DE102022124740A1

DE102022124740A1 - Ladesteckverbinder für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102022124740A1
Application number: DE102022124740.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Sturm; Michael Berres; Christian Bauer
Original assignee: Kiekert AG
Current assignee: Kiekert AG
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024067914A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Ladesteckverbinder (1) für Elektro- und Hybridfahrzeuge (5), mit einem Gehäuse (6), in dem Gehäuse (6) angeordneten Ladekontakten (2), zum Kontaktieren korrespondierender Ladekontakte (7) eines korrespondierenden Ladesteckverbinders (8) und einem Latentwärmespeicher (9), der mit wenigstens einem Ladekontakt (2) in thermischem Kontakt steht. Auf diese Weise wird ein verbesserter Wärmeabtrag bei einem Ladesteckverbinder (1) erzielt, der selbst mit keinem Kühlsystem von Seiten einer Ladestation (20) ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladesteckverbinder für Elektro- und Hybridfahrzeuge, mit Ladekontakten, zum Kontaktieren korrespondierender Ladekontakte eines korrespondierenden Ladesteckverbinders.
Elektro- und Hybridfahrzeuge verfügen über einen aufladbaren Energiespeicher, in der Regel eine Hochvolt-Batterie, die im Fahrbetrieb einem elektrischen Antriebsmotor Energie bereitstellt. Die Speicherkapazitäten dieser Hochvolt-Batterien sind begrenzt, so dass sie regelmäßig an einer Ladestation wieder aufgeladen werden müssen. Das Laden der Batterie erfolgt über ein zwischen Ladestation und Fahrzeug vorgesehenes Ladekabel, wobei das Ladekabel z.B. gemäß der europäischen Norm IEC 62196 Typ 2 auf der einen Seite mit einem Ladestecker, der in eine an der Ladestation vorgesehene Ladesteckdose einsteckbar ist, und auf der anderen Seite mit einer Ladekupplung versehen ist, die mit einem im Elektro- und Hybridfahrzeug installierten Ladeeinbaustecker verbindbar ist. Vorliegend werden Ladesteckdosen, Ladestecker, Ladekupplungen und Ladeeinbaustecker unter dem Begriff „Ladesteckverbinder“ subsummiert. Ladesteckdosen und Ladekupplungen weisen als Ladekontakte Kontakthülsen auf und Ladestecker sowie in Elektro- und Hybridfahrzeuge einbaubare Ladeeinbaustecker weisen als Ladekontakte Kontaktstifte auf, die in die Kontakthülsen einsteckbar sind.
Wie z.B. in der EP 3 043 421 A1 dargelegt, heizt sich aufgrund eines durch den Ladesteckverbinder fließenden Ladestroms dieser wegen ohmscher Stromwärmeverlusten auf. Das Aufheizen des Ladesteckverbinders ist jedoch auf eine Grenztemperaturerhöhung limitiert. So ist beispielsweise gemäß der Norm IEC 62196-3 die Grenztemperaturerhöhung auf 50 K limitiert. Dies wiederum führt bei größtenteils genormten Steckverbindergeometrien zu einem maximalen Ladestrom, der in der Regel nicht größer als 200 A im Dauerlastbestrieb sein kann. Bei einer intermittierenden Aufladung der Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sind jedoch höhere Ladeströme über begrenzte Zeiträume notwendig, um die Batterie in einer gewünschten kurzen Zeit aufzuladen. Dies kann zu einer temporären Erhitzung der Ladesteckverbinder führen, die über der Grenztemperaturerhöhung liegt. Der Leitungsquerschnitt der Elektroanschlusskörper lässt sich nicht beliebig vergrößern, da die Steckverbindergeometrien genormt sind und darüber hinaus für die Elektroanschlusskörper eine möglichst geringe Menge an leitfähigem Material, üblicherweise Kupfer, verwendet werden soll.
