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Die erfindungsgemäße Technologie betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten, insbesondere einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art mit einer Busbar und einer Kühleinrichtung für die Busbar.
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Bei Anwendungen, welche eine elektrische Verbindung zwischen zwei Komponenten mit einer guten Stromtragfähigkeit und einer guten Anpassbarkeit an vorhandene Bauräume erfordern, wie es z. B. bei Hochvolt-Systemen im Automotive-Bereich der Fall ist, kommen als Busbars bzw. starre Stromschienen ausgebildete Leitungen zum Einsatz.
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Die gewünschten hohen Leitfähigkeiten der Busbars führen nachteiligerweise zu hohen ohmschen Verlusten und entsprechend zu großer joulescher Wärme innerhalb des Leitermaterials oder an elektrischen Kontaktierungsstellen, wie zum Beispiel Steckverbindungen oder Schraubverbindungen.
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Ein Beispiel für eine extreme Belastung einer Busbar und ihrer Kontakte ist das Schnellladen einer Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs. In modernen Elektrofahrzeugen eingesetzte 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, wobei die Antriebsbatterie über Busbars bzw. starre Hochstromleiter mit einer Ladedose an einer Karosserieaußenseite elektrisch verbunden ist. 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.
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Bei einem Ladevorgang wird zum einen eine nennenswerte Eigenerwärmung der elektrischen Leiter bzw. Busbars mit z. B. unterschiedlichen Flachprofilen hervorgerufen, und zum anderen treten an den Verbindungsendpunkten derartiger Leiterverbindungen zusätzliche Wärmequellen auf, dadurch dass die erforderlichen elektrischen Verbindungselemente wie z. B. Steckkontakte oder Schraubverbindungen einen zusätzlichen lokalen elektrischen Kontaktwiderstand aufweisen.
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Somit kommt es insbesondere im Bereich dieser elektrischen Kontaktanbindungen zur erhöhten lokalen Wärmeentwicklung mit der Folge lokal signifikant erhöhter Bauteiletemperatur, die zu einer Beschädigung des Bauteils und zu einem technischen Versagen des elektrischen Kontaktes führen kann.
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Die Problematik der Erwärmung einer Busbar besteht auch in anderen Bereichen mit Hochleistungsbatterien, wie z. B. im Luftfahrtbereich und der Energiespeicherung und - abgabe bei Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen.
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Eine Abführung der auftretenden Wärme ist meist schwierig. Hochleistungsleitungen wie Busbars sind in der Regel sehr gut elektrisch isoliert und mithin üblicherweise auch gleichzeitig relativ gut thermisch isoliert.
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Bei konventionellen Lösungen zur Kühlung einer Busbar wird die lokale Abwärme über das physikalische Prinzip der Wärmeleitung an kältere Bauräume bzw. eine Wärmesenke abgeführt. So wird zum Beispiel in der Praxis der elektrische Steckkontakt von Schnelllade-Pistolen mit einem Kühlwasseranschluss auf niedrige Temperaturen zwangsgekühlt.
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Jedoch bedingt das Funktionsprinzips der Wärmeleitung, dass zur Ableitung der im Kontakt erzeugten Verlustwärme ein Temperaturgradient zur kälteren Wärmesenke aufgebaut werden muss, welcher es erst ermöglicht, die Verlustwärme abzuführen.
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Der Wärmeleitwert technisch verfügbarer Werkstoffe ist begrenzt und liegt zum Beispiel bei Kupfer im Bereich von 400 W/mK. Zudem sind z. B. im Fahrzeugbau aufgrund von standardisierten Designvorschriften für Schnellladesysteme sowohl der Werkstoff als auch die Geometrie der elektrischen Kontakte vorgegeben. Hieraus resultiert konstruktionsbedingt eine deutliche Erhöhung der Bauteiltemperatur zumindest im Bereich der elektrischen Kontakte einer Busbar innerhalb des Fahrzeugs.
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Es ist möglich, bei entsprechender Auslegung und entsprechendem Design die Busbar zur Ableitung der im Kontakt erzeugten Verlustwärme zu nutzen. Hierbei wurden Lösungen entwickelt, die lokal im Bereich des elektrischen Anschlusses oder auch über einen längeren Abschnitt der Busbar sogenannte Heat-Pipes vorsehen, über die Verlustwärme in die Busbar abgeleitet werden kann. Grundsätzlich nachteilig ist hierbei, dass sich die gesamte Busbar dabei selbst entsprechend ihrer Materialkennwerte, geometrischen Auslegungsdaten und der eingebrachten Verlustwärme aus den Kontakten erwärmt, zusätzlich zur elektrische Eigenerwärmung der Busbar durch den Stromfluss.
