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Die erfindungsgemäße Technologie betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung, die eine Antriebsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs umfasst.
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Elektrisch bzw. elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Fahrzeuge, wie beispielsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeuge ausgeführte Automobile, umfassen typischerweise eine elektrische Maschine, die während eines motorischen Betriebes von einer fahrzeugintern angeordneten Antriebsbatterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Eine solche Antriebsbatterie wird auch als Hochvoltspeicher, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet und stellt einen mobilen elektrischen Energiespeicher dar, der vorzugsweise zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dient bzw. die Elektromotoren von Elektrofahrzeugen mit Energie versorgt und gegebenenfalls selbst Energiequelle für eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung ist.
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In modernen Elektrofahrzeugen ist die Umsetzbarkeit einer Hochleistungs-Schnell-Ladefunktion von zentraler Bedeutung. Hierfür vorgesehene Hochvolt-Batteriesysteme werden mit Spannungen von bis zu 800-1000 V, Strombelastungen im Bereich von ca. bis zu 1000 A sowie Lastbeanspruchungsintervallen von ca. bis zu 15 Minuten betrieben.
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Im Fahrzeug kann die Antriebsbatterie über Kabel oder sogenannte Busbars bzw. starre Hochstromleiter mit einer Ladedose an einer Karosserieaußenseite elektrisch verbunden sein. Dabei führt jeweils eine elektrische Verbindung vom Pluspol der Ladedose zum Pluspol der Antriebsbatterie und eine weitere elektrische Verbindung vom Minuspol der Ladedose zum Minuspol der Antriebsbatterie. Die Ladedose hat üblicherweise an der Fahrzeugaußenseite eine Schnittstelle zur lösbaren Verbindung mit einem Ladestecker einer externen Ladestation.
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Bei Busbars erfolgt die elektrische Verbindung zu den beiden Polen der Ladedose und den Polen der Fahrzeugbatterie üblicherweise durch Schraubverbindungen. Im Bereich dieser Schraubverbindungen wirkt während eines Beladungsbetriebszustandes ein Kontaktwiderstand, welcher z. B. in einem Bereich zwischen 30 µΩ und 50 µΩ liegt. Diese Kontaktwiderstandswerte werden durch eine entsprechend gute technische Ausführung in Verbindung mit hohen Anpresskräften, geringer Oberflächenrauigkeit und Oberflächenhärte sowie geringer chemischer Reaktionsanfälligkeit der Kontaktoberflächen im Bereich der Schraubverbindungen erzielt.
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Ungünstige Kontaktpartner stellen insbesondere aluminiumbasierende Leiter dar. Aluminium bildet bekannterweise an der Oberfläche eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht und neigt in vielen Legierungsformen zusätzlich zum Kriechen, also zum Abbau von mechanischen Materialspannungen. Diese Eigenschaften führen dazu, dass sich die Anpresskräfte im elektrischen Kontakt zwischen Busbars, die aus Aluminium bestehen, und den Polen der Ladedose bzw. den Polen der Fahrzeugbatterie über der Betriebszeit abbauen, wodurch der Kontaktwiderstand jeweils ansteigt. Je höher die elektrischen Kontaktwiderstände sind, desto höher sind die thermischen Verlustleistungen im Kontaktbereich für die jeweils anliegende Stromstärke, was wiederum zu einem Anstieg der Bauteiletemperaturen in diesem Kontaktbereich führt und damit zu einer Beschleunigung der oben umschriebenen Zersetzungsprozesse.
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Problematisch ist, dass eine maximal mögliche Ladestromstärke durch die Kontaktwiderstände limitiert ist, da gewisse kontakt-interne Grenztemperaturen materialabhängig und designabhängig nicht überschritten werden dürfen. Unerwünschten Limitierungen der maximal möglichen Ladestromstärke kann durch entsprechende Kühlung des Kontaktbereichs oder der Busbars entgegengetreten werden, wobei der erforderliche Wärmeableitungsbedarf sehr hoch sein kann. Des Weiteren kann, aufgrund der hohen Spannungen und hiermit einhergehenden Sicherheitsanforderungen nicht direkt eine externe Kühlungseinrichtung angebunden werden, wie z. B. eine Ummantelung mit Kühlwasser. Die aus technischer Sicht einzuhaltenden elektrischen Isolationsabstände wirken dabei gleichzeitig als thermische Isolationswiderstände und damit entgegen einer guten Kühlwirkung.
