DE102018204271A1

DE102018204271A1 - Anordnung zur Erfassung der Temperatur und Kontaktanordnung mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102018204271A1
Application number: DE102018204271.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Meißner; Frank Wittrock
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US20190293493A1; JP2019168450A; US11385106B2; CN110307909B; CN110307909A; JP7254572B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Erfassung der Temperatur (T) mindestens eines elektrisch leitenden Elements (7) und eine Kontaktanordnung (11), insbesondere Buchse (29) oder Stecker (31) mit mindestens einer Kontaktaufnahme (55) zum Aufnehmen mindestens eines elektrisch leitenden Elements (7). Derartige Anordnungen (1) und Kontaktanordnungen (11) sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei diese Lösungen jedoch zum einen eine deutliche Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den elektrisch leitenden Elementen (7) und einem Temperaturfühler (9) und zeitlich verzögerte Temperaturverläufe des Elements (7) und des Temperaturfühlers (9) aufweisen können. Die erfindungsgemäße Anordnung (1) verbessert die Lösungen aus dem Stand der Technik dadurch, dass mindestens ein Temperaturfühler (9) und mindestens ein separater Wärmeleiter (37) aus einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material (39) vorgesehen sind, wobei der Wärmeleiter (37) den Temperaturfühler (9) zumindest abschnittsweise umgibt und eine Anlagefläche (49) zur Anlage an das elektrisch leitende Element (7) aufweist. Die erfindungsgemäßen Kontaktanordnung (11) umfasst mindestens eine Sensoraufnahme (13), in welcher mindestens eine erfindungsgemäße Anordnung (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Temperatur mindestens eines elektrisch leitenden Elements. Ferner betrifft die Erfindung eine Kontaktanordnung, insbesondere eine Buchse oder einen Stecker mit mindestens einer Kontaktaufnahme zum Aufnehmen mindestens eines elektrisch leitenden Elements und mindestens eine Sensoraufnahme.
Anordnungen zum Erfassen der Temperatur sowie Kontaktanordnungen, die eine solche Anordnung aufweisen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Anordnungen werden beispielsweise dazu verwendet, um stromleitende Elemente zu überwachen. Wird beispielsweise ein Temperaturgrenzwert erreicht, so kann dieser Aufschluss darüber geben, ob ein maximal zulässiger Strom durch das elektrisch leitende Element fließt, oder auch ob eine unvollständige bzw. fehlerhafte Kontaktierung vorliegt. Eine fehlerhafte Kontaktierung kann beispielsweise zu einem verringerten effektiven stromleitenden Querschnitt des elektrisch leitenden Elements führen, so dass sich dieses bei einem fest eingestellten Strom über einen innerhalb der Spezifikation festgelegten Temperaturgrenzwert hinaus erhitzen kann. Im Bereich der Elektromobilität ist eine solche fehlerhafte Kontaktierung besonders kritisch und zu vermeiden. In diesem Bereich vorliegende Spannungen im Bereich von 1kV und der in den Gleichstromkreisen fließende Strom im Bereich von ca. 200 A können innerhalb von weniger als einer Minute dazu führen, dass eine fehlerhafte Kontaktierung zur übermässigen Erhitzung des elektrisch leitenden Elements über vorab festgelegte Grenzwerte hinaus geschieht. Bei einer solchen Überhitzung drohen neben der thermischen Zerstörung der Kontaktanordnung und umliegender Elemente auch das Austreten giftiger Dämpfe/Gase bzw. das Auftreten von Bränden. Ein zuverlässiges Erkennen von zu hohen übertragenden Strömen, als auch fehlerhafter elektrischer Kontaktierungen anhand der Temperatur des elektrisch leitenden Elements kann die oben beschriebenen Gefahren mindern bzw. gar ausräumen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen jedoch Diskrepanzen im ermittelten Temperaturwert auf, wobei zusätzlich der Nachteil auftreten kann, dass sich der ermittelte Temperaturwert erst zeitverzögert ermittelt werden kann, das heißt, dass ein zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelter Temperaturwert nicht die momentan vorherrschende Temperatur des elektrisch leitenden Elements abbildet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Erfassung der Temperatur mindestens eines elektrisch leitenden Elements und eine Kontaktanordnung, insbesondere eine Buchse oder ein Stecker zu schaffen, die es erlauben, die Temperatur eines elektrisch leitenden Elements möglichst zeitnah und korrekt zu ermitteln.
Die eingangs erwähnte Anordnung löst die obige Aufgabe dadurch, dass sie mindestens einen Temperaturfühler und mindestens einen separaten Wärmeleiter aufweist, wobei der mindestens eine separate Wärmeleiter aus einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material besteht und wobei der Wärmeleiter den Temperaturfühler zumindest abschnittsweise umgibt und eine Anlagefläche zur Anlage an das elektrisch leitende Element aufweist.
Da der Wärmeleiter elektrisch isolierend ist und den Temperaturfühler zumindest abschnittweise umgibt, werden sowohl die Luft- als auch die Kriechstrecke erhöht, so dass die Stromkreise (Hochvolt-Niedervolt) zuverlässig elektrisch voneinander isoliert werden können.