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Die
WO 2021/213780 A1 schlägt zur Kühlung von elektrischen Kontaktbereichen einer Busbar den Einsatz von gelförmigen Wärmeleitmitteln zwischen den Kontaktbereichen und einem Wärmetauscher vor.
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Die
DE 10 2017 129 250 A1 offenbart einen wärmeleitenden Gapfiller zwischen einem joulesche Wärme abgebenden Kontakt einer Busbar und einem eine Wärmesenke darstellenden Gehäuse.
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Die
US 2019/0067763 A1 zeigt eine Busbar mit einer lokal im Bereich von Leistungselektronikkomponenten angeordneten Kühleinrichtung, welche sowohl die Busbar als auch die Leistungselektronikkomponenten kühlt. Durch diese Kühleinrichtung kann eine Kühlflüssigkeit oder ein Phasenumwandlungsmaterial (PCM) geführt werden.
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Weiterhin ist es aus der
US 2021/0021077 A1 bekannt, eine zu kühlende elektrische Verbindung mit einem Gehäuse zu umgeben, welches mit Phasenumwandlungsmaterial wie z. B. Paraffine oder Fette befüllt wird.
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All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass eine signifikante Temperaturerhöhung der gesamten Busbar während einer Stromführung nicht ausreichend vermieden werden kann, wodurch gegebenenfalls eine Grenztemperatur überschritten wird, welche z. B. eine Verlangsamung oder ein Abschalten eines Ladevorgangs einer Batterie zur Folge haben kann.
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Ausgehend von dem genannten Stand der Technik und den beschriebenen Erkenntnissen der Erfinder 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 von wenigstens zwei elektrischen Komponenten, insbesondere einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, bereitzustellen, welche hinsichtlich mindestens einer der folgenden Faktoren verbessert ist: Herstellungszeit, Herstellungskosten, Komplexität der Herstellung, Bauraumausnutzung, Betriebssicherheit, Nachhaltigkeit, Festigkeit, Gesamtgewicht, Bauteilzuverlässigkeit, Einsparung an Leitermaterial, höhere spezifische elektrische Leistungen und generell mehr Robustheit im elektrischen System. 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 eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die hiervon abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
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Es wird mithin eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten, insbesondere einer Ladedose mit einer elektrischen Speichereinrichtung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, vorgeschlagen, welche eine Busbar aufweist, bei der ein Leiter-Abschnitt über einen ersten Verbindungsbereich mit einer ersten elektrischen Komponente und über einen weiteren Verbindungsbereich mit einer zweiten elektrischen Komponente elektrisch leitend verbindbar ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Kühleinrichtung für die Busbar auf, welche ein Phasenumwandlungsmaterial (PCM) umfasst.
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Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung mit wenigstens einer ersten Kammer ausgebildet ist, welches sich über wenigstens einen Teil einer Länge der Busbar erstreckt und welche gasdicht ausgeführt ist, wobei in der ersten Kammer zum Temperieren der Busbar während eines elektrisch leitenden Zustands ein Fluid aufgenommen ist, das dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich der Kammer, der der Busbar zugewandt ist, Wärmeenergie aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich der Kammer, der der Busbar abgewandt ist, Wärmeenergie abzugeben und dabei zu kondensieren. Weiterhin ist die Kühleinrichtung mit wenigstens einer zweiten Kammer ausgebildet, welche sich parallel zu der wenigstens einen ersten Kammer zumindest über einen Teil einer Länge der Busbar und zumindest über einen Teil der Länge der ersten Kammer erstreckt, wobei in der zweiten Kammer ein Phasenumwandlungsmaterial (PCM) aufgenommen ist.
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In anderen Worten wird zumindest abschnittsweise entlang der Busbar neben einer sogenannten Heat Pipe oder Vapor Chamber ein Phasenumwandlungsmaterial, welches auch als PCM (Phase Changing Material) bezeichnet wird, angeordnet, welches als temporärer Latentwärmespeicher fungiert. Ein solcher Latentwärmespeicher nutzt die Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums bzw. Phasenumwandlungmaterials z. B. beim Phasenübergang zwischen fest und flüssig.
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Als Phasenumwandlungsmaterial (PCM) kommen grundsätzlich alle hierfür bekannten Stoffe in Frage, wobei insbesondere ein organisches Material aus der Gruppe der Paraffine oder Fette gewählt werden kann.