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Üblicherweise wird für die lokale Kühlung des elektrischen Kontaktes, in der Regel eines Schraubkontaktes, die Busbar selbst verwendet, da sie, bei entsprechender elektrischer Querschnittsauslegung, eine geringere Verlust-Eigenerwärmung aufweist als die elektrische Kontaktregion und somit im geometrischen Bereich der elektrischen Kontakte jeweils wie eine Kühlrippe wirkt, indem durch den Aufbau eines Temperaturgradienten die Wärme aus dem elektrischen Kontakt durch den physikalischen Effekt der Wärmeleitung in die Busbar dissipiert wird und damit aus dem Kontakt abgeführt wird.
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Da dieser zu einer Kühlung des Kontaktbereiches beitragende Wärmeleitungseffekt auf der Notwendigkeit eines Temperaturgradienten basiert, und gleichzeitig durch die Material- und Designabhängigkeit insbesondere der Busbar dominiert wird, besteht eine insbesondere zeitabhängige Limitierung dieses Kühleffektes. Insbesondere kann hierdurch nur eine limitierte Länge der gesamten Busbar in der unmittelbaren Nähe zu den Anschlusskontakten effektiv als Wärmeableiter genutzt werden.
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Die maximal mögliche Ladestromstärke wird auch, durch Eigenerwärmung, begrenzt, wenn die Busbar elektrisch unterdimensioniert ist. In jedem Fall bewirken die ohmschen Eigenverluste der Busbar eine spezifische Eigenerwärmung, die für gegebene und konstante spezifische Materialkennwerte der Busbar im Wesentlichen eine Funktion der lokalen Querschnittsdimension der Busbar ist. Insbesondere im Mobilitätssektor sind bevorzugte Designlösungen immer kompromissbehaftet, indem sowohl Kosten als auch Gewicht und Bauraum bei der Lösungsfindung mit betrachtet werden. Daher wird gerne auf kosteneffektivere und leichtere Leitermaterialien zurückgegriffen, sowie auf eine maximal mögliche Reduzierung des Leiterquerschnittes, was zu einer erhöhten Anfälligkeit der Busbar im Bezug auf Eigenerwärmung führt. Dies wird zusätzlich problematischer, insofern Busbars als Compound- oder Bimetall aufgebaut werden, bevorzugt beispielsweise auf Basis einer Aluminiumbusbar mit elektrischen Anschlussbereichen auf Basis von Kupferlegierungen, da hierbei die Verwendung von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Stoffkennwerten stattfindet.
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Im Extremfall, bzw. Grenzstrombereich wird die Busbar selbst durch die ohmschen Leitungsverluste in gleichem Umfang oder sogar stärker erwärmt als der lokale elektrische Kontaktbereich der Ladedose oder der Speichereinrichtung. Generell führt die Eigenerwärmung der Busbar während des Betriebs zu einer Reduzierung des Temperaturgradienten zwischen Kontaktbereich und Busbar und damit zu einer Reduzierung der konduktiven Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Anschlusskontakts. Im Extremfall kann aufgrund des fehlenden Temperaturunterschieds zwischen der Busbar und den Kontaktbereichen aus den elektrischen Kontaktbereichen keine Wärme konduktiv in die Busbar abgeleitet werden, oder es findet sogar eine Umkehr des Wärmeflusses statt.
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Aus diesen Erkenntnissen kann gefolgert werden, dass die Ladeleistung erhöht werden kann, indem die Busbar derart in die Mobilitätsanwendung integriert ist, dass sie einen Teil ihrer thermischen Verlustleistung and das Fahrzeug übertragen kann. Hingegen wird eine mögliche maximale Ladeleistung weiter beeinträchtigt, wenn die Busbar stattdessen thermisch isoliert im Fahrzeug verbaut ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn derartige Busbars innerhalb des Fahrzeugs in Bereichen verlegt sind, in denen z. B. aus akustischen Gründen, zumindest in Teilbereichen, Schaumisolierungen oder dergleichen vorgesehen sind.
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Aus der
DE 10 2015 221 571 A1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen einer elektrischen Steckverbindung aus einem Ladestecker und einer Kontaktbuchse bekannt, bei der eine elektrische Leitung der Kontaktbuchse und/oder des Ladesteckers einen Hohlraum entlang der elektrischen Leitung aufweist, über die ein Kühlmittel geleitet wird.
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Dabei ist jedoch nachteilig, dass die bekannte Vorrichtung zum Kühlen einer Steckverbindung einen großen Bauraum aufweist, durch einen komplexen konstruktiven Aufbau gekennzeichnet ist und nur eine begrenzte Kühlleistung zur Verfügung stellt. Auch ist die Verwendung von flüssigen Kühlmitteln im integrierten Bereich von Hochspannungseinrichtungen grundsätzlich nicht trivial, sondern technisch aufwendig.
