements, here between the contact elements 111 and 112.
  • Leakage currents KS mainly result from a change in the insulating properties of the insulating material. Such changes are often caused by corresponding environmental conditions in which the connector 100 is operated. For example, moisture, dust and/or dirt within the plug-in section 102 promotes the formation of leakage currents on surfaces of the insulating material. So-called insulation faults then occur in the insulating material, and the insulation strength is thus reduced. In the case of the connector 100, this occurs primarily between the charging lines, i.e. the contact elements 111 and 112.
  • Figure 1B shows an example and schematically shows the course, that is, the creepage distance, along which a leakage current KS with a corresponding electrical voltage from the first Contact element 111 migrates in the direction of the second contact element 112 (or vice versa, depending on the electrical polarity or polarity of the contact elements 111 and 112).
  • connector 100 comprises a first sensor element 121 and a second sensor element 122, which are arranged and configured in insulating housing 101 in such a way that leakage current KS between first contact element 111 and the second contact element 112 to detect at least.
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 are preferably (spatially) arranged between the first contact element 111 and the second contact element 112 .
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 are arranged at a distance from one another.
  • the first sensor element 121 is preferably designed as an electrode or comprises at least one electrode.
  • the second sensor element 122 is preferably designed as an electrode or comprises at least one electrode.
  • first sensor element 121 and the second sensor element 122 are arranged and configured to detect a leakage current KS that occurs between the contact elements 111 and 112, which is the case with an insulation fault and thus with reduced electrical insulating properties of the insulating material.
  • first sensor element 121 and second sensor element 122 are arranged between contact elements 111 and 112 acting as high-voltage potentials, first sensor element 121 being assigned to first contact element 111 and second sensor element 122 to second contact element 112.
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 are each arranged and designed in such a way that the leakage current KS is channeled on corresponding surfaces of the insulating material housing 101, ie preferably on surfaces of the plug-in section 102.
  • a leakage current KS that is formed migrates or runs from the contact elements 111 and 112 in sections along the outer surfaces of the insulating material sleeves 107 and 108 in the direction of a transition region which is formed by the wall section 104 of the insulating material housing 101.
  • the wall section 104 extends essentially in the plug-in direction X at least partially and thus from the plug-in section 102 into the interior of the insulating material housing 101 and forms an end face 106.
  • the first sensor element 121 is integrated at least in sections in the wall section 104 of the insulating material housing 101 .
  • First sensor element 121 is preferably connected to the insulating material of wall section 104 in a materially bonded and/or at least non-positive manner or at least partially integrated into it.
  • the first sensor element 121 can be integrated in the wall section 104 by at least one casting process and/or by at least one spraying process of the insulating material.
  • the first sensor element 121 can be pressed into the wall section 104, preferably essentially in the insertion direction X.
  • the second sensor element 122 can also be correspondingly integrated into the wall section 104.
  • the wall section 104 with the first sensor element 121 and the second sensor element 122 delimits, among other things, the plug-in section 102 in the plug-in direction X and represents a constriction in relation to the creepage distance of the leakage current KS.
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 is formed and integrated in the wall section 104 in such a way that the wall section 104 and the first sensor element 121 as well as the second sensor element 122 form at least one essentially planar end face 105.
  • the essentially flat end face 105 is aligned and/or arranged essentially perpendicular to the plug-in direction X.
  • the essentially flat end face 105 preferably delimits the plug-in section 102 in the insertion direction X.
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 are each of essentially flat design, at least on one end face, and each close on the wall section to form the essentially flat end face 105 104 flush.
  • First sensor element 121 and second sensor element 122 extend, preferably essentially in plug-in direction X, at least through wall section 104 . It is possible for the first sensor element 121 and/or the second sensor element 122 to extend at least in sections into the plug-in section 102, preferably essentially in the plug-in direction X. In this exemplary embodiment of the connector, the first sensor element 121 and/or the second sensor element 122 can 100, at least in sections, be essentially cylindrical or essentially pin-shaped or essentially lance-shaped.
  • the first sensor element 121 and/or the second sensor element 122 penetrates the wall section 104, it is possible, in addition to the leakage currents KS forming in the plug-in section 102, to also detect leakage currents KS outside of the plug-in section 102 and thus inside the insulating housing 101, i.e. inside of the connector 100 to detect.
  • the first sensor element 121 and the second sensor element 122 of the connector 100 are connected to a monitoring unit 130 .
  • the monitoring unit 130 is preferably part of the plug connector 100 or alternatively arranged in a charging station which is connected to the plug connector 100 via a charging cable.
  • Monitoring unit 130 is configured to evaluate a leakage current KS present and detected at first sensor element 121 and/or at second sensor element 122 .
  • the monitoring unit 130 includes corresponding electrical and/or electronic components and elements and can preferably be equipped with its own, ie separate, housing in order to avoid environmental influences such as moisture, dirt and/or dust and their harmful effects.
  • an ingress of water into the insulating material housing 101 on the side opposite the plug-in section 102 and a leakage current KS or current flow that forms as a result can be detected, i.e. inside the insulating material housing 101, without the monitoring unit 130 itself being damaged or its function being impaired.
  • a leakage current KS in the area of the plug-in section 102 which emanates from the first contact element 111 and/or the second contact element 112, can also be detected and monitored by the monitoring unit 130 be evaluated.
  • the monitoring unit 130 includes a current measuring element 131, preferably an ammeter in the form of a Hall probe element 131.
  • the Hall probe element 131 is preferably configured to measure a current intensity in the detected leakage current KR. It is possible that, apart from a Hall probe element 131, other types or configurations of current sensor elements configured to measure at least a current magnitude at the detected leakage current KR can also be used or included.
  • Monitoring unit 130 also preferably comprises a comparison element 132, preferably in the form of a current measuring amplifier 132, which has a shunt resistance element and is configured to match at least the detected leakage current KR, i.e. the current strength of the leakage current KS measured by Hall probe element 131, with a predetermined or to compare with a predefined reference current and to initialize at least one shutdown of the transmission of electrical energy through the connector 100 via the first and the second contact element 111, 112, preferably via a communication element 133 of the monitoring unit 130.
  • the communication element 133 is configured to transmit communication signals with a charging station and/or with an electric vehicle in the course of a transmit and receive charging.
  • the communication element 133 is configured to generate signals and to transmit them to a charging station for appropriate control and/or to an electric vehicle in the course of a charging process. Furthermore, the communication element 133 is also configured to receive corresponding signals from a charging station, ie a control unit of a charging station, and/or from an electric vehicle, ie a charging control device of an electric vehicle. Information about a critical operating state of the plug connector 100 can thus preferably also be transmitted to an electric vehicle in the course of a charging process via the contact element 114 as a pilot contact. A controller of the electric vehicle can then also initiate a shutdown of the transmission of electrical energy.
  • Figure 2A shows a front view of a mating face 203 with a mating portion 202 of an embodiment of the connector 200 according to the present invention as a charging socket.
  • the connector according to the present invention can also be configured and/or designed as a charging socket 200.
  • a plug connection can be formed essentially in the plugging direction X in order to transmit electrical energy and/or electrical signals. This is clearly shown schematically in FIG.
  • the plug connector 200 as a charging socket, has essentially identical components and elements and/or components and elements with at least identical function with respect to the components and elements of the plug connector 100 described above with reference to FIGS. 1A and 1B. In other words, connector 200 forms a mating connector to connector 100.
  • the mating face 203 with the mating section 202 is part of the insulating housing 201 of the connector 200.
  • the insulating housing 201 of the connector 200 can be produced, for example, by the same method as the insulating housing 101 of the connector 100.
  • the connector 200 is a charging socket to the connector 100 as Charging connector designed more or less complementary in terms of geometric dimensions and includes in the plug-in section 202, a first contact element 211 and a second contact element 212 for the transmission of electrical energy.
  • the first contact element 211 and the second contact element 212 are spaced apart from one another as load contact elements and configured to form a plug-in connection with the contact elements 111 and 112 of the connector 100 .
  • the contact elements 211 and 212 are designed to be essentially pin-shaped, complementary to the contact elements 111 and 112 .
  • the connector 200 includes the contact element 213 as a protective contact element (so-called PE contact element), the contact element 214 as a pilot contact (Control Pilot/CP) and the contact element 215 as a proximity switch (Proximity Pilot/PP).