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Phasenumwandlungsmaterial aus der Familie der Paraffine hat bei der Anwendung in Zusammenhang mit einer Busbar-Kühlung den Vorteil, dass sich hier zum einen der Temperaturbereich der quasi-isothermen Energiewandlung in engen Bereichen einstellen lässt, und zum anderen die Phasenumwandlungsenthalpie bezogen auf das Gewicht des Latentwärmespeichers signifikant ist.
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Beispielsweise kann als Phasenumwandlungsmaterial ein Hartparaffin verwendet werden, dessen Schmelztemperatur, je nach molekularer Kettenlänge, zwischen ca. 40 °C und bis zu über 70 °C liegt und gleichzeitig eine hohe Schmelzenthalpie zwischen etwa 200 und 240 kJ/kg aufweist. Somit lässt sich durch das Einbringen von ca. 250 Gramm auf eine ca. 1 Meter lange Busbar eine höchsteffiziente thermische Pufferung herbeiführen, da die Verlustwärme im Leiter durch das Aufschmelzen des Latentwärmespeichers absorbiert wird.
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Nach einem Ladevorgang bei einer Antriebsbatterie eines Fahrzeugs ist die Ladeleitung üblicherweise solange deaktiviert, bis die Antriebsbatterie entleert ist. In den üblichen Fahrzeugkonfigurationen liegt dies im Bereich von nicht unter 4 Stunden. Somit existiert nach dem Ladevorgang immer ein großes Zeitfenster, in welchem das thermische System aus Busbar und Latentwärmespeicher seine thermische Energie durch passive Wärmeleitung an die Umgebung abgeben und verlieren kann.
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Bei der Erfindung kann der mit der wenigstens einen zweiten Kammer gebildete Latentwärmespeicher mit Phasenumwandlungsmaterial thermisch gekoppelt an die Busbar angebracht bzw. in das Design integriert werden, wobei die Kombination mit einer durch die wenigstens eine erste Kammer gebildete Heat Pipe bzw. Vapor Chamber, die eine quasi-isotherme Wärmeableitung entlang der Busbar ermöglicht, besonders vorteilhaft ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass z. B. ein Latentwärmespeicher nur in bestimmten Regionen der Busbar angebracht werden muss, und in anderen lokal entfallen kann.
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Die Lösung gemäß der Erfindung bietet neben der Erhöhung der spezifischen elektrischen Leistung der Busbar zudem die Möglichkeit, dass der Leiterquerschnitt der Busbar durch das hohe Wärmeableitungsvermögen der Kombination aus Vapor-Chamber und Latentwärmespeicher zumindest lokal, vorzugsweise über die gesamte Länge oder über eine wesentliche Länge der Busbar im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Vorrichtungen kleiner ausgelegt werden kann.
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Der gasdichte Hohlraum der ersten Kammer kann als Fluid z. B. Wasser oder Aceton enthalten.
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Bei einer vorteilhaften geometrischen Gestaltung der Busbar kann der Leiter-Abschnitt plattenartig ausgeführt sein. Die erste Kammer und zweite Kammer können dann in einfacher Weise z. B. mit flächenparallelen Platten bzw. Blechen, die durch einen Spalt beabstandet sind, gebildet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann die Längserstreckung der ersten Kammer bzw. Vapor Chamber wenigstens annähernd der Längserstreckung der Busbar entsprechen. Die Breite der ersten Kammer und auch der zweiten Kammer kann wenigstens annähernd einer Breite der Busbar entsprechen.
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Die Längserstreckung der zweiten Kammer, welche den Latentwärmespeicher bildet, kann der Längserstreckung der ersten Kammer entsprechen, d. h. sich mit dieser über deren Längserstreckung überdecken. Des Weiteren kann die zweite Kammer in einer Ausführung der Erfindung über ihre gesamte Längserstreckung mit Phasenumwandlungsmaterial befüllt sein.
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In anderen Worten kann eine durch die erste Kammer gebildete Heat-Pipe bzw. Vapor Chamber in Länge und Breite den Busbarabmessungen entsprechen und ein Zwischenraum, welcher die zweite Kammer bildet, kann durchgängig mit Phasenumwandlungsmaterial gefüllt sein, bzw. eine die zweite Kammer bildende Kavität, die mit Phasenumwandlungsmaterial gefüllt ist, kann gesamtflächig mit der Busbar und der ersten Kammer bzw. Vapor-Chamber verbunden sein.
