DE102018200886B3

DE102018200886B3 - Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Stromflusses

Info

Publication number: DE102018200886B3
Application number: DE102018200886.8A
Authority: DE
Inventors: Marco Wolf; Michael Ludwig; Martin Rieder
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2038-01-20
Also published as: CN111630359B; WO2019141629A1; US20200343675A1; CN111630359A; EP3740744A1; US11329436B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kontaktelement für einen Steckverbinder, einen Steckverbinder sowie auf ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Stromflusses. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Ladekabel zum Verbinden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Spannungsquelle, insbesondere zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs. Das Kontaktelement (100) weist einen elektrisch leitfähigen Grundkörper (105) auf, der mit einem zugehörigen Gegenkontaktelement elektrisch leitend verbindbar ist, wobei der Grundkörper (105) eine Längsachse (112) aufweist, die entlang einer Steckrichtung zwischen dem Kontaktelement (100) und dem Gegenkontaktelement verläuft. Mindestens ein erster Temperaturfühler (120) und mindestens ein zweiter Temperaturfühler (122) sind zum Erfassen der Temperatur (T1, T2) an zwei unterschiedlichen Messbereichen (108, 110) des Kontaktelements (100) voneinander beabstandet entlang der Längsachse (112) des Kontaktelements (100) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen der Temperatur an einem Steckverbinder während eines elektrischen Stromflusses durch ein elektrisches Kontaktelement. Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft in Verbindung mit einem Ladekabel zum Verbinden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einer Spannungsquelle, insbesondere zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs zusammen mit einer Ladekontrolleinheit zum Steuern eines Ladevorgangs einer Batterie in einem Kraftfahrzeug einsetzbar. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind aber auch für jede andere Art der temperaturüberwachten Stromübertragung vorteilhaft anwendbar.
Elektrofahrzeuge können in unterschiedlichen Lademodi geladen werden. Gegenwärtig sind Modes 1 bis 5 definiert. Diese unterscheiden sich unter anderem in Bezug auf Sicherheitseinrichtungen, Kommunikation mit dem Fahrzeug und Ladeleistung. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen der Ladung mittels Wechselstrom (Modes 1 bis 3), die auch über eine haushaltsübliche Stromversorgung erfolgen kann, aber relativ viel Zeit in Anspruch nimmt, und der wesentlich schnelleren Gleichstromladung (Mode 4 und Mode 5). Gegenwärtig existieren beispielsweise so genannte CCS-Stecker („Combined Charging System“), die beide Ladearten ermöglichen und eine Leistung von 350 kW unterstützen. Elektrofahrzeug-Batterien können so mittels Gleichstrom an entsprechenden Ladesäulen binnen weniger Minuten zu 80 Prozent aufgeladen werden. Zum Vergleich: An einer Steckdose in der eigenen Garage dauert das Laden einer herkömmlichen Elektrofahrzeug-Batterie sieben bis acht Stunden. Künftige Gleichstromladestecker müssen noch höhere Leistungen von beispielsweise bis zu 500 kW sicher übertragen.
Um sicherzustellen, dass sich die Kontaktelemente der Steckvorrichtung nicht überhitzen können, müssen bei allen schnellen DC-Ladesystemen die Temperaturen der Verbinder, Kabel und der übrigen Leistungskomponenten überwacht werden. Für den Betrieb mit Strömen über 200 A müssen Kupplung und Stecker mit unabhängigen Mitteln für eine permanente Temperaturüberwachung aller DC-Kontakte ausgerüstet sein. Wenn einer der DC-Kontakte eine Temperatur von 90 °C oder höher erreicht, muss mindestens ein Sensor am Stecker und an der Kupplung diese innerhalb von 30 Sekunden an eine Auswerteeinheit weiterleiten. Bei einem Steckverbinder stellt die Kontaktzone den heißesten und damit den am meisten gefährdeten Bereich dar. Allerdings besteht keine praktikable Möglichkeit, die Temperatur unmittelbar in der Kontaktzone zu erfassen.
Die DE 10 2015 206 840 A1 offenbart eine Ladevorrichtung zum Laden eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs an einem Wechselstromnetz, wobei die Ladevorrichtung einen Netzstecker umfasst, bei welcher der Netzstecker einen Kontaktstift umfasst, der im Wesentlichen aus einem ersten Werkstoff besteht, die Ladevorrichtung ein Temperaturüberwachungsmittel umfasst, das Temperaturüberwachungsmittel zwei Sensorabschnitte umfasst, die im Wesentlichen aus einem zweiten Werkstoff bestehen und die jeweils mit dem Kontaktstift verbunden sind, so dass durch das Temperaturüberwachungsmittel ein Temperaturgradient innerhalb des Kontaktstiftes nach dem Prinzip der thermoelektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff erfassbar ist.
Die DE 10 2006 016 956 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen thermischer Größen in einem Gargerät. Die Vorrichtung weist wenigstens ein Substrat auf, das innerhalb eines Wärmestroms im Gargerät angeordnet oder anbringbar ist, und wenigstens zwei Temperatursensoren, die auf dem Substrat angebracht und entlang der Richtung des Wärmestroms im Gargerät ausgerichtet oder ausrichtbar sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung, die mit den Temperatursensoren elektrisch gekoppelt und zum Erfassen der Temperaturdifferenz zwischen den an den Temperatursensoren auftretenden Temperaturen vorgesehen ist.
