DE102017113920A1

DE102017113920A1 - Ladeanschlusskühler

Info

Publication number: DE102017113920A1
Application number: DE102017113920.6A
Authority: DE
Inventors: Rainer Männel
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-24
Also published as: DE102017113920B4

Abstract

Ladeanschlusskühler (1) für mechanisch kontaktierte Ladeanschlüsse, die von einer Ladebuchse (12) kommende und zum Ladeanschlusskühler (1) führenden Zuleitungen (2) eines ersten Querschnitts aufweisen und in einem Gehäuse (3) des Ladeanschlusskühlers (1) aufgenommen sind. Diese sind direkt oder indirekt über Kontaktierungen (5) mit Ableitungen (4) aus dem Ladeanschlusskühler (1) elektrisch kontaktiert, wobei die Ableitungen (4) aus dem Gehäuse (3) des Ladeanschlusskühlers (1) herausgeführt sind. Die Ableitungen (4) weisen einen zweiten Querschnitt auf, der geringer ist als der erste Querschnitt der Zuleitungen (2). Weiterhin sind die Kontaktierung (5) der Ab- und Zuleitungen (2, 4) von einem elektrisch isolierenden und gleichzeitig gut wärmeleitenden Material (7) umgeben und das Gehäuse (3) ist dieses Material (7) umschließend ausgeführt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeanschlusskühler für mechanisch kontaktierte Ladeanschlüsse von mit aufladbaren Akkumulatoren versehene, elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, vorzugsweise für Ladeanschlüsse von Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen.
Stand der Technik
Fahrzeuge, welche mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet sind, können zur Energiespeicherung einen aufladbaren Akkumulator aufweisen. Dieser muss an ein Stromnetz im privaten oder öffentlichen Bereich angeschlossen werden, um eine Aufladung zu ermöglichen. Es sind dabei kurze Ladezeiten wünschenswert, um eine möglichst geringe Standzeit zu ermöglichen und eine Betriebsbereitschaft mit geladenem Akkumulator schnell wiederherstellen zu können. Hierfür muss in einem kurzen Zeitraum ein möglichst großer Energieinhalt in den Akkumulator übertragen werden. Hohe Ladeleistungen bedingen dabei hohe Stromstärken. Insbesondere bei der Übertragung von hohen Strömen über mechanische Kontakte kommt es zu einer Erwärmung dieser Kontaktstellen. Diese Erwärmung kann die meist als Steckverbindung ausgeführte Kontaktstelle durch einen steigenden Übergangswiderstand bis zur Zerstörung der Kontaktstelle oder angrenzender Bauteile, wie z. B. Gehäuse oder Sensoren negativ beeinflussen. Die Erwärmung einfacher elektrischer Leitungen ist durch deren spezifische Leitfähigkeit sowie den verwendeten Querschnitt und die Leitungslängen bestimmt. Hinzu kommt der durch den Übergangswiderstand an der Kontaktstelle zum Ladeanschluss erzeugte Übergangswiderstand. Der Übergangswiderstand ist für eine intakte Ladedose durch die Bauform der Anschlussstelle, welche z. B. gemäß IEC 62196 normiert ist bestimmt. Die verwendeten Übergabestellen erzeugen dabei entsprechend der für die Ladezeit maßgeblichen Ladestromstärke einen Wärmeeintrag in den Ladeanschluss. Es ist daher wünschenswert diesen Wärmeeintrag in geeigneter Weise abzuführen und die Erwärmung der Kontaktstellen und der angrenzenden Bauteile zu begrenzen.
Eine Wärmeableitung aus der Kontaktstelle erfolgt automatisch immer durch die angeschlossenen elektrischen Leitungen. Werden diese mit einem Querschnitt ausgelegt, der über den für die elektrische Leitung erforderlichen hinausgeht, so wird eine erhöhte Wärmeableitung aus der Kontaktstelle ermöglicht. Dies führt jedoch zu einem vermehrten Materialeinsatz und damit verbundenen hohen Kosten sowie zu Problemen mit der Verlegung von weniger flexibel anordenbaren Leitungssträngen.
Vorbekannt ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 218 668 A1 die Batteriezellen verbindenden Stromschiene mittels Kühlkörper in ihrer Oberfläche zu vergrößern, um die durch den Stromfluss erzeugte Wärme abzuführen. Weiterhin wird beschrieben eine Batterietrennvorrichtung aktiv zu kühlen, indem ein Kühlmedium über die Stromschienen geleitet wird.
Aus dem deutschen Patent DE 10 2010 050 562 B3 ist es bekannt einen Ladestecker eines Elektrofahrzeuges zu kühlen. Dabei wird ausgehend von der Ladesäule ein Kühlmedium in das Gehäuse des Ladesteckers eingebracht.
