DE102019117649A1 - Actively cooled charging connector part - Google Patents
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- Y02T90/14—Plug-in electric vehicles
Abstract
Ein Steckverbinderteil (1) zur Verbindung mit einem Gegensteckverbinderteil (3) umfasst zumindest ein Brückenelement (10A, 10B) mit einer Kühlleitungsaufnahme (103) zur wärmeleitenden Anlage mit einer Kühlmittelleitung (22) eines Kabels (2), einen am Brückenelement (10A, 10B) vorgesehenen und mit einer elektrischen Leitung (21) des Kabels (2) elektrisch verbindbaren Steckkontakt (11) und einen Kühlkörper (12), der mit dem Brückenelement (10A, 10B) in wärmeleitender Verbindung steht und der einen Kühlmittelkanal (120) ausbildet, an den die Kühlmittelleitung (22) anschließbar ist.A connector part (1) for connection to a mating connector part (3) comprises at least one bridge element (10A, 10B) with a cooling line receptacle (103) for thermally conductive contact with a coolant line (22) of a cable (2), one on the bridge element (10A, 10B) ) provided and with an electrical line (21) of the cable (2) electrically connectable plug contact (11) and a heat sink (12) which is in heat-conducting connection with the bridge element (10A, 10B) and which forms a coolant channel (120), to which the coolant line (22) can be connected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Steckverbinderteil zur elektrischen Verbindung mit einem Gegensteckverbinderteil nach Anspruch 1, eine Steckverbinderanordnung und ein Brückenelement.The invention relates to a connector part for electrical connection with a mating connector part according to
Insbesondere im Bereich der E-Mobilität bestehen für Steckverbinderteile und damit verbundene Ladekabel besonders hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer funktionalen Leistungsfähigkeit, Stabilität und Sicherheit. Bei hohen Gleichstrom-Ladeströmen, z.B. um 500 A, werden regelmäßig in allen Bauteilen des Leitpfades erhebliche Stromwärmen freigesetzt.Particularly in the field of e-mobility, there are particularly high requirements for connector parts and associated charging cables with regard to their functional performance, stability and safety. With high direct current charging currents, e.g. around 500 A, considerable electrical heat is regularly released in all components of the guide path.
Insbesondere durch Normen werden enge Grenzen bezüglich der zulässigen Erwärmung der Komponenten im Leitungsstrang gesetzt, z.B. mit einer Temperaturgrenze von 90°C. Darüber hinaus sind die Dimensionen von Steckverbindungen regelmäßig begrenzt, so dass sich konstruktiv die Herausforderung ergibt, eine möglichst hohe elektrische Leistung, insbesondere im Sinne hoher Ladeströme, über vorhandene Geometrien zu führen, und gleichzeitig die Erwärmung in den vorgegebenen Grenzen zu halten.In particular through standards, narrow limits are set with regard to the permissible heating of the components in the wiring harness, e.g. with a temperature limit of 90 ° C. In addition, the dimensions of plug-in connections are regularly limited, so that in terms of design the challenge arises to conduct the highest possible electrical power, in particular in the sense of high charging currents, over existing geometries and at the same time to keep the heating within the specified limits.
Hierzu werden Ladesteckverbinder und Ladekabel z.B. flüssigkeitsgekühlt, siehe
Neben einer Belastung durch hohe Ströme werden Kontakte in Ladesteckverbindern auch regelmäßig bei Spannungen bis zu 1500 V DC betrieben. Dies kann dazu führen, dass jegliche Art von Kühlung an spannungsführenden Bauteilen, welche thermisch gut angekoppelt werden sollen, auch hinreichend gut elektrisch zu isolieren sind, um Isolationsfehler von Leistungskontakten zum Kühlmittelkreislauf zu vermeiden. Der Kühlmittelkreislauf liegt insbesondere bei wasserbasierenden Kühlflüssigkeiten in der Regel in seiner Gesamtheit auf Erdpotential. Im Rahmen einer Isolationskoordination wird üblicherweise sichergestellt, dass vorgegebene Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden und isolierende Bauteile mindestens eine vorgegebene elektrische Durchschlagsfestigkeit besitzen.In addition to being exposed to high currents, contacts in charging connectors are also regularly operated at voltages of up to 1500 V DC. This can mean that any type of cooling on live components which are to be thermally well coupled must also be sufficiently well insulated electrically in order to avoid insulation faults in power contacts to the coolant circuit. In the case of water-based cooling liquids, in particular, the coolant circuit is generally at ground potential in its entirety. As part of an insulation coordination, it is usually ensured that specified air and creepage distances are maintained and that insulating components have at least a specified dielectric strength.
