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Die vorliegende Erfindung betrifft ein akustisch entkoppeltes Hochvoltverbindungselement, insbesondere einen Hochvoltstecker oder eine Hochvoltbuchse, zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug, aufweisend ein Gehäuse, einen Konnektorelement und eine in das Gehäuse eingeführte Hochvoltleitung, wobei zwischen der Hochvoltleitung und dem Konnektorelement ein erstes Entkopplungselement angeordnet ist, durch das die Hochvoltleitung und der Konnektorelement leitend miteinander verbunden und akustisch voneinander entkoppelt sind.
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Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren treten bei Elektrofahrzeugen nicht nur anders geartete mechanische Anregungen und andere Frequenzbereiche auf, es entstehen dabei auch andere akustische Übertragungswege und Körperschallpfade innerhalb des Fahrzeugs. Ein akustischer Übertragungspfad kann beispielsweise durch eine Hochvoltleitung (HV-Leitung) gebildet werden, die einen Wechselrichter des elektrischen Traktionsantriebs mit einer Batterie des Elektrofahrzeugs verbindet.
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Während des Fahrzeugbetriebs wird der von dem Traktionsantrieb oder dem Getriebe erzeugte Körperschall über den Wechselrichter in den Hochvoltstecker oder die Hochvoltbuchse (HV-Stecker, HV-Buchse) bzw. in die HV-Leitung eingeleitet. Eine bekannte Möglichkeit, den Körperschall in der HV-Leitung zu reduzieren, besteht im Anbringen einer Sperrmasse an der HV-Leitung, durch die die Ausbreitung von Körperschallwellen behindert wird. Beispielsweise lässt sich die HV-Leitung mittels einer Schelle (Sperrmassenschelle) an einer Fläche des Motorgehäuses befestigen, so dass durch die Kopplung an das massive Gehäuse und die damit verbundene lokale Erhöhung der akustischen Impedanz Körperschallwellen reflektiert werden.
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Steckverbindungen für den Einsatz in Elektro- bzw. Hybridkraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. So werden beispielsweise in den Druckschriften
US 2011/0104929A1 und
US 2007/0218747A1 Steckverbindungen beschrieben, die eine erhöhte Belastbarkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und Erschütterungen aufweisen. In der
DE 10 2012 217 949 A1 wird in diesem Zusammenhang eine Steckverbindung vorgeschlagen, bei der die Leitung und das Kontaktelement zur Vibrationsentkopplung über einen flexiblen Leiter miteinander verbunden sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvoltverbindungselement zur Verfügung zu stellen, mit dem sich das Eindringen von Körperschallwellen in die Hochvoltleitung wirksam vermindern lässt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein akustisch entkoppeltes Hochvoltverbindungselement, insbesondere ein Hochvoltstecker oder eine Hochvoltbuchse, zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug vorgeschlagen, aufweisend ein Gehäuse, ein Konnektorelement und eine in das Gehäuse eingeführte Hochvoltleitung, wobei zwischen der Hochvoltleitung und dem Konnektorelement ein erstes Entkopplungselement angeordnet ist, durch das die Hochvoltleitung und das Konnektorelement leitend miteinander verbunden und akustisch voneinander entkoppelt sind, wobei zwischen der Hochvoltleitung und dem Gehäuse ein zweites Entkopplungselement angeordnet ist, durch das die Hochvoltleitung und das Gehäuse akustisch voneinander entkoppelt sind.