Die DE 103 32 325 A1 betrifft einen Druckkontakt-Steckverbinder mit zwei zusammensteckbaren Steckverbinderteilen, von denen zumindest ein erstes Steckverbinderteil, mehrere Druckkontaktstifte, die in dem Steckverbinderteil gegen eine Rückstellkraft axial verschieblich gelagert sind, umfasst, wobei das erste Steckverbinderteil einen Verbindungsbereich zur Herstellung einer festen elektrischen Verbindung aufweist und der Verbindungsbereich eine Ausgleichseinrichtung für den axialen Verschiebeweg der Druckkontaktstifte umfasst.
Die DE 10 2014 213 757 A1 betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Schutz eines Ladekabels vor Diebstahl. Es wird eine Steuereinheit für ein Fahrzeug beschrieben, wobei das Fahrzeug über ein Ladekabel mit einer elektrischen Energiequelle verbunden werden kann. Das Ladekabel umfasst eine Kabel-Steuereinheit, die eingerichtet ist, einen Ladevorgang über das Ladekabel zu ermöglichen bzw. zu unterbinden. Die Steuereinheit ist eingerichtet, zu detektieren, dass ein Stecker des Ladekabels aus einer Ladedose des Fahrzeugs gezogen wird. Desweiteren ist die Steuereinheit eingerichtet, ein Indiz dafür zu ermitteln, dass der Stecker in unzulässiger Weise aus der Ladedose gezogen wird. Außerdem ist die Steuereinheit eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Indiz, einen Sperrbefehl an die Kabel-Steuereinheit des Ladekabels zu senden, um zukünftige Ladevorgänge über das Ladekabel zu unterbinden.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2016 107 401 A1 bekannt, ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement mit einem Kontaktbereich zur Herstellung eines Kontaktes zu einem komplementären Kontaktelement und mit einem Anschlussbereich für den Anschluss einer elektrischen Leitung vorzusehen und mindestens einen Temperatursensor, welcher die Temperatur in einem Messbereich des Kontaktelementes erfasst, der zwischen dem vorgenannten Anschlussbereich und dem Kontaktbereich liegt.
Es lässt sich aber zeigen, dass sich die Wärme, die in dem Kontaktbereich entsteht, so langsam in Richtung auf den Messbereich überträgt, dass die im Messbereich detektierte Temperatur kritische Werte erst erreicht, wenn sich der Kontaktbereich bereits gefährlich überhitzt hat. Bereits eine Entfernung von 20 mm zwischen dem Temperatursensor und dem Kontaktbereich ist zu groß um den Anforderungen der entsprechenden Sicherheitsbestimmungen noch zu genügen.
Die Temperatur im Kontaktbereich müsste daher aus der Temperatur im Messbereich extrapoliert werden. Um aber ein zuverlässiges Modell für die Berechnung eines Schätzwertes für die Temperatur im Kontaktbereich aus der Temperatur im Messbereich herzuleiten und so vorherzusagen, bei welchen gemessenen Temperaturen eine Reduzierung und/oder Unterbrechung der Leistungsübertragung vorgenommen werden muss, müssen zu viele Wärmegleichungen gelöst werden. Insbesondere kann eine Temperatursensoranordnung, die in einem einzelnen Messbereich entlang der Längsachse des Kontaktelements lokalisiert ist, nicht zwischen den Effekten, die aus dem Kontaktbereich, mithin der Wärmequelle, kommen, und den Effekten, die aus dem Anschlussbereich, also der Wärmesenke, kommen, unterscheiden. Die Einflüsse des Kabels auf den Anschlussbereich können in der Anwendungsumgebung dramatisch variieren, so dass eine Vorhersage mit gefährlichen Unsicherheiten behaftet ist.
Es besteht daher ein Bedarf an Mitteln, die eine sichere und exakte Überwachung der Temperatur in einem Kontaktbereich eines Steckverbinders erlauben und somit die Überwachung eines elektrischen Stromflusses insbesondere beim Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs verbessern und vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, zwei Temperatursensoren an dem Kontaktelement entlang des Verlaufs des Wärmestroms anzubringen. Dadurch kann der thermische Widerstand zwischen den beiden Temperatursensoren (nachfolgend auch als Temperaturfühler bezeichnet) über einen Kalibrierschritt bestimmt werden und so die Anzahl der thermischen Unbekannten reduziert werden. Kennt man den thermischen Widerstand zwischen den beiden Temperatursensoren, kann man die Ausgangssignale der beiden Temperatursensoren in ihrem zeitlichen Verlauf (beispielsweise in diskreten Zeitschritten) auswerten und daraus die Größe und Richtung des Wärmestroms sowie dessen zeitliche Änderung berechnen. Die thermischen Widerstände für die Wärmeleitfähigkeit an dem Übergang zwischen dem Kontaktelement und einem entsprechenden Gegenkontaktelement sowie für die Anschlusszone (beispielsweise eine Crimpverbindung) sind abhängig vom Design und können ebenfalls durch Kalibrierung ermittelt werden. Es lässt sich zeigen, dass für eine zuverlässige Vorhersage der Temperatur in dem Kontaktbereich darüber hinaus nur noch der Einfluss des thermischen Konvektionsverlustes an die Umgebung von Bedeutung ist, der aber beispielsweise über die Ermittlung der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden kann.
Insbesondere weist ein Kontaktelement für einen Steckverbinder einen elektrisch leitfähigen Grundkörper auf, der mit einem zugehörigen Gegenkontaktelement elektrisch leitend verbindbar ist, wobei der Grundkörper eine Längsachse aufweist, die entlang einer Steckrichtung zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenkontaktelement verläuft. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mindestens ein erster Temperaturfühler und mindestens ein zweiter Temperaturfühler vorgesehen, die zum Erfassen der Temperatur an zwei unterschiedlichen Messbereichen des Kontaktelements voneinander beabstandet entlang der Längsachse des Kontaktelements angeordnet sind.
