CN116160883A - 具有热惯性的ev充电连接器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种EV(电动车辆)充电连接器(100)，其包括：接触元件(102)，其中，所述接触元件(102)被配置成接纳充电电缆并提供用于车辆充电插座的接口；和热质量元件(105)，其中，所述热质量元件(105)热连接到所述接触元件(102)并且被配置成从所述接触元件(102)接收热量。

Description

具有热惯性的EV充电连接器和方法

技术领域

本发明涉及一种EV(电动车辆)充电连接器，一种用于减少对电动车辆充电的充电时间的方法，一种用于制造包括接触元件和热质量元件的充电连接器的方法，以及热质量元件在充电连接器中的用途。

背景技术

用于对电动车辆充电的充电时间除了其他因素之外还取决于充电连接器的触点的温度。通常，主动或被动地冷却触点，使得热量耗散到周围空气中。

发明内容

可能希望在充电时间方面改进EV充电连接器。

该问题由独立权利要求的主题解决。实施例由从属权利要求、以下描述和附图提供。

所描述的实施例类似地涉及EV(电动车辆)充电连接器，用于减少对电动车辆充电的充电时间的方法，用于制造包括接触元件和热质量元件的充电连接器的方法，以及热质量元件在充电连接器中的使用。协同效果可以由实施例的不同组合产生，尽管它们可能没有被详细描述。

此外，应当注意，本发明的涉及方法的所有实施例可以以所描述的步骤的顺序来执行，然而这不必是该方法的步骤的唯一且基本的顺序。除非在下文中明确相反地提及，否则在不脱离相应方法实施例的情况下，本文呈现的方法可以按所公开步骤的另一次序实施。

技术术语按其常识使用。如果将特定含义传达给某些术语，则将在下面在使用术语的上下文中给出术语的定义。

根据第一方面，提供了一种EV充电连接器。充电连接器包括接触元件和热质量元件。该接触元件被配置成用于接纳充电电缆，并且为车辆充电插座提供接口。热质量元件热连接到接触元件，并被配置成从接触元件接收热量。

充电连接器内的接触元件可以包括用于一个或多个触点的隔室，所述一个或多个触点将承载来自充电站的充电电流的电缆与汽车入口的对应触点连接。接触元件接收车辆入口的接触销，反之亦然。也就是说，阳触点可以在车辆入口中，阴触点在连接器中，反之亦然。接触元件可以电连接到触点或绝缘，并保持触点。然而，接触元件可以可选地与触点成一体。

热质量元件是被动冷却装置。除了所提出的热质量元件之外，还可以使用另外的冷却装置，特别是用于提供空气流或液体冷却的主动冷却装置；然而，这种主动冷却装置不在本公开的范围内。

通常，热量只是在连接器结构中耗散。可替代地，使用热管和冷凝器的被动冷却可以应用于热传递的地方，例如一般通过热管或热导体传递到热辐射结构，在该热辐射结构处热量可以辐射到空气，优选地辐射到环境空气。由于热传递和耗散应该是快速的，因此需要良好的热传输装置，例如上述热管或热导体。热管(或用于此目的的其它热导体)在它们的热传导特性方面被优化。因此，热质量不起作用。例如，热管通过蒸汽输送热量，即，存在携带热量的实际材料流。这同样适用于沿着往返于充电站的电缆运输冷却液体。传统的被动冷却元件，例如具有冷却裂口或翅片的元件，试图使表面最大化以获得最好的辐射。然而，通过使表面最大化，会损失空间。空间损失有两个原因：首先，几何体占用空间，其次，为了高效，空气即自由空间必须围绕表面。因为空气也是热绝缘体，所以直到散热变得有效的时间花费相对长的时间，并且相对快地达到传统冷却元件的热饱和。因此，热量在第一阶段快速上升，但是仅缓慢地消散，导致短时间内的高温。

这意味着，对于传统的冷却，首先，冷却部件的体积被设计成快速地传递热量，使得大体积和热质量必须相对较低。其次，由于表面的面积必须高并且形成为使得热量可以辐射到表面附近的空气中，所以大体积不能高。也就是说，表面之间的空气间隙必须足够大。这实现了热质量的减小，并且旨在长期冷却接触元件。

然而，所提出的充电连接器的热质量元件旨在于充电时段的第一阶段中尽可能多地接收热能，其中第一阶段具有高充电电流可以流动的特性，因为接触元件处的温度仍然低并且电池状态几乎是“空的”。由于高电流，第一阶段是接触元件处产生热量最多的阶段。