  • the contact elements 213 to 215 are associated with each other when a plug-in connection is formed between the plug connector as charging plug 100 and the plug connector as charging socket 200 essentially in the plug-in direction X and make contact with one another in order to provide the corresponding communication functions between a charging station and an electric vehicle during the course of a charging process.
  • a leakage current KS can set in between the first contact element 211 and the second contact element 212, which is described in more detail below with reference to FIG. 2B.
  • FIG. 2B shows the connector 200 from FIG. 2A in a schematic representation.
  • a first sensor element 221 and a second sensor element 222 are designed in this way and are integrated at least in sections between the first contact element 211 and the second contact element 212 in a wall section 204 of the insulating material housing 201, which is preferably a middle or central wall section of the plug-in section 202, in this way that the wall section 204 and the first sensor element 221 and the second sensor element 222 form a substantially flat end face 205.
  • the first sensor element 221 is also arranged at a distance from the second sensor element 222 .
  • the essentially planar end face 205 is aligned and/or arranged essentially perpendicularly to the insertion direction X.
  • the substantially flat end face 205 delimits the plug-in section 202 in the plug-in direction X.
  • the wall section 104 forms the end face 206 outside of the plug-in section 202, i.e. inside the insulating material housing 201 of the connector 200.
  • the first sensor element 221 and the second sensor element 222 extend through the wall section 204 to the corresponding end faces 205 and 206. With the sensor elements 221 and 222 it is possible to detect a further leakage current KS inside the Connector 200, that is within the insulating housing To detect 201 of the connector 200 as a charging socket.
  • the detection and evaluation takes place analogously to the connector 100 with the aid of a monitoring unit 230.
  • the monitoring unit 230 is preferably configured and/or designed identically to the monitoring unit 130 in Figure 1B, and comprises a current measuring element in the form of a Hall probe element 231, a comparison element 232 in Form of a current sense amplifier and a communication element 233.
  • Figure 2B also shows that if an electrically conductive medium M, such as water, is present in the plug-in section 202 (shown here in the area of the first contact element 211), a corresponding leakage current KS can occur and be detected at least with the first sensor element 221 , which can be evaluated analogously to the above description and passed on to a charging station and/or an electric vehicle, for example, via the communication element 233 in the form of corresponding signals.
  • an electrically conductive medium M such as water
  • the plug connector 200 can also have a first removal element 241 and preferably a second removal element 242.
  • the first discharge element 241 and the second discharge element 242 can, for example, each be designed as a channel or each as a hose.
  • the first discharge element 241 is assigned to the first contact element 211 and the second discharge element 242 is assigned to the second contact element 212 and is used to empty the plug-in section 202 of the corresponding medium M.
  • FIG. 3 shows an arrangement 300 for forming a plug connection in order to transmit electrical energy and/or electrical signals.
  • the arrangement 300 comprises the connector 100 from FIGS. 1A and 1B, which is designed as a charging connector, and the connector 200 from FIGS. 2A and 2B, which is designed as a charging socket.
  • the plug-in connector 100 and the plug-in connector 200 form a plug-in connection as the first and second plug-in connector 100, 200 essentially in the plug-in direction X.
  • first sensor element 121 of connector 100 contacts first sensor element 221 of connector 200, preferably via a spring element 301.
  • Spring element 301 can be connected, for example, to first sensor element 121 of connector 100 or to first sensor element 221 of connector 200 .
  • This allows, for example, a Detection of leakage currents KS (not shown in Figure 3 for reasons of clarity) either through the connector 100 or through the connector 200 and thus through a single connector 100, 200.
  • Figure 4 shows an equivalent circuit diagram of a connector 100 from Figures 1A and 1B with the monitoring unit 130, the connector 100 preferably being used, among other things, to detect the entry of an electrically conductive medium M into the plug-in section 102 or into the interior of the insulating housing 101 by detecting a Leakage current KS is configured.
  • FIG. 4 shows the voltage ratios with the partial voltages Ul, U2 and U2 between the two contact elements 111 and 112 and the two sensor elements 121 and 122 along the creepage distance of the leakage current KS, which are represented by the partial distances D1, D2 and D3.
  • D2 characterizes the partial distance as the resulting geometric distance between the first sensor element 121 and the second sensor element 122.
  • the sum of the partial voltages Ul, U2 and U3 results in a total voltage UG between the first and the second contact element 111, 112.
  • the resistance of the insulating material between the first contact element 111 and the first sensor element 121 and between the second contact element 112 and the second sensor element 122 is symbolized in each case by a resistance R_l.
  • the resistances R_l change accordingly and become lower, which leads to the formation of leakage currents KS along the surface of the insulating material of the insulating material housing 101.
  • the values of the resistors R_l can, for example, be more than 10 MOhm in the normal case, that is to say when no leakage currents KS form.
  • the resistance R_12 present between the first sensor element 121 and the second sensor element 122 is very low due to the electrical connection to one another in the area of the monitoring unit 130 .
  • the electrical voltage U2 between the first sensor element 121 and the second sensor element 122 is therefore very low, for example less than I V.
  • the monitoring unit 130 and preferably the comparison element 132 of the monitoring unit 130 is configured to detect an exceeding of a measured current, preferably a current intensity measured by the current measuring element 131 at the first sensor element 121 and/or the second sensor element 122 in relation to a reference current and preferably at least to initiate a shutdown of the transmission of electrical energy as soon as a detected leakage current KS exceeds the reference current.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the idea of the invention and therefore fall within the scope of protection.
  • the present invention also claims protection for the subject-matter and features of the subclaims independently of the claims referred to.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder (100, 200) zur Ausbildung einer Steckverbindung in einer Steckrichtung (X), um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder (100, 200) ein Isolierstoffgehäuse (101, 201) mit einem Steckabschnitt (102, 202) aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts (103, 203) zumindest ein erstes Kontaktelement (111, 211) und zumindest ein zweites Kontaktelement (112, 212) aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement (111, 211) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (112, 212) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zumindest ein erstes Sensorelement (121, 221) und zumindest ein zweites Sensorelement (122, 222) in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) derart angeordnet und konfiguriert sind, einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen ersten Sensorelement (121, 221), und/oder einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) und dem zumindest einen zweiten Sensorelement (122, 222) zu erfassen. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung (300) mit einem ersten Steckverbinder (100) als Ladestecker und mit einem zweiten Steckverbinder (200) als Ladesteckdose sowie ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms (KS) in einem Steckverbinder (100, 200).

Description

Steckverbinder mit einem ersten und einem zweiten Sensorelement zur Erfassung eines Kriechstroms, Anordnung mit zwei Steckverbindern und Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektromobilität und betrifft einen Steckverbinder, welcher als Ladesteckdose für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und/oder welcher als Ladestecker für eine Ladesäule zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale ausgebildet ist. Der Steckverbinder weist zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement zur Erfassung eines Kriechstroms zwischen zumindest einem ersten Kontaktelement und zumindest einem zweiten Kontaktelement auf, um eine Überwachung der Isolationsfestigkeit des Steckverbinders gewährleisten und vor allem Isolationsfehler erkennen zu können. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit zwei Steckverbindern und ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder.
Im Bereich der Elektromobilität wird im Rahmen des Ladevorgangs von Akkumulatoren eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs) in der Regel ein standardisierter Steckverbinder in Form eines Ladesteckers zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem standardisierten Steckverbinder in Form einer Ladesteckdose verwendet. Die jeweiligen Steckverbinder können beispielsweise nach der Norm IEC 62196-3-1 spezifiziert sein, welche ferner Gleichstrom-Ladevorgänge für Elektrofahrzeuge mit einem Pilotkontaktelement und einem Kontrollkontaktelement betrifft. Um entsprechende Kompatibilität zur Ausbildung einer Steckverbindung zu gewährleisten, sind Anforderungen an die geometrischen Abmessungen der Steckverbinder, vor allem in Bezug auf das Steckgesicht, normiert und standardisiert. Zudem werden Umweltanforderungen, Luftstrecken, Kriechstrecken und Überspannungskategorien in Normen und Spezifikationen festgelegt.
