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Die Erfindung betrifft eine Steckverbinderanordnung zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit den Merkmalen vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Mit elektrischer Energie antreibbare Fahrzeuge stellen einen wichtigen Eckpfeiler in der Zukunft der Automobiltechnik dar. So werden E-Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge) oder Hybridfahrzeuge (Kombination von Elektroantrieb mit einem herkömmlichen Motor, beispielsweise Verbrennungs- oder Dieselmotor) zukünftig auch mit hohen AC- und DC-Leistungen geladen werden müssen, damit der Ladevorgang schnell erfolgen kann und vom Kunden akzeptiert wird. Für das Aufladen von derartigen Fahrzeugen wird es vermehrt öffentliche oder halböffentliche Ladestationen als notwendige Infrastruktur geben. Die dabei zum Einsatz kommenden Ladestecker müssen dabei im Wesentlichen bekannten Normen wie beispielsweise JEVS G105-1993 (DC-Ladung), SAE J1772 bzw. IEC 621196-2 Typ 1 (AC 1-phasig), IEC 62196-2 Typ 2 und 3 (AC 3-phasig) entsprechen.
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Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Verbinderkörpern zur Sicherstellung eines einwandfreien Ladevorgangs ist es erforderlich, dass die Verbinderkörper vom Nutzer zusammengefügt werden. Um dem Nutzer dieses Zusammenfügen der Verbinderkörper für den Ladevorgang zu erleichtern und eine sichere elektrische Verbindung zu gewährleisten sind Vorrichtungen zum gegenseitigen Anziehen von Verbinderkörpern bekannt.
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So beschreibt die
DE 694 15 112 T2 eine Steckerverbinderanordnung mit einem Mitnehmermechanismus, welcher Mitnehmernuten und Mitnehmervorsprünge aufweist, welche mit den jeweiligen Mitnehmernuten in Eingriff sind. Die Mitnehmervorsprünge sind außenumfangseitig am fahrzeugseitigen Verbinderkörper vorgesehen und die Mitnehmernuten innenumfangsseitig an einer drehbar mit dem infrastrukturseitigen Verbinderkörper verbundenen Griffhülse. Zudem enthält der Mitnehmermechanismus Zwischennuten, die in Fortsetzung zu den jeweiligen Mitnehmernuten des Mitnehmermechanismus vorgesehen sind, wobei sich jede Zwischennut auf der Seite des externen Verbinderkörpers relativ zu einer Endverbindungsstelle von beiden Verbindungskörpern längs einer Richtung erstreckt, in welcher beide Verbindungskörper miteinander verbunden werden.
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Die gesamte Steckverbinderanordnung ist jedoch vergleichsweise kompliziert und filigran aufgebaut. Damit einhergehend ist eine gewisse Anfälligkeit, die dem rauen Betriebsalltag nicht unbedingt gewachsen ist.
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Aus der
US 2005/0266713 A1 ist ein zweigeschlechtlicher Verbinder bekannt. Dieser dient zum gegenseitigen Verbinden von elektrischen Leitungen. Der Verbinder weist ein hohlzylindrisches Gehäuse auf, von dem sich laschenartige Verriegelungselemente axial erstrecken. Von jedem der laschenartigen Verriegelungselemente weist wiederum ein Vorsprung radial nach innen. Ferner sind außenseitig im Gehäuse Führungsnuten eingebracht. Beim Verbinden zweier Leitungen werden zwei gleichartige Verbinder verwendet, wobei die Vorsprünge des einen Verbinders in die Führungsnuten des anderen greifen.
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In der
JP 06-151 008 A wird eine Steckverbinderanordnung zur Halterung für einen Kabelanschluss eines Haartrockners beschrieben. Die Halterung dient zur beweglichen (kipp- und ziehbaren), insbesondere auf diese Weise belastbaren Lagerung des Kabelanschlusses. Die
US 2007/0134948 A1 beschreibt eine Steckverbinderanordnung zur Verbindung zweier elektrischer Kabel miteinander. Dabei werden zwei Verbinderkörper verwendet, von denen der eine zwei radial abstehende Führungsbolzen aufweist, die in entsprechende Führungsnuten des anderen Verbinderkörpers greifen.
