Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Akkueinheit und einem Steckverbinder, sowie eine Ladestation zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs, mit einem Steckverbinder.

Die Akkueinheit von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug wird üblicherweise über ein Ladekabel geladen. Das Ladekabel kann beispielsweise an eine entsprechende Ladestation oder Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge angeschlossen werden. Damit, beispielsweise, in 20 Minuten eine Akkueinheit oder Batterie mit 50 KW/h aufgeladen werden kann, muss bei Spannungen in einem Bereich von 400 V bis 600 V ein Ladestrom von ungefähr 100 A und mehr fließen. Wegen dieser hohen Ladeströme werden hohe Anforderungen an die elektrischen Steckverbinder, bzw. an den Ladestecker und die Ladebuchse, zum Laden der Akkueinheit, gestellt. Bei einer Verwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Steckverbinder können sich die elektrisch leitenden Kontaktelemente der Steckverbinder auf einen Temperaturwert von 150°C erwärmen. Beim Laden zukünftiger Generationen von Akkueinheiten können sich die elektrisch leitenden Kontaktelemente der Steckverbinder sogar auf Temperaturwerte von 200°C bis 220°C erwärmen.

Um eine Überhitzung der Steckverbinder zu verhindern sind aus dem Stand der Technik Steckverbinder mit integrierten Temperatursensorelementen bekannt. Wenn mittels der integrierten Temperatursensorelemente eine drohende Überhitzung des Steckverbinders erkannt wird, kann der Ladestrom entsprechend gedrosselt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Beispielsweise wird in der WO 2017/211349 A1 ein Steckverbinder beschrieben, der ein Ladekabel und ein Steckergehäuse, sowie elektrisch leitende Kontaktelemente zum Trennen und Verbinden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs umfasst. Zur Überwachung der Temperatur in dem Steckverbinder ist ein Temperatursensorelement mittels eines Schrumpfschlauches an einem elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet, wobei der Schrumpfschlauch den Bereich des Kontaktelements und das Sensorelement des Temperatursensorelements vollständig umgibt, so dass das Temperatursensorelement einerseits wärmeleittechnisch und mechanisch mit dem Kontaktelement durch den Schrumpfschlauch verbunden ist und das Temperatursensorelement andererseits in einer Art Wärmekammer, die durch den Schrumpfschlauch gebildet wird, angeordnet ist.

Im Gegensatz zu dem in der WO 2017/21 1349 A1 beschrieben direkten Anordnen eines Sensorelements an einem elektrisch leitenden Kontaktelement, beschreibt die DE 10 2016 107 401 A1 ein Temperatursensorelement in einem Steckverbinder, der beabstandet zu dem elektrisch leitenden Kontaktelement angeordnet ist und eine Temperatur in einem zwischen einem Kontaktbereich und einem Anschlussbereich gelegenen Bereich des Kontaktelementes erfasst.

Weiterhin beschreiben die Dokumente WO 2012/146766 A1 , US 9,484,667 B2, WO 2017/137826 A1 , und WO 02/13331 A1 verschiedenartige Anordnungen von

Temperatursensorelementen an oder in der Nähe von elektrisch leitenden Kontaktelementen von Steckverbindern.

Allerdings haben die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen den Nachteil, dass die Temperatur nicht am Ort der Entstehung, nämlich der eigentlichen Kontaktstelle an dem elektrisch leitenden Kontaktelement gemessen wird, sondern an Stellen in einem Ladestecker, die entfernt von der eigentlichen Kontaktstelle liegen. Durch die hierdurch entstehenden Wärmebrücken kann es zu einem verzögerten Ansprechen des Temperatursensorelements bei einer Überhitzung des Steckverbinders führen. Dies kann zu einer Schädigung des Steckverbinders, des Fahrzeugs oder der Ladestation führen. Weiterhin führen die verwendeten Zuleitungen aus wärmeleitfähigem Kupfer die Wärme von dem Temperatursensorelement ab und können somit die Messergebnisse verfälschen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Steckverbinder mit einem Temperatursensorelement bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Steckverbinder gemäß des Gegenstands des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Steckverbinder zum Trennen und Verbinden von zumindest einem elektrischen Kontakt zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs weist hierfür folgende Merkmale auf:

zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement mit einem Kontaktbereich an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement, und mit einem Anschlussbereich an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter, wobei der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüberliegt; und zumindest ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur des elektrisch leitenden Kontaktelements und angeordnet an dem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements, wobei das Temperatursensorelement ein Substrat mit einem ersten und einem zweiten darauf angeordneten Anschlusselement, ein Flip-Chip Messelement und einen ersten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt umfasst, wobei ein erster Anschluss des Flip-Chip Messelements mit dem ersten Anschlusselement über den ersten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt elektrisch verbunden ist.