Ferner erlauben die erfindungsgemäßen Lösungen eine gute thermische Anbindung an die elektrisch leitenden Elemente, so dass Temperaturdifferenzen und Zeitverzögerungen minimiert werden können.
Die erfindungsgemäße Anordnung und die erfindungsgemäße Kontaktanordnung haben den Vorteil, dass eine nahezu formschlüssige thermische Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Element, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dem Temperaturfühler erreicht wird. Unter einer thermischen Verbindung ist eine Wärmebrücke zu verstehen, welche die Wärme vom elektrisch leitenden Element zum Temperaturfühler leitet. Mittels des Wärmeleiters und insbesondere mittels dessen Anlagefläche kann ferner ein möglicher Luftspalt zwischen dem Wärmeleiter und dem elektrisch leitenden Element bzw. zwischen dem Wärmeleiter und dem Temperaturfühler verhindert bzw. zumindest minimiert werden. Folglich wird auch eine Dicke einer für die Wärmeübertragung isolierend wirkender Luftschicht verringert und eine zeitnahe Messung ermöglicht.
Die eingangs genannte erfindungsgemäße Kontaktanordnung löst die obigen Aufgaben dadurch, dass in der Sensoraufnahme mindestens eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung der Temperatur angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung, als auch die erfindungsgemäße Kontaktanordnung können durch im Folgenden näher beschriebene Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Hierbei sind die technischen Merkmale der im Folgenden beschriebenen spezifischen Ausgestaltungen beliebig miteinander kombinierbar und können auch weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt.
Unter einem wärmeleitenden Material sind insbesondere solche Materialien zu verstehen, die nicht den Dämmstoffen zugeordnet sind und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,2 W/(m K) aufweisen. Metalle, die per se eine höhere Wärmeleitfähigkeit von bis zu mehreren Hundert W/(m K) aufweisen können, sind zwar bessere Wärmeleiter (besser im Sinne einer höheren Wärmeleitfähigkeit), können allerdings zur Übertragung der Temperatur zwischen dem elektrisch leitenden Element und dem Temperaturfühler nicht verwendet werden, da diese keine elektrische Isolierung gewährleisten. Der Hochspannungsstromkreis (ca. 1kV) ist jedoch dringend elektrisch vom Niedervoltstromkreis (beispielsweise 12 Volt; Boardelektronik eine Elektroautos) zu trennen, um elektrische Komponenten des Niedervoltstromkreises vor Defekt und/oder Zerstörung zu schützen.
In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist wenigstens die Anlagefläche elastisch und reversibel verformbar. Dies hat den Vorteil, dass sich eine solche Ausgestaltung körperlich an den Temperaturfühler und/oder an das elektrisch leitende Element, dessen Temperatur gemessen werden soll, anpassen kann.
Somit wird eine möglichst großflächige mechanische Kontaktierung zwischen dem Wärmeleiter und dem elektrisch leitenden Element und/oder dem Temperaturfühler gewährleistet. Es treten keine isolierenden Luftspalte auf, welche die Wärmeleitung vom elektrisch leitenden Element zum Temperaturfühler hin stark herabsetzen.
Dadurch, dass wenigstens die Anlagefläche reversibel verformbar ist, kann sich ein und derselbe Wärmeleiter an sich leicht unterscheidende elektrisch leitende Elemente anpassen. Somit ist gewährleistet, dass trotz etwaiger Fertigungstoleranzen stets eine optimale thermische Anbindung zum elektrisch leitenden Element gewährleistet ist.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anlagefläche zumindest abschnittsweise konkav ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine derartige konkave Ausbildung partiell um ein entsprechend konvex ausgebildetes elektrisch leitendes Element herum angelegt werden kann. Insbesondere kann das elektrisch leitende Element zylinder- oder stabförmig sein, wobei der Außenradius an einer Temperaturmessstelle des elektrisch leitenden Elements dem Radius der konkav ausgebildeten Anlagefläche entsprechen kann.
Ebenso sind jedoch jegliche Formen der Anlagefläche denkbar, wobei diese besonders bevorzugt an die äußere Form des elektrisch leitenden Elements angepasst sein können.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der komplette separate Wärmeleiter elastisch und reversibel verformbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Wärmeleiter Silikon aufweisen. Silikon ist ein guter elektrischer Isolator, der es ermöglicht, den Hochvolt-Stromkreis vom Niedervolt-Stromkreis zuverlässig zu trennen.
Besonders bevorzugt kann für den Wärmeleiter sogenanntes hochgefülltes Silikon verwendet werden. Solch hochgefülltes Silikon ist mit Mikropartikeln aus Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit versetzt, wobei die Mikropartikel zur Wärmeleitung beitragen, allerdings im elektrisch isolierenden Silikon eingebettet sind und somit selbst nicht elektrisch isolierend ausgestaltet sein müssen.
Ebenso können die hochgefüllten Silikone Granulate umfassen. Die Granulate/Nanopartikel können insbesondere aus Silizium oder aus Keramik bestehen. Obwohl Silizium an sich spezifische elektrische Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit) aufweist, kommen diese nicht zum Tragen, da das Silizium im Silikon eingebettet ist.
