DE102020127836A1

DE102020127836A1 - Hochstromkontakteinrichtung und Verfahren zum Betrieb der Hochstromkontakteinrichtung

Info

Publication number: DE102020127836A1
Application number: DE102020127836.5A
Authority: DE
Inventors: Volker Seipel; Ruediger Meier; Waldemar Stabroth
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2022-04-28
Also published as: JP2022068850A; JP7337896B2; CN114389087A; US20220126715A1; EP3988379A1; KR20220053496A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochstromkontakteinrichtung (30) und ein Verfahren zum Betrieb einer Hochstromkontakteinrichtung (30), wobei die Hochstromkontakteinrichtung (30) ein Kontaktelement (60) und eine Kühlvorrichtung (65) mit einem Kältemittelbehälter (70), einem Absorberbehälter (75), einem Ventil (80) und einer Fluidleitung (85) aufweist, wobei der Kältemittelbehälter (70) thermisch mit dem Kontaktelement (60) verbunden ist und der Absorberbehälter (75) beabstandet zu dem Kältemittelbehälter (70) und dem Kontaktelement (60) angeordnet ist, wobei der Kältemittelbehälter (70) mit einem flüssigen Kältemittel (155) zumindest teilweise befüllt ist und der Absorberbehälter (75) mit einem Absorbermaterial (190) zumindest teilweise befüllt ist, wobei das Ventil (80) in der Fluidleitung (85) angeordnet ist, wobei in einer Offenstellung des Ventils (80) der Kältemittelbehälter (70) fluidisch mit dem Absorberbehälter (75) verbunden ist und in einer Schließstellung des Ventils (80) der Kältemittelbehälter (70) fluidisch von dem Absorberbehälter (75) getrennt ist, wobei in der Offenstellung das Kältemittel (155) in dem Kältemittelbehälter (70) in eine gasförmige Phase übergeht und das Kontaktelement (60) kühlt und die Fluidleitung (85) das gasförmige Kältemittel (155) von dem Kältemittelbehälter (70) zu dem Absorberbehälter (75) führt, wobei das Absorbermaterial (190) ausgebildet ist, das gasförmige Kältemittel (155) zu absorbieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochstromkontakteinrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb der Hochstromkontakteinrichtung gemäß Patentanspruch 8.
Es sind Ladebuchsen für elektrische Kraftfahrzeuge bekannt. Die Ladebuchsen weisen jeweils ein Kontaktelement auf, das mit einem dicken elektrischen Kabel verbunden ist, um den elektrischen Strom zwischen Ladebuchse und Steuergerät bzw. Traktionsbatterie zu übertragen. Die übertragene Leistung führt zu einer starken Erwärmung des Kontaktelements. Um eine starke Überhitzung des Kontaktelements zu vermeiden, kann nur kurzfristig eine maximale elektrische Leistung über das Kontaktelement übertragen werden, bevor die zu übertragene elektrische Leistung zu reduzieren ist, um eine Überhitzung des Kontaktelements zu vermeiden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Hochstromkontakteinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb solch einer Hochstromkontakteinrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels einer Hochstromkontakteinrichtung gemäß Patentanspruch 1 und mittels eines Verfahrens zum Betrieb der Hochstromkontakteinrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wurde erkannt, dass eine verbesserte Hochstromkontakteinrichtung für ein Kraftfahrzeug dadurch bereitgestellt werden kann, dass die Hochstromkontakteinrichtung ein Kontaktelement und eine Kühlvorrichtung aufweist. Die Kühlvorrichtung weist einen Kältemittelbehälter, einen Absorberbehälter, ein Ventil und eine Fluidleitung auf. Der Kältemittelbehälter ist thermisch mit dem Kontaktelement verbunden. Der Absorberbehälter ist beabstandet zu dem Kältemittelbehälter und dem Kontaktelement angeordnet. Der Kältemittelbehälter ist mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise befüllt und der Absorberbehälter ist mit einem Absorbermaterial zumindest teilweise befüllt. Das Ventil ist in der Fluidleitung angeordnet. Die Fluidleitung verläuft zwischen dem Kältemittelbehälter und dem Absorberbehälter. Das Ventil ist zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung schaltbar verstellbar. In der Offenstellung ist der Kältemittelbehälter fluidisch mit dem Absorberbehälter verbunden und in der Schließstellung ist der Kältemittelbehälter fluidisch vom Absorberbehälter getrennt. In der Offenstellung ist das Kältemittel ausgebildet, in dem Kältemittelbehälter in eine gasförmige Phase überzugehen und das Kontaktelement zu kühlen. Die Fluidleitung ist ausgebildet, das gasförmige Kältemittel von dem Kältemittelbehälter zu dem Absorberbehälter zu führen. Das Absorbermaterial ist ausgebildet, das gasförmige Kältemittel zu absorbieren. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch die zum Phasenwechsel notwendige Wärme aus dem Kontaktelement entnommen wird und dadurch das Kontaktelement besonders gut gekühlt wird. Durch die Kühlung des Kontaktelements kann vermieden werden, dass das Kontaktelement überhitzt. Insbesondere bei einer Hochstromübertragung in einem Bereich von 150 Ampere bis 700 Ampere, insbesondere in einem Bereich von 200 Ampere bis 500 Ampere, genügt bereits ein innerer Widerstand des Kontaktelements und/oder ein Kontaktwiderstand zwischen Kontaktelement und einem weiteren Kontaktelement, mit dem das Kontaktelement kontaktierbar ist, und/oder ein weiterer Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktelement und einem elektrischen Leiter eine elektrischen Leitung, dass das Kontaktelement sich stark erhitzt. Durch die Kühlung des Kontaktelements mit der Kühlvorrichtung wird ein Überhitzen des Kontaktelements vermieden. Insbesondere kann dadurch über das Kontaktelement über einen längeren Zeitraum eine besonders hohe elektrische Leistung, insbesondere in einem Bereich von 200 kW bis 500 kW, über das Kontaktelement übertragen werden, ohne dass hierbei die elektrische Leistung mit zunehmender Dauer reduziert werden muss.
Des Weiteren ist die Kühlvorrichtung in die Hochstromkontakteinrichtung integriert, sodass auf weitere Kühlvorrichtungen zur Kühlung des Kontaktelements verzichtet werden kann. Dadurch ist die Hochstromkontakteinrichtung besonders einfach und kostengünstig ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist in dem Absorberbehälter eine Heizeinrichtung angeordnet, wobei die Heizeinrichtung ausgebildet ist, das Absorbermaterial auf eine vordefinierte Temperatur zu erwärmen, um das absorbierte Kältemittel zu entfernen, insbesondere zu verdampfen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine Regeneration des Absorbermaterials und des Kältemittels möglich ist und nach Erhitzen des Kältemittels das Absorbermaterial wieder aufnahmefähig für gasförmige Kältemittel ist. Dadurch kann die Kühleinrichtung mehrmalig nach Regeneration des Absorbermaterials das Kontaktelement kühlen.
Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn die Heizeinrichtung eine elektrische Heizwendel aufweist, wobei die Heizwendel in dem Absorbermaterial zumindest abschnittsweise eingebettet ist. Dadurch kann ein guter Wärmeübergang zwischen der Heizwendel und dem Absorbermaterial sichergestellt werden, sodass zum Regenerieren des Absorbermaterials besonders wenig elektrische Energie zum Bestromen der Heizwendel notwendig ist. Da die elektrische Energie zum Beheizen der elektrischen Heizwendel bei einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug aus der Traktionsbatterie entnommen wird, ist eine sparsame Heizwendel von besonderem von Vorteil.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Fluidleitung beispielsweise U-förmig ausgebildet. Die Fluidleitung einen in dem Kältemittelbehälter mündenden ersten Teilabschnitt, einen im Absorberbehälter mündenden zweiten Teilabschnitt und einen den ersten Teilabschnitt mit dem zweiten Teilabschnitt fluidisch verbindenden Zwischenabschnitt aufweist. Der Zwischenabschnitt der Fluidleitung oberseitig des Kältemittelbehälters und/oder des Absorberbehälters angeordnet ist. Diese Ausgestaltung stellt in montiertem Zustand der Hochstromkontakteinrichtung in dem Kraftfahrzeug sicher, dass ein ungewollter Übertritt des flüssigen Kältemittels von dem Kältemittelbehälter in den Absorberbehälter durch den oberseitig angeordneten Zwischenabschnitt verhindert wird. Dadurch wird die Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung sichergestellt und ein Übertritt von flüssigem Kältemittel in den Absorberbehälter verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Kontaktelement einen Kontaktabschnitt zur elektrischen Kontaktierung einer weiteren Hochstromkontakteinrichtung und einen elektrisch und mechanisch mit dem Kontaktabschnitt verbundenen Befestigungsabschnitt auf. An dem Befestigungsabschnitt ist ein elektrischer Leiter einer elektrischen Leitung an einer ersten Seite mit dem Befestigungsabschnitt verbindbar. Auf einer zur ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Befestigungsabschnitts ist der Kältemittelbehälter mit dem Befestigungsabschnitt thermisch und vorzugsweise mechanisch verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Kontaktelement besonders gut gekühlt werden kann. Sowohl das Kontaktelement als auch die elektrische Leitung weisen eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit auf, um Wärme aus dem gasförmigen Kältemittel zur Kondensation des Kältemittels abzuführen. Dadurch wird bei der Regeneration der Kühlvorrichtung sichergestellt, dass das Kontaktelement und zusätzlich die elektrische Leitung als Wärmesenke zur Kühlung und Kondensation des gasförmigen Kältemittels in dem Kältemittelbehälter dienen.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil elektrisch steuerbar ausgebildet und mit einem Steuergerät elektrisch verbindbar. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Kontaktelements die Kühlvorrichtung durch ein Schalten des Ventils aktiviert und deaktiviert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Hochstromkontakteinrichtung ein Gehäuse auf, das innenseitig einen Gehäuseinnenraum zumindest abschnittsweise begrenzt. In dem Gehäuseinnenraum ist der Kältemittelbehälter angeordnet. An einer Gehäuseaußenseite des Gehäuses ist der Absorberbehälter angeordnet. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass bei Aktivierung der Heizeinrichtung nicht ungewollt der Kältemittelbehälter, in dem das Kältemittel kondensiert, durch die Heizeinrichtung erwärmt wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Absorbermaterial eine Kristallstruktur und/oder Zeolith und/oder Aktivkohle und/oder Silikat, insbesondere Silikatgel und/oder Natriumdichromat und/oder Lithiumbromid und/oder Lithiumhydroxid auf. Zusätzlich oder alternativ weist das Kältemittel wenigstens Wasser und/oder Alkohol und/oder Glykol auf.
In einem Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Kontakteinrichtung wird das Ventil von der Schließstellung in die Offenstellung bewegt. Das in dem Kältemittelbehälter vorhandene flüssige Kältemittel geht von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase über und das Kältemittel kühlt das Kontaktelement. Das gasförmige Kältemittel strömt über die Fluidleitung in den Absorberbehälter. Das Absorbermaterial absorbiert das gasförmige Kältemittel. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch den Phasenwechsel zwischen flüssiger Phase, in der das Kältemittel in dem Kältemittelbehälter vorliegt, und der gasförmigen Phase besonders viel Wärme durch das Kältemittel aus dem Kontaktelement aufgenommen werden kann und dadurch das Kontaktelement besonders stark gekühlt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Betriebsparameter des Kontaktelements ermittelt. Bei Überschreitung eines vordefinierten Schwellenwerts durch den ermittelten Betriebsparameter wird das Ventil von der Schließstellung in die Offenstellung bewegt. Der Betriebsparameter kann beispielsweise eine Kontaktelementtemperatur sein. Der Betriebsparameter kann beispielsweise auf Basis einer Umgebungstemperatur der Hochstromkontakteinrichtung und/oder eines über das Kontaktelement übertragenen elektrischen Stroms ermittelt werden. Auch kann der Betriebsparameter der über das Kontaktelement übertragene elektrische Strom sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine unnötige Aktivierung, beispielsweise wenn ein geringer elektrischer Strom (beispielsweise kleiner 50 Ampere), über das Kontaktelement übertragen wird oder das Kontaktelement aufgrund einer geringen Außentemperatur sich nur geringfügig erwärmt, der Kühlvorrichtung vermieden wird. Dadurch steht die Kühlvorrichtung weiterhin zur Verfügung, sollte beispielsweise die Ladestation gewechselt werden, um einen hohen Strom über das Kontaktelement zu übertragen. Ferner wird die Lebensdauer der Kühleinrichtung verlängert sowie eine unnötige Belastung der Traktionsbatterie vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Umschalten des Ventils in die Offenstellung das Ventil für ein vordefiniertes erstes Zeitintervall von beispielsweise 30 Minuten bis drei Stunden in der Offenstellung gehalten. Dadurch wird sichergestellt, dass das im Kältemittelbehälter vorhandene Kältemittel vollständig in die Gasphase übergeführt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Beendigung einer Stromübertragung über das Kontaktelement das Kontaktelement abkühlt. Die Abkühlung kann passiv an die Umgebung erfolgen, sollte von der Kühlvorrichtung keine Kühlwirkung mehr ausgehen. Nach Abkühlen des Kontaktelements unterhalb eines vordefinierten zweiten Schwellenwerts wird die Heizeinrichtung aktiviert und das Absorbermaterial auf eine vordefinierte Temperatur erwärmt, sodass das im Absorbermaterial gespeicherte Kältemittel in seine Gasphase überführt wird. Das gasförmige Kältemittel strömt von dem Absorberbehälter zu dem Kältemittelbehälter über die Fluidleitung und kondensiert in dem Kältemittelbehälter. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein sicheres Kondensieren des Kältemittels in dem Kältemittelbehälter sichergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform erwärmt die Heizeinrichtung das Absorbermaterial auf eine Temperatur von 150 °C bis 300 °C, sodass das absorbierte Kältemittel verdampft wird. Dadurch wird die Regeneration des Absorbermaterials besonders schnell durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Deaktivierung der Heizeinrichtung das Ventil von der Offenstellung in die Schließstellung umgeschaltet. Dies stellt sicher, dass die Kühlvorrichtung deaktiviert ist und bei Bedarf aktivierbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform werden in einen regelmäßigen Regenerierungszeitintervall periodisch wiederholend das Ventil von der Schließstellung in die Offenstellung verfahren und im Wesentlichen zeitgleich die Heizeinrichtung aktiviert, sodass das Absorbermaterial auf die vordefinierte Temperatur erwärmt wird und das im Absorbermaterial gespeicherte Kältemittel in seine Gasphase überführt wird. Das gasförmige Kältemittel wird von dem Absorberbehälter zu dem Kältemittelbehälter über die Fluidleitung strömt und in dem Kältemittelbehälter kondensiert, wobei nach Deaktivierung der Heizeinrichtung das Ventil von der Offenstellung in die Schließstellung umgeschaltet wird. Dadurch kann auch bei einer geringen Undichtigkeit des Ventils die Kühlfähigkeit der Kühlvorrichtung im Bedarfsfall sichergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs;
2 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene A-A durch eine in 1 gezeigte Hochstromkontakteinrichtung des Kraftfahrzeugs;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten Hochstromkontakteinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 ein Funktionsschema der Hochstromkontakteinrichtung während eines fünften Verfahrensschritts;
5 ein Funktionsschema der Hochstromkontakteinrichtung während eines siebten Verfahrensschritts;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform zum Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten Hochstromkontakteinrichtung.