Ein solches Kontaktelement erlaubt es auf besonders einfache und zuverlässige Weise, die Temperatur in einem Kontaktbereich zu dem Gegenkontaktelement, der von den beiden Messbereichen entfernt liegt, vorherzusagen und dadurch gefährliche Überhitzung rechtzeitig zu erkennen.
Diese Anordnung lässt sich mechanisch (und rechnerisch für die Modellbildung) besonders einfach realisieren, wenn das Kontaktelement einen Kontaktstift und das Gegenkontaktelement eine Kontaktbuchse aufweist. Selbstverständlich können aber die erfindungsgemäßen Prinzipien auch angewendet werden, wenn das Kontaktelement eine Kontaktbuchse aufweist. Weiterhin können auch mehr als nur ein erster und ein zweiter Temperaturfühler vorgesehen sein, die mit Bezug auf die Längsachse an denselben oder weiteren versetzten Messbereichen angeordnet sind. In besonders vorteilhafter Weise lässt sich die vorliegende Erfindung für Kontaktstifte einsetzen, die in einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs verwendet werden.
Für die Ermittlung eines Schätzwertes zum Vorhersagen der Temperatur im Kontaktbereich ist neben den absoluten Temperaturen der Temperaturfühler auch ein Wert für die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern erforderlich.
Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien realisieren, wenn mindestens einer der Temperaturfühler ein Thermoelement aufweist. Thermoelemente basieren auf dem sogenannten thermoelektrischen Effekt: Verbindet man zwei Drähte unterschiedlicher Werkstoffe, kann man an deren freien Enden eine Spannung messen, wenn sich die Verbindungsstelle auf einer anderen Temperatur befindet als diese freien Enden. Gemessen wird immer die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der Verbindungsstelle und der Temperatur an den Anschlüssen (Klemmen) eines Messgerätes. Der thermoelektrische Effekt beruht auf einer materialspezifischen Eigenschaft von elektrisch leitfähigen Materialien. Im Inneren eines Leiters stellt sich durch die Temperatureinwirkung eine Verschiebung der Elektronendichte ein (Volumendiffusionseffekt), wenn über den Leiter eine Temperaturveränderung (Anstieg oder Gefälle) besteht. Mathematisch wird diese Veränderung als Temperaturgradient bezeichnet. Am heißen Ende tritt aufgrund der höheren kinetischen Energie eine Verarmung, und am kalten Ende eine Anreicherung der Ladungsträger ein. Jedes Leiterstück ist für sich allein eine Spannungsquelle. Die Anordnung zweier verbundener Drähte nennt man Thermoelement oder Thermopaar. Nur die Differenz der Spannungssummen in den Drähten unterschiedlichen Materials ergibt eine messbare Spannung, die ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und den Klemmen des Messgerätes ist.
Je nach Werkstoffkombination ergibt sich eine reproduzierbare Abhängigkeit der Thermospannung von der Temperatur an der Verbindungsstelle. Aus der Vielzahl von möglichen Drahtpaarungen (es sind über 300 Werkstoffpaarungen für die Temperaturmessung bekannt) werden einige für die industrielle Temperaturmessung genutzt. Die Thermospannungen liegen hier im Bereich von 5mV/°C bis ca. 100mV/°C. Die zur industriellen Temperaturmessung geeigneten Werkstoffe sind in der DIN EN 60584-1 genormt (DIN EN 60584-1:2014-07, Titel (Deutsch): Thermoelemente - Teil 1: Thermospannungen und Grenzabweichungen (IEC 60584-1:2013); Deutsche Fassung EN 60584-1:2013. Die in dieser Norm angegebenen Thermospannungen beziehen sich immer auf eine Vergleichsstellentemperatur von 0°C.
Die zur Temperaturmessung geeigneten Werkstoffe lassen sich nach Thermospannung geordnet in einer thermoelektrischen Spannungsreihe, meist gegen Platin als Referenzmetall darstellen, wie dies einem Fachmann geläufig ist. Beispiele für Thermoelemente sind Platin/Rhodium-Platin (Pt/RhPt) Typ S, Typ R, Nickel-Chrom/Nickel (NiCr/Ni) Typ K oder Kupfer/Konstantan (Cu/CuNi) Typ T.
Die vorliegende Beschreibung der vorteilhaften Ausführungsformen beschränkt sich auf die beispielhafte Verwendung von Thermoelementen als Temperaturfühler. Für einen Fachmann ist aber klar, dass auch jede andere Art von Temperatursensoren als Temperaturfühler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, beispielsweise Widerstandssensoren wie Pt100 oder Ni100-Elemente, sowie Widerstandselemente mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten (NTC oder PTC-Elemente).
Eine besonders exakte Vorhersage der Temperatur in dem Kontaktbereich kann sichergestellt werden, wenn die beiden Temperaturfühler so angebracht sind, dass der Grundkörper in den zwei Messbereichen eine geringere thermisch leitfähige Querschnittsfläche hat als in den übrigen Bereichen des Kontaktelements. Auf diese Weise ist die Sensoranordnung in der Lage, den Temperaturgradienten dort zu erfassen, wo er am höchsten ist.
Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus in einem Steckverbinder für ein Ladekabel anwendbar. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Steckverbinder Teil einer Ladedose eines Elektrofahrzeugs sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist in dem Steckverbinder eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeordnet, die mit mindestens einem ersten und zweiten Temperaturfühler verbunden ist und die dazu dient, in einem von den Messbereichen unterschiedlichen Überwachungsbereich des Kontaktelements einen Schätzwert für die dort herrschende Temperatur zu berechnen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die elektronische Auswerte- und Steuereinheit Teil eines „In-Cable Control- and Protecting Device“ (IC-CPD) oder ein Teil der Fahrzeugelektronik ist. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der Steckverbinder wie auch der Gegensteckverbinder mit Temperaturfühlern gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind und auch die Ladesäule eine entsprechende elektronische Auswerte- und Steuereinheit aufweist.
Der Steckverbinder umfasst gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ein Gehäuse und eine Kontaktverriegelungsvorrichtung (in den Figuren nicht dargestellt), die den Kontakt an dem Gehäuse fixiert, wobei der Grundkörper zwischen den zwei Messbereichen eine umlaufende Nut aufweist, in welche die Kontaktverriegelungsvorrichtung eingreift. Damit sind die Temperaturfühler an einer funktionalen Einheit des Kontaktelements angeordnet, die sich auch bei unterschiedlichen sonstigen Ausgestaltungen des Kontaktelements normalerweise nicht ändert und stets die Engstelle mit dem stärksten Temperaturgradienten in longitudinaler Richtung darstellt.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Überwachen der Temperatur an einem Steckverbinder während eines elektrischen Stromflusses, der durch einen Steckverbinder hindurch erfolgt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Anlegen eines elektrischen Stromes an ein Kontaktelement, wobei das Kontaktelement mit einem zugehörigen Gegenkontaktelement verbunden ist,
(b) zu einem ersten Zeitpunkt, Ermitteln erster Temperaturwerte an einem ersten und an einem zweiten, von dem ersten Messbereich entlang der Längsachse des Kontaktelements beabstandeten Messbereich,
(c) Berechnen eines ersten örtlichen Temperaturgradienten aus den ersten Temperaturwerten,
(d) zu einem zweiten Zeitpunkt, Ermitteln zweiter Temperaturwerte an dem ersten und an dem zweiten Messbereich,
(e) Berechnen eines zweiten örtlichen Temperaturgradienten aus den zweiten Temperaturwerten,
(f) Berechnen einer zeitlichen Änderung des örtlichen Temperaturgradienten,
(g) Berechnen eines Schätzwertes für eine Temperatur in einem von den Messbereichen unterschiedlichen Überwachungsbereich des Kontaktelements basierend auf der zeitlichen Änderung des örtlichen Temperaturgradienten,
(h) Ausgeben des Schätzwertes an eine Auswerteeinheit.

Für die Berechnung des Schätzwertes wird die Differenz der beiden ersten und der beiden zweiten Temperaturwerte sowie ein Absolutwert für mindestens jeweils einen der beiden ersten und der beiden zweiten Temperaturwerte benötigt.
Der Schätzwert kann beispielsweise mit einem Sollwert verglichen werden, wobei der elektrische Stromfluss so geregelt wird, dass der Schätzwert eine vorbestimmte Abweichung von dem Sollwert nicht überschreitet. Alternativ kann auch ein Vergleich des Schätzwertes mit einem Schwellenwert vorgesehen sein.
Ein solcher Schätzwert kann beispielsweise die an dem Kontaktbereich zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenkontaktelement auftretende Temperatur vorhersagen. Damit kann durch die Messung der beiden Temperaturwerte in den ersten und zweiten Messbereich sichergestellt werden, dass eine bevorstehende Überhitzung beispielsweise im Kontaktbereich verhindert wird. Erfindungsgemäß wird beispielsweise ein Warnsignal zum Unterbrechen oder Reduzieren des Stromflusses erzeugt, wenn der Schätzwert den Schwellenwert überschreitet, und/oder die extrapolierte Kontakttemperatur wird dem Steuergerät zur Verfügung gestellt.
Beispielsweise kann eine besonders einfache Übertemperaturabschaltung realisiert werden, indem zwei Schwellenwerte verwendet werden. Wenn zum einen ein erster Schwellenwert für die Temperaturdifferenz festgelegt wird und zum anderen ein zweiter Schwellenwert für die Absoluttemperatur in dem ersten Messbereich vorgegeben wird, kann durch geeignete Wahl der Schwellenwerte aus dem Erreichen der Schwellenwerte auf das Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur innerhalb einer vorbestimmten Zeit geschlossen werden. Zum Beispiel kann das Kontaktelement so beschaffen sein, dass immer, wenn eine Differenz T1-T2 größer oder gleich 14 °C ist und eine Absoluttemperatur von T1 größer oder gleich 50 °C vorliegt, vorhergesagt werden kann, dass eine Kontakttemperatur Tcontact von mehr als 90 °C an der Kontaktzone herrscht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform bezieht die zeitliche Änderung der Temperatur und die Umgebungstemperatur mit ein. Diese wird insbesondere bei einem temperaturgeregelten Ladevorgang in Mode 5 benötigt.
In vorteilhafter Weise werden die obigen Schritte (b) bis (h) wiederholt, bis der Schätzwert den Schwellenwert überschreitet oder die Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenkontaktelement getrennt wird. Auf diese Weise kann während des gesamten Stromübertragungsprozesses eine Überwachung stattfinden.
