CN112272902B - 用于充电系统的电功率端子 - Google Patents

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Abstract

一种充电系统(100)，包括电功率端子(304)、电力电缆(108)和冷却管(110)。电功率端子包括销(402)和块(404)。块具有前侧(412)和后侧(414)。销从块的前侧延伸到销的远端(408)。块包括端接垫表面(426)。块限定了穿过其的端口(430)，该端口与端接垫表面间隔开。电力电缆被机械地联接并且电连接到块的端接垫表面。冷却管延伸到块的端口中，并构造成吸收和散发来自块的热量。

Description

用于充电系统的电功率端子
技术领域
本文的主题涉及具有用于与配合连接器配合的电功率端子的充电系统。
背景技术
电动汽车，包括全电动和插电式混合动力车辆，具有用于为电池充电的充电系统，电池提供用于推动车辆的电流。充电系统提供了从车辆上的充电入口到电池组的导电路径。充电入口可移除地联接至外部电源的配合连接器，以建立用于对电池组充电的电连接。因为在充电操作期间车辆不可移动，所以期望减少在电池组中实现指定的充电量所需的充电持续时间，以缩短车辆不可移动的时间量。可以通过提高功率传输速率来缩短充电持续时间。例如，一些外部电源被配置为以超过200A的电流水平将电功率输送到车辆充电入口。
在高功率传输水平下，车辆充电系统的部件可能会由于电触头电阻而变热。充电系统温度升高可能会产生一些不利影响。例如，某些部件可能会因高温而变形和损坏。车辆还可以具有监视充电系统的温度的控制器。在充电操作期间，如果控制器检测到温度超过阈值，则可以对控制器进行编程以降低功率传输水平，这不利地增加了充电持续时间。
要解决的问题是提供一种充电系统，其能够消散热量以在持续的时间段内提供高功率传输水平，以减少充电持续时间。
发明内容
通过包括电功率端子、电力电缆和冷却管的充电系统解决了该问题。电功率端子包括销和块。块具有前侧和后侧。销从块的前侧延伸到销的远端。该块包括端接垫表面。块限定了穿过其的端口，该端口与端接垫表面间隔开。电力电缆被机械地联接并且电连接到块的端接垫表面。冷却管延伸到块的端口中，并构造成吸收和散发来自块的热量。
在一个或多个实施例中，提供了一种电功率端子，其包括销和块。销具有远端和与远端相对的近端。块具有前侧和与前侧相对的后侧。块的前侧附接到销的近端。该块限定了穿过其的端口，该端口被构造成接收冷却管。所述块包括平面的且构造成机械地联接并电连接到电力电缆的端接垫表面。
在一个或多个实施例中，提供了一种充电系统，其包括充电入口、多个电力电缆和多个冷却管。充电入口包括壳体和由壳体保持的多个电功率端子。充电入口被配置为可释放地联接到外部电源的配合连接器。每个功率端子包括销和块。块具有前侧和后侧。销从块的前侧延伸到销的远端。该块包括端接垫表面。块限定了穿过其的端口，该端口与端接垫表面间隔开。电力电缆从充电口延伸到电池组。电力电缆中的每一个机械地联接到并电连接到功率端子中的不同功率端子的端接垫表面。冷却管从充电口延伸至散热器，以散发来自充电口的热量。冷却管中的每一个延伸到功率端子中的不同功率端子的块的端口中。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明：
图1示出了根据一个实施例的充电系统。
图2示出了根据一个实施例的安装在电动车辆上的充电系统的示例应用。
图3是根据一个实施例的充电系统的电力电缆和冷却管的长度以及充电入口的俯视图。
图4是根据一个实施例的充电入口的电功率端子和充电系统的电力电缆中的一个的透视图。
图5是根据一个实施例的充电入口的电功率端子中的一个的分解透视图。
图6是根据一个实施例的充电系统的端子子组件的后透视图。
图7是根据另一实施例的充电入口的电功率端子中的一个的透视图。
图8是根据一个实施例的充电系统的两个端子子组件的前透视图。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的充电系统100。充电系统100包括充电入口102，电池组104，散热器106，从充电入口102延伸至电池组104的电力电缆108，以及从充电入口102延伸至散热器106的冷却管110。充电系统100可以安装在车辆、船只或另一种类型的移动电动机器上。例如，充电系统100可以安装在电动车辆上，例如图2所示的车辆202。可替代地，充电系统100可以被布置在诸如制造设施的建筑物内。
