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Die Erfindung betrifft eine Steckkontakteinrichtung zum Laden einer Traktionsbatterie, eine Ladesteckkontakteinrichtung für eine Ladestation zum Laden einer Traktionsbatterie sowie eine Verwendung eines Kühlkreislaufs, mit deren Hilfe die Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs unter Einhaltung einer maximal zulässigen Temperatur für die beteiligten elektrischen Komponenten aufgeladen werden kann.
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Aus
WO 2017/076545 A1 ist eine aus einem Stecker und einer korrespondierenden Buchse bestehende Steckverbindung zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe einer Ladestation bekannt, bei der elektrische Leitungen des Steckers und der Buchse jeweils mit Hilfe von in einem Kühlkanal des Steckers beziehungsweise der Buchse eingeleiteter Umgebungsluft gekühlt werden können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand möglichst schnell aufladen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein schnelles Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Steckkontakteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Ladesteckkontakteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Steckkontakteinrichtung zum Anschluss einer Ladestation zum Laden einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem starren Kontaktelement zur lösbaren elektrischen Kontaktierung der Ladestation, einer an dem Kontaktelement befestigten elektrischen Leitung zur elektrischen Kontaktierung der Traktionsbatterie, einem die Leitung und das Kontaktelement zumindest teilweise umgebenen Gehäuse zur elektrischen Isolierung, einem im dem Gehäuse ausgebildeten Kühlkanal zur Kühlung der elektrischen Leitung und/oder des Kontaktelements mit Hilfe eines durch den Kühlkanal leitbaren Kühlfluids und mindestens einem mit dem Kühlkanal kommunizierenden Fluidanschluss zum Anschluss des Kühlkanals an einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs.
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Durch die Kühlung von elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung kann ein Überhitzen vermieden werden und der ohmsche Widerstand gering gehalten werden. Dies ermöglicht es mit einer hohen elektrischen Leistung, beispielsweise 300 kW und mehr, die Traktionsbatterie aufzuladen. Hierbei ist es grundsätzlich möglich einen elektrischen Strom von 32 A bis 150 A, insbesondere bis 500 A, und/oder eine Ladespannung von bis zu 1000 V zu realisieren. Zusätzlich oder alternativ kann der Bauraum der Steckkontakteinrichtung reduziert werden, beispielsweise indem der Leitungsquerschnitt des Kontaktelements und/oder der elektrischen Leitung reduziert wird.
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Mit Hilfe des Fluidanschlusses kann der Kühlkanal der Steckkontakteinrichtung an den im Kraftfahrzeug sowieso vorgesehenen Kühlkreislauf angeschlossen werden. Ein separater externer Kühlkreislauf kann dadurch eingespart werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Traktionsbatterie mit Hilfe einer stationären Ladestation nur im stehenden Zustand des Kraftfahrzeugs aufgeladen werden kann. Dadurch können Kraftfahrzeugaggregate, die im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs Wärme erzeugen und von dem Kühlkreislauf gekühlt werden, ausgeschaltet sein oder bei einer erheblich geringeren Leistung betrieben werden. Der Kühlbedarf der Kraftfahrzeugaggregate ist im stehenden Zustand des Kraftfahrzeugs, sofern überhaupt vorhanden, sehr gering, so dass die von dem Kühlkreislauf bereitstellbare Kühlleistung in einem großen Umfang für die Kühlung der Steckkontakteinrichtung und deren elektrischer Komponenten verwendet werden kann. Durch die Nutzung der installierten Kühlleistung des sowieso vorgesehenen Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs zum Kühlen der elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung ist ein schnelles Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand ermöglicht.
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Der Kühlkanal der Steckkontakteinrichtung kann bei einem Aufladen der Traktionsbatterie manuell und/oder automatisch aktiv an den Kühlkreislauf angeschlossen werden und nach dem Ladevorgang wieder von dem Kühlkreislauf abgetrennt werden. Es ist aber auch möglich, dass der Kühlkanal der Steckkontakteinrichtung permanent an dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen bleibt. Im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs, wenn über die Steckkontakteinrichtung kein Aufladen der Traktionsbatterie erfolgt, kann die Steckkontakteinrichtung als passiver Kühler wirken, beispielsweise indem über die elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung durch Wärmeleitung Wärme weggeführt und durch natürliche Konvektion an die Umgebung abgeführt wird. Die Kühlleistung des Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs kann durch die fluidisch angeschlossene Steckkontakteinrichtung sogar erhöht werden. Beim Aufladen der Traktionsbatterie kann die Steckkontakteinrichtung eine Wärmequelle für den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs darstellen, während im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs die Steckkontakteinrichtung eine Wärmesenke für den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs darstellen kann.