Der Begriff „Steckverbinder“ kann dazu verwendet werden, um einen Stecker oder eine Steckerbuchse an einem Ladekabel oder an einer Ladestation oder an einem Kraftfahrzeug zu bezeichnen, mit einem Gehäuse, einem Steckereinsatz zum Halten von elektrisch leitenden Kontaktelementen und mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Kontaktelement.

Mit der Erfindung ist es erstmalig gelungen einen Steckverbinder mit einer sehr guten thermischen Ankopplung des Temperatursensorelements an das elektrisch leitende Kontaktelement zur Verfügung zu stellen und mit daraus resultierenden schnelleren Ansprechzeiten des Temperatursensorelements. Vorteilhaft minimieren die als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitte die Wärmeableitung vom Temperatursensorelement durch die Anschlüsse.

In einem Beispiel weist der Steckverbinder mindestens eine Sensorzuleitung auf, wobei die Sensorzuleitung an mindestens einem der Anschlusselemente mittels einer Weichlotverbindung angeordnet ist.

Vorteilhaft kann die Sensorzuleitung mittels einer Weichlotverbindung an dem Anschlusselement angeordnet werden, da das Anschlusselement wegen der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist als das Flip- Chip Messelement. Deshalb können mit der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich höhere Temperaturen gemessen werden, als es eine Weichlotverbindung an einem konventionellen Temperatursensorelement zulassen würde.

In einem weiteren Beispiel weist der Steckverbinder einen zweiten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt auf, wobei ein zweiter Anschluss des Flip-Chip Messelements über einen zweiten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt mit dem zweiten Anschlusselement elektrisch verbunden ist, oder

der zweite Anschluss des Flip-Chip Messelements ist mit dem elektrischen Leiter verbunden.

In noch einem Beispiel verläuft der als Wärmebremse ausgebildete Leiterbahnabschnitt zumindest abschnittsweise mäanderförmig, oder weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der zweite Abschnitt gegenüber dem ersten Abschnitt einen kleineren Querschnitt aufweist.

In einem Beispiel weist das elektrisch leitende Kontaktelement an dem zweiten Endbereich eine flache Auflagefläche auf und das Temperatursensorelement ist auf der flachen Auflagefläche angeordnet.

Vorteilhaft kann hierdurch die thermische Ankopplung verbessert werden.

In einem weiteren Beispiel zur Verbesserung der thermischen Ankopplung weist eine erste Seite des Substrats, die einer zweiten Seite des Substrats mit den darauf angeordneten ersten und/oder zweiten Anschlusselementen gegenüberliegt eine konkave Aussparung auf, zum Verbinden des Temperatursensorelements mit dem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements, der eine entsprechende konvexe Geometrie aufweist.

In einem Beispiel weist der Steckverbinder ein wärmeleitfähiges Material auf, insbesondere eine Wärmeleitpaste, angeordnet zwischen dem Temperatursensorelement und dem elektrisch leitenden Kontaktelement, und/oder eine Folie, insbesondere eine Wärmeleitfolie aufweisend ein Polyimidmaterial, insbesondere ein Polymer gefüllt mit einem wärmeleitfähigen Pulver, bevorzugt AI203, angeordnet zwischen dem Temperatursensorelement und dem elektrisch leitenden Kontaktelement. Vorteilhaft kann durch das Anordnen einer Wärmeleitpaste und/oder Folie die Spannungsfestigkeit zwischen dem elektrisch leitenden Kontaktelement und dem Temperatursensorelement verbessert werden.

In einem weiteren Beispiel weist der als Wärmebremse ausgebildete Leiterbahnabschnitt, insbesondere ein Leiterbahnabschnitt umfassend ein Kupfermaterial, einen Querschnitt von 50 pm x 5 pm bis 500 pm x 200 pm auf, wobei der erste und zweite Leiterbahnabschnitt auf einer Seite des Substrats, oder auf unterschiedlichen Seite des Substrats zumindest bereichsweise angeordnet sind.