Um den Einfluss der thermischen Verluste an die Umgebung zu berücksichtigen, und dadurch die Berechnung des Schätzwertes noch genauer zu machen, kann außerdem vorgesehen sein, dass die Umgebungstemperatur entfernt von dem mindestens einen Kontaktelement erfasst wird und in die Berechnung des Schätzwertes eingeht. Die Erfassung der Umgebungstemperatur kann beispielsweise über einen Temperaturfühler erfolgen, der ein integraler Bestandteil eines elektronischen Bausteins ist, welcher die Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet, oder aber auch vom Fahrzeug über ein Datenbussystem zur Verfügung gestellt werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kontaktstiftes gemäß der vorliegenden Erfindung sowie seines thermischen Ersatzschaltbildes;
2 eine schematische Darstellung einer Messschaltung zur Erfassung der Temperatur an dem ersten und zweiten Messbereich des Kontaktstifts;
3 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Überwachen eines Ladevorgangs.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren und dabei zunächst mit Bezug auf 1 näher erläutert.
1 zeigt einen Kontaktstift 100, wie er in einem Ladekabelsteckverbinder zum Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs verwendet wird, sowie das thermische Ersatzschaltbild 102 dieses Kontaktstifts 100. Zum Übertragen eines elektrischen Stroms wird der Kontaktstift 100 (nachfolgend auch als Pin bezeichnet) mit einem entsprechenden Gegenkontaktelement, also einer Kontaktbuchse (in den Figuren nicht gezeigt) verbunden. Der elektrische Übergang zwischen dem Kontaktstift 100 und der Kontaktbuchse befindet sich im Kontaktbereich 104.
Der Kontaktstift 100 hat einen Grundkörper 105 und weiterhin einen Anschlussbereich 106, der im vorliegenden Fall als Crimpanschluss für den Anschluss eines Kabels ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist der Kontaktstift 100 einen ersten Messbereich 108 und einen zweiten Messbereich 110 auf, die mit Bezug auf eine Längsachse 112 des Grundkörpers 105 einen bekannten Abstand d voneinander haben. Die Längsachse 112 verläuft entlang einer Einsteckrichtung des Kontaktstifts 100 in die zugehörige Buchse (nicht gezeigt). In dem ersten Messbereich 108 wird ein erster Temperaturfühler angebracht und in dem zweiten Messbereich 110 wird ein zweiter Temperaturfühler angebracht (die Temperaturfühler sind in 1 nicht gezeigt). In vorteilhafter Weise sind die beiden Messbereiche 108, 110 in einem Bereich mit dem geringsten Querschnitt des Kontaktstifts 100 angebracht.
1 zeigt außerdem das thermische Ersatzschaltbild des Kontaktstifts 100. Bei einem solchen thermischen Ersatzschaltbild korrespondiert der Wärmestrom Q mit dem elektrischen Strom eines elektrischen Schaltbildes, während eine Temperaturdifferenz der elektrischen Spannung in einem elektrischen Schaltbild gleichzusetzen ist. Wie in dem in 1 gezeigten thermischen Ersatzschaltbild 102 erkennbar, besitzt die Strecke zwischen den beiden Messbereichen 108, 110 einen thermischen Widerstand R_known , der durch entsprechende Kalibrierungsmessungen ermittelt werden kann. Dieser bekannte thermische Widerstand R_known kann daher für die thermische Modellierung des Pins 100 verwendet werden.
In dem Ersatzschaltbild 102 bildet der Übergang zu dem Gegenkontaktelement eine Wärmequelle 114 mit dem thermischen Widerstand R_cond _contact, welcher der Wärmeleitung durch das Gegenkontaktelement entspricht, und der Wärmekapazität C_contact des Gegenkontaktelements, während der thermische Widerstand R_cable und die Wärmekapazität C_cable des Kabels eine Wärmesenke 116 darstellen. Der thermische Widerstand R_cond _pin, welcher der Wärmeleitung durch den Pin entspricht, und die Wärmekapazität C_pin des Pins spiegeln die Materialeigenschaften und das Design des Grundkörpers 105 wider. Entsprechend bilden der thermische Widerstand R_cond _crimp, welcher der Wärmeleitung durch die Crimpverbindung entspricht, und die Wärmekapazität C_crimp der Crimpverbindung die Materialeigenschaften und Geometrie der Crimpverbindung ab. Diese material- und designbedingten Größen sind für alle Kontaktstifte einer Serie gleich und können durch geeignete Kalibrierverfahren ermittelt und in das Modell integriert werden.
Kennt man die Absoluttemperatur an dem ersten Knotenpunkt 113 und die Temperaturdifferenz T1-T2, die über dem Widerstand R_known abfällt, kann man den Wärmestrom berechnen, der durch den Widerstand R_known fließt. Unter der Annahme, dass die Wärmekapazität C_pin des Kontaktstifts vollständig gesättigt ist, ist der Wärmestrom durch den Widerstand R_cond _pin gleich dem Wärmestrom durch R_known . Dies ist der gesuchte Wärmestrom Q an dem zweiten Knotenpunkt 115, sofern man den Einfluss der Konvektionsverluste zur Umgebung außer Acht lässt.
Der thermische Widerstand R_conv _loss symbolisiert die Konvektionsverluste zur Umgebung. Kennt man die Umgebungstemperatur Ta, so lässt sich auch dieser Wert modellieren.
Damit lässt sich aus den Werten der Absoluttemperatur an dem ersten Knotenpunkt 113 und der Temperaturdifferenz T1-T2 der Wert der Kontakttemperatur vorhersagen.
