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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 10.02.2011 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/441,404, die hiermit durch Verweis einbezogen wird.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeschutzsystem für eine elektrische Vorrichtung bzw. ein elektrisches System.
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Hintergrund
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Seit dem Aufkommen von Elektro- und Hybridfahrzeugen suchen Fahrzeugbesitzer nach Möglichkeiten, ihre Fahrzeuge komfortabel zu laden, und insbesondere nach zusätzlichen Örtlichkeiten zum Laden der Fahrzeuge. Dies hat zur Entwicklung tragbarer Ladekabel-Sätze geführt, die es ermöglichen, das Fahrzeug an verschiedenen Orten zu laden, jedoch führt dies dazu, dass der Fahrzeuginhaber möglicherweise eine Steckdose unbekannter Qualität verwendet. Da ein Elektrofahrzeug beim Laden ein erhebliches Maß an Strom ziehen kann, beispielsweise 13 Ampere (A) von einer Standard-Steckdose mit 120 Volt (V), könnte mangelhafte Qualität einer Steckdose oder Schaltung, mit der die Steckdose verbunden ist, zur Überhitzung der Steckdose führen.
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Wenn es zur Überhitzung einer Stromsteckdose beim Laden eines Fahrzeugs kommt, kann auch der Stecker am Ende des Ladekabels unter Umständen eine unannehmbar hohe Temperatur erreichen. Selbst wenn ein Teil der Wärme von der Steckdose auf den Stecker übertragen wird, ist die Wärmeübertragung größtenteils konduktiv und ineffizient. Daher ergibt Messung der Temperatur des Kabels oder auch des Steckers am Ende des Kabels wahrscheinlich keine gute Anzeige der Temperatur der Steckdose. Weiter verstärkt wird das Problem dadurch, dass ein Fahrzeug möglicherweise in einer relativ kalten Umgebung, wie beispielsweise in einer Garage, geladen wird. In diesem Fall kann der Stecker am Ende des Ladekabels während des gesamten Ladevorgangs sehr kühl bleiben, während die Stromsteckdose unannehmbar heiß wird. Daher ist ein Wärmeschutzsystem für eine elektrische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Stromsteckdose, erforderlich, wobei sich dieses jedoch in der Vorrichtung befinden sollte, die der Fahrzeuginhaber kontrollieren kann, d. h. einem Ladekabel-Satz.
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Zusammenfassung
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen ein Wärmeschutzsystem für ein elektrisches System mit einem Steuerungssystem und einer Stromsteckdose ein, die mit einer Stromquelle verbunden ist. An einem Stromkabel ist ein Stecker angebracht, der für elektrische Verbindung mit der Steckdose eingerichtet ist. Ein kontaktloser Temperatursensor ist im Inneren des Steckers angeordnet und zum Messen einer Temperatur der Steckdose eingerichtet. Der Temperatursensor steht in Verbindung mit dem Steuerungssystem und ist so eingerichtet, dass er ein Signal zu dem Steuerungssystem sendet, so dass ein Stromfluss durch die Steckdose und den Stecker verringert wird, wenn die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur anzeigt, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
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In einigen Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung darin bestehen, dass eine Temperatur über einer vorgegebenen Temperatur erfasst wird. In anderen Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung darin bestehen, dass eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs über einer vorgegebenen Geschwindigkeit liegt. Bei weiteren Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung erfüllt sein, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur der Steckdose um ein bestimmtes Maß über einer Umgebungstemperatur liegt. Der Sensor kann dem Steuerungssystem signalisieren, den Stromfluss durch die Steckdose und den Stecker auf Null zu verringern, wenn die durch den Sensor erfasste Temperatur anzeigt, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
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In wenigstens einigen Ausführungsformen ist das Stromkabel so eingerichtet, dass es so mit einer elektrischen Vorrichtung verbunden ist, dass die elektrische Vorrichtung Strom von der Stromquelle empfängt, wenn der Stecker elektrisch mit der Steckdose verbunden ist. Das Steuerungssystem kann den Stromfluss auf einen von Null verschiedenen vorgegebenen Strom durch die Steckdose und den Stecker verringern, wenn die Messung des Sensors anzeigt, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Die elektrische Vorrichtung kann ein Fahrzeug-Ladesystem sein, und der von Null verschiedene vorgegebene Strom kann ein minimal zulässiger Strom für das Fahrzeug-Ladesystem sein. In anderen Ausführungsformen kann der von Null verschiedene vorgegebene Strom ein maximaler Strom sein, der verhindert, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt wird.