Insofern soll gemäß der EP 3 043 421 A1 die Aufgabe gelöst werden, einen Elektroanschlusskörper bereitzustellen, der erhöhte Ladeströme bei einer begrenzten Aufheizung ermöglicht und daher eine erhöhte Kurzzeitstromtragfähigkeit aufweist. Diese Aufgabe soll dadurch gelöst sein, dass ein Elektroanschlusskörper für einen Ladestecker bzw. eine Ladebuchse bereitgestellt wird, wobei der Elektroanschlusskörper einen ersten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einem elektrischen Energieempfänger und einen zweiten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle aufweist, wobei der Elektroanschlusskörper so ausgestaltet ist, dass dieser einen im Elektroanschlusskörper ausgebildeten Kühlfluidkanal aufweist, wobei der Kühlfluidkanal des Elektroanschlusskörpers mit einer Kühlfluidquelle fluidverbunden ist, die in einer Ladestation angeordnet ist.
Eine Kühlung eines Ladesteckverbinders für Elektro- und Hybridfahrzeuge, die von der Seite der Ladestation ausgeht, ist auch ansonsten aus dem Stand der Technik gut bekannt. So beschreibt die DE 10 2015 119 338 A1 , dass an einem Kontakthülsenelement eines Ladesteckers zwei Anschlussstellen für Kühlmittelleitungen angeordnet sind. Mittels eines spiralförmigen Aufsteckelements wird Kühlmittel zirkular um das Kontakthülsenelement geleitet. Die zwei Anschlussstellen dienen als Zu- und Ablauf für das Kühlmittel, das von der Ladestation zum Ladestecker geleitet wird. Die EP 3 433 902 B1 beschreibt ebenfalls ein Steckverbinderteil mit gekühlten Kontaktelementen. Auch hier ist ladestationsseitig das Heranführen eines Kühlmittels via Kühlmittelleitungen an die Kontaktelemente der an dem Ladekabel angeschlossenen Ladekupplung vorgesehen. Als Kühlmittel ist ein Fluid vorgesehen, welches senkrecht zum Kontaktelement in das ausgehölte Kontaktelement geleitet wird und innerhalb des Kontaktelements zurückströmt. Die 10 2016 105 361 B4 beschreibt schließlich ebenfalls ein Steckverbinderteil mit einem gekühlten Kontaktelement, wobei auch hier ladestationsseitig das Heranführen eines Kühlmittels via Kühlmittelleitungen an die Kontaktelemente einer am Ladekabel angeschlossenen Ladebuchse vorgesehen ist. An den Kontaktelementen sind dabei Leitelemente angeordnet, die ein Umströmen der Kontaktelemente durch das Kühlmittel in Form von Pressluft gewähren sollen.
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wärmeabtrag bei einem Ladesteckverbinder zu erzielen, der selbst mit keinem Kühlsystem von Seiten einer Ladestation ausgestattet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird somit ein Ladesteckverbinder für Elektro- und Hybridfahrzeuge bereitgestellt, mit Ladekontakten, zum Kontaktieren korrespondierender Ladekontakte eines korrespondierenden Ladesteckverbinders und einem Latentwärmespeicher, der mit wenigstens einem Ladekontakt in thermischem Kontakt steht.
Latentwärmespeicher basieren auf der Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das vorliegend genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs der festen Phase zu der flüssigen Phase, also der Übergang vom erstarrten Medium zum geschmolzenen Medium. Dazu enthält ein Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial. Phasenwechselmaterialien sind Materialien, die während ihres Phasenwechsels abhängig vom jeweiligen Schmelzpunkt und der Umgebungstemperatur Wärme oder Kälte abgeben bzw. aufnehmen können.
Die im Temperaturbereich des Phasenwechsels gespeicherte Energiebeträge sind deutlich größer als die Energieaufnahme in einem gleich großen Temperaturintervall während des Erwärmens ohne einen Phasenübergang. Bei einer solchen Erwärmung ohne Phasenübergang wird die Energieaufnahme lediglich von der spezifischen Wärmekapazität des jeweiligen Materials bestimmt. Daher gibt es bei Phasenwechselmaterialien einen Vorteil in Bezug auf die Wärmespeicherdichte, besonders bei kleinen Temperaturdifferenzen.