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Die elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung, das heißt das mindestens eine Kontaktelement und die jeweilige am zugeordneten Kontaktelement angeschlossene elektrische Leitung, können beispielsweise isoliert sein, um einen direkten Kontakt mit dem Kühlfluid des Kühlkreislaufs zu vermeiden. Beispielsweise kann die jeweilige elektrische Komponente mit einem elektrisch isolierenden Schrumpfschlauch versehen sein und/oder mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff umspritzt sein. Das Kontaktelement kann als männlicher Part einer Steckverbindung, beispielsweise in der Form eines Pins, ausgestaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass das Kontaktelement als weiblicher Part einer Steckverbindung, beispielsweise in der Form einer Buchse und/oder Klemme, ausgestaltet sein kann. Die elektrische Leitung kann insbesondere flexibel, beispielsweise als Kabel, ausgestaltet sein.
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Das Gehäuse kann einen die elektrische Komponenten umgebenen Hohlraum ausbilden, der über den mindestens einen Fluidanschluss mit dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs kommunizieren kann und dadurch den Kühlkanal ausbildet. Der Fluidanschluss kann beispielsweise als Schlauchkupplung und/oder Schnellkupplung ausgebildet sein, an dem ein zum Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs führender Schlauch angeschlossen sein kann. Der Fluidanschluss ist insbesondere möglichst nahe an dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs vorgesehen, so dass eine Verbindungsleitung mit dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs möglichst klein ausgeführt sein kann. Hierbei ist es möglich, dass der Fluidanschluss von außerhalb des Kraftfahrzeugs nicht zugänglich ist.
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Insbesondere weist das Gehäuse einen im eingebauten Zustand innerhalb des Kraftfahrzeugs positionierbaren Endabschnitt auf, wobei der mindestens eine Fluidanschluss in dem Endabschnitt vorgesehen ist. Der Fluidanschluss ist dadurch im Inneren des Kraftfahrzeugs positioniert, so dass die von außerhalb des Kraftfahrzeugs zugänglichen Teile der Steckkontakteinrichtung minimiert werden können. Zudem kann die Steckkontakteinrichtung über eine entsprechend geringere Leitungsstrecke an den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden, wodurch der Bauraum und der Materialeinsatz reduziert werden kann.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse eine von dem Kontaktelement wegweisende proximale Stirnseite zur Begrenzung der gekühlten Weglänge der elektrischen Leitung auf, wobei der mindestens eine Fluidanschluss in der proximalen Stirnseite vorgesehen ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrischen Leitungen das Gehäuse über die proximale, insbesondere innerhalb des Kraftfahrzeugs positionierbare, Stirnseite verlassen. Die elektrischen Leitungen können hierzu durch vorzugsweise abgedichtete Öffnungen in der proximalen Stirnseite das Gehäuse verlassen. Das Kühlfluid kann dadurch im Wesentlichen in Längsrichtung der zu kühlenden elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung in den Kühlkanal eingeleitet werden, so dass Strömungswiderstände vermieden werden können und ein Druckverlust über den Kühlkanal reduziert werden kann.
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Besonders bevorzugt sind mindestens zwei Kontaktelemente vorgesehen, wobei der Kühlkanal ausgestaltet ist die mindestens zwei Kontaktelemente und/oder die an dem jeweiligen Kontaktelement angeschlossenen elektrischen Leitungen gemeinsam zu kühlen. Dadurch können mit Hilfe eines einzigen gemeinsamen Kühlkanals alle elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung gekühlt werden. Die Anzahl der erforderlichen Fluidanschlüsse kann dadurch minimiert werden.