In den nachfolgenden Figuren wird auf ein Koordinatensystem Bezug genommen. Dabei weist das Koordinatensystem eine x-Achse (Längsrichtung), eine y-Achse (Querrichtung) und eine z-Achse (Höhenrichtung) auf.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10.
Das Kraftfahrzeug 10 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Hybridfahrzeug oder als elektrisches Fahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug kann ein PKW oder ein LKW, insbesondere ein LLKW (Leicht-Lastkraftwagen) sein. Das Kraftfahrzeug 10 weist eine Traktionsbatterie 15, einen Antriebsmotor 20, ein Steuergerät 25 und eine Hochstromkontakteinrichtung 30 auf. Die Traktionsbatterie 15 ist zur Speicherung von elektrischer Energie ausgebildet und weist beispielsweise eine Kapazität von 30 kWh bis 100 kWh auf. Der Antriebsmotor 20 ist ausgebildet, das Kraftfahrzeug 10 bei Bereitstellung von elektrischer Energie aus der Traktionsbatterie 15 anzutreiben.
Die Hochstromkontakteinrichtung 30 ist beispielsweise als Ladestecker oder Ladebuchse ausgebildet und ist in dem Kraftfahrzeug 10 mit einer vordefinierten Ausrichtung montiert. Die Hochstromkontakteinrichtung 30 ist mittels einer ersten elektrischen Leitung 35 elektrisch mit dem Steuergerät 25 verbunden. Das Steuergerät 25 ist mittels einer zweiten elektrischen Leitung 55 mit der Traktionsbatterie 15 elektrisch verbunden. Das Steuergerät 25 kann beispielsweise als Ladegerät zur Ladung der Traktionsbatterie 15 ausgebildet sein.
In einem Ladezustand des Kraftfahrzeugs 10 ist an der Hochstromkontakteinrichtung 30 eine weitere Hochstromkontakteinrichtung 40 montiert, die mittels eines Ladekabels 45 mit einer Ladestation 50 elektrisch verbunden ist. Die Ladestation 50 ist beispielsweise als Schnellladestation ausgebildet. Die Ladestation 50 ist ausgebildet, eine elektrische Leistung im Bereich von wenigstens 50 kW bis 500 kW, vorzugsweise von wenigstens 150 kW bis 500 kW, zur Ladung der Traktionsbatterie 15 bei einer elektrischen Spannung von vorzugsweise 700 Volt bis 1.200 Volt bereitzustellen. Resultierend kann ein Ladestrom etwa 40 Ampere bis 700 Ampere betragen. Die elektrische Leistung wird über das Ladekabel 45 von der Ladestation 50 zu der weiteren Hochstromkontakteinrichtung 40 übertragen. In montiertem Zustand der weiteren Hochstromkontakteinrichtung 40 an der Hochstromkontakteinrichtung 30 wird die elektrische Leistung an die Hochstromkontakteinrichtung 30 übertragen. Von der Hochstromkontakteinrichtung 30 wird über die erste elektrische Leitung 35 die elektrische Leistung zu dem Steuergerät 25 und vom Steuergerät 25 über die zweite elektrische Leitung 55 in die Traktionsbatterie 15 geladen. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Ladung der Traktionsbatterie 15.
2 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene A-A durch die in 1 gezeigte Hochstromkontakteinrichtung 30.
Die Hochstromkontakteinrichtung 30 weist ein Kontaktelement 60, eine Kühlvorrichtung 65 zur Kühlung des Kontaktelements 60 und ein Gehäuse 95 zur mechanischen Befestigung des Kontaktelements 60 auf. Vorzugsweise weist die Hochstromkontakteinrichtung 30 mehrere Kontaktelemente 60 auf, wobei in 2 beispielhaft nur ein einziges Kontaktelement 60 dargestellt ist. Die Funktionsweise der in 2 gezeigten Hochstromkontakteinrichtung 30 wird anhand des Kontaktelements 60 erläutert.
Das Gehäuse 95 kann mit einer Karosserie 96 des Kraftfahrzeugs 10 mechanisch verbunden sein. Das Gehäuse 95 weist einen Gehäuseinnenraum 100 und eine erste Durchführung 105 auf. Der Gehäuseinnenraum 100 der Hochstromkontakteinrichtung 30 ist vorzugsweise fluiddicht gegenüber einer Umgebung 110 abgedichtet. Das Kontaktelement 60 durchgreift mit einem in der Ausführungsform pinförmig ausgebildeten Kontaktabschnitt 115 die erste Durchführung 105 des Gehäuses 95 und ragt mit einem ersten Teilabschnitt des Kontaktabschnitts 115 aus dem Gehäuse 95 hervor. Umfangsseitig ist außerhalb des Gehäuses 95 eine Kontaktfläche 116 zur elektrischen Kontaktierung an dem Kontaktabschnitt 115 angeordnet.
Das Kontaktelement 60 weist einen plattenförmig ausgebildeten Befestigungsabschnitt 120 auf. Der Befestigungsabschnitt 120 ist sowohl elektrisch als auch mechanisch und thermisch mit dem Kontaktabschnitt 115 verbunden und schließt sich auf einer der Kontaktfläche 116 abgewandten Seite an den Kontaktabschnitt 115 an. Vorzugsweise sind der Kontaktabschnitt 115 und der Befestigungsabschnitt 120 einstückig und materialeinheitlich aus einem elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Werkstoff wie beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium und/oder Stahl hergestellt.
Die weitere Hochstromkontakteinrichtung 40 (strichliert in 2 dargestellt) weist ein weiteres Kontaktelement 210 auf, wobei beispielhaft das weitere Kontaktelement 210 in montiertem Zustand der weiteren Hochstromkontakteinrichtung 40 an der Hochstromkontakteinrichtung 30 die Kontaktfläche des Kontaktabschnitt 115 elektrisch und mechanisch kontaktiert. Das weitere Kontaktelement 210 ist elektrisch über das Ladekabel 45 mit der Ladestation 50 verbunden.
Der Befestigungsabschnitt 120 ist in dem Gehäuseinnenraum 100 angeordnet. Ferner wird über eine zweite Durchführung 125 des Gehäuses 95 die erste elektrische Leitung 35 in den Gehäuseinnenraum 100 geführt. Die erste elektrische Leitung 35 weist einen elektrischen Leiter 130 auf, wobei der elektrische Leiter 130 vorzugsweise eine Querschnittsfläche von 50 mm² bis 95 mm² aufweist. Der elektrische Leiter 130 kann fein- oder feinstdrähtig ausgebildet sein. In einem abisolierten Abschnitt 135 der ersten elektrischen Leitung 35 ist eine elektrisch isolierende Ummantelung 140 ersten elektrischen Leitung 35 von dem elektrischen Leiter 130 entfernt. Der abisolierte Abschnitt 135 ist an einer ersten Seite 145 des Befestigungsabschnitts 120 an dem Befestigungsabschnitt 120 befestigt, beispielsweise angeschweißt.