Wird ein Phasenwechselmaterial erwärmt und nähert sich seine Temperatur der Schmelztemperatur, wo wird die vom Phasenwechselmaterial aufgenommene Wärme dazu verwendet, den Phasenwechsel zu vollziehen. Während der Umwandlung von der festen Phase zu der flüssigen Phase kommt es daher zu keiner Temperaturerhöhung. Sobald das Phasenwechselmaterial vollständig flüssig ist, erwärmt sich das Phasenwechselmaterial weiter wie vor dem Phasenübergang.
Dadurch, dass sich in der Zeit des Phasenübergangs das Phasenwechselmaterial nicht weiter erwärmt, wird die Erwärmung gegenüber einer Erwärmung ohne Phasenübergang verzögert. Dies wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um die Temperatur an dem Ladekontakt, der mit dem Latentwärmespeicher in thermisch leitendem Kontakt steht, möglichst gering zu halten. Auf diese Weise ist es möglich, bei einem Ladevorgang die Zeit zu verlängern, bis eine kritische Temperatur erreicht wird, bei der der Ladevorgang unterbrochen werden muss, bis der Ladekontakt wieder auf eine zulässige Temperatur abgekühlt worden ist.
Der hier in Rede stehende thermische Kontakt zwischen dem Ladekontakt und dem Latentwärmespeicher kann z.B. durch direkten körperlichen Kontakt erzielt werden. Es ist jedoch auch ein Kontakt über ein Wärmeleitelement möglich. Genauso ist es möglich, den Latentwärmespeicher lediglich in der unmittelbaren Nähe des Ladekontakts anzuordnen.
Wenn vorliegend von einem korrespondierenden Ladesteckverbinder die Rede ist, dann ist damit einerseits ein Ladesteckverbinder gemeint, der das selbe Steckgesicht wie der erfindungsgemäße Ladesteckverbinder aufweist, wobei das eine Steckgesicht aber Kontaktstifte aufweist, wenn das andere Steckgesicht Kontakthülsen aufweist, und umgekehrt. Das Set aus erfindungsgemäßem Ladesteckverbinder und korrespondierendem Ladesteckverbinder kann also zusammengesteckt werden. Andererseits wird vorliegend auch dann von einem korrespondieren Ladesteckverbinder gesprochen, wenn die Steckgesichter im zuvor genannten Sinne sich nur teilweise entsprechen, also der korrespondierende Ladesteckverbinder z.B. nicht alle Kontakte aufweist, die bei dem erfindungsgemäßen Ladesteckverbinder vorhanden sind, die vorhandenen Kontakte des korrespondieren Ladesteckverbinders aber vom Steckgesicht her dem erfindungsgemäßen Ladesteckverbinder entsprechen, so dass der erfindungsgemäße Ladesteckverbinder und der korrespondierende Ladesteckverbinder auch in diesem Fall zusammengesteckt werden können.
Ein solcher Fall liegt z.B. vor bei einer an einem Ladekabel angeschlossenen Ladekupplung für ein Gleichstromladen nach der europäischen Norm IEC 62196 Typ 2. Eine solche Ladekupplung ist in einen in die Karosserie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eingebauten und für ein Wechselstromladen sowie für ein Gleichstromladen geeigneten Ladeeinbaustecker einsteckbar, wobei im Wechselstromsteckgesicht bei der Gleichstromladenladekupplung nur die Kommunikationskontakte und der Schutzkontakt vorhanden sind, jedoch keine Kontakte für Außenleiter und einen Mittelleiter für ein Wechselstromladen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher einen Behälter aufweist, der ein Phasenwechselmaterial enthält, dessen Phasenübergang von der festen Phase zur flüssigen Phase zum Abführen von Wärme von dem Ladekontakt ausgenutzt wird. Ganz besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang von der festen Phase zur flüssigen Phase innerhalb des Temperaturbereichs zwischen 60 °C und 80 °C aufweist, vorzugsweise zwischen 65 °C und 75 °C. Vorzugsweise wird dabei als Phasenwechselmaterial ein Paraffin aufweisendes Material und/oder ein ein Salzhydrat aufweisendes Material verwendet. Solche Werkstoffe sind als Phasenwechselmaterialien gut bekannt und können auf eine Schmelztemperatur von z.B. 70 °C abgestimmt werden.