Ferner können die Granulate/Nanopartikel aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe bzw. Verbindungen bestehen: Aluminium, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid.
Diese Stoffe/Verbindungen können eine im Vergleich zu reinem Silikon erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ferner können diese auch elektrisch isolierend sein (z.B. Aluminiumoxid), wobei, wie bereits erwähnt, eine elektrische Leitfähigkeit (z.B. bei Aluminium) durch die elektrisch isolierende Wirkung des Silikons die Verwendung solch leitender Füllstoffe nicht ausschließt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung kann der mindestens eine Temperaturfühler auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass der Temperaturfühler zum einen in seiner Lage fixiert und leicht montierbar ist, und zum anderen auf einfache Art und Weise elektrisch kontaktiert werden kann. Insbesondere kann eine gedruckte Leiterplatte (englisch: printed circuit board: PCB) verwendet werden.
Die Leiterplatte kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zwei Temperaturfühler aufweisen, so dass zwei elektrisch leitende Elemente zeitgleich und unabhängig voneinander auf eine mögliche Überhitzung untersucht und überwacht werden können.
Die zwei elektrisch leitenden Elemente können insbesondere Kontakte einer Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge sein. Die Ladestecker bzw. Ladebuchsen frei zugänglicher Ladestation können Defekte aufweisen, die zu einer unzureichenden elektrischen Kontaktierung führen können und, wie anfangs bereits beschrieben, unter Umständen zu übermäßigen Erhitzung oder gar Zerstörung der Buchse bzw. des Steckers.
Ferner kann die Anwendung in den Ladebuchsen bzw. Ladesteckern von Elektrofahrzeugen vorteilhafterweise dazu genutzt werden, in Fahrzeug- bzw. in der Ladevorrichtung auftretende Defekte, wie z.B. fehlerhafte Ströme oder bisher unbekannte Senken, zu erkennen und den zur Verfügung gestellten Ladestrom entsprechend der Güte der elektrischen Verbindung anzupassen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann dadurch weiter verbessert werden, dass der Wärmeleiter den Temperaturfühler zumindest abschnittsweise an mindestens drei Seiten umgibt. Ein solches U-förmiges Umschließen des Temperaturfühlers, bzw. der Leiterplatte mit dem Temperaturfühler hat den Vorteil, dass Kriechstrecken weiter vergrößert und die elektrische Isolierung beider Stromkreise verbessert werden kann.
Insbesondere kann der Boden des U-förmigen Wärmeleiters durch die Anlagefläche gebildet sein. Die Seitenelemente des U-förmigen Wärmeleiters können den Temperaturfühler bzw. die Leiterplatte mit dem Temperaturfühler zumindest abschnittsweise zwischen sich einschließen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann zumindest ein Abschnitt der Leiterplatte somit in den Wärmeleiter eingesteckt sein. Ein solches Einstecken hat ferner den Vorteil, dass der Wärmeleiter einfach auf eine, den Temperaturfühler enthaltende Leiterplatte angebracht werden kann und ein Austausch des Wärmeleiters ebenso einfach realisierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Wärmeleiter einen Schlitz zur Aufnahme des mindestens einen Temperaturfühlers auf. Ein solcher Schlitz im Wärmeleiter hat ähnliche Vorteile wie ein im Querschnitt U-förmig ausgestalteter Wärmeleiter, da auch in diesem eine Leiterplatte eingesteckt werden kann. Insbesondere kann der Schlitz in Form einer Tasche ausgebildet sein, so dass der Schlitz lediglich von einer Seite aus zugänglich ist und sich vom Boden des Schlitzes den Boden vollständig umgebende Seitenwände vom Boden weg erstrecken. Insbesondere erstrecken sich besagte Seitenwände weg vom elektrisch leitenden Element.
So kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Kontaktanordnung der Temperaturfühler auf einer Zunge der Leiterplatte ausgestaltet sein, wobei besagte Zunge im Schlitz des Wärmeleiters aufgenommen sein kann. Ein solcher, als Tasche ausgebildeter Schlitz, kann trotz lediglich geringer bis nicht vorliegender mechanischer Krafteinwirkung auf die Leiterplatte aufgrund der möglichen formschlüssigen Aufnahme der Leiterplatte unverlierbar an der Leiterplatte gehalten sein.
Sofern sogenannte oberflächenmontierter Bauteile (surface mounted device: SMD) verwendet werden, kann es notwendig sein, dass der Wärmeleiter nicht in mechanischem Kontakt mit dem SMD ist. In einer solchen Ausgestaltung ist der Abstand zwischen dem Wärmeleiter und dem SMD möglichst gering zu wählen, so dass ein möglichst geringer Luftspalt (beispielsweise von wenigen 100 µm) auftritt.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann weiter verbessert werden, indem zumindest der Temperaturfühler vollständig vom Wärmeleiter umschlossen ist. Eine solche untrennbare Verbindung zwischen dem Temperaturfühler und dem Wärmeleiter kann vorteilhaft sein, wenn der Temperaturfühler gegen schädliche Einflüsse, wie z.B. Gase oder Flüssigkeiten geschützt werden soll. Ferner hat ein solches Umschließen des Temperaturfühlers den Vorteil, dass auch Vibrationen, wie im Automobilbereich üblich, nicht zu einer Trennung des Wärmeleiters vom Temperaturfühler führen können.