根据实施例，EV充电连接器还包括封装接触元件和热质量元件的外部壳体，其中热质量元件具有由外部壳体限制的最大热惯性。

即，热质量元件可以成形为具有最大可能的惯性。质量的限制以及因此惯性的限制由空间即外部壳体的体积和几何形状来表示。下面描述进一步的约束。

根据一个实施例，最大惯性是容量、体积和重量之间的折衷，其中，体积由在连接器的外部壳体内的最大可用空间限制，重量由最大预定重量限制。

为了接收尽可能多的热能，热质量元件必须是大块的，并且大块的体积必须最大化。该体积受到在充电连接器的外部壳体或外壳内的可用空间、由于用户友好性的重量以及进一步的约束的限制。因此，优化还考虑了材料，这是材料的每体积单位的热容量、体积和重量之间的折衷。也就是说，焦点在于总热容量，与传统的散热元件相反，传统的散热元件的焦点在于热传导性和散热性。

该折衷是热惯量的函数i_th_max＝max f(容量、体积、重量)的结果，其中，体积和重量如上所述受到限制，并且容量取决于材料。可能存在进一步的限制，例如成本、机械项目例如机械稳定性等。

这意味着，与针对于其表面最大化的热耗散装置相比，使得最大量的热量被辐射到环境，并且在热耗散具有最佳效果的位置处，热质量元件的热惯性在上述约束内最大化，使得其可以在给定约束内接收尽可能多的热量。关于位置，热质量元件必须布置在接触元件附近。

根据一个实施例，质量元件附接到接触元件。

热质量元件可以是附接到接触元件用于接收热量的单独元件。在这种情况下，接触元件和热质量可以由相同的材料或不同的材料构成。例如，接触元件的材料由铜制成，而热质量元件的材料是陶瓷材料。每个元件可以针对其自身进行优化，并且可以使用例如来自市场或来自现有生产线的标准产品。

根据一个实施例，热质量元件和接触元件是一个整体元件。

该实施例是前一实施例的替代实施例。在这种情况下，热质量元件和接触元件由相同的材料例如铜构成，并且可以在一个步骤中制造。此外，不需要用于将热质量元件附接到接触元件的充电连接器的额外制造步骤。此外，从接触元件到热质量的热传递没有阻力。

根据一个实施例，外部壳体填充有连接到热质量元件的导热材料。

导热材料将热量从热质量元件朝向壳体传导。它也可以与壳体连接。连接器可以完全或部分地填充有材料。它还可以具有非块状结构，一方面该非块状结构相对于块状结构减小了重量，并且尽管如此，该非块状结构将热量有效地朝向连接器的外部传送，在该外部处热量被耗散到环境空气中。

根据一个实施例，导热材料在热质量元件的材料和空气之间具有导热性。

连接器壳体内的空间可填充有不同于空气且不同于热质量元件的材料的高导热性材料。例如，该材料可以是陶瓷填充的环氧树脂。

壳体的材料通常由塑料制成。例如通过填充材料和塑料壳体向周围空气的热传输可以通过使用具有高导热率的塑料来支持。壳体可以由不同的塑料材料制成，使得存在使用者可能接触的具有较低热导率的“正常”区域和使用者不接触的具有较高热导率的较热区域。

根据一个实施例，热质量元件具有用于散热的翅片。

在本公开中，术语“翅片”和“翅片元件”可互换使用。翅片可以是包括主体和翅片的翅片元件的一部分。例如，该主体包括管状结构，在该管状结构处布置有多个彼此隔开的面板。

减少连接元件中的热量的过程可以分成具有平滑过渡的两个阶段。在第一阶段，主要效果是接收来自热质量元件中的接触元件的热量。在该阶段开始时，没有热量散逸到周围空气中。在时间过程中，热量到达质量元件的表面，在该表面处逐渐地辐射越来越多的热量，尽管这种热辐射不是元件的实际目的。在第二阶段，热辐射占优势。在第二阶段的过程中，该元件最终只能吸收与其发出的热量一样多的热量。然而，由于从蓄热元件(即热质量元件)移除热量是方便的，以便将释放的容量用于从接触元件进一步供应热量，因此提出将热质量元件连接到冷却元件，例如翅片或具有翅片的元件。冷却元件用于将热量辐射到周围空气中，并且因此具有尽可能大的表面积，这例如通过冷却翅片来实现。主体以这样的方式形成，即它将尽可能多的热量传导到表面。