Grundsätzlich können verschiedene Ladekontakte des Ladesteckverbinders mittels des Latentwärmespeichers gekühlt werden. Vorzugsweise ist es jedoch so, dass der Ladesteckverbinder zwei Gleichstromladekontakte aufweist und der Latentwärmespeicher mit beiden Gleichstromladekontakten in thermischem Kontakt steht.
Vorliegend werden solche Kontakte als Gleichstromladekontakte bezeichnet, die ausschließlich für das Laden mit Gleichstrom vorgesehen sind. Bei solchen Gleichstromladekontakten kommt es beim Laden mit hohen Strömen in besonderem Maße zu einer Erwärmung. Daher ist die Verwendung der Erfindung für Gleichstromkontakte besonders bevorzugt.
In Abgrenzung zu Gleichstromkontakten gibt es Wechselstromladekontakte. Damit sind die Außenleiter sowie der Neutralleiter (Mittelleiter) gemeint, die jedenfalls auch für eine Laden mit Wechselstrom vorgesehen sind. Als Außenleiter (umgangssprachlich auch als Phase bezeichnet) wird dabei ein Leiter bezeichnet, der im üblichen Betrieb unter Spannung steht und zur Übertragung oder Verteilung elektrischer Energie beitragen kann, aber kein Neutralleiter ist. Ein Neutralleiter ist ein Leiter, der mit dem Neutralpunkt elektrisch verbunden und in der Lage ist, zur Verteilung elektrischer Energie beizutragen. In der europäischen Norm IEC 62196 Typ 2 werden die Kontakte, die vorliegend als Wechselstromladekontakte bezeichnet werden, mit L1, L2 und L3 (Außenleiter) und mit N (Neutralleiter) und die Gleichstromladekontakte mit DC+ und DC- bezeichnet. Diesem Verständnis soll nicht entgegenstehen, dass die europäische Norm IEC 62196 Typ 2 auch eine Betriebsart kennt, gemäß der über die Kontakte L1, L2, L3 und N ein Gleichstromladen erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Ladesteckverbinder vier Wechselstromladekontakte auf, wobei der Latentwärmespeicher mit allen vier Wechselstromladekontakten in thermischem Kontakt steht. Auf diese Weise steht der Vorteil der Erfindung auch für die Wechselstromkontakte des Ladesteckverbinders zur Verfügung.
Grundsätzlich muss das Phasenwechselmaterial im flüssigen Zustand innerhalb des Behälters nicht bewegt werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch in dem Behälter eine Umwälzeinrichtung zum Umwälzen des Phasenwechselmaterials innerhalb des Behälters angeordnet. Dies dient zur Verbesserung der Wärmeleitung im Latentwärmespeicher nach Überschreiten der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials. Nach Überschreiten der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterial kann auf diese Weise die Wärmezirkulation über die Umwälzeinrichtung verbessert werden. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass die Umwälzeinrichtung ein Umwälzrad aufweist, das über eine Magnetkupplung mit einer außerhalb des Behälters angeordneten Antriebswelle in Wechselwirkung steht.
Beim Phasenwechsel des Phasenwechselmaterial von der festen in die flüssige Phase tritt eine Volumenänderung von typischerweise etwa 10 % auf. Je nach Anordnung des mit dem Phasenwechselmaterial gefüllten Behälters zu dem Ladekontakt kann die Situation auftreten, dass das Phasenwechselmaterial praktisch „von unten nach oben“ schmilzt und damit ein Überdruck im Behälter entsteht, der aufgrund der oben liegenden festen Phase nicht einfach ausgeglichen werden kann. Diesem Problem kann mit folgenden bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung begegnet werden. Diese bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung können auch miteinander kombiniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in dem Behälter wenigstens ein Wärmeleitelementen angeordnet, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial aufweist. Dies verbessert die Effizienz der Wärmeeinleitung in den inneren Bereich des Latentwärmespeichers hinein. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass das Wärmeleitelement wenigstens eine Ausnehmung aufweist, die mit einem elastischen Abdeckelement verschlossen ist und ein Gas enthält. Auf diese Weise wird ein Bereich mit einem veränderlichen Volumen in den Behälter integriert.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass in dem Behälter eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen angeordnet sind und zwischen wenigstens einem Teil der Wärmeleitelemente Abstandshalter platziert sind, um die Abstände zwischen den Wärmeleitelementen auch während des Phasenübergangs des Phasenwechselmaterials konstant zu halten. Dabei sind in dem Behälter vorzugsweise Bleche oder Kunststoffrippen als Wärmeleitelemente angeordnet. Für die Kunststoffrippen wird vorzugsweise ein bezüglich der Wärmeleitfähigkeit optimierter Kunststoff verwendet.