So kann in einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung die Anordnung in der Sensoraufnahme der Kontaktanordnung mit dem Material des Wärmeleiters vergossen sein. Das heisst, dass ein Zwischenraum zwischen der Anordnung zur Erfassung der Temperatur und Begrenzungen der Sensoraufnahme der Kontaktanordnung vollständig mit dem Material des Wärmeleiters vergossen bzw. gefüllt ist. Ein solches Vergießen führt, wie zuvor erwähnt, zu einer nicht trennbaren Verbindung und schützt in diesem Fall die komplette Anordnung vor schädlichen Umgebungsbedingungen und Vibrationen.
Ferner kann der Wärmeleiter hohl ausgestaltet sein und in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung eine elektrisch isolierende Außenhülle und ein in dieser Außenhülle aufgenommenes, weiteres, wärmeleitendes Medium umfassen.
Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch Wahl des weiteren wärmeleitenden Mediums die mögliche erreichbare Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleiters erhöht werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass das weitere wärmeleitende Medium eine im Vergleich zur isolierenden Außenhülle höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann und insbesondere nicht zwingend elektrisch isolierend sein muss.
Der Wärmeleiter kann insbesondere eine Durchbruchspannung > 500 V aufweisen. Besonders bevorzugt liegt die Durchbruchspannung noch höher, beispielsweise > 600 V, > 700 V, > 800 V, > 900 V und besonders bevorzugt > 1000 V.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung kann die Sensoraufnahme in einem sekundären Rastelement ausgebildet sein. Insbesondere kann die Anordnung zur Erfassung der Temperatur zusammen mit dem sekundären Rastelement beweglich sein und mindestens eine Position des sekundären Rastelements vorgesehen sein, in welcher der Wärmeleiter an die mindestens eine Kontaktaufnahme angrenzt oder mit dieser überlappt.
Da in der Kontaktaufnahme die elektrisch leitenden Elemente aufgenommen werden können, ist somit sichergestellt, dass in mindestens einer Position des sekundären Rastelements eine Temperaturmessung der elektrisch leitenden Elemente möglich ist. Bevorzugt entspricht die mindestens eine Position einer Verrastungsstellung, deren Erreichen eine grundlegende Bedingung sein kann, um den Stromschluss durch die elektrisch leitenden Elemente zu starten.
In einer solchen Ausgestaltung der Kontaktanordnung, die insbesondere eine Gleichstrombuchse bzw. ein Gleichstromstecker eines Elektrofahrzeuges sein kann, ist es folglich möglich, die Temperatur der stromführenden elektrisch leitenden Elemente direkt mit dem Wärmeleiter zu kontaktieren und die Wärme somit mittelbar zum mindestens einen Temperaturfühler zu leiten.
Bevorzugt weist die Anordnung zwei Temperaturfühler auf. Somit ist es möglich, den Temperaturverlauf der elektrisch leitenden Elemente nahezu instantan mit hoher Genauigkeit nachzuverfolgen und den geleiteten Strom unter Umständen anzupassen, d.h. nachzuregeln.
Somit kann die Sicherheit bei der Verwendung einer solchen Gleichstrombuchse oder eines solchen Gleichstromsteckers erhöht werden. Auch die Lebensdauer kann durch die Erfindung erhöht werden, da eine Überhitzung der elektrisch leitenden Elemente der benachbarten Elemente verhindert werden kann.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. Kontaktanordnung im Automobilbereich ist die klassische und reversible Verformbarkeit wenigstens der Anlagefläche des Wärmeleiters vom Vorteil, da auch unter Vibration des elektrisch leitenden Elements ein solches kontinuierlich, d.h. ohne Unterbrechung aufgrund der Vibrationen, mechanisch kontaktiert und dessen Temperatur überwacht werden kann.
Somit kann sowohl eine Beschädigung der Kontaktanordnung oder gar die Schädigung des Elektrofahrzeuges verhindert und zeitgleich eine Isolierung des Hochvolt-Stromkreises vom Niedervolt-Stromkreis (Boardelektronik) realisiert werden.
Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert werden. In den beigefügten Zeichnungen sind spezifische Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung als auch der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung gezeigt. Die technischen Merkmale der im Folgenden gezeigten Ausgestaltungen sind beliebig miteinander kombinierbar und können in anderen Ausgestaltungen auch weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt. Die beschriebenen spezifischen Ausgestaltungen grenzen den angestrebten Schutzbereich nicht ein, sondern stellen lediglich einige der Vielzahl möglicher Ausgestaltungen der Erfindung dar. Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Kontaktanordnung sind ferner nicht auf die angegebene Anzahl der technischen Merkmale beschränkt und können so beispielsweise eine Vielzahl von Temperaturfühlern, zum Beispiel 3, 4, 5 oder mehr Temperaturfühler aufweisen. Gleiche technische Merkmale und technische Merkmale mit gleicher technischer Funktion werden im Folgenden mit dem jeweils gleichen Bezugszeichen versehen. Auf eine wiederholenden Beschreibung wird verzichtet und auf Unterschiede der in verschiedenen Figuren gezeigten Ausgestaltungen wird explizit hingewiesen.