Aus der US 2009/0256523 ist es weiterhin vorbekannt, die Kühlung des Ladesteckers in das Fahrzeug zu erweitern, so dass ein Kühlmedium über den Ladestecker zur Ladebuchse des Fahrzeugs strömen kann, um gleichzeitig Antriebskomponenten des Fahrzeugs zu kühlen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache Kühlvorrichtung für einen Ladeanschluss einer mobilen Einheit zu schaffen, bei welcher mit geringem Materialeinsatz die durch den Übergangswiderstand an der Kontaktstelle erzeugte Wärme abgeführt wird.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch einen Ladeanschlusskühler gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird ein Ladeanschlusskühler für mechanisch kontaktierte Ladeanschlüsse geschaffen, der wenigstens zwei, von einer Ladebuchse kommende und zu einem Ladeanschlusskühler führende Zuleitungen aufweist. Die Zuleitungen weisen dabei einen (ersten) Querschnitt auf, wobei diese von der Ladebuchse kommend in einem Gehäuse des Ladeanschlusskühlers geführt sind. Die Zuleitungen sind innerhalb des Gehäuses direkt oder indirekt über Kontaktierungen mit Ableitungen aus dem Ladeanschlusskühler elektrisch kontaktiert. Direkt bedeutet hierbei, dass ein unmittelbarer und leitfähiger Kontakt von Zu- und Ableitungen besteht. Eine indirekte Kontaktierung liegt vor, wenn eine Stromschiene oder ein ähnlicher Körper aus elektrisch leitendem Material Zu- und Ableiter elektrisch leitend verbindet.
Die Ableitungen werden aus dem Gehäuse des Ladeanschlusskühlers herausgeführt und sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitungen einen (zweiten) Querschnitt aufweisen, der geringer ist als der (erste) Querschnitt der Zuleitungen. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt über einen großen Querschnitt eine Wärmeableitung von den Kontaktierungen. Die Kontaktierung der Ab- und Zuleitungen sind von einem elektrisch isolierenden und gleichzeitig gut wärmeleitenden Material umgeben. Hierdurch wird eine Isolation der Leitungen gegenüber dem Gehäuse und untereinander erzielt und gleichzeitig wird die Wärmeleitung zum Gehäuse sichergestellt. Das Gehäuse ist dieses elektrisch isolierende, aber wärmeleitende Material umschließend ausgeführt. Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt dies direkt berührend oder das elektrisch isolierende aber wärmeleitende Material ist über wenigstens eine wärmeleitende Zwischenlage in wärmeleitender Form an das Gehäuse angekoppelt. Erfindungsgemäß vorteilhaft besteht damit ein durchgängig guter Wärmeübergang ausgehend von den Kontaktierungen des Ladeanschlusses, an welche ein Stecker angeschossen werden kann bis zum Gehäuse des Ladeanschlusskühlers. An dessen Gehäuse kann weiterhin wärmeleitend eine zusätzliche Kühlvorrichtung angeordnet werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft kann durch den großen Querschnitt der Zuleitungen mehr Wärme abgeführt werden als durch den verringerten Querschnitt der Ableitungen. Die Wärme kann über das Gehäuse des Ladeanschlusskühlers abgeführt werden, so dass nur auf einem Teilstück vom Ladeanschluss zum elektrischen Energiespeicher ein großer Leitungsquerschnitt verlegt werden muss. Der Querschnitt der Ableitungen kann entsprechend dem notwendigen elektrischen Leitwert ausgelegt werden. Es muss keine Querschnittserhöhung darüber hinaus erfolgen, welche die von der Kontaktierung des Ladeanschlusses herrührende Wärme aus der Kontaktstelle ableitet. Dies erfolgt lediglich für die Zuleitungen, welche einen Querschnitt aufweisen, der über den für die elektrische Leitfähigkeit notwendigen Querschnitt hinausgehende Querschnittserhöhung aufweist.
Erfindungsgemäß vorteilhaft weist der Ladeanschlusskühler eine Kühlvorrichtung mit einem passiven Kühlkörper auf. So kann auf einfache Weise die Wärmeableitung an die Umgebung erfolgen. Weiterhin besteht alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit eine aktive, an ein Kühlmedium eines Fahrzeugs angeschlossene Kühlvorrichtung vorzusehen.