Außerdem ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in dem Behälter mehrere voneinander getrennte Kammern angeordnet sind, in denen jeweils ein Phasenwechselmaterial enthalten ist. Dies kann für den lokalen Druckausgleich hilfreich sein. Darüber hinaus sind in den Kammern wenigstens zwei voneinander verschiedene Phasenwechselmaterialien enthalten. Verschiedene Kammern enthalten also verschiedene Phasenwechselmaterialien. Phasenwechselmaterialien werden vorliegend als voneinander verschieden angesehen, wenn sie wenigstens unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen. Dabei ist es ganz besonders bevorzugt, dass eine Kammer, die näher an dem Ladekontakt liegt, ein Phasenwechselmaterial enthält, dessen Schmelztemperatur höher liegt als die Schmelztemperatur eines Phasenwechselmaterials, das in einer weiter von dem Ladekontakt entfernten Kammer enthalten ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Behälter ein elastisches Ausdehnungselement und/oder eine elastische Dehnungsfuge auf. Auf diese Weise wird ein Behälter erzielt, der elastisch nachgeben und somit Volumenänderungen aufnehmen kann. Hierfür können z.B. elastische Kunststoffe als Material für den Behälter verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Behälter vollständig aus einem elastischen Material gefertigt ist.
Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in den Behälter wenigstens ein elastisch komprimierbares Element eingebracht ist. Auch auf diese Weise kann eine Anpassung an ein sich ausdehnendes Volumen innerhalb des Behälters erfolgen. Ein solches elastisch komprimierbares Element kann z.B. als ein Stück aus geschlossenporigem Elastomerschaum oder als ein elastischer Behälter mit Gasfüllung in den Behälter des Latentwärmespeichers eingebracht sein.
Im Übrigen ist es bevorzugt, dass der Behälter des Latentwärmespeichers aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Kunststoff, oder aus Metall gefertigt ist, das im Bereich des Ladekontakts eine elektrische Isolierung aufweist.
Darüber hinaus sind in dem Gehäuse vorzugsweise zwei Öffnungen vorgesehen, die das Befüllen mit dem Phasenwechselmaterial ermöglichen. Diese beiden Öffnungen werden nach der Befüllung vorzugsweise wasserdicht und druckfest verschlossen. Vorzugsweise ist die Füllmenge so gewählt, dass die Volumenausdehnung durch den Phasenübergang des Phasenwechselmaterials durch ein Luftpolster kompensiert wird und somit die Belastung auf den Behälter reduziert ist. Die Behälteröffnungen werden vorzugsweise mit Verschlusskappen über ein Reibschweißverfahren geschlossen.
Die Erfindung betrifft außerdem auch die Verwendung eines zuvor beschriebenen Ladesteckverbinders an der Fahrzeugkarosserie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter im Detail beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen

1 einen Ladesteckverbinder gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von einer ersten Seite her,
2 den Ladesteckverbinder aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von einer zweiten Seite her,
3 einen korrespondierenden Ladesteckverbinder in einer perspektivischen Ansicht,
4 den Ladesteckverbinder aus 2 in noch nicht geschlossenem Zustand in einer perspektivischen Ansicht,
5a den Latentwärmespeicher des Ladesteckverbinders aus 4 in einer perspektivischen Ansicht von einer ersten Seite her
5b den Latentwärmespeicher des Ladesteckverbinders aus 4 in einer perspektivischen Ansicht von einer zweiten Seite her,
6a den Latentwärmespeicher aus 5a in einer Draufsicht,
6b den Latentwärmespeicher aus 6a längs der Schnittlinie A-A,
6c Details des Latentwärmespeichers aus 6b,
7a einen Teil eines Ladesteckverbinder gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der der Latentwärmespeicher integral mit dem Gehäuse des Ladesteckverbinders ausgebildet ist,
7b den in 7a gezeigten Teil des Ladesteckverbinders in einem mit einem zweiten Teil zusammengefügten Zustand,
8 schematisch die Anordnung einer Umwälzeinrichtung in einem Latentwärmespeicher zum Umwälzen des Phasenwechselmaterials,
9 ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung einen Behälter mit mehreren Kammern gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
10 die Installation eines Ladesteckverbinders gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an der Karosserie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.