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Ausgehend von dem genannten Stand der Technik und den beschriebenen Erkenntnissen des Erfinders ist es eine bevorzugte Aufgabe der erfindungsgemäßen Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung bereitzustellen, welche hinsichtlich mindestens einer der folgenden Faktoren verbessert ist: Herstellungszeit, Herstellungskosten, Komplexität der Herstellung, Bauraumausnutzung, Betriebssicherheit, Nachhaltigkeit, Festigkeit, Gesamtgewicht und/oder Bauteilzuverlässigkeit. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
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Die Aufgabe/n wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruches 1. Die hiervon abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Es wird mithin eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung, die eine Antriebsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges umfasst, vorgeschlagen, welche eine Busbar aufweist. Bei der Busbar ist ein Leiter-Abschnitt über einen ersten Verbindungsbereich mit der Ladedose und über einen weiteren Verbindungsbereich mit der Speichereinrichtung elektrisch leitend verbindbar, wobei zumindest der erste Verbindungsbereich der Busbar wenigstens bereichsweise aus Kupfer hergestellt und mit einem Anschlussbereich der Ladedose verbindbar, insbesondere verschraubbar, ist. Statt einer Schraubverbindung kann hier auch jegliche bekannte Spann- oder Klemmverbindung vorgesehen sein.
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Zumindest an dem ersten Verbindungsbereich der Busbar ist ein metallischer und elektrisch leitender Bereich angebracht, der mit dem Verbindungsbereich der Busbar einen gasdichten Hohlraum begrenzt, in dem zum Temperieren des Verbindungsbereichs der Busbar während eines Ladebetriebszustandes ein Fluid aufgenommen ist, welches dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes, der dem Verbindungsbereich zugewandt ist, Wärmeenergie vom Verbindungsbereich aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich des Hohlraumes, der dem Verbindungsbereich abgewandt ist, Wärmeenergie an die Umgebung des Hohlraumes abzugeben und dabei zu kondensieren.
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Bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Technologie wird die Busbar lokal mit einer hoch effektiven Wärmeableitungsmöglichkeit ausgestattet, welche mindestens in dem geometrischen Bereich der elektrischen Kontaktanbindung und von dort auf die Busbar wirkt. Diese hoch effektive Wärmeableitungsmöglichkeit wird durch eine in die Busbar integrierte und beispielsweise als sogenannte Vapor-Chamber ausgeführte Einrichtung dargestellt, welche eine quasi-isotherme Wärmeverteilung und Wärmeableitung aus dem thermisch hochbelasteten elektrischen Kontaktbereich zwischen der Ladedose und der Busbar unter gleichzeitiger Ausnutzung der thermischen Trägheit der Busbar in beliebig weit entfernte Bereiche der Busbar erzielt. Dadurch wird eine effiziente Wärmeableitung aus dem elektrischen Kontaktbereich erreicht.
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Darüber hinaus ist von Vorteil, dass der zusätzlich auf die Busbar aufgebrachte metallische Bereich lokal den elektrischen Widerstand der Busbar reduziert und damit die lokale Stromwärmeentwicklung innerhalb der Busbar herabsetzt.
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Dabei besteht zusätzlich die Möglichkeit, dass der Leiterquerschnitt der Busbar durch das hohe Wärmeableitungsvermögen der integrierten Vapor-Chamber zumindest lokal, vorzugsweise über die gesamte Länge, oder eine Wesentliche Länge der Busbar, im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Vorrichtungen kleiner ausgelegt werden kann. Diese Möglichkeit ergibt sich daraus, dass aufgrund der sehr guten Wärmeableitung durch die integrierte Vapor-Chamber aus dem elektrischen Kontaktbereich zwischen der Busbar und der Ladedose nahezu unabhängig vom thermischen, konvektiven Leitungsquerschnitt der Busbar erfolgt.
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Der metallische Bereich kann bevorzugt aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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Beispielsweise kann der metallische Bereich bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als ein wannenartig geformtes hohlgepresstes Kupferblech ausgeführt sein, das mit dem Verbindungsbereich fest und gasdicht verbunden ist.