充电系统100被设计为通过电力电缆108将来自充电入口102的高功率电能(例如，电流)传送到电池组104，以对电池组104进行充电。电池组104包括一个或多个电池单元。冷却管110和散热器106提供冷却电路，以散发来自电力电缆108和/或充电入口102的热量，以热控制和管理充电操作。例如，充电系统100可以能够传输高达或超过400A的电流。由于载流导体的电阻，高电流功率传输在充电入口102内并沿着电力电缆108产生热量。产生的热量的量随着功率传输速率的增加而增加。冷却管110连接到充电入口102和/或电力电缆108并且吸收热量以冷却充电入口102和/或电力电缆108。冷却管110经由传导和/或对流将热传输到散热器106。散热器106被配置为从冷却管110消散和排出热量。
散热器106可以是无源或有源装置。在所示的实施例中，散热器106包括热交换器翅片112的阵列111和安装在阵列111上的风扇114。风扇114有源地供电，以使空气流过热交换器翅片112。可选地，散热器106可以可操作地连接到电池组104以支持电池组104的热管理。例如，散热器106可以被定位成靠近电池组104，并且风扇114可以迫使空气朝向电池组104以支持电池组104的冷却。在所示的实施例中，散热器106设置在电池组104下方，并将空气向上吹向电池组104。散热器106可选地包括流体泵116，该流体泵116被主动地控制以将诸如水或制冷剂的工作流体泵送通过冷却管110。例如，在充电入口102和/或电力电缆108处由工作流体吸收的热量可以在散热器106处被传输到空气和/或散热器106的结构，并且风扇114促进从散热器106散发热量散热。在所示的实施例中，翅片112的阵列111堆叠在风扇114和流体泵116之间。
在其他实施例中，散热器106可具有不同的部件和/或构造。例如，在一个替代实施例中，散热器106可以是完全无源的，例如仅包括可操作地联接到冷却管110的翅片112的阵列111。散热器106可以潜在地是相比于充电入口102和电力电缆108处于更低温度的任何结构或装置，例如车辆底盘，从而存在允许向散热器106传输热量的温度梯度。
充电入口102被设计成可释放地直接联接到外部电源的配合连接器，以建立用于将电流从外部电源传导到电池组104的电连接。图1示出了充电入口102的背侧120。充电入口102沿着与背侧120相对的前侧302(在图3中示出)具有配合接口。配合接口接合并联接到配合连接器。在所示的实施例中，充电入口102被安装到面板122。面板122可以是车辆等的车身面板。充电入口102包括具有限定的孔口126的安装凸缘124。孔口126接收穿过其的紧固件128，以将充电入口102安装到面板122。紧固件128可以是螺钉，螺栓，铆钉等。充电入口102包括沿背侧120的盖130，该盖130包围充电入口102的各种电子部件。在一或多个实施例中，电力电缆108和冷却管110都延伸到盖130中。例如，如本文更详细地描述的，电力电缆108和冷却管110在盖130内机械地接合充电入口102的电功率端子304(如图3所示)。
图2示出了根据实施例的安装在电动车辆202上的充电系统100的示例应用。图2示出了停在充电站204旁边的电动车辆202。电池组104和散热器106安装在电动车辆202上，并且在图2中示意性地图示为方框。电池组104向牵引马达(未示出)提供电力，该牵引马达对动力传动系统和车轮206产生牵引力以推动车辆202。可选地，当不需要牵引力时，例如在下坡行驶时，牵引马达可以选择性地用作发电机，以利用再生制动产生电能以对电池组104充电。电动车辆202可以是缺少内燃发动机的全电动车辆，既包括内燃发动机又包括电池组104的插电式混合动力车等。
充电系统100的充电入口102被安装到车辆202的侧面208。在所示的实施例中，充电入口102联接到充电站204的配合连接器212。充电站204表示用于对电池组104充电的外部电源。配合连接器212是经由电力电缆214联接到充电站204的插头连接器。配合连接器212与充电入口102的联接建立了导电路径，以将电流从充电站204传导至电池组104。当车辆202不靠近充电站204时，充电入口102可以连接至其他外部电源以对电池组104充电，例如家用电源插座，外部发电机等。尽管图2示出了安装在电动乘用车202上的充电系统100，但是充电系统100可以安装在其他类型的运输车辆上，诸如公共汽车，半卡车，船舶等。
