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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Steckkontakt einer elektrischen
Maschine eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines
Hybridfahrzeugs.
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Bei
elektrischen Verbindungen von elektrischen Antriebssystemen in Hybridfahrzeugen
sind Versorgungsanschlüsse
notwendig, die für
hohe Spannungen von derzeit beispielsweise 300 Volt und für hohe Ströme geeignet
sind. Dies betrifft insbesondere die elektrischen Maschinen, die
bei hybriden Antriebskonfigurationen (Hybridantrieben) in Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden.
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Als
zentrales Problem haben sich die relativ hohen Temperaturen (Umgebungs-
oder Oberflächentemperaturen)
im Bereich der Leistungsstellglieder sowie im Bereich des Wickelkopfes
der Maschine herausgestellt, denen die jeweiligen elektrischen Anschlüsse ausgesetzt
sind. Dennoch sollen die elektrischen Verbindungen schnell und einfach
anschließbar
sein, um eine Behinderung der Fertigungsabläufe zu vermeiden und den Aufwand
bei Wartungsarbeiten möglichst
gering zu halten. Gleichzeitig sollten die elektrischen Anschlüsse zu vertretbaren
Kosten herstellbar und montierbar sein.
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In
der elektrischen Antriebstechnik, insbesondere in der Hybridtechnik
für Kraftfahrzeuge,
können
Schraubanschlüsse
und -verbindungen zum Einsatz kommen, die jedoch nicht den gewünschten
Anforderungen hinsichtlich zeitsparender Kontaktierung und kostengünstiger
Herstellbarkeit sowie Service und Wartung genügen.
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In
dem United States Patent
US 4,314,311 ist beispielsweise
eine elektrische Kontaktverbindung offenbart, die über jeweils
getrennte Kontaktelemente zur elektrischen bzw. zur thermischen
Kontaktierung einer Leiterplatte verfügt. Dies erfordert einen komplexen
Aufbau der Kontaktverbindung aus einer Vielzahl einzelner Bauelemente.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen für Hochvolt-
und/oder Hochstrom-Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen geeigneten Steckkontakt
zur Verfügung
zu stellen. Ein entsprechendes Steckverbindungssystem mit einem
solchen Stek kontakt und einem geeigneten, steckbaren Gegenkontakt
soll zudem schnell und einfach einsetzbar oder montierbar sowie
kostengünstig
herstellbar sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruch 1. Dazu ist ein elektrischer Steckkontakt
mit einem Steckgehäuse und
mit einem von außen
kontaktierbaren Anschlusselement vorgesehen, das in elektrisch leitender
Verbindung mit einem Anschluss der elektrischen Komponente des Antriebssystems
steht. Das Steckgehäuse
umgibt eine elektrische Verbindungsleitung zwischen dem Anschlusselement
und dem system-, komponenten- oder maschinenseitigen Anschluss unter
Ausbildung einer Wärmesenke
zur Kühlung des
Steckkontaktes. Unter Steckkontakt wird sowohl ein Steckerkontakt
(male) als auch ein Buchsenkontakt (female) verstanden.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass als Hochvoltverbindung in elektrischen Antriebssystemen
von Kraftfahrzeugen und Hybridfahrzeugen auch in Bereichen hoher
Umgebungs- oder Oberflächentemperaturen
elektrische Steckkontakte oder -verbindungssysteme eingesetzt werden
können,
wenn bei gegebenem Leiter- und/oder Kontaktquerschnitt die Stromtragfähigkeit
erhöht
werden kann. Da die Stromtragfähigkeit
eines handelsüblichen
Steckkontaktes mit herkömmlicher
Oberflächenbeschaffenheit
aufgrund deren Temperaturabhängigkeit
mit zunehmender Temperatur kontinuierlich abnimmt und erkanntermaßen unabhängig vom Leiterquerschnitt
stets bei einem bestimmten Temperaturwert von typisch ca. 170°C auf Null
absinkt, kann durch eine gezielte Kühlung des Steckkontaktes dessen
Stromtragfähigkeit
zu höheren
Umgebungstemperaturen von z. B. 200°C verschoben und/oder die Oberflächen- bzw.