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Innerhalb eines HV-Steckers bzw. einer HV-Buchse liegen zwei Hauptübertragungswege für die Schallfortpflanzung zwischen Konnektorelement und Hochvoltleitung vor. Der primäre, direkte Pfad führt dabei die leitende Verbindung zwischen der HV-Leitung und dem Konnektorelement, wobei die Hochvoltleitung entweder in direktem Kontakt mit dem Konnektorelement stehen kann oder auch über ein oder mehrere Zwischenelemente leitend mit dem Konnektorelement verbunden ist. Ein zweiter, indirekter Schallpfad entsteht durch die akustische Kopplung zwischen HV-Leitung und Konnektorelement über das Gehäuse des Hochvoltverbindungselements. Das Gehäuse dient als Einfassung, die das Endstück des Hochvoltleiters und das Konnektorelement in stabiler Weise zueinander positioniert. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise aus einer festen, das Ende des Hochvoltleiters und das dem Hochvoltleiter zugewandte Ende des Konnektorelements einfassenden Hülse bestehen, die wiederum zusätzlich von weiterem isolierenden oder abschirmenden Material umgeben sein kann. Da das Gehäuse sowohl mit der HV-Leitung, als auch mit dem Konnektorelement in mechanischem und akustisch leitendem Kontakt steht, wird auf diese Weise eine Schallübertragung über das Gehäuse vermittelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hochvoltverbindungselement werden sowohl der direkte, als auch der indirekte Hauptübertragungsweg durch das erste und zweite Entkopplungselement gedämmt und das Ein- bzw. Austreten von Körperschall über die Steckverbindung vorteilhafterweise vermindert. Bei konventionellen, aus dem Stand der Technik bekannten Hochvoltverbindungselementen ist der, die Hochspannung führende elektrische Leiter üblicherweise direkt mit dem Konnektorelement verbunden, womit sowohl der gewünschte elektrisch leitende Kontakt hergestellt wird als auch eine damit einhergehende akustisch leitende Verbindung geschaffen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Hochvoltverbindungselement wird dagegen zur Dämmung des direkten Schallpfades ein elektrisch leitendes und akustisch entkoppelndes erstes Entkopplungselement eingefügt, um eine Schallübertragung zwischen HV-Leitung und den Konnektorelement zu unterbinden. Für eine solche akustische Entkopplung stehen verschiedenartige technische Möglichkeiten zur Verfügung, von denen einige im Folgenden beschrieben werden. Das zweite Entkopplungselement des erfindungsgemäßen Hochvoltverbindungselements ist zwischen der HV-Leitung und dem Gehäuse des Hochvoltverbindungselements angeordnet und bewirkt eine akustische Entkopplung zwischen Leitung und Gehäuse.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der beiden Entkopplungselemente überträgt sich dabei unmittelbar auf Hochvoltverbindungselemente, in deren Gehäuse mehrere HV-Leitungen (bzw. eine mehrere Teilleitungen umfassende HV-Leitung) eingeführt sind, wobei jeder Einzelleiter mit einem zugehörigen Konnektorelement verbunden ist. In diesem Fall ist entsprechend zwischen jedem Einzelleiter und seinem Konnektorelement ein erstes Entkopplungselement und zwischen dem Einzelleiter und dem Gehäuse ein zweites Entkopplungselement vorgesehen, so dass die Einzelleiter und Konnektorelemente akustisch voneinander entkoppelt sind.
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Das Konnektorelement kann dabei ein männliches Kontaktelement eines Hochvoltsteckers sein, beispielsweise ein nach außen weisender Kontaktstift, der zur Verbindung mit einer entsprechend nach innen weisenden Kontaktöffnung vorgesehen ist. Alternativ kann das Konnektorelement als weibliches Kontaktelement einer Hochvoltbuchse ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist das zweite Entkopplungselement aus einem elastischen Material. Bei der Verwendung eines elastischen Materials wird aufgrund der stark unterschiedlichen Elastizitätsmoduln von Leitung und zweitem Entkopplungselement ein akustischer Impedanzsprung erzeugt, an dem die Schallwellen reflektiert werden, so dass nur eine geringe Übertragung zwischen Leitung und Gehäuse stattfindet. Denkbar ist auch, dass zusätzlich zwischen Gehäuse und Konnektorelement ein drittes Entkopplungselement angeordnet ist, so dass sowohl die HV-Leitung als auch das Konnektorelement akustisch vom Gehäuse isoliert sind.
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Die HV-Leitung liegt üblicherweise in Form eines Kabels vor, das neben dem, aus mehreren Einzelleitern bestehenden leitenden Kern mehrere konzentrisch um den Kern angeordnete Schichten zur Isolierung, Abschirmung und Homogenisierung des, den Kern umgebenden elektrischen Feldes aufweist. Das Ende des leitenden Kerns des Hochvoltkabels kann dabei beispielsweise unmittelbar von dem zweiten Entkopplungselement umgeben sein (beispielsweise in Form eines elastischen Rings) und zusammen mit diesem von dem Gehäuse eingefasst sein. Alternativ ist denkbar, dass das Ende des leitenden Kerns in ein elektrisch leitendes Zwischenelement mündet, das von dem Gehäuse eingefasst wird und das die Hochvoltleitung über das erste Entkopplungselement mit dem Konnektorelement verbindet. In diesem Fall ist das leitende Zwischenelement mit dem zweiten Entkopplungselement versehen, um die HV-Leitung akustisch vom Gehäuse zu entkoppeln. Um Schallübertragung in eine der um den Kern angeordneten Schichten zu verhindern, ist auch denkbar, dass ein oder mehrere Entkopplungselemente zwischen dem Gehäuse und der jeweils dem Gehäuse zugewandten Schicht des Kabels angeordnet sind.