Beispielsweise kann zumindest einer der Leiterbahnabschnitte über eine Durchgangsöffnung, Via, in dem Substrat mit dem Flip-Chip Messelement verbunden sein und auf einer des Flip- Chip Messelements und des zweiten Leiterbahnabschnitts gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet sein.

In noch einem Beispiel ist das Temperatursensorelement an dem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements mit einem Schrumpfschlauch, einem Federbauteil und/oder einer Klammer befestigt.

In noch einem weiteren Beispiel umfasst das Substrat eine Aluminiumoxidkeramik, ein Printed Circuit Board, PCB, eine Hochtemperatur Leiterplatte, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, oder einen Lead Frame, und wobei das Temperatursensorelement einen Thermistor, einen Platin-Messwiderstand, einen Silizium-Messwiderstand, ein pyroelektrisches Material, ein ferromagnetisches Material, und/oder ein faseroptisches Material umfasst.

Vorteilhaft ermöglichen besonders flache und massenarme Temperatursensorelemente eine schnelle Ansprechzeit, eine hohe Messgenauigkeit und das Erhalten von reproduzierbaren Werten.

In einem Beispiel umfasst das elektrisch leitende Kontaktelement ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Kupfermaterial, und ist im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet.

Beispielsweise kann das elektrisch leitende Kontaktelement ein Stecker-Stift oder eine Stecker- Buchse in dem Steckverbinder sein. Hierfür ist in einem Beispiel das elektrisch leitende Kontaktelement in dem Anschlussbereich pinförmig oder buchsenförmig ausgestaltet zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden buchsenförmigen oder pinförmigen Kontaktelement. Die Erfindung schlägt auch ein Kraftfahrzeug mit einer Akkueinheit und zumindest einem erfindungsgemäßen Steckverbinder vor.

Weiterhin schlägt die Erfindung eine Ladestation zum Laden einer Akkueinheit eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem erfindungsgemäßen Steckverbinder vor.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein Temperatursensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein Temperatursensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Steckverbinders 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Wie es in Figur 1 gezeigt wird, weist der Steckverbinder 1 zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktelement 3 mit einem Kontaktbereich 5 zum lösbaren elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Kontaktelement (nicht gezeigt in Figur 1 ) an einem ersten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 auf. In Figur 1 ist der Kontaktbereich 5 in Form eines Stecker-Pins zur Verbindung mit einer korrespondierenden Stecker-Buchse dargestellt. Weiterhin weist das elektrisch leitende Kontaktelement 3 einen Anschlussbereich 7 zum Verbinden mit zumindest einem elektrischen Leiter 9 an einem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden Kontaktelements 3 auf. In der gezeigten Ausführungsform liegt der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüber.

An dem Anschlussbereich 7 kann beispielsweise der elektrische Leiter 9 angelötet, angeschraubt, angecrimpt oder angeklemmt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Temperatursensorelement 15 mittels eines Schrumpfschlauchs 1 1 an dem Anschlussbereich 7 angeordnet. In weiteren, nicht gezeigten, Ausführungsformen können hierfür auch, alternativ oder zusätzlich zu dem Schrumpfschlauch 1 1 , Klemmen oder weitere Anschlusselemente an dem Anschlussbereich 7 angeordnet sein. Das Flip-Chip Messelement 17 ist in der gezeigten Ausführungsform mit dem elektrisch leitenden Kontaktelement 3 zumindest thermisch in Verbindung. Ein auf dem Substrat 19 des Temperatursensorelements 15 angeordnetes Anschlusselement ist mit einer Sensorzuleitung 21 mittels einer Weichlotverbindung 23 verbunden.

Weiterhin wird in Figur 1 ein an dem zweiten Endbereich des elektrisch leitenden

Kontaktelements 3 angeordneter Anschlagflansch 13 gezeigt, der dazu dient, dass das elektrisch leitenden Kontaktelement 3 in einem Steckereinsatz (nicht gezeigt in Figur 1 ) gehalten werden kann. Abhängig von dem verwendeten Steckereinsatz kann der

Anschlagflansch 13 auch anders als gezeigt ausgestaltet sein, bzw. komplett entfallen.

Der Steckverbinder 1 kann in weiteren, nicht gezeigten, Ausführungsformen weitere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise ein Gehäuse und einen Steckereinsatz, zum Halten von dem elektrisch leitenden Kontaktelement 3, wie zum Beispiel einer Steckerbuchse.