Isolationsfestigkeiten an elektrischen Komponenten und Bauteilen aus Isolierstoffen werden bei geerdeten Netzen beispielsweise mit Hilfe von Überwachungseinrichtungen geprüft. Allerdings existieren beispielsweise bislang keine Lösungen zur Erfassung von Isolationsfehlern zwischen den Potentialen am Minuspol und am Pluspol in Verbindung mit Gleichstrom-Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, wohingegen ein Leitungsschutz gefordert wird und vom Hersteller des Ladesystems angegeben werden muss.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Erfassung von Isolationsfehlern und damit in Zusammenhang stehenden Kriechströmen bekannt. Aus der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 2020/114593 Al ist eine Vorrichtung zum Messen des so genannten Leckstroms mit Hilfe von zwei Elektroden bekannt, wobei die Elektroden in einem Leckstrompfad angeordnet sind. Ein Energiespeicher in Form eines Kondensators ist mit den Elektroden elektrisch verbunden, sodass er durch den Leckstrom aufgeladen werden kann. Sobald ein vorbestimmter Spannungswert erreicht ist oder überschritten wird, sendet ein Funkmodul, welches wiederum mit dem Energiespeicher verbunden ist, ein entsprechendes Funksignal.
Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 41 00 586 Al betrifft eine Hochspannungs- Gleichspannungsanlage mit einem mit Gleichspannung beaufschlagten Aktivteil, welches mittels eines Isolierteils gegenüber auf niedrigerem Potential liegenden Anlagenteilen abgestützt ist. Das Aktivteil wird über das Isolierteil und eine geerdete Metallkapselung abgestützt. Eine Elektrode ist auf dem Isolierteil aufgebracht oder darin integriert, um Leckströme von dem Aktivteil entlang der Oberfläche des Isolierteils zu erfassen. Treten bei der Hochspannungs-Gleichspannungsanlage Leckströme entlang der Oberfläche des Isolierteils auf, so fließen diese vom Aktivteil über das Isolierteil in die Elektrode und von dort durch einen Leiter, ein Detektionsnetzwerk und durch einen weiteren Leiter zum niedrigeren Potential der Metallkapselung. Sobald die Leckströme kritische Werte erreichen, wird im Detektionsnetzwerk ein Signal initiiert, vorzugsweise ein Lichtsignal, welches entweder für eine Direktanzeige verwendet oder durch den Signalausgang in eine Auswerteeinheit geschickt wird.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf die veröffentlichten Druckschriften WO 2004/089207 Al, DE 10 2013 220 178 Al, DE 10 2008 022 373 Al und EP 2 115 398 Bl, DE 10 2018 130 830 B3, NL7309539, DE 10 2015 200 203 Al und DE 10 2010 042 394 Al hingewiesen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Steckverbinder zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale, vorzugsweise für einen Ladevorgang eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs), bereitzustellen, bei welchem jeweils eine Überwachung der Isolationsfestigkeit und vor allem eine Erfassung von Isolationsfehlern, vorzugsweise zwischen Kontaktelementen zur Übertragung elektrischer Energie in Form von Gleichstrom, gewährleistet ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mit zwei Steckverbindern und ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 14 gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft nach einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt einen Steckverbinder zur Ausbildung einer Steckverbindung im Wesentlichen in einer Steckrichtung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder ein Isolierstoffgehäuse mit einem Steckabschnitt aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts zumindest ein erstes Kontaktelement und zumindest ein zweites Kontaktelement aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zumindest ein erstes Sensorelement und zumindest ein zweites Sensorelement in dem Isolierstoffgehäuse derart angeordnet und konfiguriert sind, einen Kriechstrom zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen ersten Sensorelement, und/oder einen Kriechstrom zwischen dem zumindest einen zweiten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Sensorelement zu erfassen.
Das zumindest eine erste Kontaktelement und das zumindest eine zweite Kontaktelement ist vorzugsweise jeweils als ein Lastkontaktelement zur Übertragung elektrischer Energie ausgebildet.
Der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Ladestecker und/oder als Ladesteckdose ausgebildet sein, welche zur Ausbildung einer Steckverbindung miteinander konfiguriert sind.
Mit der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise ein Steckverbinder bereitgestellt, bei welchem Schäden und vor allem Gefahren durch entstehende Kriechströme vermieden werden können. Ferner kann bei dem Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung ein Eintritt und/oder ein Vorhandensein eines Mediums, vorzugsweise eines elektrisch leitenden flüssigen Mediums, erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise die Einleitung einer Abschaltung des Ladevorgangs eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (Elektrofahrzeugs).
Somit kann beispielsweise das Eindringen von Wasser durch einen Bruch oder Riss des Isolierstoffgehäuses des Steckverbinders erkannt werden. Ebenso kann dadurch beispielsweise auch ein Eindringen von Weichtieren und sonstigen Fremdkörpern erkannt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine erste Sensorelement und das zumindest eine zweite Sensorelement voneinander beabstandet angeordnet sind, und dass das zumindest eine erste Sensorelement dem zumindest einen ersten Kontaktelement zugeordnet ist, um eine Kanalisierung des Kriechstroms an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses herbeizuführen, und/oder dass das zumindest eine zweite Sensorelement dem zumindest einen zweiten Kontaktelement zugeordnet ist, um eine Kanalisierung des Kriechstroms an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses herbeizuführen.
Dadurch kann ein Auftreten eines Kriechstroms an der Oberfläche des Isolierstoffs zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement optimal erfasst werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses, vorzugsweise zur Begrenzung des Steckabschnitts in der Steckrichtung und/oder vorzugsweise an einer Engstelle, zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement integriert ist, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig integriert ist, wobei sich der Wandabschnitt zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung und/oder im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung erstreckt.
Der Wandabschnitt kann ein Seitenwandabschnitt im Inneren des Steckabschnitts sein und ferner zum Halten oder zum Tragen des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweiten Kontaktelements ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass sich der Wandabschnitt im Wesentlichen in der Steckrichtung zumindest abschnittsweise erstreckt und zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement angeordnet ist.
Es ist möglich, dass das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement ausgebildet ist und derart in dem Wandabschnitt integriert ist, dass der Wandabschnitt und das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement zumindest eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche bilden, welche vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung ausgerichtet ist und/oder welche vorzugsweise den Steckabschnitt in der Steckrichtung begrenzt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und/oder im Wesentlichen flach ausgebildet ist und/oder vorzugsweise zur Bildung einer im Wesentlichen ebenen Stirnfläche an einem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses im Wesentlichen bündig anschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung, zumindest durch den Wandabschnitt hindurch erstreckt, und/oder sich vorzugsweise in den Steckabschnitt zumindest abschnittsweise erstreckt, und/oder dass das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen stiftförmig oder im Wesentlichen lanzenförmig ausgebildet ist.
Es ist möglich, dass das zumindest eine erste Sensorelement und das zumindest eine zweite Sensorelement jeweils zumindest eine Elektrode umfasst oder jeweils als eine Elektrode ausgebildet ist.
Die Elektrode kann aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, vorzugsweise einem metallischen Werkstoff, ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Elektrode eine sehr niedrige Impedanz und/oder einen sehr niedrigen Widerstandswert auf, zum Beispiel kleiner als 1 Ohm.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine erste Sensorelement und das zumindest eine zweite Sensorelement miteinander verbunden sind, vorzugsweise außerhalb des Steckabschnitts miteinander verbunden sind, um einen Querstrom, welcher vorzugsweise aus einem Kriechstrom resultiert, zwischen dem zumindest einen ersten Sensorelement und dem zumindest einen zweiten Sensorelement zu erfassen.
Es ist möglich, dass das zumindest eine erste Sensorelement und das zumindest eine zweite Sensorelement mit einer Überwachungseinheit verbunden ist, wobei die Überwachungseinheit konfiguriert ist, einen an dem zumindest einen ersten Sensorelement und/oder einen an dem zumindest einen zweiten Sensorelement anliegenden Kriechstrom auszuwerten. Die Überwachungseinheit kann zumindest ein Strommesselement, vorzugsweise in Form eines Hall- Sondenelements umfassen, wobei das zumindest eine Strommesselement vorzugsweise konfiguriert ist, zumindest eine Stromstärke des erfassten Kriechstroms zu messen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Überwachungseinheit zumindest ein Vergleichselement umfasst, wobei das zumindest eine Vergleichselement konfiguriert ist, einen an dem zumindest einen ersten Sensorelement und/oder einen an dem zumindest einen zweiten Sensorelement erfassten Kriechstrom mit einem Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, zu vergleichen und vorzugsweise eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder zu initialisieren.