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Die Wahl des ersten und zweiten Entkopplungselements orientiert sich vorzugsweise daran, welche Art von Körperschallübertragung damit unterbunden werden soll. Neben den, in einem gegebenen Anwendungsfall relevanten Frequenzbereichen kann die Ausgestaltung der Entkopplungselemente auch an die spezifische Form der Körperschallmoden (Kompressionswellen, Biegewellen, Torsionswellen etc.) angepasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Entkopplungselement ein flexibles, elektrisch leitendes Band. Der leitende Kern eines Hochvoltkabels besteht üblicherweise aus einer Mehrzahl von Einzelleitern aus Kupfer oder Aluminium. Beim Übergang zwischen den Einzelleitern des Hochvoltkabels und dem flexiblen Band wird der Schall zumindest teilweise reflektiert und vorzugsweise im elastischen Band zusätzlich gedämpft. In ähnlicher Weise findet beim Übergang zwischen dem flexiblen Band und dem Konnektorelement eine weitere Teilreflexion statt. Durch die bandförmige Gestaltung des ersten Entkopplungselements wird eine Querschnittsveränderung zwischen HV-Leitung und Entkopplungselement bzw. zwischen Entkopplungselement und Konnektorelement erzeugt, durch die die Schallübertragung zusätzlich vermindert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Entkopplungselement eine akustische Impedanz auf, die von den akustischen Impedanzen des Konnektorelements und der Hochvoltleitung verschieden ist. Durch den Impedanzsprung zwischen HV-Leitung und Entkopplungselement bzw. zwischen Entkopplungselement und Konnektorelement wird zumindest eine teilweise Reflexion der Schallwellen erreicht, wobei das Reflexions- bzw. Transmissionsvermögen durch die Höhe des Impedanzunterschiedes bestimmt ist. Unter der Impedanz ist im Folgenden immer die Schallkennimpedanz, d.h. der akustische Wellenwiderstand des jeweiligen Mediums zu verstehen. Die Impedanzen, bzw. der Impedanzunterschied zwischen Entkopplungselement und HV-Leitung bzw. Konnektorelement sind jeweils von der Frequenz des übertragenen Körperschalls abhängig. Bei der Gestaltung des ersten Entkopplungselements ist vorzugsweise der für die jeweilige Anwendung relevante Frequenzbereich zu berücksichtigen, d.h. dass das erste Entkopplungselement im relevanten Frequenzbereich eine möglichst große oder möglichst kleine Impedanz im Vergleich zu HV-Leitung bzw. Konnektorelement aufweist. Vorzugsweise weist das erste Entkopplungselement eine niedrigere Impedanz als HV-Leitung bzw. Konnektorelement auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Entkopplungselement und/oder das zweite Entkopplungselement schalldämpfend ausgebildet. Neben der Schalldämmung durch (teilweise) Reflexion beim Übergang zwischen erstem Entkopplungselement und HV-Leitung bzw. Konnektorelement, weist das erste Entkopplungselement zusätzlich schalldämpfende Eigenschaften auf. Auf diese Weise wird der über das Entkopplungselement übertragene Restschall durch Dissipation in Wärme umgewandelt und weiter abgeschwächt. Bevorzugt weist auch das zweite Entkopplungselement schalldämpfende Eigenschaften auf, so dass die Schallenergie beim Übergang zwischen HV-Leitung und Gehäuse absorbiert und der Körperschall abgeschwächt wird. Vorzugweise weisen sowohl das erste als auch das zweite Entkopplungselement schalldämpfende Eigenschaften auf. Vorzugsweise sind die dämpfenden Eigenschaften von erstem bzw. zweitem Entkopplungselement an die in der jeweiligen Anwendung relevanten Schallfrequenzen angepasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das erste Entkopplungselement zumindest teilweise aus einer elektrisch leitenden Graphen-Struktur. Vorzugsweise besteht das erste Entkopplungselement zumindest teilweise aus einem Graphen-Kompositmaterial, besonders bevorzugt aus einem Graphen-Polymer-Komposit. Graphen weist eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit bei einer sehr geringen Masse auf. Durch die geringe Masse ist der direkte Beitrag einzelner Graphenschichten zur Schallausbreitung vernachlässigbar, während sie einen beträchtlichen oder sogar überwiegenden Anteil der elektrischen Leitfähigkeit beitragen können. Durch die Einbettung in eine polymere Matrix lässt sich beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit des Polymermaterials drastisch verbessern, so dass sich vorteilhafterweise ein flexibles erstes Entkopplungselement mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit realisieren lässt. Denkbar ist in dieser Hinsicht auch die Verwendung eines Komposits aus Polymermaterial und Kohlenstoffnanoröhren. Vorzugsweise besteht die Graphen-Struktur zumindest teilweise aus dotiertem, insbesondere hochdotiertem Graphen, um die Dichte an freien Ladungsträgern zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Entkopplungselement eine Mehrzahl von Einzelleitern auf. Jeder Einzelleiter weist eine akustische Impedanz auf, die umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Leiters ist. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Einzelleitern mit kleiner Querschnittsfläche lässt sich erreichen, dass der Körperschall beim Eintreten in einen Einzelleiter aufgrund der Querschnittsänderung gegen eine erhebliche Impedanzveränderung anläuft, die zumindest eine teilweise Reflektion des Schalls bewirkt. Die umgekehrte Querschnittsänderung tritt entsprechend beim Austreten des Schalls aus dem Einzelleiter auf, so dass es auch hier zu einer teilweisen Reflexion kommt. Durch die Verzweigung des Schallfeldes in eine Vielzahl von Einzelleitern wird auf diese Weise eine Dämmung erreicht, ohne dass dabei eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit entsteht. Die Einzelleiter können dabei einen schallisolierenden Mantel aufweisen, der eine Schallübertragung zwischen den Einzelleitern unterbindet. Denkbar ist auch, dass die Einzelleiter in ein schallisolierendes Material eingebettet sind, das beispielsweise die Form eines flexiblen Bandes haben kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Einzelleiter verflochten oder verwebt. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise eine dichte, formstabile Anordnung vieler Einzelleiter erzeugen, die eine Verbindung mit hoher Leitfähigkeit bilden und gleichzeitig durch die Verzweigung des Körperschalls für eine akustische Entkopplung zwischen Hochvoltleitung und Konnektorelement sorgen. Die Einzelleiter können dabei jeweils mit einer Isolierung versehen sein oder gemeinsam in ein schallisolierendes Material eingebettet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das zweite Entkopplungselement zumindest teilweise aus einem Elastomer. Durch die hohe Elastizität eines solchen Entkopplungselements wird die Schallübertragung zwischen Hochvoltleitung und Gehäuse effektiv unterdrückt. Das Elastomer kann beispielsweise ein Vulkanisat von Natur- oder Silikonkautschuk sein und beispielsweise in Form eines Rings oder einer Ummantelung um den Hochvoltleiter vorliegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das zweite Entkopplungselement zumindest teilweise aus einem geschäumten Material. Vorzugsweise besteht das zweite Entkopplungselement zumindest teilweise aus einem geschäumten Elastomer, beispielsweise Polyolefin-Elastomer. Durch die poröse Struktur eines solchen Materials wird zusätzlich zur geringen akustischen Leitfähigkeit eine Absorption der Schallenergie erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Hochvoltverbindungselement eine Abschirmung und/oder eine Isolierung auf. Auf diese Weise wird eine Abschirmung des den stromführenden Teil des Hochvoltverbindungselements umgebenden elektromagnetischen Felds und/oder eine elektrische Isolierung des stromführenden Teils sichergestellt. Die Abschirmung und/oder die Isolierung sind dabei vorzugsweise um das Gehäuse herum angeordnet.
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Nachfolgend sollen anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weitere vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten der Erfindung erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen akustisch entkoppelten Hochvoltverbindungselements in einer schematischen Darstellung;
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In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochvoltverbindungselements abgebildet. Hier handelt es sich um einen Hochvoltstecker 1, wobei sich die beschriebene Konfiguration unmittelbar auf eine Hochvoltbuchse übertragen lässt.
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Ein derartiger Stecker 1 kann in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise um eine stromführende Verbindung zwischen dem Wechselrichter des Traktionsantriebs und der Batterie herzustellen. Der Hochvoltstecker 1 umfasst ein Gehäuse 2, in das (in der Zeichnung von links) das Ende einer Hochvoltleitung 4 eingeführt ist und das ein als Kontaktstift ausgebildetes Konnektorelement 3 einfasst, das zum Einführen in eine (nicht dargestellte) Kontaktöffnung vorgesehen ist. Bei einer analog zum dargestellten Stecker 1 aufgebauten Hochvoltbuchse weist das Konnektorelement 3 entsprechend eine Kontaktöffnung auf, die zur Aufnahme eines männlichen Konnektorelements vorgesehen ist. Die Hochvoltleitung 4 ist in ein Zwischenelement 9 eingeführt, das fest in dem Gehäuse 2 angeordnet ist und durch das Gehäuse gegenüber dem Konnektorelement 3 positioniert wird.