Es zeigen:

1 Einen beispielhaften gemessenen Temperaturverlauf eines elektrisch leitenden Elements und eines Temperaturfühlers;
2 Eine Kontaktanordnung aus dem Stand der Technik;
3 Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung, ohne Kontaktgehäuse;
4 Eine Explosionszeichnung der Kontaktanordnung der 3;
5 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung der Temperatur des mindestens einen elektrisch leitenden Elements;
6a-6c Verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeleiters in Schnittdarstellung; und
7 Simulierte Temperaturunterschiede in jeweils stationären Zuständen.

In 1 sind beispielhafte gemessene Temperaturverläufe 5 einer Anordnung 1 aus dem Stand der Technik gezeigt. In der Darstellung ist die Temperatur T über die Zeit t aufgetragen, wobei der Bereich der Temperatur T von 20 °C bis 120 °C und der Bereich der Zeit t von 0-100 Minuten gezeigt ist.
Die gestrichelte Linie stellt den Temperaturverlauf der Umgebungstemperatur dar, welcher mit dem Bezugszeichen 5a gekennzeichnet ist. Die punktiert gezeichneten Linien stellen zwei Temperaturverläufe 5 dar, welche die Entwicklung der Temperatur T zweier elektrisch leitender Elemente 7 (siehe 2) beschreiben und mit dem Bezugszeichen 5c gekennzeichnet sind. Die beiden Temperaturverläufe 5c unterscheiden sich lediglich marginal, was baubedingten Abweichungen und/oder möglichen empirischen Abweichungen während der Messung zuzuschreiben ist.
Die durchgezogen gezeichnete Linie kennzeichnet den Temperaturverlauf 5 eines Temperaturfühlers 9, wobei dieser Temperaturverlauf mit dem Bezugszeichen 5s bezeichnet ist.
In der Darstellung der 1 werden die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik deutlich. Zum einen ist eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Temperaturverläufen 5c und 5s zu beobachten, der in der gezeigten Messung ca. 15 K beträgt. Ferner ist der Temperaturverlauf 5s zeitlich gegenüber dem Temperaturverlauf 5c verzögert, was beispielhaft durch eine Verzögerungszeit Δt in 1 dargestellt ist.
Beispielsweise wird die Temperatur T von 80 °C vom elektrisch leitenden Element 7 nach ca. sechzehn Minuten erreicht, wohingegen der Temperaturfühler erst nach ca. dreißig Minuten diese Temperatur erreicht. Somit ist mit den Lösungen aus dem Stand der Technik eine zeitnahe und exakte Ermittlung der Temperatur des elektrisch leitenden Elements 7 nicht möglich.
Der Begriff zeitnah ist im Zuge dieser Offenbarung nicht als instantan zu verstehen. Temperaturmessungen sind stets mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung verbunden, da die Wärme vom zu messenden Objekt auf einen Temperaturfühler übertragen werden muss. Diese Übertragung und insbesondere der Zeitraum innerhalb welchem diese geschieht, ist abhängig von verschiedenen Parametern, wie zum Beispiel der Temperaturdifferenz zwischen elektrisch leitendem Element und Temperaturfühler, der Wärmeleitfähigkeit zwischen beiden Elementen, der spezifischen Wärmekapazität des Temperaturfühlers und dergleichen.
Die in 1 gezeigte Messung legt dar, dass mitunter Verzögerungszeiten Δt im Bereich von 10-20 Minuten auftreten können. Legt man eine solche Verzögerungszeit Δt zugrunde, kann eine Temperaturmessung mit einer Verzögerungszeit Δt im Bereich von einer oder 2 Minuten durchaus als zeitnah bezeichnet werden.
Unter einer exakt ermittelten Temperatur ist ferner keine hochpräzise, auf 1/10 Grad Celsius genaue Ermittlung der Temperatur zu verstehen, sondern eine Messung mit einer Genauigkeit von ± 5 °C.
Die zugehörige Anordnung 1 zur Erfassung der Temperatur T mindestens eines elektrisch leitenden Elements 7 aus dem Stand der Technik ist in der 2 gezeigt.
Die Anordnung 1 ist partiell transparent gezeichnet und in der gezeigten Ausgestaltung zur Verwendung in einer Kontaktanordnung 11 vorgesehen. Hierbei wird die Anordnung 1 in einer Sensoraufnahme 13 eines sekundären Rastelements 15 aufgenommen.
Die Anordnung 1 umfasst eine Leiterplatte 17, die beispielsweise als gedruckte Leiterplatte 19 (PCB) ausgestaltet sein kann, und in der gezeigten Ausgestaltung ferner zwei Temperaturfühler 9 umfasst, die mit der PCB 19 mechanisch und elektrisch verbunden sind. Die Anordnung 1 kann ferner eine Auswerteeinheit 21, eine Speichereinheit 23 und einen Kontaktierungsbereich 25 zum Kontaktieren der PCB 19 und darauf angebrachter Elemente (beispielsweise den Temperaturfühlern 9) umfassen. Über den Kontaktierungsbereich 25 kann die PCB 19 beispielsweise einen (nicht gezeigten) Wert zur Verfügung stellen, der die von den Temperaturfühlern 9 gemessen Temperatur T repräsentiert.