In der Ausführungsform ist beispielsweise pro Kontaktelement 60 jeweils eine Kühlvorrichtung 65 vorgesehen. Die Kühlvorrichtung 65 weist einen Kältemittelbehälter 70, einen Absorberbehälter 75, ein elektrisch schaltbares Ventil 80, eine Fluidleitung 85 sowie eine Heizeinrichtung 90 auf.
Der Kältemittelbehälter 70 ist thermisch mit dem Kontaktelement 60 gekoppelt. In der Ausführungsform ist der Kältemittelbehälter 70 an einer zur ersten Seite 145 gegenüberliegend in y-Richtung angeordneten zweiten Seite 150 beispielhaft thermisch und mechanisch mit dem Befestigungsabschnitt 120 verbunden. Beispielsweise kann der Befestigungsabschnitt 120 und der Kältemittelbehälter 70 stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise verlötet oder verschweißt sein. Die zweite Seite 150 kann beispielsweise plan ausgebildet sein.
Auch könnte der Kältemittelbehälter 70 räumlich beabstandet zu dem Kontaktelement 60 angeordnet sein und beispielsweise über ein Wärmeleitmaterial 151, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, thermisch mit dem Befestigungsabschnitt 120 verbunden sein. In der Ausführungsform ist beispielhaft in 2 der Kältemittelbehälter 70 zusätzlich zumindest bereichsweise in das Wärmeleitmaterial 151 eingebettet, sodass der Kältemittelbehälter 70 besonders gut thermisch mit dem Befestigungsabschnitt 120 und somit mit dem Kontaktelement 60 verbunden ist.
In der Ausführungsform weist der Kältemittelbehälter 70 ein Fassungsvolumen von wenigstens 1,5 cm³, vorzugweise 2 mm³, bis 8 cm³ Volumen auf. In dem Kältemittelbehälter 70 ist ein Kältemittel 155 in einem ersten Betriebszustand der Hochstromkontakteinrichtung 30 angeordnet. Das Kältemittel 155 kann beispielsweise Wasser aufweisen. Auch kann das Kältemittel 155 eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Alkohol und/oder Glykol zusätzlich oder alternativ zu Wasser aufweisen. Das Kältemittel 155 ist vorzugsweise frostsicher bis wenigstens 25 °C, insbesondere -40 °C.
Auf einer der zweiten Durchführung 125 zugewandten Seite mündet die Fluidleitung 85 an einem ersten Ende 160 in dem Kältemittelbehälter 70. In der Ausführungsform weist beispielhaft die Fluidleitung 85 eine U-förmige Ausgestaltung auf. Die Fluidleitung 85 weist einen Zwischenabschnitt 165 und beispielsweise eine ersten Teilabschnitt 170 und eine zweiten Teilabschnitt 180 auf. Der erste Teilabschnitt 170 erstreckt sich im Wesentlichen in z-Richtung zwischen dem ersten Ende 160 und dem Zwischenabschnitt 165 entlang einer ersten Geraden. Dabei kann, wie in 2 gezeigt, der erste Teilabschnitt 170 schräg geneigt zu einer Erstreckungsrichtung des elektrischen Leiters 130 und/oder der z-Achse ausgerichtet sein. Der erste Teilabschnitt 170 durchgreift eine dritte Durchführung 175 des Gehäuses 95. Der Zwischenabschnitt 165 ist in z-Richtung versetzt zu dem Kältemittelbehälter 70 außerhalb des Gehäuses 95 angeordnet.
Der zweite Teilabschnitt 180 schließt sich auf einer dem ersten Teilabschnitt 170 abgewandten Seite (in y-Richtung) des Zwischenabschnitts 165 an den Zwischenabschnitt 165 an. Der zweite Teilabschnitt 180 verläuft beispielhaft ebenso wie der elektrische Leiter 130 parallel zu der z-Achse. Der zweite Teilabschnitt 180 mündet an einem zweiten Ende 185 der Fluidleitung 85 in dem Absorberbehälter 75.
Der Absorberbehälter 75 ist zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig mit einem Absorbermaterial 190 befüllt. Das Absorbermaterial 190 kann beispielsweise eine Kristallstruktur, vorzugsweise eine Kältemittelabsorbierende Kristallstruktur und/oder Zeolith und/oder Aktivkohle und/oder Silikat, insbesondere Silikatgel und/oder Natriumdichromat und/oder Lithiumbromid und/oder Lithiumhydroxid auf. Zusätzlich oder alternativ weist das Kältemittel 155 wenigstens Wasser und/oder Alkohol und/oder Glykol auf. Von besonderem Vorteil ist, wenn der Absorberbehälter 75, der Kältemittelbehälter 70 und die Fluidleitung 85 vakuumiert sind, sodass ein Gasdruck beispielsweise in der Fluidleitung 85 und/oder dem Absorberbehälter 75 und/oder dem Kältemittelbehälter 70 im ersten Betriebszustand zwischen 0,00001 MPa und 0,01 Mpa beträgt.
Die Heizeinrichtung 90 weist beispielsweise wenigstens eine elektrische Heizwendel 195 und eine Versorgungsleitung 200 auf. Die Versorgungsleitung 200 verbindet die Heizwendel 195 elektrisch mit dem Steuergerät 25. Vorzugsweise ist die Heizwendel 195 in dem Absorbermaterial 190 vollständig eingebettet. Dabei wird unter Einbetten verstanden, dass die Heizwendel 195 vollständig durch das Absorbermaterial 190 umschlossen ist.
Das Ventil 80 ist mittels einer Steuerleitung 205 mit dem Steuergerät 25 elektrisch verbunden. In der Ausführungsform ist beispielhaft das Ventil 80 in dem Zwischenabschnitt 165 angeordnet. Auch ist eine andere Anordnung des Ventils 80, beispielsweise im ersten oder zweiten Teilabschnitt 170, 180, möglich.
Das Ventil 80 weist eine Schließstellung und eine Offenstellung auf, wobei das Ventil 80 zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegbar ist. In der Schließstellung trennt das Ventil 80 fluidisch den Absorberbehälter 75 von dem Kältemittelbehälter 70. In der Offenstellung verbindet die Fluidleitung 85 fluidisch den Kältemittelbehälter 70 mit dem Absorberbehälter 75.
In der Ausführungsform ist beispielhaft der Zwischenabschnitt 165 oberhalb (in z-Richtung) des ersten Teilabschnitts 170 und/oder des zweiten Teilabschnitts 180 angeordnet. In montiertem Zustand der Hochstromkontakteinrichtung 30 in dem Kraftfahrzeug 10 ist der Kältemittelbehälter 70 beispielhaft in z-Richtung unterhalb zu dem Absorberbehälter 75 angeordnet. Auch können der Absorberbehälter 75 und der Kältemittelbehälter 70 auf gleichem Niveau angeordnet sein. Alternativ wäre auch eine Anordnung des Kältemittelbehälters 70 oberhalb des Absorberbehälters 75 möglich. Ferner ist der Zwischenabschnitt 165 in montiertem Zustand der Hochstromkontakteinrichtung 30 in dem Kraftfahrzeug 10 oberhalb des Kältemittelbehälters 70 und/oder des Absorberbehälters 75 angeordnet. Beispielhaft sind die zweite Durchführung 125 und die dritte Durchführung 175 in einer gemeinsamen xy-Ebene und oberhalb des Kontaktelements 60 angeordnet. Die U-förmige Ausgestaltung der Fluidleitung 85 hat den Vorteil, dass, wenn sich das Ventil 80 in der Offenstellung befindet, ein ungewolltes Überlaufen des flüssigen Kältemittel 155 aus dem Kältemittelbehälter 70 in den Absorberbehälter 75 vermieden wird.