Kontakttemperatur auf ein Temperaturniveau mit erhöhter Stromtragfähigkeit
hin reduziert werden.
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Nun
sind diejenigen elektrischen Komponenten eines Hybridantriebssystems,
deren Hochvoltanschlüsse
hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, typischerweise luft-
oder fluidgekühlt. Durch
die Kühlung
wird, insbesondere im Bereich des Verbrennungsmotors, die infolge
hoher Betriebstemperaturen erzeugte Umgebungswärme oder im Bereich von Leistungsstellgliedern
die dort infolge auftretender Leistungsverluste entstehende Wärme (Verlustwärme) abgeführt. Diese
Kühlstellen
sind daher besonders geeignet, um für einen dort vorgesehenen oder
angeordneten Anschluss eine Wärmesenke
bereit zu stellen, die eine Erhöhung
der Stromtragfähigkeit
bewirkt. Die Nutzung dieser Wärmesenken
wiederum ermöglicht
daher nicht nur grundsätzlich
den Einsatz von vergleichsweise einfach handhabbaren Steckkontakten.
Vielmehr besteht aufgrund optimierter Entwärmung infolge der durch die Wärmesenke
erzielten thermischen Entkopplung des Steckkontaktes von den lokalen
Hotspots, z. B. von dem maschinenseitigen Wickelkopf, die Möglichkeit, dessen
Kontaktquerschnitt zu reduzierten.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist daher das Steckgehäuse mit
einem Gehäuseabschnitt
einer gekühlten
elektrischen Komponente verbunden. Bei Einsatz des Steckkontaktes
an einer elektrischen Maschine des Antriebssystems oder Hybridantriebs ist
geeigneterweise zumindest ein Leitungsabschnitt der elektrischen
Verbindungsleitung an dem Gehäuseabschnitt
der elektrischen Maschine thermisch angekoppelt. Das Maschinengehäuse der
elektrischen Maschine ist üblicherweise
mittels eines Fluids gekühlt.
Infolge der thermischen Anbindung der Verbindungsleitung bzw. deren
Leitungsabschnitts an den Gehäuseabschnitt
des insbesondere wassergekühlten
Maschinengehäuses
ist in besonders einfacher sowie zuverlässiger Art und Weise die Wärmesenke in
das Steckergehäuse
eingebracht.
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Die
Wärmesenke
entsteht durch eine gezielte Wärmeableitung
innerhalb des Steckgehäuses entlang
der Verbindungsleitung in bzw. an das gekühlte Maschinengehäuse. Die
in das Steckgehäuse und
somit in den maschinenseitigen Steckkontakt eingebrachte Wärmesenke
bewirkt bereits in einfacher und zuverlässiger Weise eine ausreichende thermische
Entkopplung des von außen
kontaktierbaren Anschlusses oder Anschlusselementes des Steckkontaktes
vom maschinenseitigen Anschluss.
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Hierdurch
wiederum ist ein Gegenkontakt (male beziehungsweise female), der
zur Vervollständigung
des Steckverbindungssystems an den Anschluss bzw. an das Anschlusselement
des Steckkontaktes elektrisch und/oder mechanisch montiert ist,
ebenfalls thermisch entkoppelt. Mit anderen Worten wird in Folge
der Einbringung der Wärmesenke
in den Steckkontakt eine Wärmeleitung
der betriebsbedingt hohen Temperaturen über den entsprechenden maschinenseitigen
Phasenanschluss an das Steckverbindungssystem bzw. an den jeweiligen
Steck- oder Gegenkontakt vermieden.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
ist zwischen der Verbindungsleitung und dem maschinenseitigen Gehäuseabschnitt
ein thermisch leitfähiges
Anbindungselement angeordnet. Das Anbindungselement ist elektrisch
isolierend sowie zweckmäßigerweise elastisch
oder plastisch verformbar. Es ist innerhalb des Steckgehäuses des
Steckkontaktes zwischen die Verbindungsleitung bzw. des entsprechenden Leitungsabschnitts
und den maschinenseitigen Gehäuseabschnitt
eingespannt.