Es ist möglich, dass das Isolierstoffgehäuse zur Trockenlegung des zumindest einen ersten Kontaktelements und des zumindest einen zweiten Kontaktelements zumindest ein Abführelement, vorzugsweise jeweils ein Abführelement, aufweist, und das zumindest eine Abführelement, vorzugsweise das jeweilige Abführelement, derart in dem Isolierstoffgehäuse angeordnet und konfiguriert ist, ein im Steckabschnitt befindliches Medium, vorzugsweise fließbares oder gießbares Medium, aus dem Steckabschnitt abzuführen.
Die Erfindung betrifft nach einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt eine Anordnung zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, umfassend einen ersten Steckverbinder wie hierin offenbart, wobei der erste Steckverbinder als Ladestecker ausgebildet ist, und einen zweiten Steckverbinder wie hierin offenbart, wobei der zweite Steckverbinder als Ladesteckdose ausgebildet ist, und vorzugsweise bei Ausbildung der Steckverbindung das zumindest eine erste Sensorelement des ersten Steckverbinders das zumindest eine erste Sensorelement des zweiten Steckverbinders und das zumindest eine zweite Sensorelement des ersten Steckverbinders das zumindest eine zweite Sensorelement des zweiten Steckverbinders kontaktiert, vorzugsweise über ein Federelement.
Es ist möglich, dass der erste Steckverbinder in Form des Ladesteckers das Federelement, vorzugsweise genau ein Federelement, aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der zweite Steckverbinder in Form der Ladesteckdose das Federelement, vorzugsweise genau ein Federelement, aufweist. Das Federelement kann zumindest abschnittsweise in dem Steckabschnitt, vorzugsweise zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement angeordnet sein. Es ist möglich, dass das Federelement zumindest abschnittsweise in dem Wandabschnitt des Isolierstoffgehäuses, vorzugsweise zur Begrenzung des Steckabschnitts in der Steckrichtung und/oder vorzugsweise an einer Engstelle, zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement integriert ist. Das Federelement kann mit dem zumindest einen ersten Sensorelement und/oder mit dem zumindest einen zweiten Sensorelement verbunden sein.
Es ist auch möglich, dass das zumindest eine erste Sensorelement und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement zumindest abschnittsweise als Federelement ausgebildet ist und/oder zumindest abschnittsweise ein Federelement umfasst. Das Federelement kann sich vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung in dem Steckabschnitt erstrecken.
Damit kann beispielsweise im Weiterem gewährleistet werden, dass mittels des ersten Steckverbinders in Form des Ladesteckers auch der zweite Steckverbinder in Form der Ladesteckdose hinsichtlich der Ausbildung von Leckströmen oder Kriechströmen überwacht werden kann und umgekehrt.
Die Erfindung betrifft nach einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt ein Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms in einem Steckverbinder, wobei der Steckverbinder wie hierin offenbart konfiguriert ist, wobei ein Kriechstrom durch zumindest ein erstes Sensorelement und/oder durch zumindest ein zweites Sensorelement erfasst wird; der erfasste Kriechstrom in einer Überwachungseinheit mit einem Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, verglichen wird, und zumindest eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie initialisiert wird, sobald der erfasste Kriechstrom den Referenzstrom überschreitet. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise unter anderem mit der Überwachungseinheit ausgeführt werden, welche hierzu konfiguriert ist und entsprechende Komponenten und Elemente, wie hierin offenbart, aufweist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein auf die Vorrichtung des erfindungsgemäßen Steckverbinders gerichtete und/oder damit in Zusammenhang offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere oder andere Einzelheiten und vorteilhafte Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A ein Steckgesicht mit einem Steckabschnitt eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladestecker in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 1B den Steckverbinder aus Figur 1A in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2A ein Steckgesicht mit einem Steckabschnitt eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose in einer Frontansicht;
Fig. 2B den Steckverbinder aus Figur 2A in einer schematischen Darstellung;
Fig. 3 den Steckverbinder aus den Figuren 1A und 1B und den Steckverbinder aus den Figuren 2A und 2B bei zumindest teilweiser Ausbildung einer Steckverbindung in einer schematischen Darstellung;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Steckverbinders aus den Figuren 1A und 1B mit einer Überwachungseinheit.
Gleiche oder funktional äquivalente Komponenten oder Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Zu deren Erläuterung wird teilweise auch auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele und/oder Figuren verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die folgende detaillierte Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dient zur näheren Veranschaulichung oder Verdeutlichung und soll den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken.
Figur 1A zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Steckgesicht 103 mit einem Steckabschnitt 102 eines Ausführungsbeispiels eines Steckverbinders 100 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladestecker. Der Steckverbinder 100 ist als Ladestecker zur Ausbildung einer Steckverbindung mit einem Steckverbinder 200 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose (siehe hierzu Figuren 2A bis 3) im Wesentlichen in der Steckrichtung X konfiguriert, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Der Steckverbinder 100, 200 ist somit in einem Ausführungsbeispiel als Ladestecker 100 konfiguriert und in einem weiteren Ausführungsbeispiel als Ladesteckdose 200 für ein Elektrofahrzeug oder als Ladesteckdose 200 eines Elektrofahrzeugs konfiguriert.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur 1A ein Griffelement des Steckverbinders 100 zur Handhabung sowie ein Anschlussabschnitt des Steckverbinders 100 für ein Ladekabel zur Verbindung mit einer Ladesäule einer Ladestation nicht gezeigt. Der Steckverbinder 100 ist vorzugsweise über ein Ladekabel mit einer Ladesäule einer Ladestation fest verbunden, wobei die Ladesäule elektrische Energie zum Laden von Akkumulatoren elektrisch antreibbarer Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge) bereitstellt.
Der Steckverbinder 100 in Figur 1A ist vorzugsweise nach der Norm IEC 62196-3 spezifiziert oder basiert vorzugsweise zumindest teilweise auf den Anforderungen der Norm IEC 62196-3. Mit anderen Worten kann der Steckverbinder 100 nach dem Combined Charging System- (CCS-) Stecker-System-Standard als so genannter Combo-2-Ladesteckverbinder ausgebildet und/oder spezifiziert sein. Es ist alternativ möglich, dass der Steckverbinder 100 nach einem anderen Standard oder nach einer anderen Norm oder nach einer anderen Spezifikation, beispielsweise nach dem „CHAdeMO-Standard" oder nach der „ChaoJi stacked-Spezifikation", ausgebildet und/oder spezifiziert ist.
Der Steckverbinder 100 umfasst ein Isolierstoffgehäuse 101, das heißt ein Gehäuse aus einem isolierenden Werkstoff mit inhärenten elektrischen Isoliereigenschaften. Der Steckabschnitt 102 ist Bestandteil des Isolierstoffgehäuses 101. Eine Stirnseite des Steckabschnitts 102, vorzugsweise in der Steckrichtung X, dient zur Bildung des Steckgesichts 103 des Steckverbinders 100. Das Isolierstoffgehäuse 101 kann mehrteilig ausgebildet sein. Das Isolierstoffgehäuse 101 kann beispielsweise durch zumindest einen Gießvorgang und/oder durch zumindest einen Spritzvorgang mit einem Isolierstoff hergestellt sein.
Der Steckverbinder 100 dient vorzugsweise zum Laden von Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen mittels Gleichstrom und umfasst hierzu ein erstes Kontaktelement 111 und ein zweites Kontaktelement 112. Eine an den Kontaktelementen 111 und 112 anliegende Ladespannung während eines Ladevorgangs kann beispielsweise in einem Bereich von 400 V bis 800 V liegen und ist daher relativ hoch. Das erste Kontaktelement 111 und das zweite Kontaktelement 112 ist jeweils als Lastkontaktelement konfiguriert und zumindest abschnittsweise im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet, um jeweils ein komplementäres, das heißt ein entsprechend konfiguriertes und ausgebildetes Kontaktelement 211, 212 eines Steckverbinders 200 (siehe hierzu Figuren 2A bis 3) mechanisch zumindest formschlüssig und/oder zumindest teilweise kraftschlüssig bei Ausbildung einer Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder 100 als Ladestecker und dem Steckverbinder 200 als Ladesteckdose im Wesentlichen in der Steckrichtung X aufzunehmen. Sowohl das erste Kontaktelement 111 als auch das zweite Kontaktelement 112 ist jeweils von einer Isolierstoffhülse 107 und 108 und somit einer Hülse aus isolierendem Werkstoff umgeben oder ummantelt. Das erste Kontaktelement 111 und das zweite Kontaktelement 112 sind in dem Steckabschnitt 102 aufgenommen und voneinander beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 ist in Figur 1A mit dem Bezugszeichen D gekennzeichnet.