Eine thermisch gute Anbindung bei gleichzeitig elektrisch guter Isolation stellt eine besondere Herausforderung dar. A good thermal connection with good electrical insulation at the same time poses a particular challenge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein bei einem begrenzten Bauraum möglichst gut kühlbares Steckverbinderteil zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable a plug connector part that can be cooled as effectively as possible with a limited installation space.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an object having the features of
Danach wird ein Steckverbinderteil zur elektrischen Verbindung mit einem Gegensteckverbinderteil bereitgestellt, das zumindest ein Brückenelement, zumindest einen Steckkontakt und einen Kühlkörper umfasst. Das Brückenelement ist optional zum elektrischen Anschluss einer elektrischen Leitung eines Kabels ausgebildet und weist eine Kühlleitungsaufnahme zur wärmeleitenden Anlage mit einer Kühlmittelleitung des Kabels auf. Der Steckkontakt ist am Brückenelement vorgesehen (grenzt z.B. daran an) und ist (z.B. über das Brückenelement) elektrisch mit einer elektrischen Leitung des Kabels verbindbar (und optional verbunden). Der Kühlkörper steht mit dem Brückenelement in wärmeleitender Verbindung und bildet einen Kühlmittelkanal aus, an den die Kühlmittelleitung des Kabels angeschlossen oder anschließbar ist.Thereafter, a plug connector part for electrical connection to a mating connector part is provided, which comprises at least one bridge element, at least one plug contact and a heat sink. The bridge element is optionally designed for the electrical connection of an electrical line of a cable and has a cooling line receptacle for the heat-conducting system with a coolant line of the cable. The plug contact is provided on the bridge element (e.g. adjoins it) and can (e.g. via the bridge element) be electrically connected (and optionally connected) to an electrical line of the cable. The heat sink is in a thermally conductive connection with the bridge element and forms a coolant channel to which the coolant line of the cable is or can be connected.
Auf diese Weise wird ein Steckverbinderteil bereitgestellt, bei dem die den Laststrom führenden Teile (z.B. das Brückenelement) sowohl durch die Kühlleitung als auch durch den Kühlkörper gekühlt werden kann. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung auf besonders kleinem Raum ermöglicht. Das Brückenelement und der Kühlkörper sind voneinander separate Komponenten.In this way, a connector part is provided in which the parts carrying the load current (e.g. the bridge element) can be cooled both by the cooling line and by the heat sink. This enables particularly efficient cooling in a particularly small space. The bridge element and the heat sink are separate components from one another.
Bei dem Steckverbinderteil kann es sich um ein Hochstrom- und/oder Hochspannungs-Steckverbinderteil handeln. Beispielsweise ist das Brückenelement dazu ausgebildet, elektrische Ströme mit einer Leistung von 10 kW oder mehr zu leiten, insbesondere von 50 kW oder mehr, 135 kW oder mehr, oder 350 kW oder mehr. Beispielsweise ist das Brückenelement dazu ausgebildet, elektrische Ströme mit Stromstärken von 100 A, oder mehr, 200A oder mehr, 300 A oder mehr, insbesondere von 500 A oder mehr zu leiten.The connector part can be a high-current and / or high-voltage connector part. For example, the bridge element is designed to conduct electrical currents with a power of 10 kW or more, in particular of 50 kW or more, 135 kW or more, or 350 kW or more. For example, the bridge element is designed to conduct electrical currents with currents of 100 A or more, 200 A or more, 300 A or more, in particular 500 A or more.
Optional ist das Brückenelement mit dem Steckkontakt elektrisch leitend und/oder wärmeleitend verbunden. Damit kann das Brückenelement gleich mehrere Funktionen erfüllen, nämlich insbesondere eine Leitung von Wärme und eine Leitung von elektrischem Strom.Optionally, the bridge element is connected to the plug contact in an electrically conductive and / or thermally conductive manner. The bridge element can thus fulfill several functions at the same time, namely, in particular, conduction of heat and conduction of electrical current.
Das Brückenelement kann einstückig ausgebildet sein, z.B. aus Kupfer, was eine besonders gute elektrische und thermische Leitung ermöglicht. Das Brückenelement und der Steckkontakt können mehrteilig ausgebildet sein und in Berührung miteinander stehen, z.B. aneinander befestigt sein. Alternativ sind das Brückenelement und der Steckkontakt einstückig miteinander ausgebildet. Optional sind das Brückenelement und der Steckkontakt stoffschlüssig miteinander verbunden, z.B. verschweißt und/oder verlötet.The bridge element can be made in one piece, e.g. from copper, which enables particularly good electrical and thermal conduction. The bridge element and the plug-in contact can be constructed in several parts and can be in contact with one another, for example fastened to one another. Alternatively, the bridge element and the plug contact are formed integrally with one another. Optionally, the bridge element and the plug contact are firmly connected to one another, e.g. welded and / or soldered.