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Insbesondere ist der Kühlkanal zu dem Kontaktelement hin und/oder zu der elektrischen Leitung hin zur direkten Kühlung des Kontaktelements und/oder der elektrischen Leitung mit Hilfe des Kühlfluids geöffnet ausgestaltet. Ein zwischen dem Kühlfluid und den elektrischen Komponenten vorgesehenes Material des Gehäuses kann dadurch eingespart oder zumindest perforiert sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Kühlfluid mit dem metallischen leitfähigen Material der elektrischen Leitung und/oder des Kontaktelements in direkten Kontakt gerät, so dass eine elektrisch isolierende Ummantelung der elektrischen Komponenten eingespart werden kann. Der Wärmeaustausch kann dadurch verbessert sein.
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Vorzugsweise enthält der Kühlkanal ein elektrisch nicht leitendes Kühlfluid, insbesondere ein Transformatorenöl und/oder Silikonöl. Dadurch kann das Kühlfluid in direkten Kontakt mit dem nicht ummantelten metallisch leitfähigen Material der elektrischen Leitung und/oder des Kontaktelements gelangen ohne einen elektrischen Kurzschluss über das Kühlfluid herbeizuführen. Stattdessen kann das Kühlfluid zur elektrischen Isolierung der elektrischen Komponenten beitragen, so dass auch bei hohen Spannungen und hohen Stromstärken ein Kurzschluss zwischen zwei verschiedenen Polen der elektrischen Komponenten vermieden werden kann. Zudem kann der Wärmeaustausch dadurch verbessert sein.
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Besonders bevorzugt weist das Gehäuse eine zu dem Kontaktelement weisende distale Stirnseite zur Begrenzung der gekühlten Weglänge des Kontaktelements auf, wobei in der distalen Stirnseite mindestens ein Fluidstecker zum fluidischen Anschließen eines zum Kühlen einer an der Steckkontakteinrichtung anschließbaren Ladesteckkontakteinrichtung der Ladestation vorgesehenen Ladekühlkanals vorgesehen ist. Dadurch kann auch die Ladesteckkontakteinrichtung der Ladestation an den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen und gekühlt werden. Die Kühlung der elektrischen Komponenten auf der Seite der Ladestation kann dadurch verbessert werden. Die durch den Anschluss an den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs erfolgte Kühlung der Ladesteckkontakteinrichtung der Ladestation kann hierbei zusätzlich oder alternativ zu einer von der Ladestation vorgesehenen Kühlung der elektrischen Komponenten vorgesehen sein.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladesteckkontakteinrichtung für eine Ladestation zum Laden einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit mindestens einem starren Kontaktelement zur lösbaren elektrischen Kontaktierung einer Steckkontakteinrichtung des Kraftfahrzeugs, einer an dem Kontaktelement befestigten elektrischen Leitung zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen Energiequelle, einem die Leitung und das Kontaktelement zumindest teilweise umgebenen Ladegehäuse zur elektrischen Isolierung, einem im dem Ladegehäuse ausgebildeten Ladekühlkanal zur Kühlung der elektrischen Leitung und/oder des Kontaktelements mit Hilfe eines durch den Ladekühlkanal leitbaren Kühlfluids und mindestens einem mit dem Ladekühlkanal kommunizierenden Fluidanschluss zum Anschluss des Kühlkanals der Steckkontakteinrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch die Nutzung der installierten Kühlleistung des sowieso vorgesehenen Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs zum Kühlen der elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung und der Ladesteckkontakteinrichtung ist ein schnelles Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand ermöglicht. Die Ladesteckkontakteinrichtung kann im Übrigen analog zu der vorstehend beschriebenen Steckkontakteinrichtung ausgebildet sein.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs, einer an der Traktionsbatterie angeschlossenen Steckkontakteinrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zum Aufladen der Traktionsbatterie mit Hilfe einer an der Steckkontakteinrichtung anschließbaren Ladestation, wobei die Steckkontakteinrichtung zumindest teilweise in das Kraftfahrzeug hineinragend, insbesondere teilweise versenkt, angeordnet ist, und einem Kühlkreislauf, insbesondere zur Kühlung einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, wobei der Kühlkreislauf fluidisch an dem Kühlkanal der Steckkontakteinrichtung angeschlossen ist. Durch die Nutzung der installierten Kühlleistung des sowieso vorgesehenen Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs zum Kühlen der elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung ist ein schnelles Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand ermöglicht.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines Kühlkreislaufs eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zur Kühlung einer Steckkontakteinrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, des Kraftfahrzeugs, wobei insbesondere der Kühlkreislauf zusätzlich zum Kühlen einer Ladesteckkontakteinrichtung einer zum Laden einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs vorgesehenen Ladestation verwendet wird. Insbesondere ist die Ladesteckkontakteinrichtung wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet. Durch die Nutzung der installierten Kühlleistung des sowieso vorgesehenen Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs zum Kühlen der elektrischen Komponenten der Steckkontakteinrichtung ist ein schnelles Aufladen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit geringen Aufwand ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1: eine schematische Schnittansicht einer Steckverbindung zum Laden eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs.