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Bei kostengünstig herstellbaren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein sich vom jeweiligen Verbindungsbereich weg erstreckender Bereich des Leiter-Abschnitts der Busbar aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit geringem Aufwand herstellbar, wenn der Leiter-Abschnitt und der Verbindungsbereich in einem Überlappungsbereich fest und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der gasdichte Hohlraum kann sich auf dem Verbindungsbereich der Busbar zumindest bereichsweise bis in den Überlappungsbereich hinein erstrecken und auf der Seite des Verbindungsbereichs vorgesehen sein, die dem Leiter-Abschnitt abgewandt ist. Dann ist während eines Beladungsbetriebszustandes der Speichereinrichtung die Verlustwärmeleistung, die im Kontaktbereich zwischen der Busbar und der Ladedose aufgrund des Kontaktwiderstandes entsteht, in gewünschter Art und Weise ableitbar.
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Bei einer vorteilhaften geometrischen Gestaltung der Busbar kann der Leiter-Abschnitt plattenartig ausgeführt sein, wobei im Bereich des Leiter-Abschnitts Wärmeenergie in gewünschter Art und Weise über Konvektion, Wärmeleitung oder mithilfe einer Kombination dieser beiden Übertragungsmechanismen ohne weitere konstruktive Maßnahmen in gewünschter Art und Weise abführbar ist. Metallische Bereiche, die eine Vapor Chamber bilden, können dann in einfacher Weise z. B. mit flächenparallelen Platten bzw. Blechen, die durch einen Spalt beabstandet sind, gebildet werden.
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Eine Leiterquerschnittsfläche des aus Aluminium hergestellten Leiter-Abschnitts beträgt bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens das circa 1,7-fache des Leiterquerschnittes des Verbindungsbereichs der Busbar, wenn der Verbindungsbereich aus Kupfer hergestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass die ohmsche Verlustwärmeerzeugung im Leiter-Abschnitt geringer ist als im Verbindungsbereich und der Leiter-Abschnitt effektiv als Wärmesenke zur Abführung von Verlustwärme aus dem Verbindungsbereich nutzbar ist.
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Die Busbar kann über den weiteren Verbindungsbereich mit einem Inverter, einem On-Board-Charger oder der Antriebsbatterie der elektrischen Speichereinrichtung elektrisch leitend verbindbar sein.
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In weiteren Ausführungen der Erfindung kann auch auf dem weiteren Verbindungsbereich ein metallischer und elektrisch leitender Bereich vorgesehen sein, der mit dem weiteren Verbindungsbereich einen gasdichten Hohlraum begrenzt. In diesem Hohlraum kann wiederum ein Fluid aufgenommen sein, das zum Temperieren des weiteren Verbindungsbereichs während eines Ladebetriebszustands der Speichereinrichtung dient. Hierzu kann das Fluid oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes, der dem weiteren Verbindungsbereich zugewandt ist, Wärmeenergie vom weiteren Verbindungsbereich aufnehmen und dabei verdampfen sowie in einem weiteren Bereich des Hohlraumes, der dem weiteren Verbindungsbereich abgewandt ist, Wärmeenergie an die Umgebung des Hohlraumes abgeben und dabei kondensieren. Dann ist auch im weiteren Verbindungsbereich zwischen der Busbar und der Speichereinrichtung während eines Beladungsbetriebszustandes der Speichereinrichtung Wärmeenergie effektiv und mit geringem konstruktiven Aufwand in gewünschter Art und Weise abführbar.
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Auch der weitere Verbindungsbereich kann in einem Überlappungsbereich fest und elektrisch leitend mit dem Leiter-Abschnitt in Wirkverbindung stehen, wobei der gasdichte Hohlraum sich entlang des weiteren Verbindungsbereichs der Busbar zumindest bereichsweise bis in den Überlappungsbereich hinein erstreckt und auf der Seite des weiteren Verbindungsbereichs vorgesehen ist, die dem Leiter-Abschnitt abgewandt ist.
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Auf dem Leiter-Abschnitt kann des Weiteren ein metallischer und elektrisch leitender Bereich vorgesehen sein, der mit dem Leiter-Abschnitt einen weiteren gasdichten Hohlraum begrenzt, in dem ein Fluid angeordnet ist, das zum Temperieren des Leiter-Abschnitts während eines Ladebetriebszustandes vorgesehen ist. Das Fluid kann auch hier so ausgelegt sein, dass es oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes, der dem Leiter-Abschnitt zugewandt ist, Wärmeenergie vom Leiter-Abschnitt aufnimmt dabei verdampft. Damit wird dem Leiter-Abschnitt während eines Ladebetriebszustandes der Speichereinrichtung in gewünschter Art und Weise Wärmeenergie isotherm entzogen. Gibt das Fluid in einem weiteren Bereich des Hohlraumes, der dem Leiter-Abschnitt abgewandt ist, Wärmeenergie an die Umgebung des weiteren Hohlraumes ab und kondensiert dabei, erfolgt die Wärmeableitung aus dem Leiter-Abschnitt auf konstruktiv einfache und effektive Art und Weise an die Umgebung.
