DE102020109818A1

DE102020109818A1 - Elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation

Info

Publication number: DE102020109818A1
Application number: DE102020109818.9A
Authority: DE
Inventors: Franz Kaspar; Uwe Dreißigacker
Original assignee: Doduco Solutions GmbH
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-04-22

Abstract

Beschrieben wird ein elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation, mit mindestens drei Kontakten, die jeweils einen Körper aus Kupfer aufweisen, der einen Oxidationsschutzmantel trägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Oxidationsschutzmantel eine Nickelwolframschicht und eine Edelmetallschicht, welche die Nickelwolframschicht bedeckt, aufweist. Alternativ kann der Oxidationsschutzmantel auch eine Schicht aus Silber aufweisen, in das 1 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff eingelagert ist, oder der Oxidationsschutzmantel eine Silberschicht aufweisen, die 4 bis 12 Gew.-% Palladium enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation.
Um Elektrofahrzeuge an Ladestationen anzuschließen, sind Steckverbinder der Norm IEC 62196 gebräuchlich. Derartige Steckverbinder haben sieben Kontakte, die bei männlichen Steckverbindern als Kontaktstifte und bei weiblichen Steckverbindern als Kontaktöffnungen zur Aufnahme von Kontaktstiften ausgebildet sind. Die Kontakte haben jeweils einen Körper aus Kupfer, der von einem Oxidationsschutzmantel überzogen ist, in der Regel aus Silber und einer Zwischenschicht aus Nickel.
Steckverbinder zum Anschließen von Elektrofahrzeugen an Ladestationen sind hohen Belastungen ausgesetzt. Der Oxidationsschutzmantel muss chemischen Belastungen durch Feuchtigkeit, im Winter oder in Küstennähe auch in Kombination mit Salz über einen Zeitraum von mehreren Jahren Stand halten können. Dabei muss der Oxidationsschutzmantel mechanisch so belastbar sein, dass der Steckverbinder einige tausend Steckzyklen übersteht. Zudem muss der Oxidationsschutzmantel auch elektrische Anforderungen erfüllen, insbesondere nur einen kleinen elektrischen Widerstand haben, damit die hohen Spannungen und Stromstärken, die beim Beladen von Elektrofahrzeugen auftreten, nicht zu einer Überhitzung führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Lebensdauer von Steckverbindern, mit denen Elektrofahrtzeuge an Ladestationen angeschlossen werden, beispielsweise Steckverbinder gemäß der Norm IEC 62196, erhöht werden kann. Die Erfindung betrifft dabei sowohl am Fahrzeug angebrachte Steckverbinder als auch ihr Gegenstück an einer Ladestation.
Bei herkömmlichen Steckverbinder gemäß der Norm IEC 62196 liegt die häufigste Ursache für einen vorzeitigen Ausfall darin, dass der Oxidationsschutzmantel mechanisch durch eine mehr oder weniger große Zahl von Steckzyklen beschädigt wird und dann das darunterliegende Kupfer korrodiert.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Oxidationsschutzmantel eine Nickelwolframschicht und eine Edelmetallschicht, welche die Nickelwolframschicht bedeckt, aufweist. Bei diesem Ansatz wird also eine sehr harte Schicht, nämlich die Nickelwolframschicht, mit einer sehr weichen chemisch beständigen Deckschicht kombiniert. Überraschender Weise bleibt die weiche Deckschicht bei einer solchen Kombination über eine sehr hohe Anzahl von Steckzyklen erhalten.
Bevorzugt hat die Edelmetallschicht eine Stärke von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt nur 100 bis 150 nm. Dickere Schichten werden schnell abgeschabt und bringen in der Regel keine Verbesserung der Lebensdauer.
Die Edelmetallschicht ist bevorzugt eine Silberschicht oder eine Goldschicht, beispielsweise eine Legierung auf Gold- oder Silberbasis. Die Silberschicht hat bevorzugt einen Silbergehalt von wenigstens 90 Gew.-%. Die Schicht kann beispielsweise aus technisch reinem Silber oder technisch reinem Gold sein, etwa zu 99.9 % rein. Vorteilhaft kann auch ein Silberwerkstoff mit einer reduzierten Reibung eingesetzt werden, beispielsweise eine Silberpalladiumlegierung, vorzugsweise mit einem Palladiumgehalt von 4 bis 10 Gew.-%, insbesondere 4 bis 8 Gew.-% Palladium, oder eine Silbergraphitmischung, vorzugsweise mit einem Graphitgehalt von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-%.
Die Nickelwolframschicht enthält bevorzugt 25 bis 40 Gew.-% Wolfram. Besonders vorteilhaft ist ein Wolframgehalt von 35 bis 40 Gew.-%.
Die Nickelwolframschicht hat bevorzugt eine Stärke von mindestens 2 µm, vorzugsweise wenigstens 3 µm. Eine Stärke der Nickelwolframschicht von mehr als 10 µm hat keine Vorteile hinsichtlich der mechanischen Haltbarkeit. Bevorzugt beträgt die Stärke der Nickelwolframschicht nicht mehr als 7 µm, insbesondere nicht mehr als 5 µm.
Zur Verbesserung der Haftung der Nickelwolframschicht auf dem Kupferkörper des Kontakts kann zwischen dem Oxidationsschutzmantel und dem Kupferkörper eine Nickelschicht liegen. Bevorzugt hat eine solche Nickelschicht eine Stärke von nicht mehr als 3 µm.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Oxidationsschutzmantel eine Schicht aus Silber aufweist, in das 1 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff eingelagert ist. Eine solche Schicht bildet eine reibungsreduzierte Dispersionsschicht, die als Deckschicht auch ohne eine darunterliegende Nickelwolframschicht vorteilhaft eingesetzt werden kann. Der Kohlenstoff liegt in dem Silber als Graphit vor und sorgt für eine vorteilhaft geringe Reibung.
Der Kohlenstoffanteil beträgt bevorzugt 1 bis 2 Gew.-%, insbesondere 1,4 bis 1,6 Gew.-%.
Bevorzugt beträgt die Schichtdicke 3 bis 10 µm, beispielsweise 3 bis 6 µm.
Zur Verbesserung der Haftung der Silberschicht auf dem Kupferkörper des Kontakts kann zwischen dem Oxidationsschutzmantel und dem Kupferkörper eine Nickelschicht liegen. Bevorzugt hat eine solche Nickelschicht eine Stärke von nicht mehr als 3 µm.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Oxidationsschutzmantel eine Silberschicht aufweist, die 4 bis 12 Gew.-% Palladium enthält. Mit einer solchen Deckschicht lässt sich ebenfalls eine vorteilhaft geringe Reibung erreichen. Bevorzugt hat die Silberschicht einen Palladiumanteil von 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 4 bis 6 Gew.-%.
Bevorzugt hat der Oxidationsschutzmantel eine Stärke von 1 µm bis 10 µm, vorzugsweise 3 µm bis 10 µm, insbesondere 5 µm bis 10 µm.
Silberpalladiumlegierungen haften auf Kupfer nur schwer, insbesondere bei Schichtdicken von mehreren Mikrometern. Bevorzugt ist deshalb zwischen der Silberschicht und dem Kupferköper eine Nickelschicht oder eine Palladiumschicht angeordnet. Eine solche Zwischenschicht hat bevorzugt eine Stärke von weniger als 3 µm.
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Zwischenschicht kann eine bessere Haftung auch dadurch erreicht werden, indem der Oxidationsschutzmantel aus mehreren Silberschichten, die jeweils einen Palladiumgehalt von 4 bis 12 Gew.-% haben, gebildet ist, zwischen denen jeweils eine Schicht aus technisch reinem Silber ist. Vorteilhaft lässt sich so eine reibungsreduzierte Deckschicht mit einer vorteilhaft großen Stärke erreichen, insbesondere einer Stärke von mehr als 5 µm. Die bessere Haftung kann dabei erreicht werden, indem innere Spannungen in bzw. zwischen den Schichten abgebaut werden.