Wände und/oder Wandabschnitte des Steckabschnitts 102, vorzugsweise umfassend die Isolierstoffhülsen 107 und 108, sind vorzugsweise integral einstückig ausgebildet. Es ist allerdings beispielsweise alternativ möglich, dass die Isolierstoffhülsen 107 und 108 zum Schutz der Kontaktelemente 111 und 112 als Einzelteile, das heißt als einzeln hergestellte Komponenten oder Elemente, in entsprechende Wandabschnitte des Steckabschnitts 102 und somit des Isolierstoffgehäuses 101 beispielsweise geschraubt sind.
Der Steckverbinder 100 umfasst die weiteren Kontaktelemente 113 bis 115, welche in einem weiteren Bereich des Steckabschnitts 102 in entsprechenden Isolierstoffhülsen (in Figur 1A nicht näher gekennzeichnet) aufgenommen oder angeordnet sind und nachfolgend nur kurz beschrieben werden. Das Kontaktelement 113 dient als Schutzkontaktelement (so genanntes PE- Kontaktelement). Die Kontaktelemente 114 und 115 dienen zur Übertragung elektrischer Signale zwischen einer Ladesäule und einem Elektrofahrzeug über den Steckverbinder im Zuge eines Ladevorgangs. Das Kontaktelement 114 stellt den so genannten Pilotkontakt (Control Pilot/CP) und das Kontaktelement 115 den so genannten Proximity-Schalter (Proximity Pilot/PP) dar und dienen mit anderen Worten zur Kommunikation zwischen der Ladesäule und dem Elektrofahrzeug im Zuge des Ladevorgangs.
Der Ladestecker 100 umfasst weitere Komponenten und Elemente, auf welche vor dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung nachfolgend näher eingegangen wird. Figur IB zeigt den Steckverbinder 100 aus Figur 1A in einer schematischen Darstellung. Die Darstellung in Figur 1B fokussiert sich vorzugsweise auf die Kontaktelemente 111 und 112 des Steckverbinders 100, welche, wie bereits beschrieben, als Lastkontaktelemente elektrische Energie übertragen. Aus der Darstellung in Figur 1B ergibt sich anschaulich, dass die Kontaktelemente 111 und 112 zumindest abschnittsweise in den Isolierstoffhülsen 107 und 108 aufgenommen oder angeordnet sind.
Aufgrund der auftretenden relativ hohen elektrischen Spannungen und der entsprechenden Anordnung der Kontaktelemente 111 und 112 in dem Isolierstoffgehäuse 101, genauer gesagt in dem Steckabschnitt 102 des Isolierstoffgehäuses 101, können beim Betrieb des Steckverbinders 100 entlang einer Strecke an Oberflächen des Isolierstoffs so genannte Kriechströme KS auftreten. Eine solche Strecke wird auch als so genannte Kriechstrecke bezeichnet und stellt vorzugsweise die kürzeste Entfernung entlang von Oberflächen des Isolierstoffs zwischen leitenden Elementen, hier zwischen den Kontaktelementen 111 und 112, dar.
Derartige Kriechströme KS können sowohl für den Steckverbinder 100 als Ladestecker, den Steckverbinder 200 als Ladesteckdose und somit für ein Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs, als auch für einen Anwender des Steckverbinders 100 als Ladestecker im Zuge der Handhabung gefährlich sein. Um vor allem Anwender vor den Auswirkungen elektrischer Betriebsspannungen zu schützen, welche an den Kontaktelementen 111 und 112 anliegen, ist eine ausreichende Bemessung von Kriechstrecken und im Weiteren auch von so genannten Luftstrecken erforderlich. Eine Luftstrecke ist vorzugsweise die kürzeste Entfernung in Luft zwischen zwei leitenden Elementen, hier zwischen den Kontaktelementen 111 und 112.
Kriechströme KS resultieren vor allem durch eine Änderung der Isolationseigenschaften des Isolierstoffs. Derartige Änderungen werden häufig durch entsprechende Umgebungsbedingungen, bei welchen der Steckverbinder 100 betrieben wird, hervorgerufen. So begünstigt beispielsweise Feuchtigkeit, Staub und/oder Schmutz innerhalb des Steckabschnitts 102 die Bildung von Kriechströmen an Oberflächen des Isolierstoffs. An dem Isolierstoff treten sodann so genannte Isolationsfehler auf, die Isolationsfestigkeit wird somit herabgesetzt. Im Fall des Steckverbinders 100 geschieht dies vor allem zwischen den Ladeleitungen, das heißt den Kontaktelementen 111 und 112.
Figur 1B 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.
Um die Ausbildung eines derartigen, mitunter gefährlichen Zustands zu vermeiden, umfasst der Steckverbinder 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ein erstes Sensorelement 121 und ein zweites Sensorelement 122, welche in dem Isolierstoffgehäuse 101 derart angeordnet und konfiguriert sind, den Kriechstrom KS zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 zumindest zu erfassen. Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 ist vorzugsweise (räumlich) zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem zweiten Kontaktelement 112 angeordnet. Ferner sind das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 voneinander beabstandet angeordnet. Das erste Sensorelement 121 ist vorzugsweise als Elektrode ausgebildet oder umfasst zumindest eine Elektrode. Das zweite Sensorelement 122 ist vorzugsweise als Elektrode ausgebildet oder umfasst zumindest eine Elektrode. Mit anderen Worten sind das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 angeordnet und konfiguriert, einen auftretenden Kriechstrom KS zwischen den Kontaktelementen 111 und 112 zu erfassen oder zu detektieren, was bei einem Isolationsfehler und somit bei verminderten elektrischen Isoliereigenschaften des Isolierstoffs der Fall ist. Mit anderen Worten sind das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 zwischen den als Hochvoltpotentialen wirkenden Kontaktelementen 111 und 112 angeordnet, wobei das erste Sensorelement 121 dem ersten Kontaktelement 111 und das zweite Sensorelement 122 dem zweiten Kontaktelement 112 zugeordnet.
Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 sind jeweils derart angeordnet und ausgebildet, eine Kanalisierung des Kriechstroms KS an entsprechenden Oberflächen des Isolierstoffgehäuses 101, das heißt vorzugsweise an Oberflächen des Steckabschnitts 102, herbeizuführen. Wie sich aus Figur 1B ergibt, wandert oder verläuft ein sich bildender Kriechstrom KS von den Kontaktelementen 111 und 112 ausgehend abschnittsweise entlang der äußeren Oberflächen der Isolierstoffhülsen 107 und 108 in Richtung eines Übergangsbereichs, welcher durch den Wandabschnitt 104 des Isolierstoffgehäuses 101 gebildet wird. Der Wandabschnitt 104 erstreckt sich im Wesentlichen in der Steckrichtung X zumindest teilweise und somit von dem Steckabschnitt 102 in das Innere des Isolierstoffgehäuses 101 und bildet eine Stirnfläche 106.
Das erste Sensorelement 121 ist zumindest abschnittsweise in dem Wandabschnitt 104 des Isolierstoffgehäuses 101 integriert. Vorzugsweise ist das erste Sensorelement 121 mit dem Isolierstoff des Wandabschnitts 104 stoffschlüssig und/oder zumindest kraftschlüssig verbunden oder darin zumindest abschnittsweise integriert. Mit anderen Worten kann das erste Sensorelement 121 in dem Wandabschnitt 104 durch zumindest einen Gießvorgang und/oder durch zumindest einen Spritzvorgang des Isolierstoffs integriert sein. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass das erste Sensorelement 121 in den Wandabschnitt 104 gepresst ist, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung X. In Analogie zu dem ersten Sensorelement 121 kann auch das zweite Sensorelement 122 in den Wandabschnitt 104 entsprechend integriert sein.
Der Wandabschnitt 104 mit dem ersten Sensorelement 121 und dem zweiten Sensorelement 122 begrenzt unter anderem den Steckabschnitt 102 in der Steckrichtung X und stellt eine Engstelle in Bezug auf die Kriechstrecke des Kriechstroms KS dar. Wie sich aus Figur 1B ergibt, ist das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 ausgebildet und derart in dem Wandabschnitt 104 integriert, dass der Wandabschnitt 104 und das erste Sensorelement 121 sowie das zweite Sensorelement 122 zumindest eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 bilden. Die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung X ausgerichtet und/oder angeordnet. Vorzugsweise begrenzt die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 105 den Steckabschnitt 102 in der Steckrichtung X. Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 sind jeweils zumindest an einer Stirnseite im Wesentlichen flach ausgebildet, und schließen zur Bildung der im Wesentlichen ebenen Stirnfläche 105 jeweils an dem Wandabschnitt 104 bündig an.
Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 erstrecken sich, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung X, zumindest durch den Wandabschnitt 104 hindurch. Es ist möglich, dass sich das erste Sensorelement 121 und/oder das zweite Sensorelement 122 zumindest abschnittsweise in den Steckabschnitt 102 erstrecken, vorzugsweise im Wesentlichen in der Steckrichtung X. Das erste Sensorelement 121 und/oder das zweite Sensorelement 122 kann bei diesem Ausführungsbeispiel des Steckverbinders 100 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen stiftförmig oder im Wesentlichen lanzenförmig ausgebildet sein. Nachdem das erste Sensorelement 121 und/oder das zweite Sensorelement 122 den Wandabschnitt 104 durchdringt, ist es möglich, zusätzlich zu den in dem Steckabschnitt 102 bildenden Kriechströmen KS auch Kriechströme KS außerhalb des Steckabschnitts 102 und somit im Inneren des Isolierstoffgehäuses 101, das heißt im Inneren des Steckverbinders 100 zu erfassen.
Das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 des Steckverbinders 100 sind mit einer Überwachungseinheit 130 verbunden. Wie sich aus der Darstellung in Figur 1B ferner ergibt, sind das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 elektrisch miteinander verbunden. Die Überwachungseinheit 130 ist vorzugsweise Bestandteil des Steckverbinders 100 oder alternativ in einer Ladesäule angeordnet, welche über ein Ladekabel mit dem Steckverbinder 100 verbunden ist. Die Überwachungseinheit 130 ist konfiguriert, einen an dem ersten Sensorelement 121 und/oder einen an dem zweiten Sensorelement 122 anliegenden und erfassten Kriechstroms KS auszuwerten. Die Überwachungseinheit 130 umfasst entsprechende elektrische und/oder elektronische Komponenten und Elemente und kann vorzugsweise mit einem eigenen, das heißt separaten Gehäuse ausgestattet sein, um Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Schmutz und/oder Staub, und deren schädliche Auswirkungen zu vermeiden. Somit kann beispielsweise ein Wassereinbruch in das Isolierstoffgehäuse 101 auf der dem Steckabschnitt 102 gegenüberliegenden Seite und ein sich dadurch bildender Kriechstrom KS oder Stromfluss erfasst werden, das heißt im Inneren des Isolierstoffgehäuses 101, ohne dass die Überwachungseinheit 130 selbst beschädigt oder in ihrer Funktion beeinträchtigt wird.
Nachdem das erste Sensorelement 121 und das zweite Sensorelement 122 Zugang zu dem Steckabschnitt 102 haben, kann ferner auch ein Kriechstrom KS im Bereich des Steckabschnitts 102, welcher von dem ersten Kontaktelement 111 und/oder dem zweiten Kontaktelement 112 ausgeht, erfasst und von der Überwachungseinheit 130 ausgewertet werden.
Zur Auswertung eines erfassten Kriechstroms KS umfasst die Überwachungseinheit 130 ein Strommesselement 131, vorzugsweise einen Strommesser in Form eines Hall-Sondenelements 131. Das Hall-Sondenelement 131 ist vorzugsweise konfiguriert, eine Stromstärke bei dem erfassten Kriechstrom KR zu messen. Es ist möglich, dass abgesehen von einem Hall-Sondenelement 131 auch andere Arten oder Ausbildungen von Stromsensorelementen verwendet werden oder umfasst sein können, welche konfiguriert sind, zumindest eine Stromstärke bei dem erfassten Kriechstrom KR zu messen.
Ferner umfasst die Überwachungseinheit 130 vorzugsweise ein Vergleichselement 132 vorzugsweise in Form eines Strommessverstärkers 132, welcher ein Shunt-Widerstandelement aufweist und konfiguriert ist, zumindest den erfassten Kriechstrom KR, das heißt die durch das Hall- Sondenelement 131 gemessene Stromstärke des Kriechstroms KS mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom zu vergleichen und zumindest eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie durch den Steckverbinder 100 über das erste und das zweite Kontaktelement 111, 112 zu initialisieren, vorzugsweise über ein Kommunikationselement 133 der Überwachungseinheit 130. Das Kommunikationselement 133 ist konfiguriert, Kommunikationssignale mit einer Ladesäule und/oder mit einem Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs zu übermitteln und zu empfangen. Mit anderen Worten ist das Kommunikationselement 133 konfiguriert, Signale zu erzeugen und an eine Ladesäule zur entsprechenden Ansteuerung und/oder an ein Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs zu übertragen. Das Kommunikationselement 133 ist ferner auch konfiguriert, entsprechende Signale von einer Ladesäule, das heißt einer Steuereinheit einer Ladesäule, und/oder von einem Elektrofahrzeug, das heißt einem Ladesteuergerät eines Elektrofahrzeugs zu empfangen. Somit kann vorzugsweise über das Kontaktelement 114 als Pilotkontakt auch einem Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs eine Information über einen kritischen Betriebszustand des Steckverbinders 100 übermittelt werden. Eine Steuerung des Elektrofahrzeugs kann sodann ebenfalls eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie initialisieren.
Figur 2A zeigt in einer Frontansicht ein Steckgesicht 203 mit einem Steckabschnitt 202 eines Ausführungsbeispiels des Steckverbinders 200 gemäß der vorliegenden Erfindung als Ladesteckdose.
Neben der Konfiguration und/oder Ausbildung als Ladestecker 100 kann der Steckverbinder gemäß der vorliegenden Erfindung auch als Ladesteckdose 200 konfiguriert und/oder ausgebildet sein. Mit dem Steckverbinder als Ladestecker 100 und dem Steckverbinder als Ladesteckdose200 kann eine Steckverbindung im Wesentlichen in der Steckrichtung X ausgebildet werden, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Dies ist anschaulich schematisch in Figur 3 dargestellt.
Der Steckverbinder 200 weist als Ladesteckdose hinsichtlich der anhand der Figuren 1A und 1B oben beschriebenen Komponenten und Elemente des Steckverbinders 100 im Wesentlichen identische Komponenten und Elemente und/oder Komponenten und Elemente mit zumindest identischer Funktion auf. Mit anderen Worten bildet der Steckverbinder 200 einen Gegensteckverbinder zum Steckverbinder 100.
Demnach ist das Steckgesicht 203 mit dem Steckabschnitt 202 Bestandteil des Isolierstoffgehäuses 201 des Steckverbinders 200. Das Isolierstoffgehäuse 201 des Steckverbinders 200 kann beispielsweise nach dem identischen Verfahren hergestellt sein wie das Isolierstoffgehäuse 101 des Steckverbinders 100. Der Steckverbinder 200 ist als Ladesteckdose zu dem Steckverbinder 100 als Ladestecker hinsichtlich geometrischer Abmessungen mehr oder weniger komplementär ausgebildet und umfasst in dem Steckabschnitt 202 ein erstes Kontaktelement 211 und ein zweites Kontaktelement 212 zur Übertragung elektrischer Energie. Das erste Kontaktelement 211 und das zweite Kontaktelement 212 sind als Lastkontaktelemente voneinander beabstandet angeordnet und zur Bildung einer Steckverbindung mit den Kontaktelementen 111 und 112 des Steckverbinders 100 konfiguriert. Die Kontaktelemente 211 und 212 sind hierbei komplementär zu den Kontaktelementen 111 und 112 im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet.
Ferner umfasst der Steckverbinder 200 das Kontaktelement 213 als Schutzkontaktelement (so genanntes PE-Kontaktelement), das Kontaktelement 214 als Pilotkontakt (Control Pilot/CP) und das Kontaktelement 215 als Proximity-Schalter (Proximity Pilot/PP). Die Kontaktelemente 213 bis 215 sind bei Ausbildung einer Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder als Ladestecker 100 und dem Steckverbinder als Ladesteckdose 200 im Wesentlichen in der Steckrichtung X einander zugeordnet und kontaktieren miteinander, um die entsprechenden Kommunikationsfunktionen zwischen einer Ladesäule und einem Elektrofahrzeug im Zuge eines Ladevorgangs bereitzustellen.
Zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 kann sich bei entsprechenden Umgebungsbedingungen ein Kriechstrom KS einstellen, was nachfolgend anhand der Figur 2B näher beschrieben wird.
Figur 2B zeigt den Steckverbinder 200 aus Figur 2A in einer schematischen Darstellung.
Ein erstes Sensorelement 221 und ein zweites Sensorelement 222 sind derart ausgebildet und zwischen dem ersten Kontaktelement 211 und dem zweiten Kontaktelement 212 in einem Wandabschnitt 204 des Isolierstoffgehäuses 201, welcher vorzugsweise ein mittlerer oder zentraler Wandabschnitt des Steckabschnitts 202 ist, zumindest abschnittsweise integriert, und zwar derart, dass der Wandabschnitt 204 und das erste Sensorelement 221 und das zweite Sensorelement 222 eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 bilden. Das erste Sensorelement 221 ist ferner zu dem zweiten Sensorelement 222 beabstandet angeordnet. Die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Steckrichtung X ausgerichtet und/oder angeordnet. Vorzugsweise begrenzt die im Wesentlichen ebene Stirnfläche 205 den Steckabschnitt 202 in der Steckrichtung X. Der Wandabschnitt 104 bildet außerhalb des Steckabschnitts 202, das heißt im Inneren des Isolierstoffgehäuses 201 des Steckverbinders 200 die Stirnfläche 206.
Wie aus der Darstellung in Figur 2B hervorgeht, erstrecken sich das erste Sensorelement 221 und das zweite Sensorelement 222 durch den Wandabschnitt 204 hindurch zu den entsprechenden Stirnflächen 205 und 206. Mit den Sensorelementen 221 und 222 ist es möglich, einen weiteren Kriechstrom KS im Inneren des Steckverbinders 200, das heißt innerhalb des Isolierstoffgehäuses 201 des Steckverbinders 200 als Ladesteckdose zu erfassen. Die Erfassung und Auswertung geschieht analog zu dem Steckverbinder 100 mithilfe einer Überwachungseinheit 230. Die Überwachungseinheit 230 ist zu der Überwachungseinheit 130 in Figur 1B vorzugsweise identisch konfiguriert und/oder ausgebildet, und umfasst ein Strommesselement in Form eines Hall- Sondenelements 231, ein Vergleichselement 232 in Form eines Strommessverstärkers und ein Kommunikationselement 233.
Ferner ergibt sich aus Figur 2B, dass sich bei Vorhandensein eines elektrisch leitenden Mediums M, wie beispielsweise Wasser, im Steckabschnitt 202 (hier im Bereich des ersten Kontaktelements 211 dargestellt), ein entsprechender Kriechstrom KS einstellen und zumindest mit dem ersten Sensorelement 221 erfasst werden kann, welcher analog obiger Beschreibung ausgewertet und beispielsweise über das Kommunikationselement 233 in Form entsprechender Signale an eine Ladesäule und/oder an eine Elektrofahrzeug weitergegeben werden kann.
Um in dem Steckabschnitt 202 des als Ladesteckdose ausgebildeten Steckverbinders 200 befindliches Medium M, welches häufig ein elektrisch leitendes Medium M sein kann, aus dem Steckabschnitt 202 zu entfernen, kann der Steckverbinder 200 darüber hinaus ein erstes Abführelement 241 und vorzugsweise ein zweites Abführelement 242 aufweisen.
Das erste Abführelement 241 und das zweite Abführelement 242 kann beispielsweise jeweils als Kanal oder jeweils als Schlauch ausgebildet sein. Das erste Abführelement 241 ist dem ersten Kontaktelement 211 zugeordnet und das zweite Abführelement 242 ist dem zweiten Kontaktelement 212 zugeordnet und dient zur Entleerung des Steckabschnitts 202 von entsprechenden Medium M.
Figur 3 zeigt eine Anordnung 300 zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen. Die Anordnung 300 umfasst hierzu den Steckverbinder 100 aus den Figuren 1A und 1B, welcher als Ladestecker ausgebildet ist, und den Steckverbinder 200 aus den Figuren 2A und 2B, welcher als Ladesteckdose ausgebildet ist. Der Steckverbinder 100 und der Steckverbinder 200 bilden als erster und zweiter Steckverbinder 100, 200 im Wesentlichen in der Steckrichtung X eine Steckverbindung aus. Bei Ausbildung der Steckverbindung kontaktiert das erste Sensorelement 121 des Steckverbinders 100 das erste Sensorelement 221 des Steckverbinders 200, vorzugsweise über ein Federelement 301. Das Federelement 301 kann beispielsweise mit dem ersten Sensorelement 121 des Steckverbinders 100 oder mit dem ersten Sensorelement 221 des Steckverbinders 200 verbunden sein. Dadurch kann beispielsweise eine Erfassung von Kriechströmen KS (in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) entweder durch den Steckverbinder 100 oder durch den Steckverbinder 200 und somit durch einen einzigen Steckverbinder 100, 200 erfolgen.
Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Steckverbinders 100 aus den Figuren 1A und 1B mit der Überwachungseinheit 130, wobei der Steckverbinder 100 vorzugsweise unter anderem zur Erkennung des Eintritts eines elektrisch leitenden Mediums M in dem Steckabschnitt 102 oder in das Innere des Isolierstoffgehäuses 101 über die Erfassung eines Kriechstroms KS konfiguriert ist.
Figur 4 zeigt die Spannungsverhältnisse mit den Teilspannungen Ul, U2 und U2 zwischen den beiden Kontaktelementen 111 und 112 und den beiden Sensorelementen 121 und 122 entlang der Kriechstrecke des Kriechstroms KS, welche durch die Teilabstände Dl, D2 und D3 repräsentiert werden. D2 charakterisiert den Teilabstand als resultierenden geometrischen zwischen dem ersten Sensorelement 121 und dem zweiten Sensorelement 122. Die Teilspannungen Ul, U2 und U3 ergeben in ihrer Summe eine Gesamtspannung UG zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktelement 111, 112.
Der Widerstand des Isolierstoffs zwischen dem ersten Kontaktelement 111 und dem ersten Sensorelement 121, sowie zwischen dem zweiten Kontaktelement 112 und dem zweiten Sensorelement 122 wird jeweils durch einen Widerstand R_l symbolisiert. Je nachdem, welchen Bedingungen der Steckverbinder 100 ausgesetzt ist, verändern sich die Widerstande R_l entsprechend und werden geringer, was zur Ausbildung von Kriechströmen KS entlang der Oberfläche von Isolierstoff des Isolierstoffgehäuses 101 führt. Die Werte der Widerstände R_l können beispielsweise im Normalfall, das heißt wenn sich keine Kriechströme KS ausbilden, mehr als 10 MOhm betragen.
Der zwischen dem ersten Sensorelement 121 und dem zweiten Sensorelement 122 vorhandene Widerstand R_12 ist aufgrund der elektrischen Verbindung miteinander im Bereich der Überwachungseinheit 130 sehr gering. Somit ist die elektrische Spannung U2 zwischen dem ersten Sensorelement 121 und dem zweiten Sensorelement 122 sehr niedrig, beispielsweise kleiner als I V.