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In
dem Anbindungselement liegt somit die Verbindungsleitung bzw. deren
Leitungsabschnitt unter Verformung des Anbindungselementes ein.
Alternativ kann das Anbindungselement auch in Form einer festen
Umspritzung oder Umhüllung
der Verbindungsleitung bzw. deren Leitungsabschnitt ausgebildet
sein. Vorzugsweise ist der Leitungsabschnitt, d. h. zumindest dieser
Bereich der Verbindungsleitung mittels eines Andruckelementes gegen
oder an das Anbindungselement gepresst.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
ein Antriebssystem eines Hybridfahrzeugs mit elektrischen Hochvoltkomponenten,
und
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2 in
einer schematischen Schnittdarstellung den Aufbau eines elektrischen
Steckkontaktes mit eingebrachter Wärmesenke.
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Einander
entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
schematisch ein nachfolgend auch als Hybridantriebssystem oder Hybridantrieb bezeichnetes
Antriebssystem 20 eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor 21,
der über
ein Getriebe 22, das mit einer ersten elektrischen Maschine 23 verbunden
ist, mit einer Antriebsachse 24, z. B. der Vorderachse
des Hybridantriebssystems 20, gekoppelt. Eine zweite elektrische
Maschine 25 ist analog über
ein Getriebe 26 mit einer weiteren Antriebsachse 27,
z. B. mit der Hinterachse des Hybridfahrzeugs oder Hybridantriebs 20,
gekoppelt. Die elektrischen Maschinen 23, 25 sind
beispielsweise Synchron- oder
Asynchronmaschinen.
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Als
elektrische und/oder elektronische Komponenten, die über Hochvoltleitungen 28, 29 untereinander
und mit den elektrischen Maschinen 23, 25 verbunden
sind, weist das Hybridantriebssystem 20 zusätzlich zu
den elektrischen Maschinen 23, 25 im Wesentlichen
ein gekühltes
Leistungsstellglied in Form einer Umrichtereinheit 30,
ein einer Hochvoltbatterie (z. B. 300 V-Batterie) 31 zugeordnetes
Relais oder Schütz
(Hauptschütz) 32,
eine elektrische Klimaanlage 33 und eine Heizung 34 sowie
einen portablen 230 V-Wechselstromanschluss 35 auf. Über Niedervoltleitungen 36 sind
eine 12 V-Batterie 37 und Niederspannungs- oder Niedervoltlasten 38 mit
der Umrichtereinheit 30 sowie mit einem zentralen Fahrzeug-
oder Bordnetzsteuerteil 39 verbunden, das über Niederspannungs-Signalleitungen 40 mit
der Umrichtereinheit 30 und mit dem Verbrennungsmotor 21 sowie
mit der Hochvoltbatterie 31 mit integriertem Schütz 32 verbunden
ist.
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Die
Umrichtereinheit (converter unit) 30, die über entsprechende
Signalleitungen 40 mit den beiden elektrischen Maschinen 23, 25 verbunden
ist, umfasst insbesondere eine Entladeeinheit (discharge unit) 41,
einen oder mehrere Wandler (Inverter) 42 und im allgemeinen
einen Stromrichter (converter) 43, insbesondere einen DCDC-Stromrichter.
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Das
Fahrzeug- oder Bordnetzsteuerteil 39 umfasst eine übergeordnete
Fahrzeugsteuerung oder -regelung (vehicle control) 44,
der eine Motorsteuerung (motor contol unit) 45, ein Energiemanagement
(energy management system) 46 und eine Antriebssteuerung
bzw. -regelung drive control unit) 47 unterlagert sind.
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Mit
den elektrischen Maschinen 23, 25 sind die elektrischen
bzw. elektronischen Komponenten über
Hochvoltanschlüsse
verbunden, die als Steckkontakte 1 ausgeführt sind.
So ist die erste elektrische Maschine 23 über eine
Hochvolt- oder Hochvoltleitung 28 mit einer Umrichtereinheit 30 elektrisch verbunden.
