DE102022120946A1

DE102022120946A1 - Vorrichtung zum elektrischen Verbinden elektrischer Komponenten, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit einem kühlbaren Kontaktbereich

Info

Publication number: DE102022120946A1
Application number: DE102022120946.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Berkan; Frank Schütze-Juckenburg; Sundeep Manubolu; Denis Buchtatyj; Daniel-Jan Schendel; Tim Van Hout; Thomas Luttmann; Peter G. Diehl; Waldemar Krohmer
Original assignee: Iinovis GmbH
Current assignee: Iinovis GmbH
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (7) zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten (6, 8), insbesondere eines Ladesystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (1), vorgeschlagen, welche eine Stromleitung (9, 10) aufweist, welche über einen ersten Verbindungsbereich (15) mit einer ersten elektrischen Komponente (6) und über einen weiteren Verbindungsbereich (17) mit einer zweiten elektrischen Komponente (8) elektrisch leitend verbindbar ist. Zumindest einer der Verbindungsbereiche (15, 17) der Stromleitung (9, 10) ist mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung (18) mit einem Anschlussbereich (20) einer der zu kontaktierenden elektrischen Komponenten (6, 8) verbindbar und bildet eine elektrische Kontaktfläche (21) mit diesem Anschlussbereich (20). Es ist eine Kühleinrichtung (24) zur Wärmeabführung von der Kontaktfläche (21) vorgesehen, die einen gasdichten Hohlraum (25) aufweist, in dem zum Temperieren wenigstens des Bereichs der Kontaktfläche (21) ein Fluid aufgenommen ist, das dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes (25), der der Kontaktfläche (21) zugewandt ist, Wärmeenergie aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich des Hohlraumes (25), der entfernter von der Kontaktfläche (21) ist, Wärme-energie an die Umgebung des Hohlraumes (25) abzugeben und dabei zu kondensieren. Dabei ist der Hohlraum (25) zumindest teilweise von der Verbindungseinrichtung (18) umgeben. Des Weiteren wird eine Schraube (22) für eine solche Vorrichtung vorgeschlagen.

Description

Die erfindungsgemäße Technologie betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten, insbesondere eines Ladesystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit einem kühlbaren Kontaktbereich nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Die wiederlösbare mechanisch-physikalisch Verbindung elektrisch leitfähiger Verbindungen erfolgt üblicherweise auf Basis von Steck-Kontakten oder auf Basis von Schraubverbindungen. Im Falle von Schraubverbindungen für elektrische Kontakte müssen diese eine möglichst hohe, gleichverteilte Kontaktflächenpressung hervorrufen und zum anderen eine Flexibilität und Federvorspannung aufweisen, um im Betrieb thermisch-mechanische Belastungen sowie Materialsetzerscheinungen zu kompensieren.
Ist der Kontakt mechanisch optimiert, so wird hierbei der elektrische Kontaktübergangswiderstand minimiert und somit die Wärmeverlustleistung, aufgrund eines Stromflusses durch den Kontakt, minimiert. Zum Beispiel wirkt bei einem Ladesystem eines Elektrofahrzeugs mit einer Busbar und Kontaktbereichen mit Schraubverbindungen während eines Beladungsbetriebszustandes ein Kontaktwiderstand im Bereich dieser Schraubverbindungen in einem Bereich zwischen 5 µΩ und 30 µΩ. 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.
Generell ist hierbei jedoch die Strombelastbarkeit eines derartigen elektrischen Kontaktes durch die Einhaltung sicherer Betriebstemperaturgrenzen limitiert. Zum Beispiel können derartige Einsatztemperaturgrenzen bei Verwendung von Kupfer-basierten Leiterwerkstoffen in der Größenordnung von ca. 130 Grad Celsius liegen.
Bei Anwendungen, welche eine elektrische Verbindung zwischen zwei Komponenten mit einer hohen Stromtragfähigkeit erfordern, wie es z. B. bei Hochvolt-Systemen im Automotive-Bereich der Fall ist, kann die Einhaltung der Betriebstemperaturgrenzen schwierig sein.
Die gewünschten hohen Leitfähigkeiten der Stromleitung und der Kontaktbereiche 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.
Ein Beispiel für eine extreme Belastung einer Stromleitung 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 oder Kabel mit einer Ladedose an einer Karosserieaußenseite elektrisch verbunden ist.