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen ein Wärmeschutzsystem für ein elektrisches System mit einer Stromsteckdose ein, die mit einer Stromquelle verbunden ist. Ein Stromladekabel hat einen Stecker, der an einem ersten Ende angebracht und zur elektrischen Verbindung mit der Steckdose eingerichtet ist, sowie ein zweites Ende, das zum Anbringen an einem Fahrzeug-Ladesystem eingerichtet ist. Ein kontaktloser Temperatursensor ist in dem Stecker angeordnet und zum Messen einer Temperatur der Steckdose eingerichtet. Ein Steuerungssystem steht in Verbindung mit dem Temperatursensor und ist so eingerichtet, dass es einen Stromfluss durch die Steckdose und den Stecker verringert, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur anzeigt, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen ein Wärmeschutzsystem für ein elektrisches System mit einem Steuerungssystem und einer Stromsteckdose ein, die mit einer Stromquelle verbunden ist. Ein Stromladekabel hat einen Stecker, der an einem ersten Ende angebracht und zur elektrischen Verbindung mit der Steckdose eingerichtet ist, sowie ein zweites Ende, das zum Anbringen an einem Fahrzeug-Ladesystem eingerichtet ist. Ein kontaktloser Temperatursensor ist in dem Stecker angeordnet und so eingerichtet, dass er eine Temperatur der Steckdose misst und ein Signal zu dem Steuerungssystem sendet, um einen verringerten Stromfluss durch den Auslass und den Stecker zu bewirken, wenn die durch den Sensor erfasste Temperatur anzeigt, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
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In wenigstens einigen Ausführungsformen ist der Temperatursensor ein Infrarot-Sensor, der zum Messen einer Temperatur der Oberfläche der Steckdose eingerichtet ist. Bei derartigen Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung darin bestehen, dass eine Temperatur der Oberfläche der Steckdose über einer vorgegebenen Temperatur liegt. In anderen Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung darin bestehen, dass eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs der Oberfläche der Steckdose über einer vorgegebenen Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs liegt. In weiteren Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung erfüllt sein, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur der Oberfläche der Steckdose um ein bestimmtes Maß über einer Umgebungstemperatur liegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Zeichnung, die ein Wärmeschutzsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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2 zeigt eine teilweise schematische Zeichnung, die ein Wärmeschutzsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden, wie erforderlich, im Folgenden ausführlich offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, einige Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als veranschaulichende Basis, anhand der einem Fachmann vermittelt wird, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise eingesetzt werden kann.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmeschutzsystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Wärmeschutzsystems 10 enthält ein Stromkabel 12, dessen Grenzen mit unterbrochenen Linien dargestellt sind. Das Kabel 12 enthält, wie weiter unten ausführlicher erläutert, elektrische Leiter 14, 16 sowie Drähte 18, 20, 22, die mit einem Sensor 24 verbunden sind. Der Sensor 24 ist ein kontaktloser Temperatursensor, der innerhalb einer elektrischen Steckeranordnung 26 angeordnet ist. Der Sensor 24 ist, obwohl er sich in der Steckeranordnung 26 befindet, wie weiter unten in Verbindung mit 2 erläutert und dargestellt, so eingerichtet, dass