图3是根据一个实施例的充电系统100的电力电缆108和冷却管110的长度102以及充电入口的俯视图。示出充电入口102，而盖130(图1所示)被移除，以示出充电入口102的一些内部部件。充电入口102包括壳体306和电功率端子304。安装凸缘124可以是壳体306的一部分，或者可以联接至壳体306。壳体306限定了充电入口102的前侧302，该前侧302联接至配合连接器212(在图2中示出)。
在图3中示出了两个电功率端子304。电功率端子304从壳体306的后端310延伸到壳体306的腔308中。功率端子304的一部分突出超过壳体306的后端310，并与壳体306外部的冷却管110和电力电缆108接合。可选地，功率端子304可以以不同长度突出超过壳体306的后端310。例如，第一功率端子304A可以比第二功率端子304B从壳体306突出更远，这可以允许偏置电力电缆108和冷却管110。当盖130附接到充电入口102时，功率端子304的在图3中可见的部分可以被包围在盖130内。
功率端子304中的每一个机械地固定到并且电连接到电力电缆108中的不同的电力电缆。功率端子304中的每一个机械地固定到不同的冷却管110。这样，图3示出了两个电力电缆108A、108B和两个冷却管110A、110B。冷却管110中的每一个在功率端子304处环绕。对于给定的工作流体流动方向，每个冷却管110包括在对应的功率端子304上游的第一部段或长度312和在对应的功率端子304下游的第二部段或长度314。电力电缆108在功率端子304处终止，因此，每个电力电缆108的仅单个部段从对应的功率端子304延伸。
功率端子304可以被配置为传送高功率电能(例如，高电压，高电流等)。在一个实施例中，功率端子304是直流(DC)快速充电销，用于以高功率水平传送直流电。充电入口102可包括除了功率端子304之外而被保持在壳体306内的其他功率端子。例如，充电入口102可以包括用于相对于沿着功率端子304传送的电力水平以减小的电力传输水平来传送交流电(AC)的功率端子。其他功率端子可以连接到图3中未示出的电力电缆。与图3中所示的功率端子304不同，其他功率端子可能不与冷却管110接合。
图4是根据一个实施例的充电系统100(图1所示)的电功率端子304之一和电力电缆108之一的透视图。图4所示的电功率端子304可以代表图3所示的端子304中的任一个。功率端子304包括销402和块404。销402是细长的轴，其具有近端406和与近端406相对的远端408。近端406附接到块404，并且远端408与块404间隔开。销402沿着销轴线405从近端406到远端408线性地延伸。销402可以是大体上圆柱形的，并且由于诸如肩部、套环等的各种特征部而可选地沿销402的长度具有变化的直径。销402代表充电入口102的触头，用于机械地和电气地连接到配合连接器(例如，图2所示的配合连接器212)的互补配合触头。销402的远端408可具有用于固定到互补配合触头的任何形状和尺寸，例如柱410(如图所示)、插座或插槽、平面片等。
块404具有前侧412和与前侧412相对的后侧414。销402从块404的前侧412延伸。例如，销402的近端406连接到块404的前侧412。销402可以可移除地或不可移除地连接到块404。块404具有从前侧412延伸到后侧414的多个外侧。例如，块404具有第一外侧416和与第一外侧416相对的第二外侧418。块404还具有第三外侧420和与第三外侧420相对的第四外侧422。在图4所示的功率端子304的所示取向中，第一外侧416是顶侧，第二外侧418是底侧。如本文所使用的，诸如“顶部”，“底部”，“前部”，“后部”，“内部”和“外部”之类的相对或空间术语仅用于在示出的图中识别和区分参考元件，并且不一定需要相对于充电系统100的周围环境和/或重力的特定位置或取向。块404可选地被倒角以包括从前侧412延伸到顶侧416的倾斜表面424。在替代实施例中，块404可以具有多个倾斜表面或没有倾斜表面。块404可选地在后侧414处包括凸缘或唇缘438，该凸缘或唇缘438向外突出超过第三外侧420和第四外侧422。后侧414的一部分由凸缘438限定。