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Der metallische Bereich des Leiter-Abschnitts kann auch hier als ein wannenartig geformtes hohlgepresstes Aluminiumblech ausgeführt sein, das mit dem Leiter-Abschnitt fest und gasdicht verbunden ist.
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Dieser wenigstens eine weitere gasdichte Hohlraum kann sich auf dem Leiter-Abschnitt der Busbar auch zumindest bereichsweise bis in den Überlappungsbereich zwischen dem jeweiligen Verbindungsbereich und dem Leiter-Abschnitt der Busbar hinein erstrecken und auf der Seite des Leiter-Abschnitts vorgesehen sein, die dem jeweiligen Verbindungsbereich abgewandt ist. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung aus dem jeweiligen Kontaktbereich weiter erhöht werden.
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Bei einfachen und zweckmäßigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Fluid in dem jeweiligen Hohlraum Wasser oder Aceton sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruches oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine stark vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit einer elektrischen Speichereinrichtung; und
- 2 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladedose des Fahrzeuges gemäß 1 mit der Speichereinrichtung.
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Bezug nehmend auf 1 ist stark schematisiert ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 gezeigt, wobei es für die hier offenbarte Technologie unerheblich ist, ob es sich hier um ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug handelt. Des Weiteren ist es für die hier offenbarte Technologie auch nicht wesentlich, ob das Fahrzeug 1 als Personen- oder Nutzfahrzeug ausgeführt ist.
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Das Fahrzeug 1 ist mit einer Fahrzeugkarosserie 2 und mit einer darin angeordneten Antriebseinheit 3 ausgeführt, die in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden wenigstens eine elektrische Maschine oder auch eine Kombination aus wenigstens einer Brennkraftmaschine und wenigstens einer elektrischen Maschine umfassen kann.
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Des Weiteren weist das Fahrzeug 1 vorliegend im Bereich seines Fahrzeughecks eine Ladeklappe 4 auf, die zum Verschließen und Freigeben einer Öffnung 5 in der Fahrzeugkarosserie 2 vorgesehen ist. Durch die Öffnung 5 kann ein Ladestecker mit einer in den Figuren lediglich schematisiert dargestellten Ladedose 6, die innerhalb der Fahrzeugkarosserie 2 des Fahrzeuges 1 angeordnet ist, in Wirkverbindung gebracht werden.
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Die Ladedose 6 ist über eine Vorrichtung 7 zur Stromführung elektrisch mit einer Speichereinrichtung 8 verbunden. Die Speichereinrichtung 8 umfasst eine Antriebsbatterie 8A, die ausgehend von der Ladedose 6 elektrisch aufladbar ist und die Antriebseinheit 3 im elektrischen bzw. teilelektrischen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt. Zusätzlich ist die Antriebsbatterie 8A im generatorischen Betrieb der Antriebseinheit 3 im Fahrbetrieb des Fahrzeuges 1 ebenfalls mit elektrischer Energie aufladbar. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Speichereinrichtung 8 über die Ladedose 6 Strom an eine externe Ladestation bzw. ein anderes Fahrzeug abgeben kann.
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Neben der Antriebsbatterie 8A umfasst die Speichereinrichtung 8 z. B. einen in 2 ersichtlichen sogenannten Charger-Converter 8B, der die Funktionen eines On-Board-Ladegeräts und eines DC/DC-Wandlers kombiniert und die Ladespannung auf Anforderung eines Batterie-Management-Systems während des Ladebetriebszustandes der Speichereinrichtung 8 regelt, sodass ein schneller und zugleich batterieschonender Ladevorgang sichergestellt ist.
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Des Weiteren weist die Speichereinrichtung 8 einen sogenannten Inverter 8C auf, in dessen Bereich Gleichspannung in Wechselspannung gewandelt wird. Dies kann sowohl während eines Ladebetriebszustands der Speichereinrichtung 8 als auch während eines elektrischen Betriebs des Fahrzeugs 1 der Fall sein.