Erfindungsgemäß vorteilhaft können die kurzen, nahe am Ladeanschluss befindlichen Zuleitungen ungeschirmt ausgeführt sein, was die mechanische Ausführung des Ladeanschlusses vereinfacht. Erst ab dem Gehäuse besteht die Notwendigkeit einen Anschluss für eine Abschirmleitung vorzusehen sowie eine Übergabe der Abschirmung zu den Ableitungen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß vorteilhaft werden die Zuleitungen elektrisch isoliert direkt von den Anschlusspins einer Ladebuchse in das Gehäuse geführt. Es entstehen somit bis zur Wärmeableitung an das Gehäuse keine zusätzlichen durch Kontaktierungen verursachte Übergangswiderstände, welche erneut einen zusätzlichen Wärmeeintrag bei Stromfluss erzeugen können.
Erfindungsgemäß vorteilhaft ist das elektrisch isolierende und wärmeleitend ausgebildete Material ein Kunststoff. Es kann sich bei dem Kunststoff um ein Basispolymer, z. B. aus PEEK (Polyetheretherketon), PPS (Polyphenylensulfid) oder PBT (Polybutylenterephthalat) handeln, welchem ein Füllstoff aus Grafit oder Carbonfasern beigemischt wird. Weitere Möglichkeiten sind ein glasfaserverstärktes Silikon mit einer wärmeleitenden Keramik wie Bornitrid. Der Kunststoff hat den Vorteil der guten Formbarkeit, er kann z. B. in das Gehäuse gegossen oder gespritzt werden. Weitere Beispiele für diese Materialien stellen Keramiken aus Aluminium-Oxid oder Aluminiumnitrid dar.
Erfindungsgemäß vorteilhaft liegt die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials über 3 W/mK bei einem spezifischen Durchgangswiderstand > 0,5 10¹⁰ Ohm.
Erfindungsgemäß vorteilhaft sind die Kontaktierung von Zu- und Ableitungen gleichfalls von dem elektrisch isolierenden und wärmeleitend ausgebildeten Material umgeben und in Form zweier Halbschalen ausgebildet, welche eine die Kontaktierungen umschließende Innenkontur aufweisen und die Teilung der Halbschalen in einer Ebene mit den der Kontaktierung verlaufend ausgebildet ist. Dies erleichtert eine einfache Montage bei gleichzeitig guter Anbindung an die wärmeleitenden Grenzflächen.
Erfindungsgemäß vorteilhaft ist ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Ladeanschluss zum Aufladen des Energiespeichers mit dem Ladeanschlusskühler ausgerüstet. Dieser ist in räumlicher Nähe benachbart zu einem Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs zwischen dem Ladeanschluss und einem Energiespeicher angeordnet. Die Länge der Zuleitung zwischen Ladeanschluss und Ladeanschlusskühler ist dabei geringer als die Länge der Ableitung zum Energiespeicher. In einer vorteilhaften Ausbildung ist sie kleiner als ein Fünftel der Gesamtleitungslänge vom Ladeanschluss zum Energiespeicher.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die 1 zeigt hierbei eine schematische Darstellung der Erfindung in einer beispielhaften Ausgestaltung. Ein Ladeanschlusskühler 1 weist zwei Zuleitungen 2 auf, welche von einer Ladebuchse 12 eines Elektrofahrzeugs ausgehend in ein Gehäuse 3 des Ladeanschlusskühlers 1 geführt sind. Die Zuleitungen weisen elektrische Kontaktierungen 5 auf, welche diese mit aus dem Gehäuse 3 führenden Ableitungen 4 elektrisch kontaktieren. Die Zu- und Ableitungen 2, 4 sind von einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material 7 umgeben. Dieses Material ermöglicht die elektrische Isolation der im Gehäuse 3 angeordneten Kontaktierungen 5 und der unisolierten Abschnitte der Zu- und Ableitungen 2, 4 gegenüber dem Gehäuse 3, welches vorzugsweise selbst aus einem elektrisch leitenden und gut wärmeleitenden Material z. B. einem Metall besteht. Am Gehäuse 3 ist weiterhin eine passive Kühlvorrichtung in Form eines die Oberfläche vergrößernder Kühlkörpers 10 angeordnet. Dieser kann optional durch eine aktive Kühlung 8, welche z. B. durch einen Strom eines Kühlmediums, welches von einem Fahrzeug bereits gestellt wird, durchströmt ist. Das Gehäuse weist weiterhin einen Anschluss 6 auf, der für eine Abschirmung 11 oder einen nicht dargestellten Potentialausgleich genutzt werden kann. Die Abschirmung 11 ist weiterhin mit einer Abschirmung 9 der Ableitungen 4 gekoppelt. Das elektrisch leitende Gehäuse bildet dabei selbst die Abschirmung für die Kontaktierungen 5.
Bezugszeichenliste

