DE202018002686U1

DE202018002686U1 - Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE202018002686U1
Application number: DE202018002686.7U
Authority: DE
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2028-06-07

Abstract

Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement (3, 3', 3") mit einem Kontaktbereich (5, 5', 5") an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3") zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement, und mit einem Anschlussbereich (7, 7', 7") an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3") zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter, wobei der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüberliegt; undzumindest ein Temperatursensorelement (9, 9', 9") zur Erfassung einer Temperatur des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3"), wobei das elektrisch leitende Kontaktelement (3, 3', 3") zumindest eine Ausnehmung (11, 11', 11") aufweist, und das Temperatursensorelement (9, 9', 9") in der Ausnehmung (11, 11', 11") zumindest bereichsweise angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Akkueinheit und einem Steckverbinder, sowie eine Ladestation zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs, mit einem Steckverbinder.
Die Akkueinheit von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug wird üblicherweise über ein Ladekabel geladen. Das Ladekabel kann beispielsweise an eine entsprechende Ladestation oder Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge angeschlossen werden. Damit, beispielsweise, in 20 Minuten eine Akkueinheit oder Batterie mit 50 KW/h aufgeladen werden kann, muss bei Spannungen in einem Bereich von 400 V bis 600 V ein Ladestrom von ungefähr 100 A und mehr fließen. Wegen dieser hohen Ladeströme werden hohe Anforderungen an die elektrischen Steckverbinder, bzw. an den Ladestecker und die Ladebuchse, zum Laden der Akkueinheit, gestellt. Bei einer Verwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Steckverbinder können sich die elektrisch leitenden Kontaktelemente der Steckverbinder auf einen Temperaturwert von 150°C erwärmen. Beim Laden zukünftiger Generationen von Akkueinheiten können sich die elektrisch leitenden Kontaktelemente der Steckverbinder sogar auf Temperaturwerte von 200 bis 220°C erwärmen.
Um eine Überhitzung der Steckverbinder zu verhindern sind aus dem Stand der Technik Steckverbinder mit integrierten Temperatursensorelementen bekannt. Wenn mittels der integrierten Temperatursensorelemente eine drohende Überhitzung des Steckverbinders erkannt wird, kann der Ladestrom entsprechend gedrosselt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Beispielsweise wird in der WO 2017/211349 A1 ein Steckverbinder beschrieben, der ein Ladekabel und ein Steckergehäuse, sowie elektrisch leitende Kontaktelemente zum Trennen und Verbinden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs umfasst. Zur Überwachung der Temperatur in dem Steckverbinder ist ein Temperatursensorelement mittels eines Schrumpfschlauches an einem elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet, wobei der Schrumpfschlauch den Bereich des Kontaktelements und das Sensorelement des Temperatursensorelements vollständig umgibt, so dass das Temperatursensorelement einerseits wärmeleittechnisch und mechanisch mit dem Kontaktelement durch den Schrumpfschlauch verbunden ist und das Temperatursensorelement andererseits in einer Art Wärmekammer, die durch den Schrumpfschlauch gebildet wird, angeordnet ist.
Im Gegensatz zu dem in der WO 2017/211349 A1 beschrieben direkten Anordnen eines Sensorelements an einem elektrisch leitenden Kontaktelement, beschreibt die DE 10 2016 107 401 A1 ein Temperatursensorelement in einem Steckverbinder, der beabstandet zu dem elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet ist und eine Temperatur in einem zwischen einem Kontaktbereich und einem Anschlussbereich gelegenen Bereich des Kontaktelementes erfasst.
Weiterhin beschreiben die Dokumente WO 2012/146766 A1 , US 9,484,667 B2 , WO 2017/137826 A1 , und WO 02/13331 A1 verschiedenartige Anordnungen von Temperatursensorelementen an oder in der Nähe von elektrisch leitenden Kontaktelementen von Steckverbindern.
Allerdings haben die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen den Nachteil, dass die Temperatur nicht am Ort der Entstehung, nämlich der eigentlichen Kontaktstelle an dem elektrisch leitenden Kontaktelement gemessen wird, sondern an Stellen in einem Ladestecker, die entfernt von der eigentlichen Kontaktstelle liegen. Durch die hierdurch entstehenden Wärmebrücken kann es zu einem verzögerten Ansprechen des Temperatursensorelements bei einer Überhitzung des Steckverbinders führen. Dies kann zu einer Schädigung des Steckverbinders, des Fahrzeugs oder der Ladestation führen. Weiterhin führen die verwendeten Zuleitungen aus wärmeleitfähigem Kupfer die Wärme von dem Temperatursensorelement ab und können somit die Messergebnisse verfälschen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Steckverbinder gemäß des Gegenstands des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs weist hierfür folgende Merkmale auf:

zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement mit einem Kontaktbereich an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement, und mit einem Anschlussbereich an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter, wobei der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüberliegt; und
zumindest ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur des elektrisch leitenden Kontaktelements, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement zumindest eine Ausnehmung aufweist, und das Temperatursensorelement in der Ausnehmung zumindest bereichsweise angeordnet ist.

Der Begriff „Steckverbinder“ kann dazu verwendet werden, um einen Stecker oder eine Steckerbuchse an einem Ladekabel oder an einer Ladestation oder an einem Kraftfahrzeug zu bezeichnen mit einem Gehäuse, einem Steckereinsatz zum Halten von elektrisch leitenden Kontaktelementen und mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Kontaktelement. Der Begriff „Ausnehmung“ kann verwendet werden, um einen Raum in dem Material des elektrisch leitenden Kontaktelements zu bezeichnen, der freigehalten oder geschaffen wurde für das zumindest bereichsweise Anordnen des Temperatursensorelements in dem Raum.
Mit der Erfindung ist es erstmalig gelungen einen Steckverbinder mit einer sehr guten thermischen Ankopplung des Temperatursensorelements an das elektrisch leitende Kontaktelement zur Verfügung zu stellen und mit daraus resultierenden schnelleren Ansprechzeiten des Temperatursensorelements.
In einem Beispiel umfasst das Temperatursensorelement einen Thermistor, einen Platin-Messwiderstand, einen Silizium-Messwiderstand, ein pyroelektrisches Material, ein ferromagnetisches Material, und/oder ein faseroptisches Material.
Vorteilhaft ermöglichen besonders flache und massenarme Temperatursensorelemente eine schnelle Ansprechzeit, eine hohe Messgenauigkeit und das Erhalten von reproduzierbaren Werten.
Deshalb umfasst das Temperatursensorelement in einem Beispiel ein Flip-Chip Messelement, wobei das Flip-Chip Messelement auf einem Träger, insbesondere auf einem Printed Circuit Board, PCB, einer Hochtemperatur Leiterplatte, oder auf einem Lead Frame angeordnet ist.
In einem weiteren Beispiel umfasst die Ausnehmung eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung, wobei die Längsrichtung der Bohrung in einem Winkel von 0° bis 90° zur Längsrichtung des elektrisch leitenden Kontaktelements verläuft.
Vorteilhaft kann die Ausnehmung in Form einer Bohrung in das Material des elektrisch leitenden Kontaktelements so eingebracht werden, dass die Befestigung des Kontaktelements in dem Steckereinsatz, sowohl als auch die Kontaktierbarkeit des Anschlussbereichs mit zumindest einem elektrischen Leiter nicht beeinträchtigt werden.
In noch einem Beispiel beträgt die Tiefe der Ausnehmung zwischen 1 bis 50 mm, und/oder die Tiefe der Ausnehmung beträgt mindestens 30% der Länge des Temperatursensorelements.
Vorteilhaft kann, abhängig von der konkreten Ausgestaltung des Steckverbinders und des verwendeten Gegenstücks, die Ausnehmung in dem elektrisch leitenden Kontaktelement so platziert werden, dass die thermische Ankopplung des darin angeordneten Temperatursensorelements maximal ausgestaltet ist.
In einem weiteren Beispiel weist der Steckverbinder zumindest ein hitzebeständiges Isoliermaterial auf, insbesondere umfasst das hitzebeständige Isoliermaterial zumindest ein Material oder eine Kombination von Materialien aus: einem Polyesterharz, einem Polyurethanharz, einem Epoxidharz, einem Silikonharz, einem Vinylesterharz, einem Phenolharz, und/oder einem Acrylharz, wobei das hitzebeständige Isoliermaterial zumindest bereichsweise in der Ausnehmung um das Temperatursensorelement herum angeordnet ist.
Voreilhaft kann das Temperatursensorelement durch das Isoliermaterial gegenüber dem Material des elektrisch leitenden Kontaktelements elektrisch isoliert werden und zuverlässig in der Ausnehmung gehalten werden. Auch lässt sich die thermische Ankopplung des Temperatursensorelements durch die Verwendung eines thermisch leitfähigen Isoliermaterials, wie zum Beispiel einer Thermoleitpaste, noch erhöhen.
In einem Beispiel umfasst das elektrisch leitende Kontaktelement ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Kupfermaterial, und ist im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet.
Beispielsweise kann das elektrisch leitende Kontaktelement ein Stecker-Stift oder eine Stecker-Buchse in dem Steckverbinder sein.
Hierfür ist in einem Beispiel das elektrisch leitende Kontaktelement in dem Anschlussbereich pinförmig oder buchsenförmig ausgestaltet zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden buchsenförmigen oder pinförmigen Kontaktelement.