er eine Temperatur einer Stromsteckdose misst, mit der die Steckeranordnung 26 verbunden ist. Des Weiteren ist in 1 schematisch eine EVSE-Einrichtung (Electric Vehicle Supply Equipment) 28 dargestellt. Die EVSE-Einrichtung 28 ist Teil eines elektrischen Ladekabelsatzes, der eingesetzt wird, um Laden eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs zu ermöglichen. So ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform das Stromkabel 12 ein elektrisches Ladekabel des Typs, der beim Laden eines Fahrzeugs eingesetzt wird. In dieser Ausführungsform ist ein Ende des Kabels 12 an der Steckeranordnung 26 angebracht, von der aus sich Stifte 30, 32 zur elektrischen Verbindung mit einer Stromsteckdose erstrecken. Das andere Ende 34 des Kabels 12 tritt aus der EVSE-Einrichtung 28 aus und ist zur Anbringung an einem Fahrzeug-Ladesystem eingerichtet, das sich üblicherweise an Bord des Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs befindet. Die EVSE-Einrichtung 28 enthält des Weiteren ein Steuerungssystem 36, das als ein Steuer-Mikroprozessor dargestellt ist. Ein Verstärker 38 verstärkt das von dem Sensor 24 empfangene Signal, bevor es in das Steuerungssystem 36 eintritt. Das Steuerungssystem 36 ist, wie weiter unten ausführlicher erläutert, so eingerichtet, dass es den Fluss von Strom durch die Steckeranordnung 12 und jede Steckdose, mit der sie verbunden wird, beim Auftreten einer vorgegebenen Bedingung verringert, die durch die von dem Sensor 24 erfasste Temperatur angezeigt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist die EVSE-Einrichtung 28 mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 40 versehen, der eingesetzt werden kann, um von einer Steckdose empfangenen Strom in eine Form umzuwandeln, die von dem Fahrzeug und insbesondere der Fahrzeugbatterie genutzt werden kann.
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Obwohl das Steuerungssystem 36 in dieser Ausführungsform als Teil des Wärmeschutzsystems 10 dargestellt ist, enthalten andere Ausführungsformen der Erfindung kein integriertes Steuerungssystem, sondern arbeiten stattdessen mit einem Steuerungssystem, das sich beispielsweise an Bord des Fahrzeugs befindet. In diesen Ausführungsformen müssen die von einem Sensor, wie beispielsweise dem Sensor 24, ausgegebenen Signale einem Protokoll entsprechen, von dem bekannt ist, dass es mit dem bordeigenen Steuerungssystem kommuniziert. Ein derartiges Wärmeschutzsystem ist beispielsweise in 2 dargestellt.
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2 zeigt eine teilweise schematische Darstellung eines Wärmeschutzsystems 42 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Wärmeschutzsystem 42 enthält ein Stromkabel 44 mit elektrischen Leitern 46, 48, die in einem Stecker 50 enden. Der Stecker 50 enthält Stifte 52, 54, die zur elektrischen Verbindung mit einer Stromsteckdose 56 eingerichtet sind. Die Steckdose 56 wird von Leitern 58, 60 gespeist, die beispielsweise mit einem Verteilerkasten oder einer anderen Stromquelle verbunden sind. In dem Stecker 50 befindet sich ein kontaktloser Temperatursensor 62.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Temperatursensor 62 ein Infrarotsensor, der so eingerichtet ist, dass er eine Temperatur des Auslasses 56 misst. Das heißt, der Sensor 62 ist so eingerichtet, dass er eine Temperatur einer Oberfläche 64 des Auslasses 56 misst. In 2 ist des Weiteren eine schematische Darstellung eines Sehfeldes 66 des Sensors 62 gezeigt. Obwohl das Sehfeld 66 so dargestellt ist, dass es sich tief in die Steckdose 56 hineinerstreckt, ist es auf diese Weise nur dargestellt, um allgemein als Muster zu zeigen, was ein Sensor, wie beispielsweise der Infrarotsensor 62, erfasst.