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In weiteren Ausführungen kann die zweite Kammer über einen Teil ihrer Längserstreckung oder über mehrere Teile ihrer Längserstreckung lokal mit Phasenumwandlungsmaterial befüllt sein. Das heißt, alternativ kann das Phasenumwandlungsmaterial auch nur lokal, an bevorzugten Stellen, eingebracht werden bzw. die wenigstens eine zweite Kammer nur lokal vorgesehen sein.
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Auch muss die erste Kammer bzw. Vapor Chamber nicht flächendeckend oder durchgängig mit der Busbar ausgebildet sein. Sie kann auch nur teilüberdeckend, oder intermittierend ausgeführt werden. So können z. B. Engstellen oder Problemzonen wie zum Beispiel enge Biegeradien ausgespart werden.
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Die Anordnung bzw. Schichtung von Busbar, erster Kammer und zweiter Kammer ist prinzipiell beliebig. Die zweite Kammer kann zwischen der Busbar und der ersten Kammer angeordnet sein oder die erste Kammer kann zwischen der Busbar und der zweiten Kammer angeordnet sein.
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Auch können die erste Kammer und die zweite Kammer auf gegenüberliegenden Seiten der Busbar angeordnet sein. So kann z. B. die als Vapor Chamber dienende erste Kammer auf einer Seite der Busbar angebracht sein, oder zumindest bereichsweise direkt in diese integriert sein, und auf der anderen Seite der Busbar kann ganzflächig oder abschnittsweise die wenigstens eine zweite Kammer mit dem Latentwärmespeicher angeordnet werden.
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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 Kammern der Kühleinrichtung können beispielsweise durch Platten mit Zwischenräumen oder mit einem wannenartig geformten hohlgepressten Blech ausgeführt sein, das mit dem Leiter-Abschnitt fest und gasdicht verbunden ist.
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Weiterhin können sich die Kammern der Kühleinrichtung 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. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung aus dem jeweiligen Kontaktbereich weiter erhöht werden.
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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 Vorrichtung zum elektrischen Verbinden zweier elektrischer Komponenten, welche als eine elektrischen Speichereinrichtung und eine Ladedose ausgebildet sind;
- 2 einen vereinfachten Ausschnitt einer Busbar mit einer Kühleinrichtung gemäß einer ersten Ausführung der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden;
- 3 einen vereinfachten Ausschnitt einer Busbar mit einer Kühleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden; und
- 4 einen vereinfachten Ausschnitt einer Busbar mit einer Kühleinrichtung gemäß einer dritten Ausführung der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden.
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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 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, die eine Antriebsbatterie darstellt, welche ausgehend von der Ladedose 6 elektrisch aufladbar ist und die Antriebseinheit 3 im elektrischen bzw. teilelektrischen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt. Zusätzlich ist die Speichereinrichtung 8 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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Die Speichereinrichtung 8 kann hier in üblicher Weise mit einem sogenannten Charger-Converter ausgestattet sein, 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 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 als Hochstromleiter ausgebildete 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 zweite Verbindungsbereich 17 der Busbar 9 mit dem Pluspol 12 der Speichereinrichtung 8 über eine Schraubverbindung 18 fest verbunden.
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Alternativ hierzu sind in weiteren Ausführungen selbstverständlich auch andere geeignete Verbindungsarten wie z. B. Pin-Steckverbindungen möglich.
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Der über eine vergleichsweise weite Strecke führende Leiter-Abschnitt 16 mit großem Materialbedarf besteht vorliegend aus kostengünstigem Aluminium oder aus einer entsprechend elektrisch leitfähigen Aluminiumlegierung.
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Die Verbindungsbereiche 15, 17, die jeweils eine Art Kabelschuh darstellen, der beispielsweise etwa 2 cm breit und etwa 3 mm bis 4 mm hoch und zusätzlich räumlich gebogen ausgeführt sein kann, bestehen bei der gezeigten Ausführung 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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Zur Kühlung der Busbar 9 ist eine in den 2 bis 4 näher dargestellte Kühleinrichtung 20 vorgesehen, welche mit einer ersten Kammer 21 ausgebildet ist, welche sich in den gezeigten Ausführungen im Wesentlichen über die Länge der der Busbar 9 erstreckt und welche gasdicht als sogenannte Vapor Chamber ausgeführt ist. Hierzu ist in der ersten Kammer 21 zum Temperieren der Busbar 9 während eines elektrisch leitenden Zustands Wasser oder Aceton als Fluid aufgenommen, welches oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich der Kammer 21, die der Busbar 9 zugewandt ist, Wärmeenergie aufnimmt und verdampft, während es in einem weiteren Bereich der Kammer 21, der der Busbar 9 abgewandt ist, Wärmeenergie abgibt und dabei zu kondensiert.