Erfindungsgemäß wird an dem ersten Messbereich 108 ein erstes Thermoelement angebracht, das einen ersten Temperaturwert T1 ermittelt. An dem zweiten Messbereich 110 ist ein zweites Thermoelement angeordnet, das einen zweiten Temperaturwert T2 ermittelt. Die Thermoelemente werden beispielsweise auf den Grundkörper 105 angeschweißt. In vorteilhafter Weise können solche Thermoelemente mit sehr geringer Parameterabweichung hergestellt werden, so dass die Messung der beiden Werte T1 und T2 mit weitgehend angepasster Genauigkeit erfolgen kann. Dadurch, dass die beiden Thermoelemente unmittelbar auf den Grundkörper 105 aufgebracht werden und selbst eine geringe Wärmekapazität haben, kann eine geringe thermische Kopplung zwischen den beiden gemessenen Temperaturwerten T1 und T2 sichergestellt werden.
2 zeigt ein Beispiel für eine Auswerteschaltung 118, die mit einem ersten und einem zweiten Thermoelement 120, 122 verbunden werden kann, um den gesuchten Wärmestrom zu ermitteln.
Die beiden Thermoelemente werden beispielsweise über eine Filter- und Stabilisierungsschaltung 124 mit den analogen Eingangsanschlüssen 126 der Auswerteschaltung 118 verbunden. Ein Eingangsmultiplexer 128 erlaubt es, entweder vier einzelne oder zwei Differenzsignale zu messen. Die jeweils angewählten Signale werden einem Verstärker 130 zugeführt. Das verstärkte Signal wird an den Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 132, z. B. eines Delta-Sigma-Analog/Digital-Wandlers, angelegt. Eine serielle Schnittstelle 134 stellt die Verbindung zu den digitalen Anschlüssen 136 her. Eine Spannungsreferenz 138 und ein Oszillator 140 sind ebenfalls vorgesehen. Weiterhin weist die Auswerteschaltung 118 einen internen dritten Temperatursensor 142 auf, der die Temperatur der Auswerteschaltung 118 und damit eine Umgebungstemperatur Ta misst.
Die Auswerteschaltung 118 kann beispielsweise durch einen Delta-Sigma-Analog/DigitalWandler vom Typ ADS1118 des Herstellers Texas Instruments gebildet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mithilfe dieser Temperaturerfassung durch den Temperatursensor 142 zum einen eine Kaltstellenkompensation (engl. cold junction compensation; CJC) durchgeführt werden, zum anderen ein Wert für die Umgebungstemperatur Ta bereitgestellt werden, der für die Modellierung des Pins 100 erforderlich ist.
In vorteilhafter Weise erlaubt es die erfindungsgemäße Auswerteschaltung 118, die A/D-Wandlung der Werte für die Temperaturen T1, T2 und Ta auf der Hochvolt-Seite durchzuführen, so dass nur digitale Signale von der Hochvolt-Seite zur Niedervolt-Signalverarbeitung sicher übertragen werden müssen. Digitale Information kann wesentlich kosteneffizienter als analoge Signale über optische oder magnetische Isolation galvanisch getrennt übertragen werden. Darüber hinaus ermöglicht eine in der Auswerteschaltung integrierte Diagnoseeinheit (in den Figuren nicht gezeigt) die Bereitstellung sicherheitsrelevanter Diagnosedaten wie beispielsweise die Feststellung eines Drahtbruchs oder eines Kurzschluss an den Temperaturfühlern und ermöglicht damit eine Selbstdiagnose des Steckverbinders.
Sieht man bei einem Steckverbinder, der Teil eines Ladekabels ist, vor, zwei Auswerteschaltungen 118 zu verwenden, nämlich jeweils eine Auswerteschaltung für den DC+ Pin und eine Auswerteschaltung für den DC- Pin, kann ein außerordentlich hohes Sicherheitsniveau (beispielsweise Automotive Safety Integrity Level C (ASIL C) nach ISO 26262-1:2011 „Road vehicles -- Functional safety“) für die Temperaturüberwachung erreicht werden.
3 illustriert in Form eines Ablaufdiagramms die einzelnen Schritte, die bei der erfindungsgemäßen Überwachung der Temperatur während eines Ladevorgangs z. B. einer Batterie eines Elektrofahrzeugs durchgeführt werden.
Nachdem der Ladevorgang gestartet wurde und ein Stromfluss stattfindet (Schritt S1), werden die Temperaturen T1, T2 und Ta zu einem ersten Zeitpunkt t1 ermittelt (Schritt S2). Aus dem Betrag und dem Vorzeichen der Differenz zwischen T1 und T2 kann ein örtlicher Temperaturgradient berechnet werden (Schritt S3). Anschließend werden die Temperaturen T1, T2 und Ta zu einem zweiten Zeitpunkt t2 ermittelt (Schritt S4) und es wird aus dem Vergleich der beiden örtlichen Temperaturgradienten die zeitliche Änderung des Temperaturgradienten ermittelt (Schritt S5). Aus dieser zeitlichen Änderung des Temperaturgradienten kann der Wärmestrom durch den Kontaktstift 100 nach Betrag und Vorzeichen berechnet werden (Schritt S6).
Letztlich entspricht diese Bestimmung des Wärmestroms Q einer Kalorimetrie, bei der aus dem Wärmestrom die eingespeiste Temperaturdifferenz ermittelt wird.
Mithilfe des Wärmestroms Q und den aus dem Ersatzschaltbild 102 bekannten thermischen Widerständen und thermischen Kapazitäten kann ein prognostizierter Temperaturwert Tcontact für die Temperatur der Kontaktzone berechnet werden (Schritt S7).