Die PCB 19 ist somit im sekundären Rastelement 15 aufgenommen, wobei das sekundäre Rastelement 15 wiederum in einem Kontaktgehäuse 27 der Kontaktanordnung 11 angeordnet und/oder befestigt ist. Die Kontaktanordnung 11 kann (wie gezeigt) eine Buchse 29 oder ein Stecker 31 (nicht gezeigt) sein und bevorzugt im Bereich elektrisch betriebener Fahrzeuge, zum Beispiel in Form von Ladebuchsen und Ladesteckern verwendet werden. In einem solchen Anwendungsfall erlaubt eine solche Anordnung die Messung bzw. Überwachung der Temperatur des oder der elektrisch leitenden Elemente.
In den 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 1 in Verbindung mit zwei elektrisch leitenden Elementen 7 und dem sekundären Rastelement 15 in einem Montagezustand 33 (3) bzw. in einer Explosionsdarstellung (4) gezeigt. Die 5 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung 1 lediglich in Verbindung mit den elektrisch leitenden Elementen 7. Im Montagezustand 33 befindet sich das sekundäre Rastelement 15 an einer Position 34, in welcher der Wärmeleiter 37 an die Kontaktaufnahme 55 angrenzt oder mit dieser überlappt.
Auch in diesen Darstellungen sind das sekundäre Rastelement 15 und/oder die PCB 19 partiell transparent gezeichnet, sodass die auf einer Unterseite 35 (vergleiche 5) angeordneten Temperaturfühler 9 sichtbar sind.
Die gezeigte Anordnung 1 umfasst neben der PCB 19 zwei Wärmeleiter 37 die ein elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Material 39, beispielsweise Silikon 41 und bevorzugt sogenanntes hochgefülltes Silikon 43 umfassen. Diese Materialien 39, 41 haben bevorzugt eine Durchbruchspannung 40 von mehr als 500 V. Weiter bevorzugt bis mehr als 1000 V. Letzteres ist mit Mikropartikeln 47 versetzt, die in der vergrößerten Darstellung einer der Wärmeleiter 37 angedeutet sind.
Die Wärmeleiter 37 sind elastisch und reversibel verformbar, weisen also eine Elastizität 45 auf.
Die Wärmeleiter 37 umfassen ferner eine mit einer Schraffur angedeutete Anlagefläche 49, wobei die gezeigte Anlagefläche 49 eine Krümmung 51 aufweist. Die gezeigte Anlagefläche 49 ist konkav ausgestaltet.
Die Anlagefläche 49 des Wärmeleiters 37 befindet sich im Montagezustand 33 einem schematisch dargestellten Durchbruch 53. Dieser Durchbruch 53 verbindet die Sensoraufnahme 13 (punktiert dargestellt) mit einer Kontaktaufnahme 55 des sekundären Rastelements 15, in welches die gezeigten elektrisch leitenden Elemente 7 eingesetzt werden können. Somit ist die Anlagefläche 49 des Wärmeleiters 37 im Montagezustand 33 an die Kontaktaufnahme 55 angrenzend bzw. mit dieser überlappend angeordnet, sodass die Anlagefläche 49 an einer Messstelle 57 des jeweiligen elektrisch leitenden Elements 7 anliegt und aufgrund seiner Elastizität 45 (zumindest die Anlagefläche 49 weist diese Elastizität 45 auf) eng an der Messstelle 57 anliegt und das Auftreten von Luftspalten (nicht gezeigt) minimiert. Das Anliegen des Wärmeleiters 37 mit dessen Anlagefläche 49 an der Messstelle 57 ist auch in 5 gezeigt.
Der Wärmeleiter 37 weist ferner einen Schlitz 59 zur Aufnahme des mindestens einen Temperaturfühlers 9 auf. Der Schlitz 59 kann eine Breite 61 aufweisen, welche im Wesentlichen der Breite 61 der PCB 19 entspricht (siehe 5).
Ferner ist eine Nut 63 vorgesehen, die sich vom Schlitz 59 aus in einer Richtung parallel zur Anlagefläche 49 in den Körper des Wärmeleiters 37 hinein erstreckt. In dieser Nut kann der auf der PCB 19 angebrachte Temperaturfühler 9 aufgenommen sein. Der Verlauf der Nut 63 und der an dessen Ende 65 aufgenommene Temperaturfühler 9 sind auch schematisch in 5 gezeigt.