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Temperatursensorelement 15 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Auf dem Substrat 19 ist ein erstes und ein zweites Anschlusselement 25a, 25b, ein Flip-Chip Messelement 17 und ein erster und ein zweiter als Wärmebremse ausgebildeter

Leiterbahnabschnitt 27a, 27b angeordnet. Wie weiterhin in der Figur 2 gezeigt, ist ein erster

Anschluss 29a des Flip-Chip Messelements 17 mit dem ersten Anschlusselement 25a über den ersten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt 27a elektrisch verbunden und ein zweiter Anschluss 29b des Flip-Chip Messelements 17 ist über den zweiten als Wärmebremse ausgebildeten Leiterbahnabschnitt 27b mit dem zweiten Anschlusselement 25b elektrisch verbunden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anschlusselemente 25a, 25b, das Flip- Chip Messelement 17, die Leiterbahnabschnitte 27a, 27b, die Anschlüsse 29a, 29b des Flip- Chip Messelements 17, sowie das Flip-Chip Messelements 17 alle auf einer Seite des Substrats 19 angeordnet. Die Anschlusselemente 25a, 25b, die Leiterbahnabschnitte 27a, 27b und die Anschlüsse 29a, 29b des Flip-Chip Messelements 17 können als Kupferbereiche einer Leiterplatte, PCB, ausgeformt sein. Das Flip-Chip Messelement 17 kann mittels einer bekannten C4-Technolgie, Kleben mit nicht leitfähigem Klebstoff, NCA, Kleben mit isotrop leitfähigem Klebstoff, ICA, Kleben mit anisotrop leitfähigem Klebstoff, ACA, oder einer anderen Montagetechnologie auf den Anschlüssen 29a, 29b des Substrats 19 angeordnet sein.

Wie in Figur 2 gezeigt, verlaufen beide Leiterbahnabschnitte 27a, 27b abschnittsweise mäanderförmig. In einer weiteren Ausführungsform können die Leiterbahnabschnitte auch einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der zweite Abschnitt gegenüber dem ersten Abschnitt einen kleineren Querschnitt aufweist, um hierdurch die Wärmebremse zu realisieren. Das gezeigte Substrat 19 kann eine Aluminiumoxidkeramik, ein Printed Circuit Board, PCB, eine Hochtemperatur Leiterplatte, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, oder einen Lead Frame umfassen. Weiterhin kann das gezeigte Flip-Chip Messelement 17 einen Thermistor, einen Platin-Messwiderstand, einen Silizium-Messwiderstand, ein pyroelektrisches Material, ein ferromagnetisches Material, und/oder ein faseroptisches Material umfassen.

Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Temperatursensorelement 15‘ gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das in Figur 3 gezeigte Temperatursensorelement 15‘ unterscheidet sich von dem in Figur 2 gezeigten Temperatursensorelement dadurch, dass der zweite Leiterbahnabschnitt und das zweite Anschlusselement auf der Rückseite, d.h. der nicht in Figur 3 gezeigten Seite des Substrats 19‘ angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Anschlusselement über den zweiten Leiterbahnabschnitt über eine Durchgangsöffnung 3T, Via, in dem Substrat mit dem Flip-Chip Messelement 17‘ verbunden und ist auf der nicht gezeigten Seite des Substrats 19‘ angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform entsprechend Figur 3 wird auf das zweite Anschlusselement und die zweite Leiterbahn auf der Rückseite des Substrats verzichtet und der Anschluss 29‘ wird elektrisch direkt mit dem Kontaktelement verbunden.

Bezuqszeichenliste

1 Steckverbinder

3 Elektrisch Leitendes Kontaktelement

5 Kontaktbereich

7 Anschlussbereich

9 Elektrischer Leiter

1 1 Schrumpfschlauch

13 Anschlagflansch

15, 15‘ Temperatursensorelement

17, 17‘ Flip-Chip Messelement

19, 19‘ Substrat

21 Sensorzuleitung

23 Weichlotverbindung

25a, 25a‘ erstes Anschlusselement

25b zweites Anschlusselement

27a, 27a‘ erster Leiterbahnabschnitt

27b zweiter Leiterbahnabschnitt

29a, 29a‘ erster Anschluss

29b, 29b‘ zweiter Anschluss

31‘ Durchgangsöffnung