根据该实施例的热质量元件布置允许结合惯性和散热。也就是说，散热是作为附加效果实现的。在这种情况下，体积因此具有额外的限制，因为翅片需要自由空间。然而，利用这种布置，两种效果都是可用的。包括具有翅片的热质量元件的冷却设备可以被设计成使得在第一阶段中在最大电流下直到预定温度的极限达到最小规定值的时间段被延长，并且在第二阶段中温度可以保持在第二值以下。因此，同样在第二阶段中，可以实现可接受的充电电流值。总的充电时间显著低于传统的冷却元件，并且与仅最大化热质量相比可能更低。

因此，通过使用翅片，散热器被优化用于在第二阶段中辐射热量，这可以被视为在第一阶段中对热物质吸收热量的补充措施。

根据一个实施例，热质量元件和翅片是一个整体元件。

在这种情况下，热质量元件和翅片或翅片元件可以分别由相同的材料制成并在一个步骤中制造。仅使用一个元件降低了采购、物流和制造的成本。不需要用于将翅片附接到热质量元件的额外措施。

该实施例覆盖了翅片的其它布置或形状。例如，它们可以实现为在固体块(即热质量元件)的表面处的凹槽。凹槽可以布置在热质量元件的一侧或多侧。凹槽的深度、厚度和位置可根据本文所述的考虑进行调整。

根据一个实施例，翅片附接到热质量元件。

翅片或翅片元件分别可以是附接到热质量元件的单独元件。这样，可以使用市场上可获得的翅片或翅片元件。

根据另一方面，提供了一种用于减少对电动车辆进行充电的充电时间的方法，其中，该方法包括以下步骤：在第一步骤中，提供了一种充电连接器，其中，该充电连接器包括如在此描述的接触元件和热质量元件。在第二步骤中，使用充电连接器对车辆的电池充电，其中，以最大额定值提供充电电流，直到接触元件已经达到预定温度。

使用在此描述的充电连接器改变了达到预定温度的时间点，从而增加了在充电过程中可以向车辆的电池提供最大允许的或指定的电流的时间段。预定温度可以是低于接触元件处的最大允许温度的温度。通过应用该方法，减少了充电时间。

根据另一方面，提供了一种用于制造如本文所述的包括接触元件和热质量元件的充电连接器的方法，其中，该方法包括以下步骤。在第一步骤中，提供充电连接器支撑结构，例如外部壳体。在第二步骤中，将接触元件附接到连接器支撑结构。因此，接触元件是与热质量元件成一体的元件，或者热质量元件附接到接触元件，即作为单独的元件。

如果质量元件附接到接触元件，则附接步骤可在将接触元件附接到连接器支撑结构之前或之后执行。

根据一个实施例，提供了如在此描述的热质量元件在充电连接器中的使用。

附图说明

参考附图和以下描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。

图1A示出了EV连接器的第一示例的图；

图1B示出了EV连接器的第二示例的图；

图2示出了具有温度分布的曲线图；

图3示出了用于减少对电动车辆的电池进行充电的充电时间的方法的流程图；

图4示出了用于制造该充电连接器的流程图；

图5a、5b和5c示出了具有接触几何体的不同视图的图，以下附图中的示例可以基于该接触几何体；

图6a、6b和6c示出了具有根据实施例的接触件的示例的不同视图的示图；

图7a、7b和7c示出了具有根据实施例的接触件的另一示例的不同视图的示图；

图8a和8b示出了具有根据实施例的接触件的示例的不同视图的示图；

图9a和9b示出了具有根据实施例的接触件的另一示例的不同视图的示图；

图10a和10b示出了具有根据实施例的接触件的另一示例的不同视图的示图。

具体实施方式

在所有附图中，相应的部件具有相同的附图标记。

图1a示出EV充电连接器100的图。充电连接器100适于将电力从EV充电基础设施传输到电动车辆的电池。在充电期间，充电电流流过接触元件102的电触点，这些电触点通常是连接器100的一部分。连接器100进一步包括将充电电流从充电站传导到接触元件102的电触点的电缆101，以及界定内部容腔103的外部封壳或壳体104。除了接触元件102、电缆101和下面描述的块105之外，内部容腔103是空的，因此填充有空气。接触元件102处的最大温度受到限制。该限制例如在诸如IEC62196－1的标准中定义。因此，在达到该温度时或达到该温度之前，必须减小可经由接触元件102的电触点流向汽车电池的电流。特别地，触点102处的温度相对于环境温度不应超过90℃或50°开尔文的差，而与实际温度无关。对于给定的连接器设计，给定的环境温度和给定的电流，在第一充电阶段中的时间段T1－T0之后达到接触元件102处的温度极限。