Der Absorberbehälter 75 ist auf einer der der Kontaktfläche 116 abgewandten Seite des Gehäuses 95 auf einem Gehäusesteg 215 einer Gehäuseaußenseite 220 des Gehäuses 95 befestigt. Dabei zwischen dem Absorberbehälter 75 und dem Gehäuse 95 eine thermische Isolierschicht 216 vorgesehen sein, die thermisch den Absorberbehälter 75 gegenüber dem Gehäuse 95, insbesondere gegenüber dem Kühlmittelbehälter 70 isoliert.
Das Steuergerät 25 weist eine Steuereinrichtung 225, einen mit der Steuereinrichtung 225 datentechnisch verbundenen Datenspeicher 230 und eine mit der Steuereinrichtung 225 verbundene Schnittstelle 235 auf.
In dem Datenspeicher 230 sind ein Wert für ein erstes Zeitintervall, ein Wert für ein zweites Zeitintervall und ein erster Schwellenwert S1 abgespeichert. Zusätzlich kann ein Parameter in dem Datenspeicher 230 abgespeichert sein. Der Parameter kann beispielsweise eine tabellarische Zuordnung, ein mathematischer Algorithmus, ein Computerprogramm oder ein Kennfeld sein.
Die Schnittstelle 235 ist mit der Steuerleitung 205, der Versorgungsleitung 200 und vorzugsweise mit dem elektrischen Leiter 130 der ersten elektrischen Leitung 35 sowie mit der zweiten elektrischen Leitung 55 verbunden. Zusätzlich kann über eine erste Signalleitung 240 die Schnittstelle 235 mit einem Temperatursensor 245 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sein. Der Temperatursensor 245 kann beispielsweise als Außentemperatursensor in dem Kraftfahrzeug 10 vorgesehen sein. Die erste Signalleitung 240, die Versorgungsleitung 200 und/oder die Steuerleitung 205 können Teil eines Bus-Systems, insbesondere eines CAN-Busses, sein.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten Hochstromkontakteinrichtung 30 gemäß einer ersten Ausführungsform. 4 zeigt ein Funktionsschema der Hochstromkontakteinrichtung 30 während eines fünften Verfahrensschritts 325 und 5 zeigt Funktionsschema der Hochstromkontakteinrichtung 30 während eines siebten Verfahrensschritts 335.
In einem ersten Verfahrensschritt 305 ist das Kraftfahrzeug 10 von der Ladestation 50 getrennt und die weitere Hochstromkontakteinrichtung 40 ist von der Hochstromkontakteinrichtung 30 entfernt. Im ersten Verfahrensschritt 305 befindet sich das Ventil 80 in der Schließstellung und im ersten Betriebszustand. Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn das Ventil 80 in der Schließposition stromlos gehalten wird.
Ferner ist der Kältemittelbehälter 70 mit flüssigem Kältemittel 155 befüllt. Beispielsweise kann der Kältemittelbehälter 70 mit beispielsweise 2 Gramm Kältemittel 155 befüllt sein. Im ersten Verfahrensschritt 305 ist ferner das Absorbermaterial 190 getrocknet in dem Absorberbehälter 75 vorliegend. Das Absorbermaterial 190 weist vorzugsweise eine Umgebungstemperatur der Hochstromkontakteinrichtung 30 auf. Vorzugsweise sind für 2 Gramm Kältemittel 155 10 Gramm Absorbermaterial 190 in dem Absorberbehälter 75 in getrocknetem Zustand vorgesehen. Ferner ist im ersten Verfahrensschritt 305 die Heizeinrichtung 90 deaktiviert und ist beispielsweise durch die Steuereinrichtung 225 stromlos geschaltet.
In einem zweiten Verfahrensschritt 310 wird die weitere Hochstromkontakteinrichtung 40 auf die Hochstromkontakteinrichtung 30 aufgesteckt und ein Ladevorgang gestartet. Der Ladevorgang wird durch das Steuergerät 25 beispielsweise überwacht und durchgeführt. Dabei kann die Steuereinrichtung 225 die erste elektrische Leitung 35 mit der zweiten elektrischen Leitung 55 verbinden.
Die Steuereinrichtung 225 ermittelt vorzugsweise einen über das Kontaktelement 60 übertragenen elektrischen Strom I zum Laden der Traktionsbatterie 15. Während des Ladens erwärmt sich das Kontaktelement 60 aufgrund eines ersten ohmschen Kontaktwiderstands zwischen der Kontaktfläche 116 und dem weiteren Kontaktelement 210, eines zweiten ohmschen Kontaktwiderstands zwischen dem elektrischen Leiter 130 und dem Befestigungsabschnitt 120 sowie eines inneren ohmschen Widerstands des Kontaktelements 60.
Während des zweiten Verfahrensschritts 310 ermittelt der erste Temperatursensor 245 beispielsweise eine Außentemperatur T_A des Kraftfahrzeugs 10. Der erste Temperatursensor 245 stellt über die erste Signalleitung 240 ein zu der Außentemperatur T_A korrespondierendes erstes Temperatursignal der Schnittstelle 235 bereit, die das erste Temperatursignal an die Steuereinrichtung 225 weitergibt.
Die Steuereinrichtung 225 kann auf Grundlage des vordefinierten Parameters, der ermittelten Außentemperatur T_A und des ermittelten, über das Kontaktelement 60 fließenden elektrischen Stroms I eine Kontaktelementtemperatur T_K des Kontaktelements 60 errechnen.
In einem auf den zweiten Verfahrensschritt 310 folgenden dritten Verfahrensschritt 315 vergleicht die Steuereinrichtung 225 die ermittelte Kontaktelementtemperatur T_k als Betriebsparameter des Kontaktelements 60 mit dem vordefinierten ersten Schwellenwert S1. Der erste Schwellenwert S1 kann beispielsweise 50 °C bis 70 °C betragen. Die Steuereinrichtung 225 fährt mit einem vierten Verfahrensschritt 320 fort, sofern der Betriebsparameter, in dem Ausführungsbeispiel die Kontaktelementtemperatur T_K, kleiner als der vordefinierte erste Schwellenwert S1 ist. Mit einem fünften Verfahrensschritt 325 fährt die Steuereinrichtung 225 fort, wenn die Kontaktelementtemperatur T_k als Betriebsparameter größer als der vordefinierte erste Schwellenwert S1 ist.
In dem vierten Verfahrensschritt 320 hält die Steuereinrichtung 225 das Ventil 80 beispielsweise mittels eines Schließsignals weiterhin in der Schließposition. Nach dem vierten Verfahrensschritt 320 wird der zweite Verfahrensschritt 310 wiederholt.
In dem fünften Verfahrensschritt 325 (vgl. 4) steuert die Steuereinrichtung 225 mittels eines Öffnungssignals, das beispielsweise über die Schnittstelle 235 und die Steuerleitung 205 an das Ventil 80 übertragen wird, das Ventil 80 derart an, dass das Ventil 80 von der Schließposition in die Offenposition für das erstes Zeitintervall verfahren wird. In der Offenposition verbindet das Ventil 80 den Kältemittelbehälter 70 fluidisch mit dem Absorberbehälter 75.