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Die Vorrichtung 7 ist mit einer ersten Busbar 9 und mit einer zweiten Busbar 10 ausgebildet. Die erste Busbar 9 verbindet einen Pluspol 11 der Ladedose 6 elektrisch mit einem Pluspol 12 der Speichereinrichtung 8. Die zweite Busbar 10 stellt eine elektrische Verbindung zwischen einem Minuspol 13 der Ladedose 6 und einem Minuspol 14 der Speichereinrichtung 8 her.
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Die erste Busbar 9 und die zweite Busbar 10 stellen sogenannte Hochstromleiter bzw. Stromschienen dar und weisen im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf, weshalb in der nachfolgenden Beschreibung lediglich auf die erste Busbar 9 näher Bezug genommen wird und bezüglich des konstruktiven Aufbaus und der Funktionsweise der zweiten Busbar 10 auf die weitere Beschreibung zur ersten Busbar 9 verwiesen wird.
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Die Busbar 9 wird hauptsächlich durch einen als starre Schiene ausgebildeten Leiter-Abschnitt 16 gebildet, der innerhalb der Fahrzeugkarosserie 2 des Fahrzeugs 1 zwischen der Ladedose 6 und der Speichereinrichtung 8 verläuft und von einer Isolatorschicht umgeben ist. An ihrem der Ladedose 6 zugewandten Ende weist die Busbar 9 einen ersten Verbindungsbereich 15 auf, und an ihrem der Speichereinrichtung 8 zugewandten Ende ist sie mit einem zweiten Verbindungsbereich 17 ausgebildet.
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Der fest mit dem Leiter-Abschnitt 16 verbundene erste Verbindungsbereich 15 ist mit dem Pluspol 11 der Ladedose 6 fest verschraubt, d. h. an den Kontaktflächen aneinander gepresst, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Verbindungsbereich 15 und dem Pluspol 11 entsprechend gering zu halten. Analog hierzu ist der weitere Verbindungsbereich 17 der Busbar 9 mit dem Pluspol 12 der Speichereinrichtung 8 fest verschraubt.
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Der über eine vergleichsweise weite Strecke führende Leiter-Abschnitt 16 mit großem Materialbedarf besteht aus kostengünstigem Aluminium oder aus einer entsprechend elektrisch leitfähigen Aluminiumlegierung.
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Die Verbindungsbereiche 15, 17 bestehen vorliegend aus reinem Kupfer oder einer geeigneten Kupferlegierung. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht die Möglichkeit, den Verbindungsbereich 15 aus hochreinem Kupfer, aus sogenannten Elektrokupfer oder einer Kupferlegierung z. B. bestehend aus Beryllium und Kupfer herzustellen.
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Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Leiter-Abschnitt 16 aus Aluminium und den beiden Verbindungsbereichen 15 und 17 aus Kupfer kann beispielsweise über Rollradschweißen, Roller Bonding, Löten oder Laserschweißen sowie über ein sogenanntes Explosive Bonding hergestellt werden.
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Die beiden Verbindungsbereiche 15 und 17 stellen jeweils eine Art Kabelschuh dar, der beispielsweise etwa 2 cm breit und etwa 3 mm bis 4 mm hoch und zusätzlich räumlich gebogen ausgeführt sein kann. Generell wird versucht, die beiden Verbindungsbereiche 15 und 17 so kurz wie möglich auszuführen, um die Busbar 9 kostengünstig und mit geringem Gesamtgewicht herstellen zu können.
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Des Weiteren ist der Leiter-Abschnitt 16 im Bereich zwischen den beiden Verbindungsbereichen 15 und 17 als eine passive Kühlrippe mit einem wenigstens annähernd plattenförmigen Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass der Leiter-Abschnitt 16 zwischen den Verbindungsbereichen 15 und 17 im Querschnitt U-förmig ausgeführt ist, um die aktive Oberfläche des Leiter-Abschnitts 16 für einen möglichst guten Wärmeübergang in Richtung der Umgebung entsprechend groß zu gestalten.
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Der elektrisch leitende Querschnitt des Leiter-Abschnitts 16 der Busbar 9 ist im Vergleich zu den elektrisch leitenden Querschnitten der Verbindungsbereiche 15, 17 mindestens um den Faktor 1,7 größer ausgeführt. Dadurch wird erreicht, dass die elektrischen Widerstände der aus Kupfer hergestellten Verbindungsbereiche 15 und 17 und der elektrische Widerstand des aus Aluminium bestehenden Leiter-Abschnitts 16 zumindest gleich sind, oder dass der ohmsche Widerstand des Leiter-Abschnitts 16 kleiner ist als die ohmschen Widerstände der Verbindungsbereiche 15 und 17. Dies führt dazu, dass der Leiter-Abschnitt 16 immer eine Wärmesenke für die beiden Verbindungsbereiche 15 und 17 darstellt, in deren Bereich aufgrund der Kontaktwiderstände zu den Minuspolen 11 und 12 jeweils ein hoher Wärmeeintrag stattfindet, wenn die Speichereinrichtung 8 ausgehend von der Ladedose 6 mit elektrischer Energie beladen wird.