块404包括与电力电缆108的一个或多个电导体428接合的端接垫表面426，以将功率端子304电连接至电力电缆108。在一个实施例中，端接垫表面426是平面的(例如，平坦的)，并且被设计成能够经由化学焊接工艺(例如，焊接，软焊等)使(多个)导体428与块404机械联接。在非限制性示例中，电力电缆108的(多个)导体428被超声焊接到端接垫表面426，以不可移除地将电力电缆108机械地联接并且电连接到功率端子304。在所示的实施例中，端接垫表面426位于块404的后侧414上。端接垫表面426与前侧412相对地定位，销402从前侧412突出。尽管在所示实施例中端接垫表面426位于后侧414，但是在替代实施例中，端接垫表面426可以在外侧之一上，例如第三外侧420或第四外侧422。
块404限定了穿过块404的端口430，该端口430与端接垫表面426间隔开。端口430是冷却通道，该冷却通道配置为在其中接收冷却管110(图3)之一，以吸收和散发来自功率端子304的热量。
在所示的实施例中，端口430从第一开口432沿着第一外侧416(例如，顶侧)延伸到块404中。端口430沿第二外侧418线性地延伸穿过块404至第二开口434，如图5所示。端口430沿着端口轴线436伸长。端口轴线436可以平行于端接垫表面426的平面。因此，如图4所示，端口430不会干扰电力电缆108的(多个)导体428和端接垫表面426之间的接合。端口轴线436可以横向于、例如垂直于由销402限定的销轴线405。端口430可以与销402和块404的前侧412间隔开。在所示的实施例中，端口430沿着销轴线405轴向地设置在销402和端接垫表面426之间，但是不与销402或端接垫表面426相交。例如，端口430位于块404的前侧412和后侧414直径并与其每一个间隔开。尽管在图4中端口430从第一外侧416(例如，顶侧)延伸到第二外侧418(例如，底侧)，但是在替代实施例中，端口430可以从第三外侧420延伸到第四外侧422等。
功率端子304由一种或多种金属组成。例如，块404或至少其端接垫表面426可以由铜组成。端接垫表面426的铜可以实现与电力电缆108的也可以是铜的(多个)导体428的牢固焊接连接。例如，端接垫表面426和(多个)导体428的相似组成可以实现界面处的具有低电阻的机械牢固且电有效的焊接连接。可以将端接垫表面426超声焊接到电力电缆108的(多个)导体428。
功率端子304可以是整体、单体式部件，从而使销402与块404成为一体，而在销402和块404之间没有任何接缝或接头。替代地，销402和块404可以是联接在一起以限定功率端子304的分立部件。
图5是根据一个实施例的充电入口102(图3所示)的电功率端子304之一的分解透视图。所示实施例中的功率端子304具有两件式设计，使得销402与块404分离。块404沿着前侧412限定孔口502。销402的近端406被接收到孔口502中，以将销402联接至块404，从而形成功率端子304。在所示的实施例中，销402的近端406具有螺纹轴504，并且孔口502包括互补的螺旋螺纹506，以使销402能够拧入孔口502中。在替代实施例中，销402的近端406可以被压配合到孔口502中(而不是拧入)并且经由过盈配合被固定在孔口502内。例如，可以在接合销402之前加热块404，以使孔口502能够稍微膨胀。在其他实施例中，销402可以经由其他工艺连接到块404，例如焊接、软焊、粘合剂或类似方法。
两件式功率端子304的一个潜在好处是，根据销402和块404的特定功能，销402的金属成分可以与块404的金属成分不同。例如，块404可以具有适合于热传导、电传导以及用于焊接至电力电缆108的(多个)导体428(如图4所示)的成分。为此，块404可具有相对较高的铜含量。另一方面，销402可具有不同的成分，其针对将金属成形(例如，车床，铣削，车削，镗孔等)成特定形状以与配合连接器对接的能力而定制。为了这些目的，销402可以具有比块404低的铜含量，并且可以包括其他金属和/或合金，例如不锈钢、铝等。