Die Kühlleitungsaufnahme des Brückenelements kann konkav und/oder längserstreckt ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Kühlleitungsaufnahme in Form einer Ausnehmung ausgebildet. So ist eine besonders gute Wärmeleitung über eine große Anlagefläche möglich. Optional ist die Kühlleitungsaufnahme in Form einer Nut ausgebildet.The cooling line receptacle of the bridge element can be concave and / or elongated. For example, the Cooling line receptacle designed in the form of a recess. This enables particularly good heat conduction over a large contact surface. The cooling line receptacle is optionally designed in the form of a groove.
Die Kühlleitungsaufnahme kann senkrecht zum Steckkontakt ausgerichtet sein. Hierdurch ist eine geringe Bautiefe möglich, wie sie z.B. für einen Einbau in einem Fahrzeug oftmals notwendig ist.The cooling line receptacle can be aligned perpendicular to the plug contact. This enables a small installation depth, as is often necessary, for example, for installation in a vehicle.
Optional weist das Brückenelement einen Grundkörper und eine vom Grundkörper abstehende Wärmebrücke auf. Die Wärmebrücke steht z.B. in einer Richtung vom Grundkörper ab, die parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Kühlleitungsaufnahme verläuft.The bridge element optionally has a base body and a thermal bridge protruding from the base body. The thermal bridge protrudes from the base body, for example, in a direction that runs parallel or essentially parallel to the longitudinal extension of the cooling line receptacle.
Am Brückenelement kann ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement angeordnet sein. Das Wärmeleitelement kann so ausgebildet sein, dass es die Wärmebrücke des Brückenelements aufnimmt. Das Wärmeleitelement steht optional in flächiger Anlage mit dem Kühlkörper. Ein solches Wärmeleitelement kann eine besonders sichere elektrische Isolierung des Brückenelements vom Kühlkörper erzielen. Als Material für das Wärmeleitelement kann z.B. ein elektrisch isolierender Kunststoff oder eine elektrisch isolierende Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden.An electrically insulating heat-conducting element can be arranged on the bridge element. The heat-conducting element can be designed in such a way that it receives the heat bridge of the bridge element. The heat conducting element is optionally in flat contact with the heat sink. Such a heat-conducting element can achieve particularly reliable electrical insulation of the bridge element from the heat sink. An electrically insulating plastic or an electrically insulating ceramic with high thermal conductivity can be used as the material for the heat-conducting element.
Das Steckverbinderteil kann (genau) zwei Brückenelemente umfassen, insbesondere zwei Brückenelements wie vorstehend beschrieben. Beide Brückenelemente stehen in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlkörper. Eines der Brückenelemente kann als positiver Leiter einer Gleichstromverbindung dienen, der andere als negativer Leiter.The connector part can (precisely) comprise two bridge elements, in particular two bridge elements as described above. Both bridge elements are in a thermally conductive connection with the heat sink. One of the bridge elements can serve as the positive conductor of a direct current connection, the other as the negative conductor.
Der Kühlkörper weist z.B. (genau) einen Einlass und (genau) einen Auslass auf, wobei durch den Einlass in einer Einlassrichtung eingeleitetes Kühlmittel in einer Auslassrichtung aus dem Auslass strömt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einlassrichtung und die Auslassrichtung entgegengesetzt sind. Der Kühlkörper kann somit eine Doppelfunktion erfüllen, nämlich zur Kühlung des/der Brückenelement (e) beitragen und den Kühlmittelstrom um 180° umlenken. Der Kühlmittelkanal erstreckt sich vom Einlass bis zum Auslass.The heat sink has, for example, (precisely) one inlet and (precisely) one outlet, with coolant introduced through the inlet in an inlet direction flowing out of the outlet in an outlet direction. It can be provided that the inlet direction and the outlet direction are opposite. The heat sink can thus fulfill a double function, namely contribute to cooling the bridge element (s) and deflect the coolant flow by 180 °. The coolant channel extends from the inlet to the outlet.
Das Steckverbinderteil ist z.B. als Fahrzeugladedose ausgebildet, insbesondere zum Hochstromladen mittels Gleichstrom.The connector part is designed, for example, as a vehicle charging socket, in particular for high-current charging using direct current.