Durch eine fortwährende Überwachung des Stroms an dem ersten Sensorelement 121 und/oder an dem zweiten Sensorelement 122, vor allem dann, wenn kein Ladevorgang stattfindet, das heißt eine elektrische Spannung zwar bereits anliegt, aber der Ladevorgang noch nicht gestartet wurde, kann mit einer Änderung, das heißt Zunahme ein sich langsam andeutender Isolationsfehler oder eine sich langsam andeutende Isolationsschwäche des Isolierstoffs erkannt werden, vorzugsweise durch die Überwachungseinheit 130. Die Überwachungseinheit 130 und vorzugsweise das Vergleichselement 132 der Überwachungseinheit 130 ist konfiguriert, ein Überschreiten eines gemessenen Stroms, vorzugsweise einer durch das Strommesselement 131 gemessenen Stromstärke an dem ersten Sensorelement 121 und/oder dem zweiten Sensorelement 122, in Bezug auf einen Referenzstrom zu erkennen und vorzugsweise zumindest eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie zu initialisieren, sobald ein erfasster Kriechstrom KS den Referenzstrom überschreitet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Vorzugsweise beansprucht die vorliegende Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
100 Steckverbinder
101 Isolierstoffgehäuse
102 Steckabschnitt
103 Steckgesicht
104 Wandabschnitt
105 Stirnfläche
106 Stirnfläche
107 Isolierstoffhülse
108 Isolierstoffhülse
111 Kontaktelement (Lastkontaktelement)
112 Kontaktelement (Lastkontaktelement)
113 Kontaktelement
114 Kontaktelement
115 Kontaktelement
121 Sensorelement
122 Sensorelement
130 Überwachungseinheit
131 Strommesselement/Hall-Sondenelement
132 Vergleichselement/Strommessverstärker
133 Kommunikationselement
200 Steckverbinder
201 Isolierstoffgehäuse
202 Steckabschnitt
203 Steckgesicht
204 Wandabschnitt
205 Stirnfläche
206 Stirnfläche
211 Kontaktelement (Lastkontaktelement)
212 Kontaktelement (Lastkontaktelement)
213 Kontaktelement
214 Kontaktelement
215 Kontaktelement 221 Sensorelement
222 Sensorelement
230 Überwachungseinheit
231 Strommesselement/Hall-Sondenelement
232 Vergleichselement/Strommessverstärker
233 Kommunikationselement
241 Abführelement
242 Abführelement
300 Anordnung
301 Federelement
D Abstand
Dl Teilabstand
D2 Teilabstand
D3 Teilabstand
KS Kriechstrom
M Medium
Ul Teilspannung
U2 Teilspannung
U3 Teilspannung
UG Gesamtspannung
R_l Widerstand
R_12 Widerstand
X Steckrichtung
* * * *

Claims

ANSPRÜCHE
1. Steckverbinder (100, 200) zur Ausbildung einer Steckverbindung in einer Steckrichtung (X), um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, wobei der Steckverbinder (100, 200) ein Isolierstoffgehäuse (101, 201) mit einem Steckabschnitt (102, 202) aufweist, in welchem zur Bildung eines Steckgesichts (103, 203) zumindest ein erstes Kontaktelement (111, 211) und zumindest ein zweites Kontaktelement (112, 212) aufgenommen ist, wobei das zumindest eine erste Kontaktelement (111, 211) und das zumindest eine zweite Kontaktelement (112, 212) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zumindest ein erstes Sensorelement (121, 221) und zumindest ein zweites Sensorelement (122, 222) in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) derart angeordnet und konfiguriert sind, einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen ersten Sensorelement (121, 221), und/oder einen Kriechstrom (KS) zwischen dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) und dem zumindest einen zweiten Sensorelement (122, 222) zu erfassen.
2. Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) voneinander beabstandet angeordnet sind, und wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) zugeordnet ist, um eine Kanalisierung des Kriechstroms (KS) an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses (101, 201) herbeizuführen, und/oder wobei das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) zugeordnet ist, um eine Kanalisierung des Kriechstroms (KS) an einer Oberfläche des Isolierstoffgehäuses (101, 201) herbeizuführen.
3. Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) zumindest abschnittsweise in einem Wandabschnitt (104, 204) des Isolierstoffgehäuses (101, 201), vorzugsweise zur Begrenzung des Steckabschnitts (102, 202) in der Steckrichtung (X) und/oder vorzugsweise an einer Engstelle, zwischen dem zumindest einen ersten Kontaktelement (111, 211) und dem zumindest einen zweiten Kontaktelement (112, 212) integriert ist, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig integriert ist, wobei sich der Wandabschnitt (104, 204) zumindest abschnittsweise in der Steckrichtung (X) und/oder senkrecht zu der Steckrichtung (X) erstreckt.
4. Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 3, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) ausgebildet ist und derart in dem Wandabschnitt (104, 204) integriert ist, dass der Wandabschnitt (104, 204) und das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) zumindest eine ebene Stirnfläche (105, 205) bilden, welche vorzugsweise senkrecht zu der Steckrichtung (X) ausgerichtet ist und/oder welche vorzugsweise den Steckabschnitt (102, 202) in der Steckrichtung (X) begrenzt.
5. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) plattenförmig ausgebildet ist und/oder flach ausgebildet ist und/oder vorzugsweise zur Bildung einer ebenen Stirnfläche (105, 205) an einem Wandabschnitt (104, 204) des Isolierstoffgehäuses (101, 201) bündig anschließt.
6. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222), vorzugsweise in der Steckrichtung (X), zumindest durch den Wandabschnitt (104, 204) hindurch erstreckt, und/oder sich vorzugsweise in den Steckabschnitt (102, 202) zumindest abschnittsweise erstreckt, und/oder wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und/oder das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) zumindest abschnittsweise zylinderförmig oder stiftförmig oder lanzenförmig ausgebildet ist.
7. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) jeweils zumindest eine Elektrode umfasst oder jeweils als eine Elektrode ausgebildet ist.
8. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) miteinander verbunden sind, vorzugsweise außerhalb des Steckabschnitts (101, 202) miteinander verbunden sind, um einen Querstrom zwischen dem zumindest einen ersten Sensorelement (121, 221) und dem zumindest einen zweiten Sensorelement (122, 222) zu erfassen.
9. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine erste Sensorelement (121, 221) und das zumindest eine zweite Sensorelement (122, 222) mit einer Überwachungseinheit (130, 230) verbunden ist, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) konfiguriert ist, einen an dem zumindest einen ersten Sensorelement (121, 221) und/oder einen an dem zumindest einen zweiten Sensorelement (122, 222) anliegenden Kriechstrom (KS) auszuwerten.
10. Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 9, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) zumindest ein Strommesselement (131, 231), vorzugsweise in Form eines Hall-Sondenelements (131, 231) umfasst, wobei das zumindest eine Strommesselement (131, 231) konfiguriert ist, zumindest eine Stromstärke des erfassten Kriechstroms (KS) zu messen.
11. Steckverbinder (100, 200) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Überwachungseinheit (130, 230) zumindest ein Vergleichselement (132, 232) umfasst, wobei das zumindest eine Vergleichselement (132, 232) konfiguriert ist, einen an dem zumindest einen ersten Sensorelement (121, 221) und/oder einen an dem zumindest einen zweiten Sensorelement (122, 222) erfassten Kriechstrom (KS) mit einem Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, zu vergleichen und vorzugsweise eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie über den Steckverbinder (100, 200) zu initialisieren.
12. Steckverbinder (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolierstoffgehäuse (101, 201) zur Trockenlegung des zumindest einen ersten Kontaktelements (111, 211) und des zumindest einen zweiten Kontaktelements (112, 212) zumindest ein Abführelement (241, 242), vorzugsweise jeweils ein Abführelement (241, 242), aufweist, und das zumindest eine Abführelement (241, 242), vorzugsweise das jeweilige Abführelement (241, 242), derart in dem Isolierstoffgehäuse (101, 201) angeordnet und konfiguriert ist, ein im Steckabschnitt (102, 202) befindliches Medium (M), vorzugsweise fließbares oder gießbares Medium (M), aus dem Steckabschnitt (102, 202) abzuführen.
13. Anordnung (300) zur Ausbildung einer Steckverbindung, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu übertragen, umfassend einen ersten Steckverbinder (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Steckverbinder (100) als Ladestecker (100) ausgebildet ist, und einen zweiten Steckverbinder (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Steckverbinder (200) als Ladesteckdose (200) ausgebildet ist, und vorzugsweise bei Ausbildung der Steckverbindung das zumindest eine erste Sensorelement (121) des ersten Steckverbinders (100) das zumindest eine erste Sensorelement (221) des zweiten Steckverbinders (200) und das zumindest eine zweite Sensorelement (122) des ersten Steckverbinders (100) das zumindest eine zweite Sensorelement (222) des zweiten Steckverbinders (200) kontaktiert, vorzugsweise über ein Federelement (301).
14. Verfahren zur Erkennung eines Kriechstroms (KS) in einem Steckverbinder (100, 200), wobei der Steckverbinder (100, 200) vorzugweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 konfiguriert ist, wobei:
• ein Kriechstrom (KS) durch zumindest ein erstes Sensorelement (121, 221) und/oder durch zumindest ein zweites Sensorelement (122, 222) erfasst wird;
• der erfasste Kriechstrom (KS) in einer Überwachungseinheit (130) mit einem
Referenzstrom, vorzugsweise mit einem vorbestimmten oder mit einem vordefinierten Referenzstrom, verglichen wird; und
• eine Abschaltung der Übertragung elektrischer Energie initialisiert wird, sobald der erfasste Kriechstrom (KS) den Referenzstrom überschreitet.
* * * *
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