Ist die PCB 19 im Wärmeleiter 37 aufgenommen, so umgibt der Wärmeleiter 37 den Temperaturfühler 9 und in der gezeigten Ausgestaltung auch Teile der PCB 19 von mindestens 3 Seiten, sodass Kriechstrecken deutlich erhöht werden und die elektrisch leitenden Elemente 7 von Elementen der PCB 19 elektrisch isoliert sind. Zumindest ein Abschnitt 18 der Leiterplatte 17 bzw. der PCB 19 kann in den Wärmeleiter 37 eingesteckt sein. Zwei Abschnitte 18, die in den entsprechenden Wärmeleiter 37 eingesteckt werden, sind in 3 gezeigt.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 kann der Wärmeleiter 37 nicht, wie in 5 gezeigt, mit der PCB 19 abschließen, sondern diese vollständig umschließen. Lediglich der Kontaktierungsbereich 25 kann in einer solchen Ausgestaltung zugänglich sein. Dieses vollständige Umschließen hat den Vorteil, dass die PCB 19 mitsamt dessen elektrischen Elementen wie dem mindestens einen Temperaturfühler 9, gegen äußere Umwelteinflüsse wie korrosive Gase oder Flüssigkeiten geschützt ist. Ein Wärmeleiter einer solchen Ausgestaltung ist in 6c gezeigt.
In der 7 ist eine simulierte (FEM) Temperaturerhöhung ΔT_R in Abhängigkeit eines angelegten Stromes I gezeigt. Die simulierten Werte der Temperaturerhöhung ΔT_R sind jeweils in einem stationären Zustand ermittelt, d.h. zeitunabhängig. Für die Simulation wurden elektrisch leitende Elemente 7 angenommen, die beidseitig einen Querschnitt von 70 mm² und einen Gesamtwiderstand von 90 Mikroohm aufweisen. Als Raumtemperatur wurden 30 °C angenommen.
Auch in dieser Darstellung ist ein deutlicher Temperaturunterschied ΔT zwischen dem Temperaturverlauf 5c (punktiert) der elektrisch leitenden Elemente 7 und dem Temperaturverlauf 5s des Temperaturfühlers 9 erkennbar.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeleiters 37 kann bei einem Strom von etwa 300 A der Temperaturunterschied ΔT von 18 K auf ca. 6 K gesenkt werden. Der mit dem Wärmeleiter 37 erhaltene Temperaturverlauf 5h ist als mit Kreuzen versehene Linie eingezeichnet. Dieser Temperaturverlauf 5h kann zur Erfassung des Temperaturverlaufs 5c mit einem deutlich geringerem Fehler herangezogen werden, als dies beim Temperaturverlauf 5s der Fall ist.
Der zweite Temperaturunterschied ΔT₂ kann durch weitere Optimierung, beispielsweise des Materials des Wärmeleiters 37 weiter verringert werden.
In den 6a bis 6c sind Querschnitte von verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeleiters 37 gezeigt. Alle drei Ausgestaltungen sind zentral im Schlitz 59 geschnitten, wobei in der in 6c gezeigten Ausgestaltung ihr von einem Aufnahmevolumen 67 gesprochen werden kann.
Ferner weisen alle gezeigten Ausgestaltungen die Anlagefläche 49 auf, welche mit einem Radius 69 konkav ausgeformt ist. Dieser Radius 69 entspricht vorteilhafterweise dem Radius 69 der Messstelle 57 des entsprechenden elektrisch leitenden Elements 7.
Im Verbindung mit der 4 ist leicht ersichtlich, dass ein zweiter Wärmeleiter 37 vorgesehen sein kann, der bezüglich einer Symmetrieachse 71 gespiegelt ist. Die Symmetrieachse 71 ist lediglich beispielhaft in der 6a eingezeichnet.
Im Schlitz 59 weisen die Ausgestaltungen der 6a und 6b die Nut 63 auf, welche sich bis zum Ende 5 in Richtung der Anlagefläche 49 erstreckt. Entlang dieser Nut 63 kann ein von der PCB 19 in die Zeichenebene hinein hervorstehender Temperaturfühler bis zu einer finalen Position 73 (punktierte Linie) aufgenommen werden. Die finale Position 73 wird beispielsweise im Montagezustand 33 erreicht.
Ein Körper 75 des Wärmeleiters 37 der 6a besteht vollständig aus Silikon 41 und insbesondere gefülltes Silikon 43. Der Körper 75 kann in weiteren Ausgestaltungen auch andere Materialien umfassen, sofern diese elektrisch isolierend und wärmeleitend sind. Eine Teilkontur 77 (gestrichelt gezeichnet) ist komplementär zur Sensoraufnahme 13 des sekundären Rastelements 15 ausgestaltet. Abschnitte der Teilkontur 77 können dabei komplementär zur Messstelle 57 sein.
Die Form des Schlitzes 59 kann in anderen Ausgestaltungen andere Formen aufweisen, zum Beispiel abgerundet, rechteckig oder dreieckig sein. Insbesondere ist die Form des Schlitzes 59 an die Form der PCB 19 angepasst, d.h. komplementär zu dieser ausgeformt.
Die Ausgestaltung des Wärmeleiters 37 der 6b weist einen Körper 75 auf, der eine Außenhülle 79 und ein in dieser Außenhülle 79 aufgenommenes weiteres wärmeleitendes Medium 81 umfasst. Die Außenhülle 79 umfasst ein elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Material 39, wohingegen das weitere wärmeleitende Medium 81 bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise elektrisch isolierend ist. Sofern die Außenhülle 79 eine genügend hohe Durchbruchspannung aufweist und somit die Stromkreise des elektrisch leitenden Elements 7 und der PCB 19 zuverlässig elektrisch voneinander trennt, kann für das weitere wärmeleitende Medium 81 auch ein elektrisch leitendes Medium verwendet werden. Bezüglich der weiteren technischen Merkmale und der Funktionsweise entspricht die in 6b gezeigten Ausgestaltung jener der 6a.