Hierzu sind ein maschinenseitiger Steckkontakt 1 und ein
umrichterseitiger Steckkontakt 1' vorgesehen. Analog ist die zweite
elektrische Maschinen 25 über eine Hochvoltleitung 28 mit
der Umrichtereinheit 30 elektrisch verbunden, wozu wiederum
ein maschinenseitiger Steckkontakt 1 und ein umrichterseitiger
Steckkontakt 1' vorgesehen
sind.
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Die
schematische Darstellung der 2 veranschaulicht
einen solchen elektrischen Steckkontakt 1, der eine Kontaktierung
der betriebsbedingt thermisch belasteten elektrischen Maschine 23, 25 oder
auch eines anderen elektrischen Aggregats des Antriebssystems 20 mittels
einer Steckverbindung ermöglicht.
Von der elektrischen Maschine 23 bzw. 25 ist lediglich
ein nachfolgend als maschinenseitiger Gehäuseabschnitt bezeichneter Ausschnitt
eines Gehäuses 2 erkennbar,
das fluidgekühlt,
z. B. mit Wasser gekühlt
ist und hierzu beispielsweise eine Anzahl von Fluidkanälen 3 aufweist.
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Durch
den maschinenseitigen Gehäuseabschnitt 2 sind
Phasen- oder Anschlussleitungen 4 geführt, was
im gezeigten Ausführungsbeispiel
durch Durchbrüche 5 geeigneter
Größe realisiert
ist. Die elektrische Maschine weist mehrere elektrische Anschlussleitungen 4 auf,
die insbesondere Wickeldrahtanschlüsse von Statorwicklungen sind.
Von diesen Phasen- oder Anschlussleitungen 4 ist lediglich eine
einzelne Leitung sichtbar. Das nachfolgend als maschinenseitiger
Anschluss bezeichnete Leitungsende 6 der jeweiligen Anschlussleitungen 5 mündet in
einen Hohlraum 7, der durch ein vorzugsweise abgeschirmtes
Steck- oder Steckergehäuse 8 gebildet ist.
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Das
Steckgehäuse 8 umgibt
eine elektrische Verbindungsleitung 9 zwischen dem maschinenseitigen
Anschluss 6 und einem Anschlusselement 10. Die
Verbindung zwischen dem maschinenseitigen Anschluss 6 und
der Verbindungsleitung 9 ist als Schweiß- oder Crimpverbindung ausgeführt.
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Das
Anschlusselement 10 ist durch eine Steckbuchse 11 mit
einer Kontaktfahne oder einem Leiterkontakt 12 gebildet.
Dieser ist in Form eines Rund- oder Flachleiterkontaktes ausgeführt und
kann Teil der Verbindungsleitung 9 oder mit dieser elektrisch
leitend verbunden sein. Die Kontaktfahne bzw. der Leiterkontakt 12 ist
in der Steckbuchse 11 berührsicher (fingersicher) angeordnet.
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Die
Verbindungsleitung 9 ist zweckmäßigerweise als elektrischer
Flachleiter ausgeführt,
der einerseits über
den Leiter- oder
Anschlusskontakt 12 der Steckbuchse 11 nach außen geführt und
andererseits weitgehend über
seine gesamte, nachfolgend als Leitungsabschnitt 13 bezeichnete
Länge innerhalb
des Steckgehäuses 8 angeordnet
ist. Dort liegt der Leitungsabschnitt 13 der Verbindungsleitung 9 mit
einer Flachseite auf einem Anbindungselement 14 auf. Dieses
kann wiederum flächig
auf der dem Steckergehäuse 8 – und somit
dem hiervon umschlossenen Hohlraum 7 – zugewandten Außenseite des
maschinenseitigen Gehäuses 2 anliegen
oder dort aufgebracht sein.
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Das
Anbindungselement 14 ist insbesondere eine hoch thermisch
leitfähige
und elektrisch isolierende Silikonpolymer-Folie, die innerhalb des
Steckgehäuses 8 des
Steckkontaktes 1 zwischen die Verbindungsleitung 9 bzw.
des entsprechenden Leitungsabschnitts 13 und den maschinenseitigen
Gehäuseabschnitt 2 eingespannt
ist. Ein solches Anbindungselement (Gap Pad) 14 ist verformbar
und gleicht somit auftretende Toleranzen, Hö henunterschiede und Spalte
aus. Es schmiegt sich optimal an die Oberfläche der Verbindungsleitung 9 bzw.
des maschinenseitigen Gehäuseabschnitts 2 an.