Bei einem Ladevorgang wird zum einen eine nennenswerte Eigenerwärmung der elektrischen Stromleitung, wie z. B. einer Busbar mit ggf. unterschiedlichen Flachprofilen, hervorgerufen. Zum anderen treten an den Kontaktbereichen der elektrischen Verbindung zusätzliche Wärmequellen auf, indem die erforderlichen elektrischen Verbindungselemente wie z. B. Steckkontakte oder Schraubverbindungen einen zusätzlichen lokalen elektrischen Kontaktwiderstand aufweisen. Somit kommt es insbesondere im Bereich dieser elektrischen Kontaktanbindungen zur erhöhten lokalen Wärmeentwicklung mit der Folge einer lokal signifikant erhöhten Bauteiletemperatur, die zu einer Beschädigung des Bauteils bzw. der Verbindungskomponenten wie z. B. einer Schraube und zu einem technischen Versagen des elektrischen Kontaktes führen kann.
Die Problematik der auftretenden Wärme und deren Abführung insbesondere bei einer besonders stromtragfähigen elektrischen Verbindung besteht auch in anderen Bereichen mit Hochleistungsbatterien, wie z. B. im Luftfahrtbereich und der Energiespeicherung und - abgabe bei Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen.
Bei Verwendung einer Busbar als Stromleitung wird häufig diese selbst für die lokale Kühlung des elektrischen Kontaktes 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.
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. 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. Die Busbar kann unter Umständen selbst durch die ohmschen Verluste in gleichem Umfang oder sogar stärker erwärmt werden als die elektrischen Kontaktbereiche. Hochleistungsleitungen wie Busbars sind zudem in der Regel sehr gut elektrisch isoliert und mithin üblicherweise auch gleichzeitig relativ gut thermisch isoliert, wodurch die Nutzung einer Busbar zur Kühlung der Kontaktbereiche weiter eingeschränkt wird.
Grundsätzlich ist das Funktionsprinzip der Wärmeleitung, d. h. die Ableitung der im Kontakt erzeugten Verlustwärme zu einer kälteren Wärmesenke, durch den Wärmeleitwert technisch verfügbarer Werkstoffe wie z. B. Kuper begrenzt. 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 Stromleitung innerhalb des Fahrzeugs.
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.
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.
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.
All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie technisch aufwendig sind und lokal in den Kontaktbereichen ggf. nicht ausreichend sind, um das Überschreiten einer Grenztemperatur zu vermeiden.
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 eines Ladesystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit einem kühlbaren Kontaktbereich insbesondere bei elektrischen Schraubverbindungen bereitzustellen, welche hinsichtlich mindestens einer der folgenden Faktoren verbessert ist: Effiziente lokale Wärmeabfuhr, so dass eine resultierende Kontakttemperatur reduziert ist und die Robustheit und Zuverlässigkeit des Kontakts sowie auch die spezifische Stromtragfähigkeit erhöht 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.
Die Aufgabe/n wird/werden gelöst durch die Vorrichtung des Patentanspruches 1. Die hiervon abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Des Weiteren wird eine Schraube für eine solche Vorrichtung vorgeschlagen
Es wird mithin eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten, insbesondere eines Ladesystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, vorgeschlagen, welches eine Stromleitung aufweist, welche über einen ersten Verbindungsbereich mit einer ersten elektrischen Komponente und über einen weiteren Verbindungsbereich mit einer zweiten elektrischen Komponente elektrisch leitend verbindbar ist. Dabei ist zumindest einer der Verbindungsbereiche der Stromleitung mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung mit einem Anschlussbereich einer der zu kontaktierenden elektrischen Komponenten verbindbar und bildet eine elektrische Kontaktfläche mit diesem Anschlussbereich. Zur Wärmeabführung von der Kontaktfläche ist eine Kühleinrichtung vorgesehen.
Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung einen gasdichten Hohlraum auf, in dem zum Temperieren wenigstens des Bereichs der Kontaktfläche ein Fluid aufgenommen ist, das dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes, der der Kontaktfläche zugewandt ist, Wärmeenergie aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich des Hohlraumes, der entfernter von der Kontaktfläche ist, Wärmeenergie an die Umgebung des Hohlraumes abzugeben und dabei zu kondensieren. Der gasdichte Hohlraum ist dabei zumindest teilweise von der Verbindungseinrichtung umgeben.
Bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Technologie wird dem physikalischen Prinzip der Wärmeleitung konstruktiv das physikalische Prinzip der quasi-isothermen Wärmeübertragung mittels Phasenumwandlung überlagert. Erreicht wird dies durch das lokale Einbringen des gasdichten Hohlraums, welcher auch als Heat-Pipe oder Vapor-Chamber bezeichnet wird, direkt in den Bereich der Kontaktgeometrie.
Auf diese Weise werden die Kontaktbereiche lokal mit einer hoch effektiven Wärmeableitungsmöglichkeit ausgestattet, welche mindestens in dem geometrischen Bereich der elektrischen Kontaktanbindung wirkt und von dort bis auf die Busbar wirken kann. Die effiziente Temperaturreduktion im Kontaktbereich führt vorteilhafterweise zu einer erhöhten Robustheit und Zuverlässigkeit des Kontakts sowie auch zu einer Erhöhung der spezifischen Stromtragfähigkeit und der Leistungsfähigkeit. Des Weiteren erlaubt es die Erfindung, Material, Gewicht, Bauraum und Kosten einzusparen.
Bei einer technisch einfach zu realisierenden Ausführung der Erfindung kann die Verbindungseinrichtung mit einer Längsbohrung zur Aufnahme des gasdichten Hohlraums ausgebildet sein. Der Begriff Längsbohrung ist hierbei in seinem weitesten Sinne zu verstehen und umfasst Ausnehmungen jeglicher Geometrie, welche mit einem beliebigen geeigneten Bearbeitungswerkzeug hergestellt sein können.
Der gasdichte Hohlraum kann durch ein separates, insbesondere röhrenartiges, Bauelement gebildet sein, welches wie eine Patrone in die Längsbohrung eingesetzt werden kann. Dabei kann das Bauelement in der Längsbohrung mittels einer Schrumpfpassung oder Presspassung gehalten sein.
Im Hinblick auf eine gute Wärmeleitfähigkeit kann das Bauelement bei einer zweckmäßigen Ausführung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein.
Hinsichtlich seiner Länge kann das Bauelement derart dimensioniert sein, dass das Bauelement innerhalb der Längserstreckung der Längsbohrung angeordnet ist oder mit einem freien Ende der Längsbohrung abschließt oder einseitig oder beidseitig über die Längserstreckung der Verbindungseinrichtung übersteht. In letzterem Fall kann die Wärmeabfuhr aus dem Kontaktbereich ggf. beidseits noch weiter erhöht werden.
Der Durchmesser des den gasdichten Hohlraum bildenden Bauelements kann dem Durchmesser der Verbindungseinrichtung angepasst sein und auch über seine Längserstreckung variieren, um den gasdichten Hohlraum möglichst groß auszubilden.
Neben der Möglichkeit des Einsatzes eines z. B. patronenartigen separaten Bauelements zur Ausbildung des gasdichten Hohlraums bzw. einer Heat Pipe kann dieser auch direkt durch die Längsbohrung gebildet sein. In diesem Fall kann der gasdichte Hohlraum bzw. die Längsbohrung nach Aufnahme des Fluids mit einem Verschlussmittel gasdicht verschlossen werden. Diese sehr einfache und kostengünstige Ausführungsvariante bietet sich insbesondere für Schrauben aus Stahl oder einer Stahllegierung an, bei der eine Sacklochbohrung mit einem Pfropfen verschlossen wird.
Bei geringeren Anforderungen an die Anzugsmomente können auch Schrauben aus anderen Materialien bei der Verbindungseinrichtung zum Einsatz kommen, bei denen das Verschlussmittel aus einer Materialverformung bestehen kann. Denkbar sind z. B. hohlgebohrte Schrauben aus Aluminium oder Kupfer oder Legierungen hiervon, welche am freien Bohrungsende auch gasdicht zugekniffen, verschweißt oder verlötet sein können.
Denkbar ist es auch, die Längsbohrung in der Schraube der Verbindungseinrichtung und eine die Schraube aufnehmende Bohrung im Verbindungsbereich der Stromleitung, dann vorzugsweise einer Busbar, als gasdichten Hohlraum mit geeigneten Dichtungsmitteln abzudichten. Die Bohrung, in welche die Schraube eingedreht gedreht wird, kann in der Stromleitung bzw. Busbar beliebig verlängert werden, um den eine Heat Pipe bildenden Hohlraum entsprechend zu verlängern.