图6是根据一个实施例的充电系统100(图1所示)的端子子组件602的后透视图。端子子组件602包括充电入口102的电功率端子304之一(如图3所示)，一个冷却管110和一个电力电缆108。图6中的功率端子304是图5中的组装后的功率端子304。冷却管110连续地延伸通过端口430，并沿着第一外侧416(例如，顶侧)从第一开口432和沿着第二外侧418(例如，底侧)从第二开口434(图5中示出)突出。例如，冷却管110的第一部段312从第一开口432突出，并且冷却管110的第二部段314从第二开口434突出。冷却管110的在第一部段312和第二部段314之间的部段设置在端口430内，并且在图6中不可见。
冷却管110被配置为在充电操作期间从功率端子304的块404吸收热量以管理功率端子304的温度。例如，冷却管110可包含工作流体，该工作流体在第一流动方向604上流过冷却管110，从第一部段312通过端口430进入第二部段314(并流向图1所示的散热器106)。工作流体可以是水，制冷剂，空气等。冷却管110从块404吸收热量，使得冷却管110的第二部段314(和其中的工作流体)具有比冷却管110的第一部段312(及其中的工作流体)更高的温度，如图6中所示温度计606所指示的。可替代地，冷却管110可以不包含工作流体。例如，冷却管110可以是实心的，并且可以仅经由传导(例如，没有对流)来传输热量。
在另一个替代实施例中，冷却管110可以是密封的热管道，其包括工作流体，该工作流体在热管道内经历相变以将热量从块404传输走。热管道冷却管110可具有位于端口430内或略微超出端口430突出的密封端。代替形成穿过端口430的环以限定第一部段312和第二部段314，热管道冷却管110仅具有在功率端子304和散热器106之间延伸的单个部段。在冷却管110是热管道的实施例中，端口430可选地可以不完全延伸穿过块404。例如，块404可以仅限定用于端口430的第一开口432，并且端口430可以在块404内终止。
图7是根据另一实施例的充电入口102(在图3中示出)的电功率端子304之一的透视图。图7中的电功率端子304的块404的形状与图3至6中的块404的形状略有不同。例如，图7中的块404未被倒角，因此不包括图3至图6所示的倾斜表面424。所示实施例中的块404还缺少图3至图6所示的凸缘438。类似于图3至图6所示的块404，所示实施例中的块404包括沿着与附接到销402的前侧412相反的后侧414的端接垫表面426，并且端口430被限定为从第一外侧416(例如，顶侧)到第二外侧418(例如，底侧)通过块404。在另一个实施例中，端接垫表面426可以沿着第三外侧420或第四外侧422定位。
图7所示的功率端子304也不同于图3至图6所示的功率端子304，因为功率端子304具有整体的、一件式的单体结构。销402和块404彼此一体，使得功率端子304在销402和块404之间没有对接接头或接缝。可以通过在诸如模制工艺之类的普通操作期间将销402和块404一起形成为一个件来获得单体结构。单体结构也可以通过将销402和块404焊接在一起而实现，使得销402的材料与块404的材料融合和熔合以形成整体的一件式结构。销402可具有与所示实施例中的块404相同的金属成分。
图8是根据一个实施例的充电系统100(图1所示)的端子子组件602的前透视图。电功率端子304的块404具有与图3-7中所示实施例的块404稍有不同的形状。但是，类似于本文所述的其他实施例，销402从块404的前侧412延伸，电力电缆108的导体428机械地和电气地连接到块404的后侧414，并且端口430从块404的第一外侧416线性延伸到第二外侧418。
在一个实施例中，冷却管110在块404中和周围具有端子联接区域702。端子联接区域702由金属材料组成，其使得冷却管110能够吸收并传导大量的热量而不会由于块404的高温而熔化或变形。冷却管110的端子联接区域702在与功率端子304间隔开的位置处连接至冷却管110的绝缘区域704。绝缘区域704由诸如一种或多种塑料的电绝缘聚合物材料组成。绝缘区域704破坏了从块404延伸穿过冷却管110的金属端子联接区域702的导电路径，以防止电流流过冷却管110。绝缘区域704可以经由诸如压接的O形环接头、热缩套等的机械结合构件706而被联接到端子联接区域702的端部。在替代实施例中，冷却管110的整个长度可以由被配置成承受端口430内的高温而不熔化或变形的聚合物材料组成。
