DE102008030337A1

DE102008030337A1 - Hochvolt-Steckverbindung, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008030337A1
Application number: DE102008030337A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Engbring; Volker Albert; Christian Kuschnarew; Volker Hartmann; Peter Bucher
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH; Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-12-31
Also published as: WO2010000417A1; DE112009001573A5; DE112009001573B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Steckverbindung, (1) zur lösbaren elektrischen Verbindung von Hochvoltkomponenten, insbesondere eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem Leistungskabel (2) mit beidendseitig jeweils einem Steckkontakt (3a, 3b), der in dessen Steckposition mit einem komponentenseitigen Gegenkontakt (6a, 6b) mechanisch verbunden und elektrisch kontaktiert ist. Jedem der beiden kabelseitigen Steckkontakte (3a, 3b) ist eine Vorrastposition zugordnet, in der der elektrische Kontakt (4a, 7a; 4b, 7b) geöffnet und die mechanische Verbindung gesichert ist, wobei die mechanische Verbindung nur dann entriegelbar ist, wenn beide kabelseitigen Steckkontakte (3a, 3b) in die Vorratsposition geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Steckverbindung zur lösbaren elektrischen Verbindung von Hochvoltkomponenten mit einem Leistungskabel mit beidendseitig jeweils einem Steckkontakt, der in dessen Steckposition mit einem komponentenseitigen Gegenkontakt mechanisch verbunden und elektrisch kontaktiert ist. Unter Hochvoltkomponente werden insbesondere die Geräte und Aggregate eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs (Hybridantrieb, Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug) verstanden.
Ein elektrisches Antriebssystem einer Antriebskonfiguration in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Maschine (Synchron- oder Asynchronmaschine) weist nachfolgend auch als Hochvoltgeräte bezeichnete Hochvoltkomponenten oder -aggregate mit Spannungen von derzeit bereits über 300 V (größer 60V_DC, größer 25V_AC) auf. Hierzu gehören insbesondere auch Leistungsstellglieder, wie insbesondere Umrichter, Stromrichter und/oder Wandler, einer elektronischen Steuerungseinheit oder ECU (electronic Controller Unit).
Das sich aus den Hochvoltgeräten und einer diese speisende Hochvoltbatterie zusammensetzende Hochvoltnetz ist üblicherweise mit einem Zugangs- oder Berührungsschutz gesichert, um eine Verletzungsgefahr bei einer Berührung der die hohe Spannung führenden Hochvoltaggregate zu vermeiden. So ist beispielsweise bei abgeschaltetem Antriebssystem (und noch drehender Maschine) ein Berührungsschutz vor einer an den Motorklemmen der elektrischen Maschine noch verfügbaren hohen Spannung sicherzustellen.
Auch muss beim Lösen von beispielsweise aus der DE 10 2006 047 039 A1 bekannten Steckkontakten oder Kontaktverbindungen sowie beim Öffnen des Maschinengehäuses der elektrischen Maschine oder des Gerätegehäuses der die Leistungsstellglieder enthaltenden elektronischen Steuerungseinheit ein Absinken der hohen Spannung in kürzester Zeit sichergestellt werden. Aufgrund der hohen zu übertragenden Ströme und der Sicherheitsanforderungen in bezug auf den Berührungsschutz sowie hinsichtlich vorgeschriebener Luft- und Kriechstrecken weisen derartige Hochvolt-Steckverbindungen eine besonders große Bauform auf.
Hinsichtlich des Berührungsschutzes besteht die Möglichkeit, diesen mechanisch auszuführen, so dass ein Berühren von spannungsführenden Teilen mit dem Prüffinger nicht möglich ist. So können die entsprechenden Stecker-, Buchsen- oder Kontaktöffnungen, die einen Zugriff auf die spannungsführenden Teile ermöglichen, so klein ausgeführt werden, dass ein Prüffinger die spannungsführenden Teile nicht erreicht. Bei einem vorgesehenen Überwachungskreis (hazardous voltage interlock loop, HVIL) kann das System derart ausgelegt sein, dass zwischen dem Öffnen des Überwachungskreises und dem möglichen Zugriff auf spannungsführende Teile eine Zeitspanne liegt, innerhalb derer vorhandene Hochspannungsspeicher auf ein gefahrloses Niveau entladen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hochvolt-Steckverbindung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf einfache Weise einen zuverlässigen Berührungsschutz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierzu umfasst die Hochvolt-Steckverbindung ein Leistungskabel mit beidendseitg jeweils einem Steckkontakt zur elektrischen Verbindung mindestens zweier Hochvoltkomponenten, z. B. eines Gerätes mit einer Hochvoltbatterie oder mit einer elektrischen Maschine. Die beiden Steckkontakte sind in deren Steckposition mit jeweils einem komponentenseitigen Gegenkontakt mechanisch verbunden und elektrisch kontaktiert. Jedem der beiden kabelseitigen Steckkontakte ist eine Vorrastposition zugeordnet, in der die elektrische Verbindung zwischen dem Steckkontakt und dem zugeordneten Gegenkontakt zuverlässig geöffnet ist, während die mechanische Verbindung gesichert und noch nicht vollständig gelöst ist. Für ein vollständiges Öffnen der mechanischen Verbindung muss diese entriegelt sein, was wiederum erfordert, dass beide kabelseitigen Steckkontakte in die Vorrastposition geführt sind. Es ist somit gewährleistet, dass stets beide Steckkontakte des Leistungskabels zumindest insoweit gesteckt (mechanisch gefügt) sind, dass weder die Steckkontakte, noch die komponentenseitigen Gegenkontakte zugänglich sind.