In einer weiteren Ausführung kann die Bohrung im Verbindungsbereich der Stromleitung bzw. Busbar selbst den gasdichten Hohlraum bilden. Das eingeführte Spannelement, z. B. eine Schraube, kann dann in herkömmlicher Weise ausgebildet sein und mit geeigneter Dichtung einen Verschluss des Hohlraums bzw. der als Heat Pipe dienenden Bohrung darstellen.
Die Erfindung entfaltet ihre größten Vorteile, wenn die Verbindungseinrichtung mit einer Schraube ausgebildet ist, in die die Längsbohrung eingebracht ist. Die Schraube kann gemäß jeglicher bekannten Ausführungsvariante einschließlich der eines Gewindebolzens ausgebildet sein.
Es ist jedoch auch denkbar, die Erfindung bei anders gestalteten Verbindungseinrichtungen, welche z. B. Stifte und hierbei insbesondere Passstifte nutzen, anzuwenden.
Die Stromleitung kann als eine Busbar, d. h. in Form einer starren Stromschiene, ausgebildet sein, welche einen Leiter-Abschnitt und an ihren entgegengesetzten Enden jeweils einen der Verbindungsbereiche aufweist. Alternativ kann die Stromleitung je nach Anwendungsfall jedoch auch als ein flexibles Kabel ausgebildet sein.
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.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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, mit einer Busbar als Stromleitung;
2 einen vereinfachten Ausschnitt eines Kontaktbereichs der Busbar der 1 mit einer elektronischen Komponente, hier einer Antriebsbatterie des Fahrzeugs der 1, mit einer als Schraubverbindung ausgeführten elektrischen Verbindungseinrichtung und einer Kühleinrichtung;
3 eine vereinfachten Darstellung einer Schraube der Verbindungseinrichtung der 1 in Alleinstellung mit einer ersten Ausführung der Kühleinrichtung;
4 eine vereinfachten Darstellung der Schraube der 3 mit einer zweiten Ausführung der Kühleinrichtung;
5 eine vereinfachten Darstellung der Schraube der 3 mit einer dritten Ausführung der Kühleinrichtung;
6 eine Ausführung eines Bauelements der Kühleinrichtung in Alleinstellung;
7 eine weitere, dreidimensionale Prinzipdarstellung eines Bauelements der Kühleinrichtung in Alleinstellung; und
8 eine weitere Ausführung einer Schraube der Verbindungseinrichtung mit einer Kühleinrichtung.

Bezug nehmend auf 1 ist stark schematisiert ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 als Anwendungsbeispiel für die hier offenbarte Technologie gezeigt, wobei es 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.
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.
Des Weiteren weist das Fahrzeug 1 ein Ladesystem auf, welches im Bereich seines Fahrzeughecks eine Ladeklappe 4 umfasst, 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.
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.
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.
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.
Die Vorrichtung 7 ist mit einer ersten, als Busbar ausgestalteten Stromleitung 9 und mit einer zweiten, ebenfalls als Busbar ausgestalteten Stromleitung 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Verbindungsbereiche 15, 17 der Busbar 9 sind vorliegend in analoger Weise mit der jeweils zu kontaktierenden elektrischen Komponente, d. h. der Ladedose 6 bzw. der Speichereirichtung 8, verbunden, weshalb nachfolgend exemplarisch nur auf die Verbindung 17 mit der Speichereinrichtung 8 eingegangen wird.
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist der Verbindungsbereich 17 der Busbar 9 mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung 18 mit einem Anschlussbereich 20 der Speichereinrichtung 8 verbunden, wobei eine elektrische Kontaktfläche 21 zwischen dem Anschlussbereich 20 der Speichereinrichtung 8 und dem Verbindungsbereich 17 der Busbar 9 gebildet wird.
Die Verbindungseinrichtung 18 umfasst als Spannelement eine Schraube 22, welche in ein Sackloch 19 mit Gewinde im Anschlussbereich 20 der Speichereinrichtung 8 eingeschraubt ist und zusammen mit einem Federelement 23 eine vorgespannte Schraubverbindung im Bereich der Kontaktfläche 21 herstellt.