本文所述的充电系统100的至少一个技术效果是能够在大功率充电操作期间热管理充电入口102的电功率端子304。例如，随着功率端子304的温度升高，主动冷却回路(例如流体泵116)可以增加通过冷却管110的工作流体的流速以耗散来自端子304的更多的热量。通过利用延伸到端子304的块404中的冷却管110控制功率端子304的温度，充电系统100可以与已知的充电系统相比而能够以更大的速率(例如，更大的电压和/或电流)传输电能，而不会损坏部件或达到指定的温度上限，指定的温度上限响应性地自动降低能量传输速率。本文所述的充电系统100的另一技术效果是能够在充电操作期间利用较小和/或较便宜的部件来提供所需量的性能。例如，由于功率端子304的冷却，与已知的充电系统相比，充电系统100可以利用更小、更轻、更便宜的电力电缆108来实现相同或更好的结果。

Claims (9)

1.一种充电系统（100），包括：
电功率端子（304），包括销（402）和块（404），所述块具有前侧（412）和后侧（414），所述销从所述块的前侧延伸到所述销的远端（408），所述块包括端接垫表面（426），所述块限定穿过所述块的端口（430），所述端口（430）具有第一开口（432）和第二开口（434），且所述端口与所述端接垫表面间隔开；
电力电缆（108），被机械地联接并且电连接到所述块的端接垫表面；和
冷却管（110），延伸到所述块的端口中，并构造成吸收和散发来自所述块的热量，其中所述冷却管（110）连续地延伸穿过所述端口（430），并从端口（430）的第一开口（432）和端口（430）的第二开口（434）两者突出。
2.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述端接垫表面（426）位于所述块（404）的后侧（414）上。
3.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述端接垫表面（426）是平坦的，并且所述端口（430）沿着平行于所述端接垫表面的平面的端口轴线（436）线性地延伸。
4.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述端口（430）从第一外侧（416）线性地延伸穿过所述块（404）到与所述第一外侧相对的第二外侧（418）。
5.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述销（402）与所述块（404）一体地形成，使得所述电功率端子（304）具有一件式的单体结构，在所述销和所述块之间没有对接接头。
6.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述销（402）与所述块（404）分离，所述块沿前侧（412）限定孔口（126），所述销具有与所述远端（408）相对的近端（406），所述近端被接收到所述孔口中以将所述销联接到所述块。
7.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，电功率端子（304）的端接垫表面（426）包括铜，所述电力电缆（108）包括超声焊接到所述端接垫表面的一个或多个铜导体（428）。
8.根据权利要求1所述的充电系统（100），其中，所述销（402）沿着销轴线（405）伸长，所述端口（430）沿着垂直于所述销轴线的端口轴线（436）伸长。
9.一种电功率端子（304），包括：
销（402），具有远端（408）和与所述远端相对的近端（406）；和
块（404），具有前侧（412）和与所述前侧相对的后侧（414），所述块的前侧附接到所述销的近端，所述块限定穿过所述块的端口（430），所述端口（430）具有第一开口（432）和第二开口（434），所述端口构造成接收冷却管（110），使得所述冷却管（110）能连续地延伸穿过所述端口（430）并从端口（430）的第一开口（432）和端口（430）的第二开口（434）两者突出，所述块包括平面的且构造成机械地联接并电连接到电力电缆（108）的端接垫表面（426）。
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