Gemäß einem Aspekt wird eine Steckverbinderanordnung bereitgestellt, die ein Steckverbinderteil nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung umfasst, sowie ein Kabel, das eine elektrische Leitung und eine Kühlmittelleitung umfasst. Die elektrische Leitung ist dabei elektrisch an die Anschlussfläche des Brückenelements angeschlossen. Die Kühlmittelleitung steht in Anlage mit der Kühlleitungsaufnahme des Brückenelements und ist (insbesondere mit einem anderen, z.B. benachbarten Abschnitt) an den Kühlmittelkanal des Kühlkörpers angeschlossen.According to one aspect, a plug connector arrangement is provided which comprises a plug connector part according to any configuration described herein, and a cable which comprises an electrical line and a coolant line. The electrical line is electrically connected to the connection surface of the bridge element. The coolant line is in contact with the cooling line receptacle of the bridge element and is connected to the coolant channel of the heat sink (in particular with another, e.g. adjacent section).
Das Brückenelement ist an der Kühlleitungsaufnahme und über die Wärmebrücke mittels durch die Kühlmittelleitung strömendes Kühlmittel kühlbar.The bridge element can be cooled on the cooling line receptacle and over the thermal bridge by means of coolant flowing through the coolant line.
Die elektrische Leitung und die Kühlmittelleitung können koaxial ausgebildet sein. So sind keine separaten Leitungen nötig. Beispielsweise umgibt die elektrische Leitung die Kühlmittelleitung. Die elektrische Leitung umfasst z.B. eine Lage von Litzen, insbesondere Kupferlitzen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung der elektrischen Leitung, die gleichzeitig zur Kühlung des Brückenelements eingesetzt werden kann.The electrical line and the coolant line can be coaxial. No separate lines are necessary. For example, the electrical line surrounds the coolant line. The electrical line comprises, for example, a layer of litz wires, in particular copper litz wires. This enables particularly efficient cooling of the electrical line, which can be used at the same time to cool the bridge element.
Die elektrische Leitung kann über eine Schweißverbindung mit der Anschlussfläche verbunden sein. Das ermöglicht eine besonders sichere Verbindung mit einem niedrigen Übergangswiederstand.The electrical line can be connected to the connection surface via a welded connection. This enables a particularly secure connection with a low transition resistance.
Optional umfasst das Steckverbinderteil zwei Brückenelemente der beschriebenen Art. Beide Brückenelemente stehen in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlkörper, wobei das Kabel oder die Kabel zwei elektrische Leitungen und zwei Kühlmittelleitungen umfasst/umfassen. Die elektrischen Leitungen sind jeweils elektrisch an die Anschlussfläche von einem der Brückenelemente angeschlossen. Die Kühlmittelleitungen stehen jeweils in Anlage mit der Kühlleitungsaufnahme von einem der Brückenelemente und sind an den Kühlmittelkanal des Kühlkörpers angeschlossen. So können beide Leiter einer Gleichstromverbindung besonders gut gekühlt werden.Optionally, the connector part comprises two bridge elements of the type described. Both bridge elements are in a thermally conductive connection with the heat sink, the cable or cables comprising two electrical lines and two coolant lines. The electrical lines are each electrically connected to the connection surface of one of the bridge elements. The coolant lines are each in contact with the cooling line receptacle of one of the bridge elements and are connected to the coolant channel of the heat sink. In this way, both conductors of a direct current connection can be cooled particularly well.
Gemäß einem Aspekt wird ein Brückenelement bereitgestellt, insbesondere für das Steckverbinderteil nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Brückenelement umfasst einen Grundkörper, der eine Anschlussfläche zum elektrischen Anschluss einer elektrischen Leitung eines Kabels und eine Kühlleitungsaufnahme zum wärmeleitenden Aufnehmen einer Kühlmittelleitung des Kabels. Ferner umfasst das Brückenelement einen Verbindungsabschnitt (z.B. in Form eines Steckkontaktanschlusses), über den ein Steckkontakt zum steckbaren Verbinden mit einem Gegensteckkontakt elektrisch mit der Anschlussfläche in Verbindung steht oder bringbar ist, und eine z.B. vom Grundkörper abstehende Wärmebrücke.According to one aspect, a bridge element is provided, in particular for the plug connector part according to any configuration described herein. The bridge element comprises a base body which has a connection surface for the electrical connection of an electrical line of a cable and a cooling line receptacle for thermally conductive receiving of a coolant line of the cable. Furthermore, the bridge element comprises a connecting section (e.g. in the form of a plug contact connection), via which a plug contact for pluggable connection with a mating plug contact is or can be electrically connected to the connection surface, and a thermal bridge protruding from the base body, for example.