In 6c ist eine Ausgestaltung des Wärmeleiters 37 gezeigt, in welcher das elektrisch isolierende und wärmeleitende Material 39 die PCB 19, zumindest im Bereich des angedeuteten Temperaturfühlers 9, vollständig umgibt. Das Material 39 schließt folglich die PCB 19 inklusive des Temperaturfühlers 9, der sich in der Zeichenebene unterhalb der geschnitten gezeichneten PCB 19 befindet, vollständig ein. Eine chemische Beeinflussung der PCB 19 und insbesondere des Temperaturfühlers 9 wird somit verhindert.
Insbesondere die in 6c gezeigte Ausgestaltung des Wärmeleiters 37 kann monolithisch ausgestaltet sein und einen zweiten Temperaturfühler 9 umschließen.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
3: Temperatur
5: Temperaturverlauf
5a: Temperaturverlauf der Umgebungstemperatur
5c: Temperaturverlauf des elektrisch leitenden Elements
5h: Temperaturverlauf mit Wärmeleiter
5s: Temperaturverlauf des Temperaturfühlers
7: elektrisch leitendes Element
9: Temperaturfühler
11: Kontaktanordnung
13: Sensoraufnahme
15: Sekundäres Rastelement
17: Leiterplatte
18: Abschnitt
19: gedruckte Leiterplatte (PCB)
21: Auswerteeinheit
23: Speichereinheit
25: Kontaktierungsbereich
27: Kontaktgehäuse
29: Buchse
31: Stecker
33: Montagezustand
34: Position
35: Unterseite
37: Wärmeleiter
39: elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Material
40: Durchbruchspannung
41: Silikon
43: hochgefülltes Silikon
45: Elastizität
47: Mikropartikel
49: Anlagefläche
51: Krümmung
53: Durchbruch
55: Kontaktaufnahme
57: Messstelle
59: Schlitz
61: Breite
63: Nut
65: Ende
67: Aufnahmevolumen
69: Radius
71: Symmetrieachse
73: finale Position
75: Körper
77: Teilkontur
79: Außenhülle
81: weiteres wärmeleitendes Medium
Δt: Verzögerungszeit
ΔT: Temperaturdifferenz
t: Zeit
T: Temperatur
I: Strom
ΔT_R: Temperaturerhöhung
ΔT₂: zweiterTemperaturunterschied

Claims

Anordnung (1) zur Erfassung der Temperatur (T) mindestens eines elektrisch leitenden Elements (7), mit mindestens einem Temperaturfühler (9) und mindestens einem separaten Wärmeleiter (37) aus einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material (39), wobei der Wärmeleiter (37) den Temperaturfühler (9) zumindest abschnittsweise umgibt und eine Anlagefläche (49) zur Anlage an das elektrisch leitende Element (7) aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei wenigstens die Anlagefläche (49) elastisch und reversibel verformbar ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anlagefläche (49) zumindest abschnittsweise konkav ausgebildet ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmeleiter (37) Silikon (41) aufweist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Temperaturfühler (9) auf einer Leiterplatte (17) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmeleiter (37) den Temperaturfühler (9) zumindest abschnittsweise an mindestens drei Seiten umgibt
Anordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest ein Abschnitt (18) der Leiterplatte (17) in den Wärmeleiter (37) eingesteckt ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wärmeleiter (37) einen Schlitz (59) zur Aufnahme des mindestens einen Temperaturfühlers (9) aufweist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest der Temperaturfühler (9) vollständig vom Wärmeleiter (37) umschlossen ist.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wärmeleiter (37) eine elektrisch isolierende Außenhülle (79) und ein in dieser Außenhülle (79) aufgenommenes weiteres, wärmeleitendes Medium (81) umfasst.
Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Wärmeleiter (37) eine Durchbruchspannung (40) größer 500 V aufweist
Kontaktanordnung (11), insbesondere Buchse (29) oder Stecker (31) mit mindestens einer Kontaktaufnahme (55) zum Aufnehmen mindestens eines elektrisch leitenden Elements (7) und mindestens einer Sensoraufnahme (13), in welcher mindestens eine Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist.
Kontaktanordnung (11) nach Anspruch 12, wobei die Sensoraufnahme (13) in einem sekundären Rastelement (15) ausgebildet ist.
Kontaktanordnung (11) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Anordnung (1) zusammen mit dem sekundären Rastelement (15) beweglich ist und mindestens eine Position (34) des sekundären Rastelements (15) vorgesehen ist, in welcher der Wärmeleiter (37) an die mindestens eine Kontaktaufnahme (55) angrenzt oder mit dieser überlappt.
Kontaktanordnung (11) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Anordnung (1) in der Sensoraufnahme (13) der Kontaktanordnung (11) mit dem Material (39) der Wärmebrücke vergossen ist.