Zur mit den Pfeilen Q' symbolisierten Wärmeabführung von der Kontaktfläche 21 während eines elektrisch leitenden Zustands dient eine Kühleinrichtung 24, welche auf dem Prinzip der quasi-isothermen Wärmeübertragung mittels Phasenumwandlung basiert und einen gasdichten Hohlraum 25 aufweist, welcher eine Heat Pipe bzw. Vapor Chamber darstellt. Hierzu enthält der Hohlraum 25 als Fluid 28 Wasser oder Aceton oder ein anderes geeignetes organisches Mittel, das oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes 25, der der Kontaktfläche 21 zugewandt ist, Wärmeenergie Q'in aufnimmt und dabei verdampft, und in einem weiter von der Kontaktfläche 21 entfernten Bereich des Hohlraumes 25 Wärmeenergie $Q'_{out}$
an die Umgebung des Hohlraumes 25 abgibt und dabei kondensiert. Dieses Funktionsprinzip ist insbesondere in 7 näher veranschaulicht.
Der als Heat Pipe dienende Hohlraum 25 ist zumindest teilweise von der Verbindungseinrichtung 18, hier konkret von der Schraube 22, umgeben. Hierfür weist die Schraube 22 eine Längsbohrung 26 zur Aufnahme des gasdichten Hohlraums 25 auf.
Bei den in 2 bis 7 gezeigten Ausführungen wird der gasdichte Hohlraum 5 durch ein separates, vorliegend röhrenartiges und patronenartiges Bauelement 27 gebildet ist, welches in die Längsbohrung 26 der Schraube 22 mit einer Schrumpfpassung eingesetzt ist.
Das Bauelement 27 mit dem als Vaper Chamber bzw. Heat Pipe dienenden Hohlraum 25 ist vorliegend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, jedoch wäre die Verwendung eines andern für den Anwendungsfall geeigneten Materials, z. B. Aluminium oder Aluminiumlegierungen, ebenfalls möglich.
Jedoch ist auch eine direkte und unmittelbare Integration in das Spannelement darstellbar. Hierbei wird dann nicht eine separate heat pipe in die Hohlstelle des Spannelementes integriert (z. B. durch eine Schrumpfpassung), sondern die Hohlstelle des Spannelementes wird als Heat-Pipe ausgestaltet und der ausgebildete Hohlkörper im Spannelement wird dabei wieder verschlossen.
Hinsichtlich seiner Länge kann das in die Schraube 22 integrierte Bauelement 27 der Kühleinrichtung 24 unterscheidlich dimensionert sein, wie die Ausführungen der 2 bis 5 beispielhaft veranschaulichen.
Bei der ausführung der 3 ist das patronenartige Bauelement 27 innerhalb der Längserstreckung der Längsbohrung 26 der Schraube 22 angeordnet.
Bei der Ausführung der 4 ragt das die Vapor Chamber enthaltende Bauelement 27 über das freie Ende der als Sacklochbohrung ausgeführten Längsbohrung 26 der Schraube 22 hinaus und erstreckt damit die Wärmeabgabe in einen noch weiter von der Kontaktfläche 21 entfernten Bereich.
Um die Heatpipe-Funktion über die Länge der Schraube 22 auszudehnen, kanndie Schraube, wie in 5 gezeigt, statt einem Sackloch eine durchgehende Längsbohrung 26 aufweisen, in die ein beidseits über die Länge der Schraube 22 überstehendes Baulelemnbt 27 eingeseztztist, welches die Heat Pipe-Funktion auf beide Seiten der Kontaktfläche 21 erstreckt. Die Heat Pipe-Funktion ist hier nahezu unabhängig von der Länge der Schraube 22.
Das die Heat Pipe bzw. Vapor Chamber bildende Bauelement 27 kann in weiteren Ausführungen auch an ihren überstehenden Enden gebogen ausgeführt sein.
Grundsätzlkich ist es auch denkbar, die Längsbohrung 26 gebogen auszuführen, wenn dies für den Anwendungsfall vorteilhaft ist.
Ebenso kann der Durchmesser des den gasdichten Hohlraum 25 bildenden Bauelements 27 über seine Längserstreckung variieren, wie es in 6 beispielhaft gezeigt ist.