Eine derartiges Brückenelement ermöglicht eine Wärmeableitung sowohl über die Kühlleitungsaufnahme als auch über die Wärmebrücke, was eine besonders effiziente Abführung von Wärme ermöglicht.Such a bridge element enables heat to be dissipated both via the cooling line receptacle and via the thermal bridge, which is a enables particularly efficient dissipation of heat.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Ladebuchse und einer Ladestation mit einem daran angeordneten Kabel; -
2A und2B Ansichten des Steckverbinderteils gemäß1 mit daran angeschlossenen Leitungen; -
3A und3B Teile des Steckverbinderteils gemäß2A und2B mit mehreren Leitungen in einer perspektivischen Ansicht (3A) und in einer Explosionsansicht (3B) ; -
4A und4B ein Brückenelement des Steckverbinderteils mit einem Steckkontakt, sowie Leitungen gemäß2A und2B in einer perspektivischen Ansicht (4A) und in einer Explosionsansicht (4B) ; -
5 ein Brückenelement des Steckverbinderteils gemäß2A und2B , Leitungen und einen Steckkontakt; -
6A und6B aufgeschnittene Ansichten des Brückenelements gemäß5 ; -
7A bis8B Ansichten des Brückenelement des Steckverbinderteils gemäß2A und2B ; und -
9A bis9E Ansichten eines Kühlkörpers des Steckverbinderteils gemäß2A und2B mit daran montierten Wärmeleitelementen.
-
1 a view of a vehicle with a charging socket and a charging station with a cable arranged thereon; -
2A and2 B Views of the connector part according to1 with lines connected to it; -
3A and3B Parts of the connector part according to2A and2 B with several lines in a perspective view (3A) and in an exploded view (3B) ; -
4A and4B a bridge element of the connector part with a plug contact, and lines according to2A and2 B in a perspective view (4A) and in an exploded view (4B) ; -
5 a bridge element of the connector part according to2A and2 B , Cables and a plug contact; -
6A and6B cut-away views of the bridge element according to FIG5 ; -
7A to8B Views of the bridge element of the connector part according to2A and2 B ; and -
9A to9E Views of a heat sink of the connector part according to FIG2A and2 B with heat conducting elements mounted on it.
Das Steckverbinderteil
Das Steckverbinderteil
Zum Anschluss an das Gleichstromnetz
Das Steckverbinderteil
Die Kühlleitungsaufnahme
Die Kabel
Zum elektrischen Anschluss jedes der beiden Kabel
Jedes der Brückenelemente
Weitere Details der Brückenelemente
Im Grundkörper
Des Weiteren steht vom Grundkörper
Die Brückenelemente
Der Kühlkörper
Der Grundkörper
In den Wärmeleitelementen
Ferner weisen die Wärmeleitelemente
Vorliegend sind die Wärmeleitelemente
Die Brückenelemente
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SteckverbinderteilConnector part
- 10A, 10B10A, 10B
- BrückenelementBridge element
- 100A, 100B100A, 100B
- WärmebrückeThermal bridge
- 101101
- GrundkörperBase body
- 102102
- AnschlussflächeConnection surface
- 103103
- KühlleitungsaufnahmeCooling line intake
- 104104
- SchraublochScrew hole
- 105105
- Steckkontaktanschluss (Verbindungsabschnitt)Plug contact connection (connecting section)
- 106106
- Bohrungdrilling
- 1111
- SteckkontaktPlug contact
- 1212
- KühlkörperHeat sink
- 120120
- KühlmittelkanalCoolant duct
- 121121
- SchlauchanschlussHose connection
- 122122
- GrundkörperBase body
- 123123
- Deckelcover
- 124124
- Dichtungpoetry
- 125125
- MontageklammerMounting bracket
- 126126
- Schraubescrew
- 127127
- PlanflächeFlat surface
- 1313
- WärmeleitelementHeat conducting element
- 130130
- SchachtabschnittShaft section
- 131131
- FlächenabschnittArea segment
- 1414th
- Schelleclamp
- 1515th
- Schraubescrew
- 1616
- Gehäusecasing
- 22
- Kabelelectric wire
- 2121st
- elektrische Leitungelectrical line
- 2222nd
- KühlmittelleitungCoolant line
- 23A, 23B23A, 23B
- AnschlussendeConnection end
- 33
- GegensteckverbinderteilMating connector part
- 44th
- Fahrzeugvehicle
- 4040
- KühlmittelkreislaufCoolant circuit
- 4141
- GleichstromnetzDC network
- 55
- LadestationCharging station
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102016107409 A1 [0004]DE 102016107409 A1 [0004]
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