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Um eine Übertragung von Körperschall über die Hochvoltleitung 4 zu verhindern, sind das Konnektorelement 3 und die Hochvoltleitung 4 akustisch voneinander entkoppelt. Dazu ist zwischen dem das Ende der Hochvoltleitung 4 umfassenden Zwischenelement 9 und dem Konnektorelement 3 ein erfindungsgemäßes erstes Entkopplungselement 5 angeordnet, das sowohl das Zwischenelement 9, als auch das Konnektorelement 3 kontaktiert und auf diese Weise eine leitfähige Verbindung zwischen beiden herstellt. Zusätzlich bewirkt das Entkopplungselement 5 eine akustische Entkopplung zwischen der Hochvoltleitung 4 (bzw. dem, das Ende der Hochvoltleitung 4 umfassenden Zwischenelement 9) und dem Konnektorelement 3. Das Entkopplungselement 5 kann zu diesem Zweck beispielsweise die Form eines flexiblen, leitfähigen Bandes aufweisen, das eine geringere akustische Impedanz aufweist als die Hochvoltleitung 4 und der Konnektorelement 3. Durch den Impedanzsprung zwischen Hochvoltleitung 4 und Entkopplungselement 5, bzw. zwischen Entkopplungselement 5 und Konnektorelement 3 werden in das Entkopplungselement 5 ein- oder austretende Schallwellen zum erheblichen Teil reflektiert und eine Schallübertragung zwischen Hochvoltleitung 4 und Konnektorelement 3 effektiv unterbunden. Um eine möglichst niedrige akustische Impedanz bei gleichzeitiger hoher Leitfähigkeit zu erreichen, kann das Entkopplungselement 5 beispielsweise aus einem Graphen-Elastomer-Komposit bestehen.
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Neben der direkten Schallübertragung zwischen der Hochvoltleitung 4 und dem Konnektorelement 3 ergibt sich ein sekundärer Schallpfad aus der Tatsache, dass sowohl die Hochvoltleitung 4 (bzw. das, das Ende der Hochvoltleitung 4 umfassende Zwischenelement 9), als auch das Konnektorelement 3 mit dem Gehäuse 2 in Kontakt stehen und daher eine indirekte Schallübertragung durch das Gehäuse 2 vermittelt wird. Die erfindungsgemäße akustische Entkopplung sieht daher neben dem ersten Entkopplungselement 5 ein zweites Entkopplungselement 6 vor, das zwischen der Hochvoltleitung 4 (bzw. dem, das Ende der Hochvoltleitung 4 umfassenden Zwischenelement 9) und dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Die durch das zweite Entkopplungselement 6 geleistete akustische Entkopplung verhindert eine Schallübertragung zwischen Hochvoltleitung 4 und Gehäuse 2 und damit eine Übertragung zum Konnektorelement 3 und die mit diesen verbundenen Komponenten. Zu diesem Zweck kann das zweite Entkopplungselement 6 beispielsweise aus einem zu einem Ring geformten elastomeren Material bestehen, welches das Zwischenelement 9 umschließt und eine Schalldämmung gegenüber dem Gehäuse bewirkt.
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Der dargestellte Hochvoltstecker 1 weist um das Gehäuse 2 herum zusätzlich eine Abschirmung 7 auf, die das um die stromführenden Komponenten gebildete elektromagnetische Feld nach außen hin abschirmt. Um die Abschirmung 7 herum weist der Hochvoltstecker zusätzlich eine elektrische Isolierung 8 auf, um einen leitenden Kontakt zwischen der Abschirmung 7 und der Umgebung zu verhindern.
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Der vorstehend beschriebene Hochvoltstecker 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen akustisch entkoppelten Hochvoltverbindungselements zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug, aufweisend ein Gehäuse 2, ein Konnektorelement 3 und eine in das Gehäuse 2 eingeführte Hochvoltleitung 4, wobei zwischen der Hochvoltleitung 4 und dem Konnektorelement 3 ein erstes Entkopplungselement 5 angeordnet ist, durch das die Hochvoltleitung 4 und das Konnektorelement 3 leitend miteinander verbunden und akustisch voneinander entkoppelt sind, wobei zwischen der Hochvoltleitung 4 und dem Gehäuse 2 ein zweites Entkopplungselement 6 angeordnet ist, durch das die Hochvoltleitung 4 und das Gehäuse 2 akustisch voneinander entkoppelt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0104929 A1 [0004]
- US 2007/0218747 A1 [0004]
- DE 102012217949 A1 [0004]