Der prognostizierte Temperaturwert Tcontact wird in Schritt S8 an eine Auswerteeinheit ausgegeben und kann nun mit einem abgespeicherten Grenzwert Tgrenz für die Temperatur an der Kontaktzone verglichen werden. Hat der prognostizierte Temperaturwert Tcontact den Schwellenwert Tgrenz erreicht oder überschritten, kann beispielsweise der Ladevorgang abgebrochen werden und/oder es können weitere sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Regelung der Ladestromstärke durchgeführt wird, die sicherstellt, dass die berechnete Temperatur in der Kontaktzone innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes um eine gewünschte Solltemperatur bleibt.
Sofern keine Kriterien für das Beenden des Ladevorgangs als erfüllt erkannt werden, kehrt das Überwachungsverfahren zu Schritt S2 zurück und das Verfahren wird wiederum durchlaufen. Ansonsten wird der Ladevorgang beendet. Kriterien für das Beenden des Ladevorgangs sind neben den durch die Temperaturüberwachung generierten Notabschaltsignalen auch Kriterien für eine reguläre Abschaltung, zum Beispiel, wenn die Batterie ausreichend geladen ist.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere bei ultraschnellen Ladevorgängen für Elektrofahrzeuge sichergestellt werden, dass die Temperatur in dem einer direkten Messung unzugänglichen Kontaktbereich mit ausreichender Sicherheit und Genauigkeit überwacht und bei Bedarf sogar geregelt werden kann.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können in weiteren vorteilhaften Abwandlungen genutzt werden. Beispielsweise kann das Kontaktelement selbst einen Teil des Thermoelements bilden. Hierfür eignet sich besonders das Thermoelement Kupfer/Konstantan (Cu/CuNi) Typ T, weil die Kontaktelemente häufig aus Kupfer hergestellt sind. Für diese Ausgestaltung ist es erforderlich, dass eine ausreichende elektrische Isolation zwischen der Hochvoltseite und der Auswerteelektronik vorgesehen wird.
In vorteilhafter Weise weist der erste Temperaturfühler ein erstes Thermoelement auf, das einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter umfasst, wobei der erste und der zweite Leiter aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind und an einer ersten Messstelle miteinander verbunden sind, und der zweite Temperaturfühler weist ein zweites Thermoelement auf, das einen dritten Leiter und einen vierten Leiter umfasst, wobei der dritte und der vierte Leiter aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind und an einer zweiten Messstelle miteinander verbunden sind, wobei die erste Messstelle und die zweite Messstelle mit dem Grundkörper des Kontaktelements in Anlage sind. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach und raumsparend eine Messanordnung realisieren, die verlässlich und robust ist.
Insbesondere können der erste und der vierte Leiter aus demselben Werkstoff hergestellt sein. Auf diese Weise kann die Reihenschaltung der beiden Thermoelemente fest verdrahtet werden, so dass an einem gemeinsamen Anschluss der beiden Thermoelemente eine Leitung eingespart werden kann.
Wenn man ein Thermoelement wählt, dessen einer Werkstoff mit dem Werkstoff des Kontaktelements übereinstimmt, kann der Aufbau noch weiter vereinfacht werden, indem mindestens einer der ersten bis vierten Leiter durch den Grundkörper des Kontaktelements gebildet ist. Geeignet ist in diesem Zusammenhang das oben erwähnte Thermopaar Kupfer/Konstantan (Typ T), wenn das Kontaktelement (zumindest in dem Messbereich) aus Kupfer hergestellt ist.
Beispielsweise werden zwei Sensoren verwendet, die gegenläufige Kennlinien ihrer Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Temperatur haben. Solche Sensoren können in Reihe geschaltet werden, um eine Differenztemperatur zu ermitteln. Beispielsweise können zwei Thermoelemente gleicher Paarung verwendet werden, die gegengleich miteinander verbunden werden, um die Summenspannung zu messen. Wenn man diese Reihenschaltung fest verdrahtet, kann an dem gemeinsamen Anschluss der beiden Thermoelemente eine Leitung eingespart werden. Allerdings muss sichergestellt sein, dass darüber hinaus auch ein Messwert für die Absoluttemperatur an einem der beiden Temperaturfühler ermittelt wird.
In der Darstellung der 1 kann das Material des Grundkörpers 105 in die Temperaturmessung mit einbezogen werden, indem es einen Teil des ersten und/oder des zweiten Thermopaars bildet. Beispielsweise kann der Grundkörper 105 des Kontaktstiftes 100 zumindest in den Messbereichen 108, 110 (wenigstens teilweise) aus Kupfer bestehen, so dass ein im ersten Messbereich 108 angebrachter erster Konstantan (CuNi)-Draht mit dem Grundkörper 105 ein erstes Thermoelement ausbildet und ein im zweiten Messbereich 110 angebrachter zweiter Konstantan-Draht ein zweites Thermoelement ausbildet. Die Spannung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Konstantan-Draht abgegriffen werden kann, bildet die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messbereich 108, 110.