1: Ladeanschlusskühler
2: Zuleitung
3: Gehäuse
4: Ableitung
5: Kontaktierung
6: Anschluss
7: Wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Material
8: Aktive Kühlvorrichtung
9: Abschirmung der Ableitung 4
10: Kühlkörper
11: Abschirmleitung
12: Ladebuchse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013218668 A1 [0004]
DE 102010050562 B3 [0005]
US 2009/0256523 [0006]

Claims

Ladeanschlusskühler (1) für mechanisch kontaktierte Ladeanschlüsse, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, von einer Ladebuchse (12) kommende und zum Ladeanschlusskühler (1) führenden Zuleitungen (2) eines ersten Querschnitts in einem Gehäuse (3) des Ladeanschlusskühlers (1) aufgenommen sind, wobei diese direkt oder indirekt über Kontaktierungen (5) mit Ableitungen (4) aus dem Ladeanschlusskühler (1) elektrisch kontaktiert sind, wobei die Ableitungen (4) aus dem Gehäuse (3) des Ladeanschlusskühlers (1) herausgeführt sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitungen (4) einen zweiten Querschnitt aufweisen, der geringer ist als der erste Querschnitt der Zuleitungen (2) und weiterhin die Kontaktierung (5) der Ab- und Zuleitungen (2, 4) von einem elektrisch isolierenden und gleichzeitig gut wärmeleitenden Material (7) umgeben sind, und das Gehäuse (3) dieses Material (7) umschließend ausgeführt ist und direkt berührend oder über wenigstens eine wärmeleitende Zwischenlage am Gehäuse (3) angeordnet ist und wärmeleitend am Gehäuse (3) eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.
Ladeanschlusskühler (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung einen passiven Kühlkörper (10) aufweist und/oder eine aktive, an ein Kühlmedium eines Fahrzeugs angeschlossene Kühlvorrichtung (8) angeordnet ist.
Ladeanschlusskühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen (2) ungeschirmt ausgeführt sind und am Gehäuse (3) ein Anschluss (6) für eine Abschirmleitung (11) sowie eine Übergabe zur Abschirmung der Ableitungen (4) angeordnet ist.
Ladeanschlusskühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen elektrisch isoliert direkt von den Anschlusspins einer Ladebuchse in das Gehäuse geführt werden.
Ladeanschlusskühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierend und wärmeleitend ausgebildete Material eine Keramik oder ein Kunststoff ist.
Ladeanschlusskühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kontaktierung von Zu- und Ableitungen umgebende elektrisch isolierend und wärmeleitend ausgebildete Material (7) in Form zweier Halbschalen ausgebildet wird, welche eine die Kontaktierungen umschließende Innenkontur aufweisen und die Teilung der Halbschalen in einer Ebene mit den der Kontaktierung verlaufend ausgebildet ist.
Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Ladeanschluss zum Aufladen des Energiespeichers, welches einen Ladeanschlusskühler nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeanschlusskühler (1) benachbart zu einem Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs zwischen dem Ladeanschluss und einem Energiespeicher angeordnet ist und die Länge der Zuleitung zwischen Ladeanschluss und Ladeanschlusskühler geringer ist als die Länge der Ableitung zum Energiespeicher.