Die Erfindung schlägt auch ein Kraftfahrzeug mit einer Akkueinheit und zumindest einem erfindungsgemäßen Steckverbinder vor.
Weiterhin schlägt die Erfindung eine Ladestation zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem erfindungsgemäßen Steckverbinder vor.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Wie es in 1 gezeigt wird, weist der Steckverbinder 1 zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement 3 mit einem Kontaktbereich 5 zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement (nicht gezeigt in 1) an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 auf. In 1 ist der Kontaktbereich 5 in Form eines Stecker-Pins zur Verbindung mit einer korrespondierenden Stecker-Buchse dargestellt. Weiterhin weist das elektrisch leitende Kontaktelement 3 einen Anschlussbereich 7 zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter (nicht gezeigt in 1) an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 auf. In der gezeigten Ausführungsform liegt der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüber.
An dem Anschlussbereich 7 kann beispielsweise ein elektrischer Leiter angelötet, angeschraubt oder angeklemmt werden. Hierfür können in weiteren, nicht gezeigten, Ausführungsformen Klemmen oder weitere Anschlusselemente an dem Anschlussbereich 7 angeordnet sein.
Weiterhin wird in 1 ein an dem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 angeordneter Anschlagflansch 15 gezeigt, der dazu dient, dass das elektrisch leitenden Kontaktelement 3 in einem Steckereinsatz (nicht gezeigt in 1) gehalten werden kann. Abhängig von dem verwendeten Steckereinsatz kann der Anschlagflansch 15 auch anders als gezeigt ausgestaltet sein, bzw. komplett entfallen.
Die Ausnehmung 11 in dem Material des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 ist als eine zentrische Bohrung entlang der Längsrichtung des zylinderförmigen Kontaktelements 3 gezeigt. Die Tiefe der Bohrung beträgt in der gezeigten Ausführungsform mindestens 30% der Länge des Temperatursensorelements 9. In der Ausnehmung 11 ist, wie gezeigt, ein Temperatursensorelement 9 zur Erfassung einer Temperatur des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 angeordnet. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Temperatursensorelement 9 vollständig in die Ausnehmung 11 eingeführt. Das Temperatursensorelement 9 hat zwei Anschlussleitungen 13a und 13b, die, wie gezeigt, durch die Ausnehmung 11, zum Anschließen an ein Auswertemittel, geführt sind. Das Temperatursensorelement 9 kann in der Ausnehmung 11, in nicht hierein gezeigten Ausführungsformen, zumindest bereichsweise von hitzebeständigem Isoliermaterial umgeben sein. Hierdurch kann das Temperatursensorelement durch das Isoliermaterial gegenüber dem Material des elektrisch leitenden Kontaktelements elektrisch isoliert werden und zuverlässig in der Ausnehmung gehalten werden. Auch lässt sich die thermische Ankopplung des Temperatursensorelements durch die Verwendung eines thermisch leitfähigen Isoliermaterials noch erhöhen.
Der Steckverbinder kann in weiteren, nicht gezeigten, Ausführungsformen weitere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise ein Gehäuse und einen Steckereinsatz zum Halten von mindestens einem elektrisch leitenden Kontaktelement.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform in der Ausgestaltung des Kontaktbereichs 5' zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement. Der in 2 gezeigte Kontaktbereich 5' wird als Stecker-Buchse gezeigt, zur Aufnahmen eines korrespondierenden Stecker-Pins.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders 1" gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform in der Ausgestaltung der Ausnehmung 11" in dem Material des elektrisch leitenden Kontaktelements 3". Wie bereits in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist die Ausnehmung 11" eine Bohrung in dem Material des zylinderförmigen Kontaktelements 3". Allerdings verläuft die Längsrichtung der Bohrung in einem Winkel von ca. 45° zur Längsrichtung des elektrisch leitenden Kontaktelements 3". In hierin nicht gezeigten, weiteren Ausführungsformen kann die Längsrichtung der Bohrung auch in anderen Winkeln zwischen 0° und 90° verlaufen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1": Steckverbinder
3, 3', 3": elektrisch leitendes Kontaktelement
5, 5', 5": Kontaktbereich
7, 7', 7": Anschlussbereich
9, 9', 9": Temperatursensorelement
11, 11', 11“: Ausnehmung
13a, 13a', 13a“: erste Anschlussleitung
13b, 13b', 13b“: zweite Anschlussleitung
15, 15', 15“: Anschlagflansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/211349 A1 [0004, 0005]
DE 102016107401 A1 [0005]
WO 2012/146766 A1 [0006]
US 9484667 B2 [0006]
WO 2017/137826 A1 [0006]
WO 0213331 A1 [0006]