Durch das Öffnen des Ventils 80 geht das flüssige Kältemittel 155 von der flüssigen Phase in eine gasförmige Phase über. Um den Phasenwechsel durchzuführen, nimmt das flüssige Kältemittel 155 eine erste Wärme Q_S aus dem Kontaktelement 60 auf und kühlt dadurch das Kontaktelement 60 (in 4 und 5 ist ein erster Wärmefluss Q̇_S der ersten Wärme Q_S von dem Kontaktelement 60 zu dem Kältemittel 155 dargestellt). Durch das Kühlen des Kontaktelements 60 wird sichergestellt, dass die Erwärmung des Kontaktelements 60 eine Kontaktelementtemperatur T_K von unterhalb beispielsweise 90 °C sicherstellt, obwohl über das Kontaktelement 60 der hohe elektrischer Strom I von zwischen 40 Ampere und 700 Ampere, insbesondere zwischen 200 Ampere und 500 Ampere, übertragen wird. Durch das Kühlen des Kontaktelements 60 wird ferner auch der abisolierte Abschnitt 135 der ersten elektrischen Leitung 35 mitgekühlt.
Durch die Kühlung kann auf eine Reduzierung der elektrischen Leistung zum Laden der Traktionsbatterie 15 verzichtet werden.
Das Kühlen des Kontaktelements 60 stellt somit sicher, dass mittels der Ladestation 50 die Traktionsbatterie 15 besonders schnell geladen werden kann und ein Ladevorgang zum Laden der Traktionsbatterie 15 besonders kurz ist. Ferner kann die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 130 besonders gering gehalten werden. So kann beispielsweise die Querschnittsfläche von dem oben genannten Maß (50 mm² bis 95 mm²) auf 45 mm² bis 75 mm² reduziert sein. Des Weiteren kann die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 130 in Abhängigkeit einer Dauer der Stromübertragung über das Kontaktelement optimiert werden.
Das gasförmige Kältemittel 155 strömt von dem Kältemittelbehälter 70 in die Fluidleitung 85 und über das Ventil 80 hin in Richtung des Absorberbehälters 75. Im Absorberbehälter 75 absorbiert das Absorbermaterial 190 das gasförmige Kältemittel 155. Dabei erwärmt sich das Absorbermaterial 190. Die bei der Absorption des gasförmigen Kältemittels 155 entstehende Wärme Q_A wird von dem Absorberbehälter 75 aufgenommen und an die Umgebung 110 der Hochstromkontakteinrichtung 30 abgegeben (in 4 ist ein zweiter Wärmefluss Q̇_A der zweiten Wärme Q̇_A dargestellt). Die abgegebene zweite Wärme Q̇_A kann insbesondere in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs 10 abgegeben werden. Durch die thermische Isolierung des Absorberbehälters 75 durch die Isolierschicht 216 gegenüber dem Gehäuse 95 wird verhindert, dass das Gehäuse 95 durch die zweite Wärme Q̇_A beschädigt wird. Ferner wird vermieden, dass der Absorberbehälter 75 den Kühlmittelbehälter 70 und das darin befindliche Kühlmittel 155 erwärmt.
In einem sechsten Verfahrensschritt 330 wird das vordefinierte erste Zeitintervall, beispielsweise 30 bis 180 Minuten, abgewartet. Innerhalb des ersten Zeitintervalls wird die Traktionsbatterie 15 so weit geladen, dass der über das Kontaktelement 60 übertragene Strom I zum Laden der Traktionsbatterie 15 reduziert wird und dadurch die Erwärmung des Kontaktelements 60 reduziert wird. Vorzugsweise ist innerhalb von 30 Minuten nach Öffnen des Ventils 80 der Ladevorgang der Traktionsbatterie 15 so weit abgeschlossen, dass ein Fahrzeugführer des Kraftfahrzeugs 10 den Ladevorgang gegebenenfalls vorzeitig beendet. Alternativ kann der Ladevorgang so weit fortgeschritten sein, dass die Traktionsbatterie 15 im Wesentlichen vollständig geladen ist. Innerhalb des ersten Zeitintervalls und während des Ladens kühlt die Kühlvorrichtung 65 das Kontaktelement 60. Ist das Kältemittel 155 vollständig von der flüssigen Phase in die Gasphase umgewandelt, endet der Kühlvorgang zur Kühlung des Kontaktelements 60.
Zusätzlich ist das erste Zeitintervall derart bemessen, dass hinreichend Zeit vorhanden ist, sodass das Kontaktelement 60 und der elektrische Leiter 130 nach dem Laden im Wesentlichen auf die Umgebungstemperatur der Hochstromkontakteinrichtung 30 abkühlen können.
In einem auf den sechsten Verfahrensschritt 330 folgenden siebten Verfahrensschritt 335 (also nach Abwarten des ersten Zeitintervalls) aktiviert die Steuereinrichtung 225 über die Schnittstelle 235 die Heizeinrichtung 90 (vgl. 5). Bei Aktivierung der Heizeinrichtung 90 wird die elektrische Heizwendel 195 mit elektrischer Energie aus der Traktionsbatterie 15 versorgt. Die Heizwendel 195 erhitzt das Absorbermaterial 190 vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 300 °C. Dies bewirkt, dass das in dem Absorbermaterial 190 absorbierte Kältemittel 155 verdampft und das Absorbermaterial 190 getrocknet wird. Die Isolierschicht 216 schützt das Gehäuse 95 vor einer thermischen Beschädigung.
Das verdampfte heiße Kältemittel 155 strömt über die Fluidleitung 85 und das geöffnete Ventil 80 in den Kältemittelbehälter 70. Der Kältemittelbehälter 70 wirkt, dadurch, dass er mit dem Kontaktelement 60 und über das Kontaktelement 60 mit dem elektrischen Leiter 130 thermisch gekoppelt ist, als Wärmesenke gegenüber dem Kältemittelbehälter 70. In dem Kältemittelbehälter 70 kondensiert das gasförmige Kältemittel 155 und liegt dort nach Kondensation wieder als flüssiges Kältemittel 155 vor. Die zur Kondensation notwendige Wärmeabfuhr Q̇_Kaus dem Kältemittel 155 wird über das Kontaktelement 60 und den elektrischen Leiter 130 abgeführt und an die Umgebung 110 abgegeben. Der elektrische Leiter 130 weist aufgrund seines hohen Querschnitts eine besonders hohe Wärmekapazität auf.
Nach Ablauf eines zweiten Zeitintervalls, in dem die Heizeinrichtung 90 durch die Steuereinrichtung 225 aktiviert ist, beispielsweise 15 Minuten bis 30 Minuten, deaktiviert die Steuereinrichtung 225 die Heizeinrichtung 90 und steuert das Ventil 80 mittels eines Schließsignals derart an, dass im achten Verfahrensschritt 340 das Ventil 80 von der Offenposition in die Schließposition verfahren wird.
Das Verfahren wird nach dem achten Verfahrensschritt 340 mit dem zweiten Verfahrensschritt 310 fortgesetzt.
Der siebte und achte Verfahrensschritt 335, 340 können nach Öffnen des Ventils 80 in regelmäßigen Regenerierungszeitintervall wiederholt werden, um das Absorbermaterial 195 bei einer geringen Undichtigkeit des Ventils 80 zu regenerieren. Das Regenerierungszeitintervall kann beispielsweise 24 h bis 1 Woche betragen. Dadurch wir eine optimale Kühlfähigkeit der Kühleinrichtung 65 im Bedarfsfall sichergestellt.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform zum Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten Hochstromkontakteinrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Das Verfahren ist im Wesentlichen identisch zu dem in 3 erläuterten Verfahren ausgebildet. Im Folgenden wird ausschließlich auf die Unterschiede des in 6 beschriebenen Verfahrens gegenüber dem in 3 beschriebenen Verfahren eingegangen.