1 zeigt einen Ladesteckverbinder 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von einer ersten Seite her und 2 zeigt diesen Ladesteckverbinder 1 in einer perspektivischen Ansicht von der gegenüberliegenden Seite her. Von der Funktion und vom Steckgesicht her handelt es sich vorliegend um einen Einbauladestecker für Elektro- und Hybridfahrzeuge gemäß der europäischen Norm IEC 62196 Typ 2 mit in einem Gehäuse 6 angeordneten Ladekontakten 2, die einerseits Gleichstromladekontakte 3 und andererseits auch Wechselstromladekontakte 4 umfassen. Dieser Ladesteckverbinder 1 ist vorliegende als Ladeinbaustecker zur Verwendung an der Fahrzeugkarosserie 23 eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs 5 vorgesehen, wie exemplarisch aus 10 ersichtlich.
Ein zu diesem Ladesteckverbinder 1 korrespondierender Ladesteckverbinder 8 ist aus 3 ersichtlich. Dabei handelt es ich um eine Ladkupplung nach der europäischen Norm IEC 62196 Typ 2 mit zwei korrespondierenden Ladekontakten 7 in Form zweier Gleichstromladekontakte. Die anderen dargestellten und nicht mit Bezugszeichen versehenen Kontakte sind hier ein Schutzkontakt sowie zwei Kommunikationskontakte.
Wesentlich ist nun, dass der Ladesteckverbinder 1 einen Latentwärmespeicher 9 aufweist, der mit den beiden Gleichstromladekontakten 3 in thermischem Kontakt steht. Dazu ist in 4 das Anschlussteil 24 des Ladesteckverbinders 1, das bei der Installation in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug 5 dem Inneren des Elektro- oder Hybridfahrzeugs 5 zugewandt ist, von dem Steckteil 25, das nach außen gerichtet ist, getrennt dargestellt. Von dem Anschlussteil 24 gehen im installierten Zustand des Ladesteckverbinders 1 hier nicht weiter dargestellte elektrische Leitungen ab, die zu einer Batterie des Elektro- oder Hybridfahrzeugs 5 führen. Auf das Steckteil 25 wird der korrespondierende Ladesteckverbinder 8 für einen Ladevorgang aufgesteckt.
Wie aus den 5a und 5b ersichtlich, weist der Latentwärmespeicher 9 einen Behälter 10 auf, der ein hier nicht dargestelltes Phasenwechselmaterial enthält, dessen Phasenübergang von der festen Phase zur flüssigen Phase zur Kühlung der Gleichstromladekontakte 3 genutzt wird. Das Phasenwechselmaterial ist über jetzt geschlossene Einfüllöffnungen 26 in den Behälter 10 eingefüllt worden. Die Ladekontakte 2 sind im Querschnitt kreisförmig und der Behälter 10 weist eine Ausnehmung 12 auf, innerhalb derer die Ladekontakte 2 positioniert sind. Die Funktion des Latentwärmespeicher 9 ist dabei nun wie folgt:

Das Phasenwechselmaterial ist vorliegende so gewählt, dass es einen Schmelzpunkt von 70 °C aufweist, unter 70 °C also fest ist und über dieser Temperatur flüssig. Bei einem normalen Ladevorgang, bei dem über die Gleichstromladekontakte 3 ein Gleichstrom fließt, ist das Phasenwechselmaterial also bei üblichen Umgebungsbedingungen fest. Erwärmen sich die Gleichstromladekontakte 3 nun während es Ladevorgangs kommt es auch zu einer Erwärmung des Phasenwechselmaterials. Dieses erhöht seine Temperatur bis auf einen Temperaturwert von 70 °C und bleibt dabei in der festen Phase. Ab dem Schmelzpunkt von 70 °C beginnt das Phasenwechselmaterial zu schmelzen, also sich zu verflüssigen. Während dieses Schmelzvorgangs erhöht sich die Temperatur des Phasenwechselmaterials nicht. Vielmehr bleibt dessen Temperatur bei 70 °C. Erst wenn das Phasenwechselmaterial vollständig geschmolzen ist, also in seine flüssige Phase überführt ist, kommt es zu einem weiteren Temperaturanstieg.