Claims

Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement (3, 3', 3") mit einem Kontaktbereich (5, 5', 5") an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3") zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement, und mit einem Anschlussbereich (7, 7', 7") an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3") zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter, wobei der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüberliegt; und zumindest ein Temperatursensorelement (9, 9', 9") zur Erfassung einer Temperatur des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3"), wobei das elektrisch leitende Kontaktelement (3, 3', 3") zumindest eine Ausnehmung (11, 11', 11") aufweist, und das Temperatursensorelement (9, 9', 9") in der Ausnehmung (11, 11', 11") zumindest bereichsweise angeordnet ist.
Steckverbinder nach Anspruch 1, wobei das Temperatursensorelement (9, 9', 9") einen Thermistor, einen Platin-Messwiderstand, einen Silizium-Messwiderstand, ein pyroelektrisches Material, ein ferromagnetisches Material, und/oder ein faseroptisches Material umfasst.
Steckverbinder nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Temperatursensorelement (9, 9', 9") ein Flip-Chip Messelement umfasst, wobei das Flip-Chip Messelement auf einem Träger, insbesondere auf einem Printed Circuit Board, PCB, einer Hochtemperatur Leiterplatte, oder auf einem Lead Frame angeordnet ist.
Steckverbinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (11, 11', 11") eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung umfasst, wobei die Längsrichtung der Bohrung in einem Winkel von 0° bis 90° zur Längsrichtung des elektrisch leitenden Kontaktelements (3, 3', 3") verläuft.
Steckverbinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Ausnehmung (11, 11', 11") zwischen 1 bis 50 mm beträgt, und/oder wobei die Tiefe der Ausnehmung (11, 11', 11") mindestens 30% der Länge des Temperatursensorelements (9, 9', 9") beträgt.
Steckverbinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: zumindest ein hitzebeständiges Isoliermaterial, insbesondere umfassend zumindest ein Material oder eine Kombination von Materialien aus: einem Polyesterharz, einem Polyurethanharz, einem Epoxidharz, einem Silikonharz, einem Vinylesterharz, einem Phenolharz, und/oder einem Acrylharz, wobei das hitzebeständige Isoliermaterial zumindest bereichsweise in der Ausnehmung (11, 11', 11") um das Temperatursensorelement (9, 9', 9") herum angeordnet ist.
Steckverbinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement (3, 3', 3") ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Kupfermaterial, umfasst und im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist.
Steckverbinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Kontaktelement (3, 3', 3") in dem Anschlussbereich pinförmig oder buchsenförmig ausgestaltet ist zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden buchsenförmigen oder pinförmigen Kontaktelement.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Akkueinheit, aufweisend zumindest einen Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Eine Ladestation zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest einen Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8.