Die Kopplung der beiden kabelseitigen Steckkontakte, die deren beider Vorrastposition sicherstellt, bevor einer der Steckkontakte vollständig geöffnet werden kann, kann prinzipiell elektrisch, elektromechanisch oder magnetisch realisiert sein. In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein die beiden kabelseitigen Steckkontakte mechanisch miteinander verbindender Riegel, beispielsweise ein Bowdenzug, vorgesehen. Die kabelseitigen Steckkontakte sind bevorzugt als Stecker mit mindestens einem Male-Kontakt ausgeführt, während dann als komponentenseitige Gegenkontakte entsprechende Steckbuchsen mit mindestens einem Female-Kontakt vorgesehen sind.
Zweckmäßigerweise sind jedem kabelseitigen Steckkontakt ein Riegelelement und eine Verriegelung zugeordnet. Die Verriegelungen kann komponentenseitig oder steckkontaktseitig, d. h. kabelseitig vorgesehen sein. Das jeweilige Riegelelement und die entsprechende Verriegelung sind dabei geeigneterweise derart miteinander gekoppelt, dass die in der Vorrastposition blockierten Riegelelemente der beiden kabelseitigen Steckkontakt nur gemeinsam entriegelbar sind.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit der Hochvolt-Steckverbindung ein einfacher und zuverlässiger Berührungsschutz, insbesondere an einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs, gewährleistet ist. Durch die erzwungene Vorrastposition aller an einem Kabel- oder Kabelbaum vorhandenen Steckkontakte kann ein zusätzlicher kabel- bzw. kabelbaumseitiger Berührungsschutz entfallen, da sichergestellt ist, dass entweder kein Kabelende bzw. kein dortiger Steckkontakt ungeöffnet sein kann oder aber stets nur beide Kabelenden bzw. beide dortigen Steckkontakte geöffnet sind und somit das beidendseitig geöffnete Leitungskabel spannungsfrei ist. Hierdurch sind keine weiteren Maßnahmen für einen Berührungsschutz auf der Kabelseite erforderlich. Durch die Anordnung der Female-Kontakte auf der Geräte- oder Komponentenseite ist dort ein Berührungsschutz durch die Verwendung von Buchsenkontakten mit entsprechend kleinen, fingersicheren Kontaktöffnungen auf einfache Art und Weise realisierbar.
Insgesamt ist eine besonders kompakte Steckverbindung realisierbar. Zudem kann eine Entladungsschaltung eines HVIL-Unterbrechungskreises für vergleichsweise kleine Leistungen bzw. lange Entladungszeiten ausgelegt werden. Ein Zugriff auf gefährliche Spannungen ist auf der Seite der Steckverbindung des Leistungskabels oder Kabelbaumes ausgeschlossen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch eine Hochvolt-Steckverbindung mit zwei Steckkontakten eines Leistungskabels in kontaktierter und gefügter Steckposition mit korrespondieren Gegenkontakten,
2 die Steckverbindung in einer Vorrastposition der Steckkontakte, und
3 die Steckverbindung in Entriegelungsposition.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 3 zeigen eine Hochvolt-Steckverbindung 1 mit einem strichliniert angedeuteten Leistungskabel 2 mit beidendseitig jeweils einem Hochvoltstecker 3a, 3b als Steckkontakt. Die Hochvoltstecker 3a, 3b weisen einen Male-Kontakt 4a, 4b und ein Gehäuse 5a, 5b auf, innerhalb dessen das Leistungskabel 2 oder dessen jeweilige Leitungsader mit dem Kontakt 4a bzw. 4b elektrisch leitend verbunden sind.