Claims

Elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation, mit mindestens drei Kontakten, die jeweils einen Körper aus Kupfer aufweisen, der einen Oxidationsschutzmantel trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsschutzmantel eine Nickelwolframschicht und eine Edelmetallschicht, welche die Nickelwolframschicht bedeckt, aufweist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelwolframschicht einen Wolframanteil von 25 bis 40 Gewichtsprozent hat, vorzugsweise einen Wolframanteil von 35 bis 40 Gewichtsprozent hat.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallschicht eine Silberschicht oder eine Goldschicht ist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht Palladium oder Graphit enthält.
Elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation, mit mindestens drei Kontakten, die jeweils einen Körper aus Kupfer aufweisen, der einen Oxidationsschutzmantel trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsschutzmantel eine Schicht aus Silber aufweist, in das 1 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff eingelagert ist.
Elektrischer Steckverbinder zum Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation, mit Mindestens drei Kontakten, die jeweils einen Körper aus Kupfer aufweisen, der einen Oxidationsschutzmantel trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsschutzmantel eine Silberschicht aufweist, die 4 bis 12 Gew.-% Palladium enthält.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht einen Palladiumanteil von 4 bis 8 Gew.-% hat.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsschutzmantel aus mehreren Silberschichten, die jeweils 4 bis 12 Gew.-% Palladium enthalten, gebildet ist, zwischen denen jeweils eine Schicht aus technisch reinem Silber ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberpalladiumschicht auf einer Palladiumschicht angeordnet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Körper aus Kupfer und dem Oxidationsschutzmantel eine Nickelschicht angeordnet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht eine Stärke von weniger als 3 µm aufweist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder ein männlicher Steckverbinder ist und die Kontakte als Kontaktstifte ausgebildet sind.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder ein weiblicher Steckverbinder ist und die Kontakte als Kontaktöffnungen zur Aufnahme von Kontaktstiften ausgebildet sind.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder sieben Kontakte aufweist.