Dies hat den positiven Effekt, dass die Erwärmung des Phasenwechselmaterials herausgezögert wird, nämlich um die Zeit, die es zum vollständigen Schmelzen des Phasenwechselmaterial braucht. Auf diese Weise kann von den Gleichstromladekontakten 3 sehr effektiv Wärme aufgenommen werden, was einen längeren Betrieb des Gleichstromladevorgangs ermöglicht, ohne dass eine kritische Temperatur des Ladesteckverbinders 1 überschritten wird. Nachdem der Ladevorgang beendet worden ist, kühlt das Phasenwechselmaterial wieder ab, indem es seine Wärme an seine Umgebung abgibt und dann wieder fest wird.
Bei dem in den 6a bis 6c gezeigten Latentwärmespeicher 9 sind in dem Behälter 10 Wärmeleitelemente 14 in Form von Blechen angeordnet, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial 11 aufweisen. Wie 6b entnehmbar, verlaufen diese Wärmeleitelemente 14 in Ebenen, die senkrecht zu den Längsachsen der Gleichstromladekontakte 3 stehen. Dies erleichtert den Eintrag der von den Gleichstromladekontakten 3 stammenden Wärme in das Phasenwechselmaterial. Aus 6c, der den von einem gestrichelten Rechteck gekennzeichneten Bereich aus 6b in vergrößerter Darstellung zeigt, ist ersichtlich, dass zwischen den Wärmeleitelementen 14 Abstandshalter 18 platziert sind. Diese dienen dazu, die Abstände zwischen den Wärmeleitelementen 14 auch während des Phasenübergangs des Phasenwechselmaterials 11 konstant zu halten.
Anders als bei dem in den 5a und 5b gezeigten Latentwärmespeicher 9 ist es bei dem in den 7a und 7b gezeigten Ladesteckverbinder 1 so, dass der Behälter 10 kein von dem Gehäuse 6 des Ladesteckverbinders 1 separates Bauteil ist, das in das Gehäuse 6 eingesetzt ist. Vielmehr ist der Latentwärmespeicher 9 integral mit dem Gehäuse 6 des Ladesteckverbinders 1 ausgestaltet. Dies kann herstellungstechnische Vorteile haben.
Aus 8 ist ersichtlich, dass in dem Behälter 10 eine Umwälzeinrichtung 13 zum Umwälzen des Phasenwechselmaterials angeordnet ist. Mit dieser Umwälzeinrichtung kann die Wärmeverteilung im Behälter 10 nach Überschreiten der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials verbessert werden. Die Umwälzeinrichtung 13 weist ein Umwälzrad 17 auf, das mit einem Magnetring 16 versehen ist. Dieser Magnetring 16 steht in Wechselwirkung mit einem außerhalb des Behälters 10 angeordneten Magnetrad 21, der sich am Ende einer Antriebswelle 28 eines Elektromotors 22 befindet. Auf diese Weise ist eine Magnetkupplung verwirklicht, so dass das Umwälzrad 17 mittels des außerhalb des Behälters 10 angeordneten Elektromotors 22 angetrieben werden kann.
9 zeigt einen Behälter 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung. Gezeigt ist der Bereich des Behälters 10 um den Bereich des Gleichstromladekontakts 3 herum. Aus 10 ist auch erkennbar, dass der Behälter 10 mehrere voneinander getrennte Kammern 31, 32 aufweist, die mit unterschiedliche Phasenwechselmaterialien 29, 30 befüllt sind. Dabei ist die Kammer 31, die um den Gleichstromladekontakt 3 herum und damit näher an dem Ladekontakt angeordnet ist, mit einem solchen Phasenwechselmaterial 29 befüllt, dessen Schmelztemperatur höher liegt als die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials 30, das sich in den beiden anderen Kammern 32 befindet, die beide weiter von dem Gleichstromladekontakt 3 entfernt sind.