Der jeweilige Kontakt 4a, 4b des Hochvoltsteckers 3a, 3b wirkt mit einem entsprechenden Gegenkontakt in Form einer Steckbuchse 6a, 6b mit jeweils einem Female-Kontakt 7a bzw. 7b zusammen. Die Steckbuchse 6a, 6b sind in nicht näher dargestellter Art und Weise einer Hochvoltkomponente eines Kraftfahrzeugs zugeordnet und hierzu beispielsweise in ein entsprechendes Gerät oder Aggregat integriert. Die Female-Kontakt 7a und 7b sind dann geräteintern mit der jeweiligen Hochvoltkomponente kontaktiert.
1 zeigt die gesteckte oder geschlossene Position der kabelseitigen Hochvoltstecker 3a, 3b. In dieser Steckposition sind die Kontakte 4a, 7a und 4b, 7b elektrisch leitend miteinander verbunden. Zudem sind die Hochvoltstecker 3a, 3b mit den korrespondierenden Steckbuchsen 6a bzw. 6b mechanisch verbunden, indem der jeweilige Hochvoltstecker 3a, 3b zumindest teilweise in die Steckbuchse 6a, 6b eingeführt und dort beispielsweise kraft- und/oder formschlüssig gehalten ist.
2 zeigt die beiden Hochvoltstecker 3a, 3b in einer Vorratsposition. In dieser Vorratsposition ist die elektrische Kontaktierung beider Hochvoltstecker 3a, 3b geöffnet, indem die jeweiligen Male-Kontakte 4a, 4b und Female-Kontakte 7a bzw. 7b vollständig geöffnet sind. In dieser Vorrastposition ist die mechanische Verbindung jedoch gegen ein vollständiges Öffnen der mechanischen Verbindung der Hochvoltstecker 3a, 3b mit den Buchsenkontakten 6a bzw. 6b verriegelt und somit gegen ein Ab- oder Herausziehen gesichert. Hierzu hintergreift ein Riegelelement 8a, 8b des Hochvoltsteckers 3a, 3b bzw. dessen Gehäuses 5a bzw. 5b ein im Ausführungsbeispiel der Steckbuchse 6a, 6b und damit dem Gegenkontakt zugeordnete Verrieglung 9a, 9b in Form einer Riegelkante, Querschnittsverengung oder dergleichen.
Nur wenn beide Hochvoltstecker 5a und 5b in diese Vorrastposition verbracht worden sind, ist die mechanische Verrieglung der Hochvoltstecker 3a, 3b gelöst, so dass die Hochvoltstecker 3, 3b gezogen werden können. In diesem Entriegelungszustand ist jedoch sichergestellt, dass sich beide Hochvoltstecker 3a und 3b in der Vorrastposition befinden und somit die elektrischen Kontakte 4, 7 beider Steckverbindungen 3, 6 geöffnet sind. Dies ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein in den jeweiligen Hochvoltstecker 3a, 3b integriertes Sperrelement 10a, 10b gewährleistet.
So ist aus einem Vergleich der 1 bis 3 erkennbar, dass für den Fall, dass sich einer der beiden Hochvoltstecker 3a oder 3b in der in 1 dargestellten Kontakt- und Fügeposition befindet, ein Verschieben des die Verriegelung 9a, 9b ausbildenden Riegels 9 in Entriegelungsrichtung 11 verhindert ist, indem der entsprechend gefügte Hochvoltstecker 3a, 3b den Riegel 9 gegen ein Verschieben in Entriegelungsrichtung 11 blockiert.
Der Riegel 9 ist beispielsweise ein Bowdenzug, der die beiden Hochvoltstecker 3a, 3b derart koppelt, dass die Verriegelung 8a, 9a und 8b, 9b stets für beide Hochvoltstecker 3a bzw. 3b gemeinsam in der in 2 dargestellten Verriegelungsposition oder in der in 3 dargestellten Entriegelungsposition ist.
Die dargestellte Hochvolt-Steckverbindung 1 stellt sicher, dass sich entweder die beiden Hochvoltstecker 3a und 3b in der in 1 dargestellten Kontakt- und Fügeposition befinden, so dass das Leistungskabel 2 an dessen beiden Enden ungeöffnet ist, oder dass beide Steckkontakte 3a und 3b und damit beide Kabelenden des Leistungskabels 2 geöffnet sind. Ein Zustand, in dem sich einer der beiden Hochvoltstecker 3a oder 3b in der in 1 dargestellten gefügten und elektrisch kontaktierten Steckposition befindet, während der andere Hochvoltstecker 3b, 3a aus dessen Fügeverbindung mit den zugeordneten Gegen- oder Buchsenkontakt 6a bzw. 6b vollständig herausgezogen ist, ist nicht möglich und somit zuverlässig verhindert.