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Die in 1 im getrennten Zustand dargestellte Steckverbindung 10 weist eine in einer Kraftfahrzeugkarosserie 12 eingesetzte Steckkontakteinrichtung 14 auf, an der eine Ladesteckkontakteinrichtung 16 einer stationären Ladestation elektrisch angeschlossen werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steckkontakteinrichtung 14 männlich ausgestaltet und weist als Pins ausgestaltete Kontaktelemente 18 auf, an denen jeweils als Kabel ausgestaltete flexible elektrische Leitungen 20 angeschlossen sind. Die elektrischen Leitungen 20 der Steckkontakteinrichtung 14 sind mit einer Traktionsbatterie 22 verbunden, mit deren Hilfe das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Die Steckkontakteinrichtung 14 weist ein Gehäuse 24 auf, das einen die elektrischen Komponenten Kontaktelemente 18 und elektrische Leitungen 20 kühlenden Kühlkanal 26 begrenzt. Der Kühlkanal 26 ist über an einer proximalen Stirnseite 28 eingelassene Fluidanschlüsse 30 und daran angeschlossenen Verbindungsschläuchen 32 mit einem Kühlkreislauf 34 des Kraftfahrzeugs verbunden. Der Kühlkreislauf 34 kann einen Wärmetauscher, beispielsweise einen luftgekühlten Frontkühler, aufweisen, mit dessen Hilfe das Kühlfluid des Kühlkreislauf 34 gekühlt werden kann. Der Kühlkreislauf 34 kann zudem eine Speisepumpe zum Fördern des Kühlfluids, beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch oder eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit, und/oder zu kühlende Kraftfahrzeugaggregate aufweisen.
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Die Ladesteckkontakteinrichtung 16 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel weiblich ausgestaltet sein und als Buchsen zur klemmenden Aufnahme der Pins der Steckkontakteinrichtung 14 ausgebildete Kontaktelemente 36 aufweisen, mit denen jeweils eine elektrische Leitung 38 verbunden ist, die zu einer nicht dargestellten Energiequelle führen kann. Die Ladesteckkontakteinrichtung 16 weist ein Ladegehäuse 40 auf, in dem ein Ladekühlkanal 42 zur Kühlung der Kontaktelemente 36 und der elektrischen Leitungen 38 der Ladesteckkontakteinrichtung 16 ausgebildet ist. In dem Ladegehäuse 40 sind mit dem Ladekühlkanal 42 kommunizierende Fluidanschlüsse 44 vorgesehen, die im zusammengesteckten Zustand der Steckverbindung 10 mit in einer distalen Stirnseite 46 vorgesehenen Fluidsteckern 48 verbunden werden können. Über die mit den Fluidsteckern 48 der Steckkontakteinrichtung 14 verbundenen Fluidanschlüsse 44 der Ladesteckkontakteinrichtung 16 ist der Ladekühlkanal 42 der Ladesteckkontakteinrichtung 16 der Ladestation ebenfalls an den Kühlkreislauf 34 des Kraftfahrzeugs angeschlossen.
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Da der Vorlauf und der Rücklauf des Kühlkanals 26 der Steckkontakteinrichtung 14 innerhalb des Gehäuses 24 miteinander verbunden sind, kann die Steckkontakteinrichtung 14 auch im in 1 dargestellten getrennten Zustand gekühlt und/oder temperiert werden. Zudem kann die Steckkontakteinrichtung 14 im regulären Betrieb des Kraftfahrzeugs im abgekühlten Zustand als passiver Kühler für den Kühlkreislauf 34 des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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