Bezugszeichenliste

Bezugsziffer	Beschreibung
100	Kontaktstift; Kontaktelement
102	Thermisches Ersatzschaltbild des Kontaktstifts
104	Kontaktbereich
105	Grundkörper
106	Anschlussbereich
108	Erster Messbereich
110	Zweite Messbereich
112	Längsachse des Grundkörpers
113	Erster Knotenpunkt
114	Wärmequelle
115	Zweiter Knotenpunkt
116	Wärmesenke
118	Auswerteschaltung
120	Erstes Thermoelement; erster Temperaturfühler
122	Zweites Thermoelement; zweiter Temperaturfühler
124	Filter- und Stabilisierungsschaltung
126	Eingangsanschlüsse
128	Multiplexer
130	Verstärker
132	Analog/Digital-Wandler
134	Serielle Schnittstelle
136	Digitale Anschlüsse
138	Spannungsreferenz
140	Oszillator
142	Temperatursensor der Auswerteschaltung
Q̇	Wärmestrom
R_cond _contact	Thermischer Widerstand, welcher der Wärmeleitung durch das Gegenkontaktelement entspricht
C_contact	Wärmekapazität des Gegenkontaktelements
R_conv _loss	Thermischer Widerstand, der die Konvektionsverluste zur Umgebung symbolisiert
R_cond _pin	Thermischer Widerstand, welcher der Wärmeleitung durch den Pin entspricht
C_pin	Wärmekapazität des Pins
R_known	Thermischer Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler
R_cond _crimp	Thermischer Widerstand, welcher der Wärmeleitung durch die Crimpverbindung entspricht
C_crimp	Wärmekapazität der Crimpverbindung
R_cable	Thermischer Widerstand des Kabels
C_cable	Wärmekapazität des Kabels
T1, T2, Ta	Gemessene Temperaturwerte
Tcontact	Prognostizierter Temperaturwert in der Kontaktzone
S1-S10	Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Überwachen der Temperatur an einem Steckverbinder während eines elektrischen Stromflusses, der durch den Steckverbinder hindurch erfolgt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Anlegen eines elektrischen Stromes an ein Kontaktelement (100), wobei das Kontaktelement (100) aufweist: einen elektrisch leitfähigen Grundkörper (105), der mit einem zugehörigen Gegenkontaktelement elektrisch leitend verbindbar ist, wobei der Grundkörper (105) eine Längsachse (112) aufweist, die entlang einer Steckrichtung zwischen dem Kontaktelement (100) und dem Gegenkontaktelement verläuft, und mindestens einen ersten Temperaturfühler (120) und mindestens einen zweiten Temperaturfühler (122), die zum Erfassen der Temperatur (T1, T2) an zwei unterschiedlichen Messbereichen (108, 110) des Kontaktelements (100) voneinander beabstandet entlang der Längsachse (112) des Kontaktelements (100) angeordnet sind, und wobei das Kontaktelement (100) mit dem Gegenkontaktelement verbunden ist, (b) zu einem ersten Zeitpunkt, Ermitteln erster Temperaturwerte (T1 (t1), T2(t2)) an einem ersten und an einem zweiten, von dem ersten Messbereich entlang der Längsachse (112) des Kontaktelements (100) beabstandeten Messbereich (108, 110), (c) Berechnen eines ersten örtlichen Temperaturgradienten aus den ersten Temperaturwerten, (d) zu einem zweiten Zeitpunkt, Ermitteln zweiter Temperaturwerte (T1(t2), T2(t2)) an dem ersten und an dem zweiten Messbereich (108, 110), (e) Berechnen eines zweiten örtlichen Temperaturgradienten aus den zweiten Temperaturwerten, (f) Berechnen einer zeitlichen Änderung des örtlichen Temperaturgradienten, (g) Berechnen eines Schätzwertes (Tcontact) für eine Temperatur in einem von den Messbereichen unterschiedlichen Überwachungsbereich des Kontaktelements basierend auf der zeitlichen Änderung des örtlichen Temperaturgradienten, (h) Ausgeben des Schätzwertes (Tcontact) an eine Auswerteeinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schätzwert (Tcontact) mit einem Sollwert verglichen wird und der elektrische Stromfluss so geregelt wird, dass der Schätzwert eine vorbestimmte Abweichung von dem Sollwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schätzwert (Tcontact) mit einem Schwellenwert (Tgrenz) verglichen wird und der elektrische Stromfluss unterbrochen wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Warnsignal zum Unterbrechen oder Reduzieren des Stromflusses erzeugt wird, wenn der Schätzwert den Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Schritte (b) bis (h) wiederholt werden, bis der Schätzwert den Schwellenwert überschreitet oder die Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenkontaktelement getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei weiterhin eine Umgebungstemperatur (Ta) entfernt von dem mindestens einen Kontaktelement (100) erfasst wird und in die Berechnung des Schätzwertes eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktelement (100) einen Kontaktstift und das Gegenkontaktelement eine Kontaktbuchse aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Temperaturfühler (120, 122) ein Thermoelement aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (105) zwischen den zwei Messbereichen (108, 110) eine geringere thermisch leitfähige Querschnittsfläche hat als in den übrigen Bereichen des Kontaktelements (100).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem Steckverbinder für ein Ladekabel durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Steckverbinder weiterhin eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit (118) umfasst, die mit dem mindestens einen ersten und zweiten Temperaturfühler (120, 122) verbunden ist und betrieben werden kann, einen Schätzwert für eine Temperatur (Tcontact) in einem von den Messbereichen (108, 110) unterschiedlichen Überwachungsbereich (104) des Kontaktelements (100) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Steckverbinder weiterhin ein Gehäuse und eine Kontaktverriegelungsvorrichtung aufweist, die das Kontaktelement an dem Gehäuse fixiert, wobei der Grundkörper (105) zwischen den zwei Messbereichen (108, 110) eine umlaufende Nut aufweist, in welche die Kontaktverriegelungsvorrichtung eingreift.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Steckverbinder Teil einer Ladedose eines Kraftfahrzeugs ist.