Bei einer bevorzugten Verwendung der Hochvolt-Steckverbindung 1 in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem mit einer Anzahl von Hochvoltkomponenten, beispielsweise in einem Hybrid-Fahrzeug, muss daher ein Berührschutz lediglich für die Komponenten- oder Geräteseite der Hochvoltverbindung realisiert werden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die mit den Female-Kontakten 7a, 7b versehenen Steckbuchsen 6a bzw. 6b repräsentiert wird. Demgegenüber kann ein Berührschutz auf der Kabel- oder Kabelbaumseite, d. h. an den Hochvoltsteckern 3a und 3b des Leistungskabels 2 vernachlässigt werden, da diese kabelendseitigen Steckkontakte 6a, 6b stets spannungsfrei sind, wenn deren Kontakte 4a bzw. 4b zugänglich sind. Dieser Berührungs- und/oder Zu gangsschutz vor einer gefährlichen Spannung auf der Kabelseite ist gewährleistet, da ein Öffnen der Steckverbindung 1 erst nach allseitiger Trennung der Kontakte 6a, 7a und 6b, 7b von der üblicherweise geräte- oder komponentenseitig vorhandenen Spannung möglich ist. Ein vollständiges Abziehen der Stecker 3a und 3b ist nur möglich, wenn sich zuvor beide oder alle kabelseitig vorhandenen Hochvoltstecker 6a, 6b in der Vorrastposition befinden und somit alle Kontakte 6a, 7a bzw. 6b, 7b geöffnet sind.
Während im Ausführungsbeispiel ein rein mechanischer Koppelmechanismus der kabelseitigen Stecker 3a, 3b und der komponentenseitigen Steckbuchsen 6a, 6b gezeigt und beschrieben ist, kann dieser auch elektrisch, mechanisch oder elektromechanisch ausgeführt sein.

1: Hochvolt-Steckverbindung
2: Leistungskabel
3a, b: Hochvoltstecker/Steckkontakt
4a, b: Male-Kontakt
5a, b: Steckergehäuse
6a, b: Steckbuchse/Gegenkontakt
7a, b: Female-Kontakt
8a, b: Riegelelement
9: Riegel
9a, b: Verriegelung
10a, b: Sperrelement
11: Entriegelungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006047039 A1 [0004]

Claims

Hochvolt-Steckverbindung (1) zur lösbaren elektrischen Verbindung von Hochvoltkomponenten, insbesondere eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem Leistungskabel (2) mit beidendseitg jeweils einem Steckkontakt (3a, 3b), der in dessen Steckposition mit einem komponentenseitigen Gegenkontakt (6a, 6b) mechanisch verbunden und elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der beiden kabelseitigen Steckkontakte (3a, 3b) eine Vorrastposition zugeordnet ist, in der der elektrische Kontakt (4a, 7a; 4b, 7b) geöffnet und die mechanische Verbindung gesichert ist, und dass die mechanische Verbindung nur dann entriegelbar ist, wenn beide kabelseitigen Steckkontakte (3a, 3b) in die Vorrastposition geführt sind.
Steckverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Steckkontakt (3a, 3b) die Verriegelung des anderen Steckkontaktes (3b bzw. 3a) in der Steckposition blockiert und in der Vorrastposition frei gibt.
Steckverbindung (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen die beiden kabelseitigen Steckkontakte (3a, 3b) mechanisch miteinander koppelnden Riegel (9).
Steckverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem kabelseitigen Steckkontakt (3a, 3b) ein Riegelelement (8a, 8b) und eine Verriegelung (9a, 9b) zugeordnet sind.
Steckverbindung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungen (9a, 9b) derart miteinander gekoppelt sind, dass die in der Vorrastposition blockierten Riegelelemente (8a, 8b) beider kabelseitigen Steckkontakt (3a, 3b) nur gemeinsam entriegelbar sind.
Steckverbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kabelseitigen Steckkontakt (3a, 3b) als Stecker mit mindestens einem Male-Kontakt (4a, 4b) und die komponentenseitigen Gegenkontakte (6a, 6b) als Steckbuchsen mit mindestens einem Female-Kontakt (7a, 7b) ausgeführt sind.