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In der
US 4 109 987 A ist eine Steckverbinderanordnung zur Verbindung zweier elektrischer Verbinderkörper offenbart, bei der in einem Verbinderkörper ein schlüsselartiges Bauteil drehbar gelagert und entgegen einer Federkraft axial verschiebbar ist. Der andere Verbinderkörper weist eine Öffnung auf, durch die das schlüsselartige Bauteil steckbar und durch dessen Verdrehung eine gegenseitige Befestigung der Verbinderkörper realisierbar ist.
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Schließlich sei noch die
US 5 346 406 A erwähnt, welche ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zeigt, welches über eine Steckverbinderanordnung mit einer Ladestation verbindbar und dadurch aufladbar ist. Bei einer auftretenden mechanischen Überlast, insbesondere einer Zugbeanspruchung, werden die Verbinderkörper frühzeitig voneinander getrennt, um eine Beschädigung derselben zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Steckverbinderanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche vergleichsweise einfach und robust gehalten sein kann und ein zuverlässiges sowie komfortables Verbinden der Verbinderkörper ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung geht daher aus von einer Steckverbinderanordnung zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, umfassend einen fahrzeugseitigen Verbinderkörper und einen externen, infrastrukturseitigen Verbinderkörper, wobei ein Mitnehmermechanismus vorgesehen ist, durch den bei gegenseitigem Verdrehen wenigstens von Teilen der Verbinderkörper um eine Drehachse diese aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind. Ferner ist der Mitnehmermechanismus durch wenigstens ein schlüsselartig ausgebildetes Bauteil eines Verbinderkörpers gebildet ist, mit wenigstens einem Schlüsselschaft und wenigstens einem Schlüsselbart, wobei der Schlüsselbart in wenigstens eine mit einer Steigung versehene Führungsbahn des anderen Verbinderkörpers greift. Auf diese Weise wird eine Voraussetzung dafür geschaffen, dass die Steckverbinderanordnung einfach und robust aufgebaut werden kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Führungsbahn Bestandteil eines drehbar im externen Verbinderkörper gelagerten und axial gesicherten Bauteils ist. Hierdurch wird eine noch leichtere Handhabbarkeit der Steckerverbinderanordnung ermöglicht. So kann der Nutzer beispielsweise ein äußeres Griffteil des externen Verbinderkörpers anfassen und kontrollieren, ohne dass er eine Drehung des in dem externen Verbinderkörper gelagerten Bauteils während eines Verbindungsvorgangs als störend empfindet.
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Dabei kann das drehbar im externen Verbinderkörper gelagerte Bauteil zur Erhöhung des Nutzerkomforts über eine geeignete Antriebseinheit mechanisch, elektromotorisch, pneumatisch oder hydraulisch verdrehbar sein. Der Antriebseinheit kann dann zweckmäßigerweise noch ein Getriebe nachgeschaltet sein, um den Antrieb des Bauteils optimieren zu können.
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Das schlüsselartig ausgebildete Bauteil kann zur Steigerung der Robustheit ein massives Bauteil aus Metall (z. B. Edelstahl) sein. Vorzugsweise ist der Schlüsselschaft zylindrisch ausgebildet. Aber natürlich sind auch andere schlüsselartige Ausgestaltungen denkbar.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das schlüsselartig ausgebildete Bauteil Bestandteil des fahrzeugseitigen Verbinderkörpers und die Führungsbahn Bestandteil des externen, infrastrukturseitigen Verbinderkörpers ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, insbesondere den fahrzeugseitigen Verbinderkörper robust und einfach ausbilden zu können. Dies ermöglicht überdies eine fahrzeugseitige Minimierung der Bauteile im Bereich des fahrzeugseitigen Verbinderkörpers und damit ein Gewinn an Bauraum, eine Kostenreduzierung und gegebenenfalls eine Aufwandsreduzierung im Reparaturfall.