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Das heißt, der Sensor 62 wird so ausgewählt und in dem Stecker 50 angeordnet, dass das im Allgemeinen kegelförmige Sehfeld die elektrischen Anschlüsse 68, 70 der Steckdose 56 abdeckt. In vielen Fällen hat eine Steckdose, wie beispielsweise die Steckdose 56, drei elektrische Anschlüsse, d. h., Null, Phase und Masse. In diesem Fall wird ein Sensor, wie beispielsweise der Sensor 62, so positioniert und eingerichtet, dass er ein Sehfeld hat, das annähernd die Öffnungen aller drei Anschlüsse in der Steckdose abdeckt.
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Der Sensor 62 enthält, wie auch in 2 gezeigt, Leiter 72, 74, die so eingerichtet sind, dass sie Signale von dem Sensor 62 zu einem Steuerungssystem, beispielsweise dem in 1 gezeigten Steuerungssystem 36, oder einem Steuerungssystem an Bord eines Fahrzeugs übertragen. Obwohl der in 3 dargestellte Sensor 24 drei Leiter 18, 20, 22 enthält, von denen nur der Leiter 22 in der Darstellung mit dem Steuerungssystem 36 in Verbindung steht, kann sich die konkrete Konstruktion eines kontaktlosen Sensors in vielen verschiedenen Ausführungsformen in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren unterscheiden, die den speziellen Sensor, der eingesetzt wird, sowie das Steuerungssystem einschließen, mit dem er in Verbindung steht.
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In beiden in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen sind jedoch die Wärmeschutzsysteme 10, 42 so eingerichtet, dass sie ein elektrisches System schützen, das eine Stromsteckdose, wie beispielsweise die Steckdose 56, und ein Steuerungssystem, wie beispielsweise das an Bord eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs befindliche Steuerungssystem, einschließen kann. Wenn ein Wärmeschutzsystem, wie beispielsweise das System 10 oder das System 42, zwischen einer Stromsteckdose und beispielsweise einem Elektrofahrzeug angeordnet ist, kann das Wärmeschutzsystem selbst Teil des elektrischen Systems werden, das es schützt.
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Eine der Methoden, über die ein Wärmeschutzsystem, wie beispielsweise das System 10 oder das System 42, Schutz bietet, besteht darin, einen Stromfluss durch das elektrische System zu verringern, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist. In einigen Ausführungsformen kann die vorgegebene Bedingung erfüllt sein, wenn ein Sensor, wie beispielsweise der Sensor 62, erfasst, dass eine Temperatur des Auslasses 56 über einer vorgegebenen Temperatur liegt. Eine derartige Feststellung kann, wie oben beschrieben, in Situationen sehr wichtig sein, in denen ein Lade-Stromkabelsatz an verschiedenen elektrischen Steckdosen unbekannter Qualität eingesetzt wird. Beispielsweise kann es zur Erhitzung an einer Steckdose, wie beispielsweise der Steckdose 56, kommen, die im Allgemeinen mit einer Gleichung beschrieben wird, die das Quadrat des Stroms einschließt, der durch die Steckdose fließt. So können vergleichsweise geringe Änderungen des Stromflusses die erzeugte Wärme erheblich verringern.