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Des Weiteren ist die Kühleinrichtung 20 mit wenigstens einer zweiten Kammer 22 ausgebildet, welche sich jeweils parallel zu der ersten Kammer 21 zumindest über einen Teil einer Länge der Busbar 9 und zumindest über einen Teil der Länge der ersten Kammer 21 erstreckt.
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Die zweite Kammer 22 enthält Phasenumwandlungsmaterial 23, welches auch als PCM (Phase Changing Material) bezeichnet wird und als temporärer Latentwärmespeicher dient. Vorliegend wird als Phasenumwandlungsmaterial 23 ein Hartparaffin verwendet.
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In allen gezeigten Ausführungen entspricht die Breite der ersten Kammer 21 und der zweiten Kammer 22 zweckmäßigerweise der Breite der Busbar 9, wobei dich die Breite über den Verlauf der Busbar 9 je nach den gegebenen Bauraumbedingungen ändern kann.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführung entspricht die Längserstreckung der zweiten Kammer 22 annähernd der der Längserstreckung der ersten Kammer 21, wobei diese über die gesamte Länge mit vollständig mit Phasenumwandlungsmaterial 23 befüllt ist. Das heißt, parallel zu der eine Vapor Chamber bildenden ersten Kammer 21 erstreckt sich gesamtflächig der Latentwärmespeicher der zweiten Kammer 22.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsalternative ist das Phasenumwandlungsmaterial 23 nur lokal an bevorzugten Stellen in die zweite Kammer 22 eingebracht, welche einen Zwischenraum zwischen der Busbar 9 und der ersten Kammer 21 darstellt. In einer weiteren Ausführung wäre es auch denkbar, mehrere räumlich getrennte zweite Kammern mit Phasenumwandlungsmaterial 23 vorzusehen.
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Die Möglichkeit der Anordnung bzw. Schichtung der Busbar 9, der ersten Kammer 21 und der zweiten Kammer 22 ist prinzipiell nicht beschränkt. Wie in den 1 und 2 kann die zweite Kammer 22 zwischen der ersten Kammer 21 und der Busbar angeordnet sein. Auch eine umgekehrte Schichtung, bei der die erste Kammer 21 mit der Vapor Chamber zwischen der Busbar 9 und dem Latentwärmespeicher der zweiten Kammer 22 angeordnet ist, ist möglich.
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Alternativ kann wie in der Ausführung der 3 die als Vapor Chamber dienende erste Kammer auf einer Seite der Busbar 9 angebracht sein oder direkt in diese integriert sein, während auf der anderen Seite der Busbar ganzflächig oder abschnittsweise das den Latentwärmespeicher bildende Phasenumwandlungsmaterial 23 in einer oder mehreren zweiten Kammern 22 angeordnet ist. Die hierfür erforderliche(n) Kavität(en) kann zw. Können beispielsweise mit Blechen geschaffen werden oder in die Busbar 9 integriert sein.
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Bei den Ausführungen der 2 uns 3 ist zudem ersichtlich, dass sich die erste Kammer 21 hier jeweils über eine Abwinkelung in den Verbindungsbereich 17 der Busbar 9 mit der Speichereinrichtung 8 erstreckt, um auch den stark wärmebelasteten Kontaktbereich der elektrischen Schraubverbindung 18 zu kühlen.
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Der Materialquerschnitt des Leiter-Abschnitts 16 der Busbar 9 kann über deren Längserstreckung variieren. Ebenso können die Querschnitte der ersten Kammer 21 und der zweiten Kammer 22 je nach den örtlichen Gegebenheiten und Kühlungserfordernissen variieren.
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Die vorbeschriebene Ausführung der Busbar 9 mit integrierter Kühlung ermöglicht eine einfache Kühlung der Busbar und ihrer elektrischen Anschraubkontakte in den Verbindungsbereichen 15, 17. Aufgrund der verbesserten Temperierung der Busbars 9, 10 kann die Stromtragfähigkeit der Busbars und die Zuverlässigkeit des elektrischen Systems erhöht werden. Zudem können 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
- 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
- Schraubverbindung
- 20
- Kühleinrichtung
- 21
- erste Kammer, Vapor Chamber
- 22
- zweite Kammer
- 23
- Phasenumwandlungsmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2021213780 A1 [0013]
- DE 102017129250 A1 [0014]
- US 20190067763 A1 [0015]
- US 20210021077 A1 [0016]