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Vorzugsweise ist das schlüsselartig ausgebildete Bauteil einstückig mit dem fahrzeugseitigen Verbinderkörper verbunden, wodurch eine weitere Bauteilereduzierung und Stabilitätserhöhung erzielt werden kann.
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Sehr zweckmäßig ist, wenn Mittel vorgesehen sind, durch die erkannt wird, dass sich die Verbinderkörper in einer bestimmten Position befinden und in diesem Fall ein Steuersignal zu einer Antriebseinheit geleitet wird, welche eine gegenseitige Verdrehung vom schlüsselartigen Bauteil und der Führungsbahn bewirkt, derart, dass die Verbinderkörper aufeinander zu bewegt werden. Der Nutzer muss in diesem Fall also keine manuelle Betätigung des Verbindungsvorgangs einleiten. Als Mittel können beispielsweise kapazitive Näherungssensoren eingesetzt werden.
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Des Weiteren können Mittel vorgesehen sein, durch die erkannt wird, dass entweder ein bestimmter Ladezustand erreicht oder ein Abbruch des Ladevorgangs erwünscht ist. In diesem Fall kann ein Steuersignal zu einer Antriebseinheit geleitet werden, welche eine gegenseitige Verdrehung vom schlüsselartigen Bauteil und der Führungsbahn bewirkt, derart, dass die Verbinderkörper voneinander weg bewegt werden.
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Es ist ferner zweckmäßig, die Steckverbinderanordnung derart auszulegen, dass nach einer bewirkten, gegenseitigen Verdrehung vom schlüsselartigen Bauteil und der Führungsbahn, eine unbeabsichtigte Relativbewegung zwischen dem schlüsselartigen Bauteil und der Führungsbahn nicht mehr möglich ist.
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Hierdurch wird also quasi eine Verriegelung der Steckverbinderanordnung geschaffen. Eine solche Verriegelung kann beispielsweise durch entsprechende Auslegung der Steigung der Führungsbahn (Selbsthemmung) und/oder durch entsprechende Auslegung des Getriebes realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft aber auch ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem fahrzeugseitigen Verbinderkörper zum Verbinden mit einem externen Verbinderkörper mit den Merkmalen von Patentanspruch 8. Der fahrzeugsseitige Verbinderkörper weist solche Merkmale auf, dass eine Steckverbinderanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 realisierbar ist. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit und die Robustheit des Kraftfahrzeugs hinsichtlich einer Möglichkeit zum elektrischen Aufladen deutlich verbessert werden.
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In gleicher Weise betrifft die Erfindung aber auch noch eine Ladestation zum Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit wenigstens einem Verbinderkörper zum Verbinden mit einem fahrzeugseitigen Verbinderkörper gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 9. Der Verbinderkörper der Ladestation weist dabei solche Merkmale auf, dass eine Steckerverbinderanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 realisierbar ist. Somit lässt sich auch eine Ladestation bereitstellen, die zu einem störungsfreieren Aufladen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen beiträgt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispielen deutlich, was mit Hilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert werden soll. Dabei bedeuten
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1 eine prinziphafte Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Steckverbinderanordnung und
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2a bis 2c eine vergrößerte, ebenso prinziphafte Darstellung der erfindungsgemäßen Steckverbinderanordnung gemäß 1.
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Zunächst wird auf 1 Bezug genommen.
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Darin ist prinziphaft ein mit elektrischer Energie antreibbares Fahrzeug (beispielsweise E-Fahrzeug oder Hybridfahrzeug) 5 ersichtlich, welches mit Hilfe einer stationären Ladestation 4 aufgeladen werden soll.