本发明的思想基于以下观察：当电池充电状态低时，可以将更高的电流馈送到电池中。即，第一充电阶段是从电池的角度看最高电流可以流动的阶段。因此，该充电阶段必须尽可能长。该时间周期越长，在该时间周期中可转移的能量的量越高。时间越短，传递的能量越少，这意味着对电池充电花费的时间越长。

因此，增加了系统的热惯性。通过实现高的热惯性，可以在开始时流动非常高的电流，并且随着接触元件102升温，减小电流以确保不超过90℃的极限。结果，在更短的时间内传递更大量的能量。通过增加更多的质量来实现系统的热惯性的最大化。这可以描述为通过使用热质量元件105将接触元件延伸到连接器100的内部容腔103中。在图1中，热质量元件105机械地和热地连接到连接器的接触元件102。在实施例中，热质量元件105和接触元件102是单件。热质量元件105由例如铜制成(即与触点相同)，尽管它也可以由另一种导热材料制成。

图1b示出了质量元件105具有翅片106的示例。翅片106可以例如与质量元件105成一体，或附接到质量元件105，其中例如翅片106具有一个共同的本体作为支撑结构。如图1b的示例所示，接触元件102、质量元件105和翅片106可以是单个元件，即整体元件。

图2示出了具有两条曲线202、204的温度－时间图。曲线202示出了没有在热质量的接触元件102处的温度分布。曲线204示出了当实施热质量时接触元件102处的温度分布。时间T0是充电电流接通时的时间点，而T3是充电电流断开时的时间点。线206标记90℃极限。曲线202具有凹的形状，高温在开始时升高，并在T1处与线206相交，而曲线204在开始时具有凸的形状，并线性地升高。曲线204在T2处与线206相交。这意味着在达到温度极限之前一定的电流可以保持更长的时间。

即，当连接器具有接触元件102，该接触元件102具有提供增加的热惯性的附加质量时，斜率更平坦，并且需要更长的时间T2－T0来达到温度极限。这允许以期望的电流充电更长的时间。因此，在时间段T3－T0期间实现了从充电基础设施到电动车辆的电池的更高的能量传递。

当使用诸如翅片的散热元件时，第二阶段中的温度升高变得更平坦。热质量元件105是在充电时段的第一阶段中的主热元件，散热元件106是在第二阶段中并且在终止充电时段之后的主热元件。

图3示出了用于减少对具有在此描述的充电连接器的电动车辆的电池进行充电的充电时间的方法的流程图。该方法包括以下步骤。在步骤302中，提供包括如本文所述的接触元件和热质量元件的充电连接器。在步骤304中，对车辆的电池充电。由此，以最大额定值提供充电电流，直到接触元件达到预定温度。

图4示出了用于制造包括如本文所述的接触元件和热质量元件的充电连接器的流程图。该方法包括以下步骤：在步骤402中，提供充电连接器支撑结构。充电连接器支撑结构可以是外部壳体104和/或将接触元件安装在外部壳体104内所需的其他部件。在步骤404中，将接触元件附接到连接器支撑结构。因此，接触元件102与热质量元件105是一体元件，或者热质量元件105附接到接触元件102。在后一种情况下，热质量元件105可以在将接触元件102附接到连接器支撑结构之前或之后附接。

图5a、5b和5c示出了具有接触几何体的不同视图的图，以下附图中的示例可以基于该接触几何体。该触点也被称为“引脚”，并且可以是阳触点或阴触点。图5a示出了接触件500的3D视图，图5b示出了其侧剖视图，图5c示出了其前视图。附图的这种编号方案也适用于进一步的以下实施例和附图。所有以下实施例和附图中的参考数字表示接触件的相同部分，因此在每个图中不重复描述。

图5a示出了当连接到车辆的相对部分时发生接触的销的前部502。该图还示出了具有避免销移动的功能的圆柱形板504，以及绝缘铜线510压接在其上的后部506。图5b还示出了配合接口508的接口的一部分，该部分包围接触件500的前部502并且表示连接器的前面。以下附图中的热质量元件605、705、805、905和1005是图1a中所示的热质量元件105的实施例，尽管在图1a中热质量元件105布置在接触元件102处。接触元件102因此可被限定为接触件500或具有壳体的接触件500。

图6a示出了根据实施例的接触件500的示例的3D视图，图6b示出了在侧视图中的剖视图。接触件500还包括前部502、板504和后部506。代替板，圆柱形热质量元件被布置成包围或加厚接触销的中部并根据本发明提供热惯性。