Zusätzlich wird zwischen dem sechsten Verfahrensschritt 330 und dem siebten Verfahrensschritt 335 ein neunter Verfahrensschritt 345 und ein auf den neunten Verfahrensschritt 345 folgender zehnter Verfahrensschritt 350 durchgeführt.
Der neunte Verfahrensschritt 345 folgt auf den sechsten Verfahrensschritt 330 und ist im Wesentlichen identisch zu dem zweiten Verfahrensschritt 310. Im neunten Verfahrensschritt 345 wird der Betriebsparameter erneut ermittelt, sodass der Betriebsparameter gegenüber dem zweiten Verfahrensschritt 310 aktualisiert ist. Dabei wird, wie auch im zweiten Verfahrensschritt 310, die Außentemperatur T_A und der über das Kontaktelement 60 übertragene elektrische Strom I erneut ermittelt und auf Basis der Außentemperatur T_A, des übertragenen elektrischen Stroms I und des Parameters beispielsweise als Betriebsparameter die Kontaktelementtemperatur T_K erneut bestimmt.
In einem auf den neunten Verfahrensschritt 345 folgenden zehnten Verfahrensschritt 350 wird der aktualisierte Betriebsparameter, beispielsweise die im neunten Verfahrensschritt 345 ermittelte aktualisierte Kontaktelementtemperatur T_K, mit einem im Datenspeicher 230 abgespeicherten vordefinierten zweiten Schwellenwert S2 verglichen.
Unterschreitet die ermittelte Kontaktelementtemperatur T_K den zweiten Schwellenwert S2, so wird mit dem siebten Verfahrensschritt 335 fortgefahren. Überschreitet die ermittelte Kontaktelementtemperatur T_K den zweiten Schwellenwert S2, so wird mit dem sechsten Verfahrensschritt 330 fortgefahren und nochmals das erste Zeitintervall abgewartet. Vorteilhafterweise ist in der Ausführungsform das erste Zeitintervall gegenüber 3 verkürzt. So kann das erste Zeitintervall 15 Minuten bis 30 Minuten betragen. Bei dem nochmaligen Abwarten des ersten Zeitintervalls kann der Ladevorgang zum Laden der Traktionsbatterie 15 abgeschlossen werden und/oder besteht hinreichend Zeit, dass das Kontaktelement 60 und der elektrische Leiter 130 auf die Umgebungstemperatur abkühlen.
Der zweite Schwellenwert S2 ist vorzugsweise geringer als der erste Schwellenwert S1. In der Ausführungsform kann der zweite Schwellenwert S2 beispielsweise 30 C bis 50°C betragen.
Alternativ zu der oben beschriebenen Bestimmung des Betriebsparameters des Kontaktelements 60 kann anstatt der Kontaktelementtemperatur T_K beispielsweise auch der über das Kontaktelement 60 übertragene Strom I als Betriebsparameter verwendet werden. Beispielsweise weist der erste Schwellenwert S1 einen Wert von 50 Ampere bis 200 Ampere auf. Der zweite Schwellenwert S2 ist kleiner als der erste Schwellenwert S1 gewählt und kann beispielsweise 30 Ampere bis 100 Ampere betragen.
Die oben beschriebene Ausgestaltung der Hochstromkontakteinrichtung 30 hat den Vorteil, dass auf weitere Kühlvorrichtungen 65 verzichtet werden kann. Die Kühlvorrichtung 65 ist in die Hochstromkontakteinrichtung 30 integriert, sodass insbesondere auf große Kühlkörper für eine passive Kühlung, auf Lüfter für eine aktive Kühlung oder Ähnliches verzichtet werden kann. Zusätzlich kann durch die Kühlung des Kontaktelements 60 und des am Kontaktelement 60 angeschossenen elektrischen Leiters 130 der Querschnitt des elektrischen Leiters 130 besonders geringgehalten werden. Dies führt zu einer hohen Gewichtsersparnis zur Verbindung des elektrischen Leiters 130 mit dem Steuergerät 25 und der Traktionsbatterie 15. Ferner kann durch den geringeren Querschnitt die erste elektrische Leitung 35 in besonders engen Radien verlegt werden, sodass der Bauraumbedarf für die Ausbildung des elektrischen Hochstrombordnetzes reduziert ist.
Sollte die Hochstromkontakteinrichtung 30 mehrere Kontaktelemente 60 aufweisen, so kann die Kühlvorrichtung 65 für jedes der Kontaktelemente 60 vorgesehen sein. Alternativ kann beispielsweise über mehrere Fluidleitungen 85 ein Absorberbehälter 75 mit mehreren Kältemittelbehältern 70, die jeweils an einem Kontaktelement 60 angeordnet sind, fluidisch verbunden sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass jedes der Kontaktelemente 60 der Hochstromkontakteinrichtung 30 gekühlt wird.
Des Weiteren sind durch die integrierte Kühlvorrichtung 65 auch der Bauraumbedarf und die Masse der Hochstromkontakteinrichtung 30 reduzierbar. Ferner ist eine Masse der Hochstromkontakteinrichtung 30 reduzierbar.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
15: Traktionsbatterie
20: Antriebsmotor
25: Steuergerät
30: Hochstromkontakteinrichtung
35: erste elektrische Leitung
40: weitere Hochstromkontakteinrichtung
45: Ladekabel
50: Ladestation
55: zweite elektrische Leitung
60: Kontaktelement
65: Kühlvorrichtung
70: Kühlmittelbehälter
75: Absorberbehälter
80: Ventil
85: Fluidleitung
90: Heizeinrichtung
95: Gehäuse
96: Karosserie
100: Gehäuseinnenraum
105: erste Durchführung
110: Umgebung
115: Kontaktabschnitt
116: Kontaktfläche
120: Befestigungsabschnitt
125: zweite Durchführung
130: elektrischer Leiter
135: abisolierter Abschnitt
140: Ummantelung
145: erste Seite
150: zweite Seite
151: Wärmeleitmaterial
155: Kühlmittel
160: erstes Ende
165: Zwischenabschnitt
170: erster Teilabschnitt
175: dritte Durchführung
180: zweiter Teilabschnitt
185: zweites Ende
190: Absorbermaterial
195: Heizwendel
200: Versorgungsleitung
205: Steuerleitung
210: weiteres Kontaktelement
215: Gehäusesteg
216: Isolierschicht
220: Gehäuseaußenseite
225: Steuereinrichtung
230: Datenspeicher
235: Schnittstelle
240: erste Signalleitung
245: erster Temperatursensor
250: zweite Signalleitung
255: zweiter Temperatursensor
305: erster Verfahrensschritt
310: zweiter Verfahrensschritt
315: dritter Verfahrensschritt
320: vierter Verfahrensschritt
325: fünfter Verfahrensschritt
330: sechster Verfahrensschritt
335: siebter Verfahrensschritt
340: achter Verfahrensschritt
345: neunter Verfahrensschritt
350: zehnter Verfahrensschritt
Qs: erste Wärme
Q̇A: zweite Wärme
QK: Wärme
TK: Kontaktelementtemperatur
TA: Außentemperatur
I: übertragener elektrischer Strom/Ladestrom

Claims