Bei der in 8 gezeigten, sehr kostengünstigen Ausführung wird auf ein separates Bauteil zur Ausbildung des gasdichten Hohlraums 25 verzichtet und stattdessen wird der gasdichte Hohlraum 25 direkt durch die Längsbohrung 26 gebildet. Bei der gezeigten Ausführung dient ein Verschlussmittel 29 zur Abdichtung des als Vapor Chamber fungierenden Hohlraums 25.
Bezugszeichen

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: Verbindungseinrichtung
19: Sackloch
20: Anschlussbereich
21: Kontaktfläche
22: Schraube
23: Federelement
24: Kühleinrichtung
25: gasdichter Hohlraum
26: Längsbohrung
27: Bauelement
28: Fluid
29: Verschlusselement
Q', Q'in, Q'out: Wärmeführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021/213780 A1 [0013]
DE 102017129250 A1 [0014]
US 2021/0021077 A1 [0015]

Claims

Vorrichtung (7) zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten (6, 8), insbesondere eines Ladesystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (1), aufweisend - eine Stromleitung (9, 10), welche über einen ersten Verbindungsbereich (15) mit einer ersten elektrischen Komponente (6) und über einen weiteren Verbindungsbereich (17) mit einer zweiten elektrischen Komponente (8) elektrisch leitend verbindbar ist, wobei zumindest einer der Verbindungsbereiche (15, 17) der Stromleitung (9, 10) mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung (18) mit einem Anschlussbereich (20) einer der zu kontaktierenden elektrischen Komponenten (6, 8) verbindbar ist und eine elektrische Kontaktfläche (21) mit diesem Anschlussbereich (20) bildet, und wobei eine Kühleinrichtung (24) zur Wärmeabführung von der Kontaktfläche (21) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (24) einen gasdichten Hohlraum (25) aufweist, in dem zum Temperieren wenigstens des Bereichs der Kontaktfläche (21) ein Fluid (28) aufgenommen ist, das dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes (25), der der Kontaktfläche (21) zugewandt ist, Wärmeenergie aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich des Hohlraumes (25), der entfernter von der Kontaktfläche (21) ist, Wärmeenergie an die Umgebung des Hohlraumes (25) abzugeben und dabei zu kondensieren, wobei der Hohlraum (25) zumindest teilweise von der Verbindungseinrichtung (18) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (18) mit einer Längsbohrung (26) zur Aufnahme des gasdichten Hohlraums (25) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Hohlraum (25) durch ein separates, insbesondere röhrenartiges, Bauelement (27) gebildet ist, welches in die Längsbohrung (26) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (27) mittels einer Schrumpfpassung oder Presspassung in der Längsbohrung (26) gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (27) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Bauelements (27) derart dimensioniert ist, dass das Bauelement (27) innerhalb der Längserstreckung der Längsbohrung (26) angeordnet ist oder mit einem freien Ende der Längsbohrung (26) abschließt oder einseitig oder beidseitig über die Längserstreckung der Verbindungseinrichtung (18) übersteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Bauelements (27) über seine Längserstreckung variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Hohlraum (25) direkt durch die Längsbohrung (26) gebildet ist, welche nach Aufnahme des Fluids mit einem Verschlussmittel (29) gasdicht verschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (18) mit einem Spannelement (22), insbesondere einer Schraube (22), ausgebildet ist, in welchem die Längsbohrung (26) zur Aufnahme des gasdichten Hohlraums (25) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (28) Wasser oder Aceton ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitung als eine Busbar (9, 10) ausgebildet ist, welche einen Leiter-Abschnitt (16) und an ihren entgegengesetzten Enden jeweils einen der Verbindungsbereiche (15, 17) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitung (9, 10) als ein flexibles Kabel ausgebildet ist.
Schraube (22) für eine Vorrichtung (7) zum elektrischen Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Komponenten (6, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Schraube (22) eine Kühleinrichtung (24) aufweist, welche in einer Längsbohrung (26) der Schraube (22) aufgenommen ist, und wobei die Kühleinrichtung (24) einen gasdichten Hohlraum (25) aufweist, in dem ein Fluid (28) aufgenommen ist, das dazu ausgelegt ist, oberhalb einer definierten Betriebstemperatur in einem Bereich des Hohlraumes (25) Wärmeenergie aufzunehmen und dabei zu verdampfen, und in einem weiteren Bereich des Hohlraumes (25) Wärmeenergie an die Umgebung des Hohlraumes (25) abzugeben.