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In einigen Fällen ist es möglicherweise erforderlich oder wünschenswert, den Stromfluss auf Null zu verringern, d. h., die Schaltung zu öffnen oder ansonsten den Stromfluss vollständig zu unterbrechen. Dies ist das in 1 dargestellte Beispiel, bei dem das Steuerungssystem 36 in der Darstellung die elektrischen Leiter 12, 14 in der EVSE-Einrichtung 28 trennt. Das Steuerungssystem 36 kann so eingerichtet sein, dass es diese Aufgabe immer dann erfüllt, wenn der Sensor 24 ein Signal bereitstellt, das eine erfasste Temperatur über einer vorgegebenen Temperatur anzeigt. In einigen Ausführungsformen kann die vorgegebene Temperatur im Bereich von 80–90°C liegen. Im Gegensatz dazu kann eine Geschwindigkeit der Temperaturzunahme als die vorgegebene Bedingung gemessen werden, so dass ein einzelner Temperaturmesswert, der vorübergehend sein könnte, nicht bewirkt, dass die Schaltung unnötigerweise getrennt wird. Beispielsweise kann eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs von 10°C in 1–3 Minuten in einem Steuerungssystem, wie beispielsweise dem Steuerungssystem 36, vorprogrammiert sein und als die vorgegebene Bedingung dienen, die bewirkt, dass die Schaltung getrennt wird. So hat, wenn der Sensor 24 dem Steuerungssystem 36 signalisiert, dass die gemessene Temperatur 40°C beträgt, und dann eine Minute später dem Steuerungssystem anzeigt, dass die gemessene Temperatur 55°C beträgt, der Sensor 24 angezeigt, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
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Eine weitere vorgegebene Bedingung, die verwendet werden kann, ist ein Anstieg der gemessenen Temperatur auf eine bestimmte Temperatur über einer Temperatur der Umgebung um den Stecker und die Steckdose herum. 1 zeigt beispielsweise einen zweiten Temperatursensor 76, der so eingerichtet ist, dass er eine Temperatur der Umgebung misst. Der Sensor 76 steht mit dem Steuerungssystem 36 in Verbindung und stellt die Umgebungstemperatur dem Steuerungssystem 36 zur Verwendung bei einer Feststellung dahingehend bereit, ob die vorgegebene Bedingung erfüllt ist. In einer Ausführungsform kann die vorgegebene Bedingung erfüllt sein, wenn die durch den Sensor 24 gemessene Temperatur einer Steckdose 70°C oder mehr über der Umgebungstemperatur liegt. So beträgt, wenn der Sensor 24 eine Temperatur eines Auslasses mit 60°C misst und der Sensor 76 eine Umgebungstemperatur von 50°C misst, die Differenz lediglich 10°C, und die durch den Sensor 24 gemessene Temperatur zeigt an, dass die vorgegebene Bedingung nicht erfüllt ist. Hingegen kann die gleiche Temperaturmessung durch den Sensor, d. h. 60°C, auf ein Problem hindeuten, wenn die Umgebungstemperatur –10°C beträgt. In diesem Fall zeigt die Messung des Sensors 24 an, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, und das Steuerungssystem 36 tritt in Aktion, um die Temperatur des Auslasses zu verringern, indem beispielsweise Stromfluss durch das System unterbrochen wird.
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Bei den oben beschriebenen Beispielen wurde der Stromfluss auf Null verringert, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt war. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen beim Auftreten der vorgegebenen Bedingung eine andere Steuerung vor. Das heißt, Ausführungsformen der Erfindung sehen eine Verringerung des Stromflusses auf einen von Null verschiedenen Pegel vor, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Beispielsweise kann das Steuerungssystem so eingerichtet sein, dass es, wenn ein Wärmeschutzsystem, wie beispielsweise das System 10 oder 42, beim Laden eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs eingesetzt wird, den Stromfluss auf den minimal zulässigen Strom für das Fahrzeug-Ladesystem verringert. Bei einigen aktuellen Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen kann dieser Pegel ungefähr 6 Ampere betragen.
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In anderen Ausführungsformen kann der Strom auf einen maximalen Strompegel verringert werden, durch den verhindert wird, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Wenn beispielsweise ein Sensor, wie der Sensor 62, erfasst, dass eine Temperatur der Steckdose 56 über der vorgegebenen Temperatur liegt, kann sein Signal ein Steuerungssystem veranlassen, den Stromfluss um das erforderliche minimale Maß zu verringern (und so den maximal zulässigen Stromfluss aufrechtzuerhalten), das zulässt, dass die Temperatur der Steckdose 56 unmittelbar unter die vorgegebene Temperatur abnimmt. Beim Laden von Fahrzeugen kann dies beispielsweise erreicht werden, indem das bordeigene Ladesystem so gesteuert wird, dass ein geringfügig weniger aggressives Ladeprogramm eingesetzt wird.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Formulierungen beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung herzustellen.