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An den Verbindungsbereichen 15 und 17 ist jeweils ein metallischer und elektrisch leitender Bereich 18, 19 angeordnet, der mit dem jeweils angrenzenden Verbindungsbereich 15 bzw. 17 der Busbar 9 einen gasdichten Hohlraum 20 bzw. 21 begrenzt. In den Hohlräumen 20, 21 ist jeweils ein Fluid angeordnet, mittels dem die Verbindungsbereiche 15 und 17 während eines Ladebetriebszustandes der Speichereinrichtung 8 temperierbar sind. Dabei ist das Fluid so gewählt, dass es oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in Bereichen der Hohlräume 20, 21, die jeweils den Verbindungsbereichen 15 bzw. 17 zugewandt sind, Wärmeenergie von den Verbindungsbereichen 15, 17 aufnimmt und dabei verdampft. Des Weiteren ist das entsprechende Fluid so gewählt, dass es in weiteren Bereichen der Hohlräume 20, 21, die dem jeweiligen Verbindungsbereich 15 bzw. 17 abgewandt sind, Wärmeenergie an die Umgebung der Hohlräume 20, 21, d. h. an Innenräume innerhalb der Fahrzeugkarosserie 2, abgibt und dabei kondensiert.
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Damit erfolgt eine nahezu isotherme Kühlung der Verbindungsbereiche 15 und 17 der Busbar 9 während eines Ladebetriebszustandes der Speichereinrichtung 8. Dadurch sind unzulässig hohe Betriebstemperaturen der Busbar 9 in den Verbindungsbereichen 15, 17 vermeidbar, und eine Ladung der Speichereinrichtung 8 ist innerhalb gewünscht kurzer Ladezeiten bei gleichzeitig langer Lebensdauer der Busbar 9 möglich.
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Die metallischen Bereiche 18, 19 können jeweils als ein wannenartig geformtes hohlgepresstes Kupferblech ausgeführt sein, das jeweils mit dem angrenzenden Verbindungsbereich 15 bzw. 17 fest und gasdicht verbunden ist. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die metallischen Bereiche 18, 19 mittels Pressschweißen oder dergleichen fest mit den Verbindungsbereichen 15, 17 in Wirkverbindung stehen.
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Der Leiter-Abschnitt 16 und die Verbindungsbereiche 15, 17 sind jeweils in Überlappungsbereichen 22, 23 fest und elektrisch leitend miteinander verbunden. Die gasdichten Hohlräume 20, 21 erstrecken sich auf den Verbindungsbereichen 15, 17 jeweils von den Pluspolen 11 und 12 auf den Verbindungsbereichen 15, 17 der Busbar 9 in die Überlappungsbereiche 22, 23 hinein und sind jeweils auf der Seite der Verbindungsbereiche 15, 17 vorgesehen, die dem Leiter-Abschnitt 16 abgewandt sind.
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Zudem sind bei der gezeigten Ausführung auf dem Leiter-Abschnitt 16 der Busbar 9 weitere metallische und elektrisch leitende Bereiche 24, 25 vorzugsweise aus dem Material des Leiter-Abschnitts 16, d. h. aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, vorgesehen, die jeweils mit dem Leiter-Abschnitt 16 gasdichte Hohlräume 26, 27 begrenzen. In diesen gasdichten Hohlräumen 26, 27 befindet sich wiederum ein Fluid, welches oberhalb einer definierten Betriebstemperatur des Leiter-Abschnitts 16 in Bereichen der Hohlräume 26, 27, die dem Leiter-Abschnitt 16 zugewandt sind, Wärmeenergie vom Leiter-Abschnitt 16 aufnimmt und verdampft sowie in weiteren Bereichen der Hohlräume 26, 27, die dem Leiter-Abschnitt 16 abgewandt sind, Wärmeenergie an die Umgebung abgibt und kondensiert.