Hochstromkontakteinrichtung (30), insbesondere Ladestecker für ein Kraftfahrzeug (10), - aufweisend ein Kontaktelement (60) und eine Kühlvorrichtung (65) mit einem Kältemittelbehälter (70), einem Absorberbehälter (75), einem Ventil (80) und einer Fluidleitung (85), - wobei der Kältemittelbehälter (70) thermisch mit dem Kontaktelement (60) verbunden ist und der Absorberbehälter (75) beabstandet zu dem Kältemittelbehälter (70) und dem Kontaktelement (60) angeordnet ist, - wobei der Kältemittelbehälter (70) mit einem flüssigen Kältemittel (155) zumindest teilweise befüllt ist und der Absorberbehälter (75) mit einem Absorbermaterial (190) zumindest teilweise befüllt ist, - wobei das Ventil (80) in der Fluidleitung (85) angeordnet ist und die Fluidleitung (85) zwischen dem Kältemittelbehälter (70) und dem Absorberbehälter (75) verläuft, - wobei das Ventil (80) zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung schaltbar verstellbar ist, - wobei in der Offenstellung der Kältemittelbehälter (70) fluidisch mit dem Absorberbehälter (75) verbunden ist und in der Schließstellung der Kältemittelbehälter (70) fluidisch von dem Absorberbehälter (75) getrennt ist, - wobei in der Offenstellung das Kältemittel (155) ausbildet ist, in dem Kältemittelbehälter (70) in eine gasförmige Phase überzugehen und das Kontaktelement (60) zu kühlen und die Fluidleitung (85) ausgebildet ist, das gasförmige Kältemittel (155) von dem Kältemittelbehälter (70) zu dem Absorberbehälter (75) zu führen, - wobei das Absorbermaterial (190) ausgebildet ist, das gasförmige Kältemittel (155) zu absorbieren.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach Anspruch 1, - wobei in dem Absorberbehälter (75) eine Heizeinrichtung (90) angeordnet ist, - wobei die Heizeinrichtung (90) ausgebildet ist, das Absorbermaterial (190) auf eine vordefinierte Temperatur zu erwärmen, um das absorbierte Kältemittel (155) aus dem Absorbermaterial (190) zu entfernen.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach Anspruch 2, - wobei die Heizeinrichtung (90) wenigstens eine elektrische Heizwendel (195) aufweist, - wobei die Heizwendel (195) in dem Absorbermaterial (190) zumindest abschnittsweise eingebettet ist.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Fluidleitung (85) einen in dem Kältemittelbehälter (70) mündenden ersten Teilabschnitt (170), einen im Absorberbehälter (75) mündenden zweiten Teilabschnitt (175) und einen den ersten Teilabschnitt (170) mit dem zweiten Teilabschnitt (175) fluidisch verbindenden Zwischenabschnitt (165) aufweist, - wobei der Zwischenabschnitt (165) der Fluidleitung (85) oberseitig des Kältemittelbehälters (70) und/oder des Absorberbehälters (75) angeordnet ist.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Kontaktelement (60) einen Kontaktabschnitt (115) zur elektrischen Kontaktierung einer weiteren Hochstromkontakteinrichtung (40) und einen elektrisch und mechanisch mit dem Kontaktabschnitt (115) verbundenen Befestigungsabschnitt (120) aufweist, - wobei an dem Befestigungsabschnitt (120) ein elektrischer Leiter (135) einer ersten elektrischen Leitung (35) an einer ersten Seite (145) des Befestigungsabschnitts (120) mit dem Befestigungsabschnitt (120) verbindbar ist, - wobei auf einer zur ersten Seite (145) abgewandten zweiten Seite (150) des Befestigungsabschnitts (120) der Kältemittelbehälter (70) mit dem Befestigungsabschnitt (120) thermisch und vorzugsweise mechanisch verbunden ist.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - aufweisend ein Gehäuse (95), das innenseitig einen Gehäuseinnenraum (100) zumindest abschnittsweise begrenzt, - wobei in dem Gehäuseinnenraum (120) der Kältemittelbehälter (70) angeordnet ist, - wobei an einer Gehäuseaußenseite (220) des Gehäuses (95) der Absorberbehälter (75) angeordnet ist.
Hochstromkontakteinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Absorbermaterial (190) eine Kristallstruktur und/oder Zeolith und/oder Aktivkohle und/oder Silikat, insbesondere Silikatgel und/oder Natriumdichromat und/oder Lithiumbromid und/oder Lithiumhydroxid aufweist, - und/oder - wobei das Kältemittel (155) wenigstens Wasser und/ oder Alkohol und/oder Glykol aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Hochstromkontakteinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Ventil (80) von der Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird, - wobei das in dem Kältemittelbehälter (70) vorhandene flüssige Kältemittel (155) in die gasförmige Phase übergeht und das Kältemittel (155) das Kontaktelement (60) kühlt, - wobei das gasförmige Kältemittel (155) über die Fluidleitung (85) in den Absorberbehälter (75) strömt, - wobei das Absorbermaterial (190) das gasförmige Kältemittel (155) absorbiert.
Verfahren nach Anspruch 8, - wobei ein Betriebsparameter des Kontaktelements (60) ermittelt wird, - wobei bei Überschreitung eines vordefinierten Schwellenwerts durch den ermittelten Betriebsparameter das Ventil (80) von der Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird, - wobei der Betriebsparameter auf Basis einer Umgebungstemperatur der Hochstromkontakteinrichtung (30) und/oder eines über das Kontaktelement (60) übertragenen elektrischen Stroms (I) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, - wobei nach Umschalten des Ventils (80) in die Offenstellung das Ventil (80) für ein vordefiniertes erstes Zeitintervall von vorzugsweise 30 Minuten bis drei Stunden in der Offenstellung verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und Anspruch 2, - wobei nach Beendigung einer Stromübertragung über das Kontaktelement (60) das Kontaktelement (60) abkühlt, - wobei nach Abkühlen des Kontaktelements (60) unterhalb eines vordefinierten zweiten Schwellenwerts die Heizeinrichtung (90) aktiviert wird und das Absorbermaterial (190) auf die vordefinierte Temperatur erwärmt wird, sodass das im Absorbermaterial (190) gespeicherte Kältemittel (155) in seine Gasphase überführt wird, - wobei das gasförmige Kältemittel (155) von dem Absorberbehälter (75) zu dem Kältemittelbehälter (70) über die Fluidleitung (85) strömt und in dem Kältemittelbehälter (70) kondensiert.
Verfahren nach Anspruch 11, - wobei die Heizeinrichtung (90) das Absorbermaterial (190) auf eine Temperatur von 150 °C bis 300 °C erwärmt, sodass das absorbierte Kältemittel (155) verdampft.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, - wobei nach Deaktivierung der Heizeinrichtung (90) das Ventil (80) von der Offenstellung in die Schließstellung umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, - wobei in einen regelmäßigen Regenerierungszeitintervall periodisch wiederholend das Ventil (80) von der Schließstellung in die Offenstellung verfahren wird und im Wesentlichen zeitgleich die Heizeinrichtung (90) aktiviert wird, sodass das Absorbermaterial (190) auf die vordefinierte Temperatur erwärmt wird und das im Absorbermaterial (190) gespeicherte Kältemittel (155) in seine Gasphase überführt wird, - wobei das gasförmige Kältemittel (155) von dem Absorberbehälter (75) zu dem Kältemittelbehälter (70) über die Fluidleitung (85) strömt und in dem Kältemittelbehälter (70) kondensiert, - wobei nach Deaktivierung der Heizeinrichtung (90) das Ventil (80) von der Offenstellung in die Schließstellung umgeschaltet wird.