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Zur Ermöglichung einer Aufladung ist das Fahrzeug 5 mit einem fahrzeugseitigen Verbinderkörper 3 und die stationäre Ladestation 4 über ein Ladekabel 8 mit einem Verbinderkörper 2 verbunden. In der Figur sind der Verbinderkörper 2 der Ladestation 4 und der fahrzeugseitige Verbinderkörper 3 zu einer Steckverbinderanordnung 1 zusammengesteckt.
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Während des Ladevorgangs wird eine Traktionsbatterie 10 des Fahrzeugs 5 aufgeladen. Zur Abführung der dabei entstehenden Wärme kann in der Ladestation 4 ein geeignetes Kühlaggregat 7 vorgehalten werden, welches über eine Kühlleitung 9 ebenfalls mit dem ladestationsseitigen Verbinderkörper 2 verbunden ist.
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Die 2A bis 2C zeigen nunmehr in prinziphafter Darstellung eine vergrößerte Ansicht der erfindungsgemäßen Steckverbinderanordnung 1 in mehreren Verbindungszuständen. Der Übersichtlichkeit halber sind notwendige Signal- und Leistungsanschlüsse nicht dargestellt, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind.
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Aus der 2A ist ersichtlich, dass der fahrzeugseitige Verbinderkörper 3 eine vorzugsweise kreisrunde Ausnehmung 33 aufweist. Der ladestationsseitige, also infrastrukturseitige Verbinderkörper 2 weist entsprechend vorzugsweise ein hohlzylindrisches Außenteil 20 auf. Ferner ist innerhalb des Außenteils 20 ein ebenso vorzugsweise hohlzylindrisches Innenteil 21 über ein Radiallager 22 drehbar gelagert, wobei das Radiallager 22 über nicht näher dargestellte Sicherungsringe axial gegenüber dem Außenteil 20 und dem Innenteil 21 gesichert ist. Wie ersichtlich, ist das Innenteil 21 dabei um eine Drehachse d drehbar. Das Innenteil 20 weist ferner eine langlochartige Öffnung 24 auf, die dem fahrzeugseitigen Verbinderkörper 3, insbesondere einem mit diesem (bspw. einstückig) verbundenen, schlüsselartigen Bauteil 30 zugewandt ist.
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Das schlüsselartige Bauteil 30 weist einen vorzugsweise zylindrischen Schlüsselschaft 31 und einen radial von diesem abstehenden Schlüsselbart 32 auf. Beide Bauteile 31, 32 sind vorzugsweise massiv aus Edelstahl ausgebildet und einstückig miteinander verbunden, wobei der Schlüsselschaft 31 auf der Drehachse d liegt. Genauer gesagt, stimmt die Drehachse d mit der Längsachse des Schlüsselschaftes 31 in etwa überein.
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Zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem infrastrukturseitigen Verbinderkörper 2 und dem fahrzeugseitigen Verbinderkörper 3 werden nun gemäß 2B die Verbinderkörper 2 und 3 zunächst mit Handkraft soweit zusammengesteckt, bis ein stirnseitiger Spalt S1 verbleibt. Das Außenteil 20 kann hierbei zumindest bereichsweise als Griffteil für den Nutzer dienen. Das Außenteil 20 ist dabei in seinem Außendurchmesser so dimensioniert, dass sich zwischen dem Außenteil 20 und der Ausnehmung 33 ein radialer Abstand a ergibt, der einerseits ein gegenseitiges Verschieben der Verbinderkörper 2 und 3 nicht behindert, andererseits jedoch eine ausreichende Führung und Ausrichtung des Verbinderkörpers 2 in der Ausnehmung 33 gewährleistet.
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Wie ersichtlich gelangt beim Zusammenstecken der Verbinderkörper 2 und 3 das schlüsselartige Bauteil 30 soweit durch die Öffnung 24, bis in einer vorläufigen Endposition (Spalt S1) der Schlüsselbart 32 radial in eine nutartige Führungsbahn 23 des Innenteils 21 greift. Dabei sind die Verbinderkörper 2 und 3 derart ausgerichtet, dass das schlüsselartige Bauteil 30, insbesondere sein Schlüsselschaft 31 und die Öffnung 24 auf der Drehachse d liegen. Die Führungsbahn 23 weist eine Steigung p auf (vergleiche 2a).