图6c示出了热质量元件的其他形状的正视图，其可以是例如环形606、矩形607、三角形608或多边形609。

图7a、7b和7c示出了在根据实施例的接触件500的另一示例的不同视图中的示图，其中热质量元件与图6a、6b的热质量元件类似，但是不同之处在于，圆柱体具有平坦侧。该形状允许确保DC+和DC－之间的足够距离。图7c示出了热质量元件的其他形状的正视图，其可以是例如半圆706、矩形707或多边形708。

图8a和8b示出了具有根据实施例的接触件500的另一示例的不同视图的示图。该布置类似于先前示例的布置；然而，热质量元件805较短，使得存在用于布置板504的位置，如图5a和5b所示。

图9a和9b示出了具有根据实施例的接触件500的另一示例的不同视图的示图。在该示例中，圆柱形热质量元件905在圆柱体的一侧具有中空部分，使得在圆柱体的该部分处在销与热质量元件905之间存在自由空间。该自由空间可有助于第二阶段中的散热。

图10a和10b示出了具有根据实施例的接触件500的另一示例的不同视图的示图，其中热质量元件1005是不对称的，并且在圆柱体的平行于销的一侧上具有突出部。

原则上，任何热质量元件形状都是可能的。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所述的若干项目或步骤的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

附图标记清单

100EV充电连接器

101充电电缆

102接触元件

103在外部壳体内部自由空间

104外部壳体

106翅片

202无热质量元件的温度分布

204具有热质量元件的温度分布

206温度限制线

302用于减少充电时间的方法的第一步骤

304用于减少充电时间的方法的第二步骤

402用于制造充电连接器的方法的第一步骤

404用于制造充电连接器的方法的第二步骤

500接触件

502接触件的前部

504接触件的板

506接触件的后部

605热质量元件的示例

606热质量元件的环形形状

607热质量元件的矩形

608热质量元件的三角形形状

609热质量元件的多边形形状

705热质量元件的示例

706热质量元件的半圆形状

707热质量元件的矩形

708热质量元件的多边形形状

805热质量元件的示例

905热质量元件的示例

1005热质量元件的示例

Claims (13)

1.一种EV(电动车辆)充电连接器(100)，包括：

接触元件(102)，其中，所述接触元件(102)被配置成接纳充电电缆并提供用于车辆充电插座的接口；

热质量元件(105)，其中，所述热质量元件(105)热连接到所述接触元件(102)并且被配置成从所述接触元件(102)接收热量。

2.根据权利要求1所述的EV充电连接器(100)，进一步包括包围所述接触元件(102)和所述热质量元件(105)的外部壳体，其中，所述热质量元件(105)具有由所述外部壳体(104)限制的最大热惯性。

3.根据权利要求2所述的EV充电连接器(100)，其中，所述最大热惯性是在蓄热容量、体积和重量之间的折衷，其中，所述体积由在所述连接器的所述外部壳体内的最大可用空间限定，并且所述重量由最大预定重量限定。

4.根据前述权利要求中任一项所述的EV充电连接器(100)，其中，所述热质量元件(105)附接到所述接触元件(102)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的EV充电连接器(100)，其中，所述热质量元件(105)和所述接触元件(102)是一个整体元件。

6.根据前述权利要求中任一项所述的EV充电连接器(100)，其中，所述外部壳体填充有连接到所述热质量元件的导热材料。

7.根据权利要求6所述的EV充电连接器(100)，其中，所述导热材料具有在所述热质量元件的材料和空气之间的导热性。

8.根据前述权利要求中任一项所述的EV充电连接器(100)，其中，所述热质量元件(105)具有用于散热的翅片(106)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的EV充电连接器(100)，所述热质量元件(105)和所述翅片(106)是一个整体元件。

10.根据权利要求1至8所述的EV充电连接器(100)，所述翅片(106)附接到所述热质量元件(105)。

11.一种用于减少对电动车辆进行充电的充电时间的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

提供(302)根据前述权利要求中任一项所述的充电连接器，所述充电连接器包括接触元件(102)和热质量元件(105)；

使用所述充电连接器(100)对车辆的电池充电(304)；其中，以最大额定值提供充电电流，直到所述接触元件(102)已经达到预定温度。

12.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的包括接触元件(102)和热质量元件(105)的充电连接器的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

提供(402)充电连接器支撑结构；

将所述接触元件(102)附接(404)到所述连接器支撑结构；

其中，所述接触元件(102)是与所述热质量元件(105)一体的元件，或者将所述热质量元件(105)附接到所述接触元件(102)上。

13.一种热质量元件(105)在根据权利要求1至10中任一项所述的充电连接器中的用途。

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