Bezugszeichenliste

1: Ladesteckverbinder
2: Ladekontakte
3: Gleichstromladekontakte
4: Wechselstromladekontakte
5: Elektro- oder Hybridfahrzeug
6: Gehäuse
7: korrespondierende Ladekontakte
8: korrespondierenden Ladesteckverbinders
9: Latentwärmespeicher
10: Behälter
11: Phasenwechselmaterial
12: Ausnehmung
13: Umwälzeinrichtung
14: Wärmeleitelement
15: Ausnehmung
16: Magnetring
17: Umwälzrad
18: Abstandshalter
21: Magnetrad
22: Elektromotor
23: Fahrzeugkarosserie
24: Anschlussteil
25: Steckteil
26: Einfüllöffnungen
27: Längsachsen der Gleichstromladekontakte
28: Antriebswelle
29: erstes Phasenwechselmaterial
30: zweites Phasenwechselmaterial
31: nahe Kammer
32: weiter entfernte Kammern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3043421 A1 [0003, 0004]
DE 102015119338 A1 [0005]
EP 3433902 B1 [0005]

Claims

Ladesteckverbinder (1) für Elektro- und Hybridfahrzeuge (5), mit einem Gehäuse (6), in dem Gehäuse (6) angeordneten Ladekontakten (2), zum Kontaktieren korrespondierender Ladekontakte (7) eines korrespondierenden Ladesteckverbinders (8) und einem Latentwärmespeicher (9), der mit wenigstens einem Ladekontakt (2) in thermischem Kontakt steht.
Ladesteckverbinder (1) nach Anspruch 1, wobei der Latentwärmespeicher (9) einen Behälter (10) aufweist, der ein Phasenwechselmaterial (11) enthält, dessen Phasenübergang von der festen Phase zur flüssigen Phase zur Kühlung des Ladekontakts (2) nutzbar ist.
Ladesteckverbinder (1) nach Anspruch 2, wobei der mit dem Latentwärmespeicher (9) in thermischem Kontakt stehende Ladekontakt (2) im Querschnitt kreisförmig ist und der Behälter (10) eine Ausnehmung (12) aufweist, innerhalb derer der Ladekontakt (2) positioniert ist.
Ladesteckverbinder (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Behälter (10) integral mit dem Gehäuse (6) des Ladesteckverbinders (1) ausgestaltet ist.
Ladesteckverbinder (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in dem Behälter (10) eine Umwälzeinrichtung (13) zum Umwälzen des Phasenwechselmaterials (11) innerhalb des Behälters (10) angeordnet ist.
Ladesteckverbinder (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei in dem Behälter (10) wenigstens ein Wärmeleitelement (14) angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Phasenwechselmaterial (11) aufweist.
Ladesteckverbinder (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei in dem Behälter eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen (14) angeordnet sind und zwischen wenigstens einem Teil der Wärmeleitelemente (14) Abstandshalter (18) platziert sind, um die Abstände zwischen den Wärmeleitelementen (14) auch während des Phasenübergangs des Phasenwechselmaterials (11) konstant zu halten.
Ladesteckverbinder (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei in dem Behälter mehrere voneinander getrennte Kammern (19) angeordnet sind, in denen jeweils ein Phasenwechselmaterial (11) enthalten ist.
Ladesteckverbinder (1) nach Anspruch 8, wobei wenigstens zwei Kammern (19) mit unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien befüllt sind.
Ladesteckverbinder (1) nach Anspruch 9, wobei eine Kammer (19), die näher an dem Ladekontakt (2) liegt, ein Phasenwechselmaterial (11) enthält, dessen Schmelztemperatur höher liegt als die Schmelztemperatur eines Phasenwechselmaterials (11), das in einer weiter von dem Ladekontakt entfernten Kammer (19) enthalten ist.
Verwendung eines Ladesteckverbinders (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an der Fahrzeugkarosserie (23) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs (5).