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Wird nun das Innenteil 21 gegenüber dem Außenteil 20 verdreht (vergleiche gestrichelter Pfeil in 2bb), so wird aufgrund des aus dem schlüsselartigen Bauteil 30 und der Führungsbahn 23 bestehenden Mitnehmermechanismus, der infrastrukturseitige Verbinderkörper 2 noch ein Stück weiter an den fahrzeugseitigen Verbinderkörper 3 herangezogen. Es ergibt sich ein stirnseitiger Spalt S2, welcher kleiner ist als der stirnseitige Spalt S1. Allerdings ist die durch die Verdrehung des quasi als Schließzylinder wirkenden Innenteils 21 bewirkte Wegstrecke des Verbinderkörpers 2 nur äußerst gering, vergleichbar mit der durch das manuelle Hineinschieben durch den Nutzer bewirkten Wegänderung.
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Obwohl die geschilderte Verdrehung des Innenteils 21 durchaus auch manuell durch den Nutzer über eine geeignete Handhabe erfolgen kann, ist die erfindungsgemäße Steckerverbinderanordnung vorzugsweise so ausgebildet, dass eine solche Verdrehung über eine geeignete mechanische, elektromotorische, pneumatische oder hydraulische Antriebseinheit 27 (vergleiche 2a) erfolgen kann. Die Antriebseinheit 27 kann vorzugsweise über ein geeignetes, nachgeschaltetes Getriebe 28 (vorzugsweise Untersetzungsgetriebe) das Innenteil 21 in Drehung um die Drehachse d versetzen. Dabei kann die Antriebseinheit selbst entweder manuell durch geeignete Betätigungsknöpfe (nicht dargestellt) angesteuert werden, dies kann aber auch durch eine beispielsweise mit einem kapazitiven Sensor 25 (Näherungssensor) verbundene Steuerleitung 26 erfolgen. Wird dann beispielsweise ein bestimmter stirnseitiger Spalt S1 erreicht, so sendet der Sensor 25 über die Steuerleitung 26 ein geeignetes Steuersignal zur Antriebseinheit 27, worauf diese wiederum das Innenteil 21 in Drehung versetzt. Der Nutzer muss hier also nicht manuell tätig werden.
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Ferner ist denkbar, auch eine umgekehrte Drehung zum Lösen der Verbinderkörper 2 und 3 automatisch zu initiieren. Dies kann beispielsweise durch eine infrastruktur- oder auch fahrzeugseitige Auswertelektronik realisierbar sein, welche feststellt, dass kein Ladestrom mehr fließt oder ein bestimmter Ladungszustand der Traktionsbatterie erreicht ist (nicht näher dargestellt). Ein entsprechendes Auswertesignal kann dann über eine Steuerleitung 29 wiederum der Antriebseinheit 27 übermittelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steckverbinderanordnung
- 10
- Traktionsbatterie
- 2
- infrastrukturseitiger Verbinderkörper
- 20
- Außenteil
- 21
- Innenteil
- 22
- Radiallager
- 23
- nutartige Führungsbahn
- 24
- Öffnung
- 25
- kapazitiver Sensor
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Antriebseinheit
- 28
- Getriebe
- 29
- Steuerleitung
- 3
- fahrzeugseitiger Verbinderkörper
- 30
- schlüsselartiges Bauteil
- 31
- Schlüsselschaft
- 32
- Schlüsselbart
- 33
- Ausnehmung
- 4
- stationäre Ladestation
- 5
- mit elektrischer Energie antreibbares Fahrzeug
- 6
- Stromquelle
- 7
- Kühlaggregat
- 8
- Ladekabel
- 9
- Kühlleitung
- a
- radialer Abstand
- d
- Drehachse
- p
- Steigung der Führungsbahn
- S1
- Spalt
- S2
- Spalt