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Die metallischen Bereiche 24, 25 des Leiter-Abschnitts 16 können jeweils entsprechend der plattenartigen Form des Leiter-Abschnitts 16 als ein wannenförmig hohlgepresstes Aluminiumblech ausgeführt sein, das im Wesentlichen planparallel zur Oberfläche des Leiter-Abschnitts mit einem Spalt von z. B. 1 mm verläuft und an den Seiten mit dem Leiter-Abschnitt 16 jeweils fest und gasdicht durch Stege bzw. Abkantungen verbunden ist.
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Zur Unterstützung der effektiven Wärmeabfuhr an den Verbindungsbereichen 15, 17 auch über den Leiter-Abschnitt 16 und seine metallischen Bereiche 24, 25 während eines Ladebetriebszustandes der Speichereinrichtung 8 erstrecken sich die gasdichten Hohlräume 26, 27 auf dem Leiter-Abschnitt 16 der Busbar 9 in die Überlappungsbereiche 22, 23 hinein und sind auf der Seite des Leiter-Abschnitts 16 vorgesehen, die den Verbindungsbereichen 15, 17 abgewandt sind.
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Der Materialquerschnitt des Leiter-Abschnitts 16 kann über dessen Längserstreckung variieren. Dabei besteht die Möglichkeit, den Querschnitt des Leiter-Abschnitts 16 im Bereich der weiteren metallischen Bereiche 24 und 25 kleiner auszuführen als in dem Bereich des Leiter-Abschnitts 16, der außerhalb der metallischen Bereiche 24 und 25 liegt. Dies ist der Fall, da die weiteren metallischen Bereiche 24 und 25 ebenfalls elektrisch leitend ausgeführt sind und einen Stromfluss von der Ladedose 6 in Richtung der Speichereinrichtung 8 übertragen und somit den elektrisch leitenden Querschnitt des Leiter-Abschnitts 16 nahe der Verbindungsbereiche 15 und 17 entsprechend ergänzen bzw. vergrößern.
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Die Vorrichtung 7 umfasst sogenannte Hochstrom-Busbars, die besonders für elektrische Fahrzeuge im Bereich des sogenannten Superfast-Charge einsetzbar sind. Über die metallischen Bereiche 18 und 19 sowie die weiteren metallischen Bereiche 24 und 25 wird während Ladebetriebszuständen der Speichereinrichtung 8 das Problem lokaler Übererwärmungen durch ohmsche Verlustleistungen gelöst. Dies erfolgt auf konstruktiv einfache Art und Weise durch die Integration sogenannter Vapor-Chambers, die durch die metallischen Bereiche 18, 19 und 24 und 25 gebildet werden, die die Hohlräume 20 und 21 bzw. 26 und 27 begrenzen, in denen ein zu verdampfendes und zu kondensierendes Fluid, wie z. B. Wasser oder Aceton, eingeschlossen ist.
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Die vorbeschriebene Ausführung der Busbars 9 und 10 ermöglicht eine einfache Kühlung elektrischer Anschraubkontakte zwischen den Verbindungsbereichen 15, 17 und den Pluspolen 11, 12 sowie Minuspolen 13, 14. Aufgrund der verbesserten Temperierung der Busbars 9, 10 können zudem die elektrisch leitenden Querschnitte der Busbars 9, 10 im Vergleich zu bekannten Ausführungen kleiner dimensioniert werden, wodurch der Materialeinsatz im Bereich der Busbars 9, 10 verringert ist. Dadurch sind die Busbars 9, 10 kostengünstiger herstellbar und durch ein geringeres Eigengewicht gekennzeichnet.
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Bezugszeichen
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrzeugkarosserie
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Ladeklappe
- 5
- Öffnung
- 6
- Ladedose
- 7
- Vorrichtung
- 8
- Speichereinrichtung
- 8A
- Antriebsbatterie
- 8B
- Charger-Converter
- 8C
- Inverter
- 9
- erste Busbar
- 10
- zweite Busbar
- 11
- Pluspol der Ladedose
- 12
- Pluspol der Speichereinrichtung
- 13
- Minuspol der Ladedose
- 14
- Minuspol der Speichereinrichtung
- 15
- erster Verbindungsbereich
- 16
- Leiter-Abschnitt
- 17
- weiterer Verbindungsbereich
- 18
- metallischer Bereich des ersten Verbindungsbereichs
- 19
- metallischer Bereich des weiteren Verbindungsbereichs
- 20
- Hohlraum
- 21
- Hohlraum
- 22
- Überlappungsbereich
- 23
- Überlappungsbereich
- 24
- metallischer Bereich des Leiter-Abschnitts
- 25
- metallischer Bereich des Leiter-Abschnitts
- 26
- Hohlraum
- 27
- Hohlraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015221571 A1 [0013]