Das Anbindungselement 14 kann prinzipiell auch als elektrisch
isolierende Wärmeleitpaste,
insbesondere flexible bzw. verformbare, nicht-leitende Wärmeleitscheibe
oder als Ummantelung, Umspritzung oder Umhüllung der Verbindungsleitung 9 realisiert
sein.
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In
den zwischen dem Steckgehäuse 8 und dem
maschinenseitigen Gehäuseabschnitt 2 gebildeten
Hohlraum 7 des Steckkontaktes 1 ist ein Andruckelement 15 eingebracht.
Mittels des Andruckelements 15 erfolgt eine kontrollierte
Andrückung
der Verbindungsleitung 9 bzw. dessen Leitungsabschnitt 13 in
das nachgiebige Material des mechanisch verformbaren Anbindungselements 14.
Die Verbindungsleitung 9 bzw. dessen Leitungsabschnitt 13 wird
in das Anbindungselement 14 hineingedrückt und kann in dieses somit
praktisch vollständig
eintauchen.
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Hierdurch
ist eine besonders gute Wärmeübertragung
zwischen der Verbindungsleitung 9 und dem betriebsbedingt
gekühlten
Gehäuseabschnitt 2 gewährleistet
und somit eine zuverlässige
Wärmesenke
in das Steckgehäuse 8 bzw.
in den Steckkontakt 1 eingebracht. Auf diese Weise wird
das nach außen
geführte
Anschlusselement 10 und insbesondere der Leiterkontakt 12 des
Steckkontaktes 1 weitgehend von der thermischen Belastung
abgeschirmt. Im Falle einer teilweisen Umspritzung der Verbindungsleitung 9 bzw.
dessen Leitungsabschnitt 13 können das Anbindungselement 14 und
das Andruckelement 15 auch einteilig oder einstückig und somit
als Bestandteil eines kombinierten Anbindungs- und Andruckelementes 14, 15 ausgeführt sein.
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Es
wird mittels der Wärmesenke
ermöglicht, verfügbare und
in mechanischer sowie in elektrischer Hinsicht geeignete Steckkontakte 1 auch
für den
besonderen Anwendungsfall mit hoher Nachbar- oder Umgebungstemperatur
(thermische Belastung) nutzen zu können. Innerhalb des Steckkontaktes 1 lässt sich
die erhöhte
Temperatur so weit absenken und somit der Wärmeeintrag in den Steckkontakt 1 entsprechend
reduzieren oder ver meiden, dass die Steckkontakte 1 nicht
mehr einer unzulässig
hohen Temperatur ausgesetzt sind.
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Vorzugsweise
wird die Wärmesenke
daher an einem Gehäuseabschnitt 2 gebildet,
der aufgrund der hohen Temperaturen der elektrischen Maschine von
beispielsweise 180°C
im Bereich des Wickelkopfes ohnehin gekühlt werden muss. So ist es
insbesondere bei Hybridfahrzeugen üblich und/oder erforderlich,
die elektrischen Antriebsaggregate und Leistungskomponenten oder
-stellglieder 30 zu kühlen, insbesondere
mittels wasser- oder luftgekühlter
Gehäusebereiche.
Zudem wird im Steckkontakt 1 bzw. im Steckverbindungssystem
mit einem solchen Steckkontakt 1 und dem zugehörigen Steckgegenkontakt
(nicht dargestellt) entstehende Wärme infolge der erfindungsgemäß geschaffenen
Wärmesenke ebenfalls – zumindest
teilweisse – abgeführt.
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Aufgrund
der infolge der Kühlung
bzw. Schaffung einer Wärmesenke
erhöhten
Stromtragfähigkeit
des Steckkontaktes 1 kann dieser zu dem gewünschten
Zweck des Hochvolt- oder Hochstromanschlusses bei vergleichsweise
geringem Kontaktquerschnitt eingesetzt werden.