DE102022133546A1

DE102022133546A1 - ELECTRICAL CONNECTION DEVICE AND VEHICLE WITH A CONNECTION DEVICE

Info

Publication number: DE102022133546A1
Application number: DE102022133546.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Berkan; Frank Schütze-Juckenburg; Sundeep Manubolu; Daniel-Jan Schendel; Thomas Luttmann; Waldemar Krohmer; Peter G. Diehl; Denis Buchtatyj
Original assignee: Iinovis GmbH
Current assignee: Iinovis GmbH
Priority date: 2022-12-15
Filing date: 2022-12-15
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Es wird eine elektrische Verbindungsvorrichtung (7) beschrieben, die ein erstes elektrisch leitendes Bauteil (8) und wenigstens ein zweites elektrisch leitendes Bauteil (9) umfasst. Im Bereich von Kontaktflächen (8A, 9A) stehen die Bauteile (8, 9) elektrisch leitend miteinander in Wirkverbindung und sind über eine lösbare Verbindungseinheit (10) miteinander verbunden. Im Kontaktbereich zwischen dem ersten Bauteil (8) und dem zweiten Bauteil (9) ist wenigstens ein drittes Bauteil (14) vorgesehen, das sowohl mit dem ersten Bauteil (8) als auch mit dem zweiten Bauteil (9) elektrisch in Verbindung steht. Das dritte Bauteil (14) ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als die Schmelzpunkte der Materialien, aus welchen jeweils das erste Bauteil (8) und das zweite Bauteil (9) zumindest im Bereich der Kontaktflächen (8A, 9A) bestehen. Des Weiteren wird ein Fahrzeug (1) mit der elektrischen Verbindungsvorrichtung (7) zur Verbindung einer Ladeschnittstelle (5) mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (3) vorgeschlagen.An electrical connection device (7) is described which comprises a first electrically conductive component (8) and at least one second electrically conductive component (9). In the region of contact surfaces (8A, 9A), the components (8, 9) are electrically conductively connected to one another and are connected to one another via a detachable connection unit (10). In the contact region between the first component (8) and the second component (9), at least one third component (14) is provided which is electrically connected to both the first component (8) and the second component (9). The third component (14) is made of an electrically conductive material whose melting point is lower than the melting points of the materials from which the first component (8) and the second component (9) are each made, at least in the region of the contact surfaces (8A, 9A). Furthermore, a vehicle (1) with the electrical connection device (7) for connecting a charging interface (5) to an electrical energy storage device (3) is proposed.

Description

Die erfindungsgemäße Technologie betrifft eine elektrische Verbindungsvorrichtung nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die erfindungsgemäße Technologie ein Fahrzeug mit einer Verbindungsvorrichtung, über die eine Hochvolt-Schnittstelle mit wenigstens einer elektrischen Leitung verbunden ist.The technology according to the invention relates to an electrical connection device according to the type defined in more detail in the preamble of patent claim 1. Furthermore, the technology according to the invention relates to a vehicle with a connection device via which a high-voltage interface is connected to at least one electrical line.

Aus der Praxis sind für Hochstromverbindungen lösbar verschraubte elektrische Verbindungsvorrichtungen bekannt. Solche verschraubte Hochstromverbindungen finden beispielsweise auch in elektrischen, batteriebetriebenen Fahrzeugen Anwendung, bei welchen hohe Ladeströme zum Schnellladen der Fahrzeuge eingesetzt werden. Dabei können Ströme im Bereich von 1000 Ampere auftreten, womit stromführende Bauteile während der Beladungsphasen, die z. B. 10 Minuten andauern können, erheblichen Belastungen ausgesetzt sind. Die elektrischen Leiter im Fahrzeug, insbesondere diejenigen, welche zwischen einer Ladedose und einer Hochvoltbatterie, innerhalb der Hochvoltbatterie sowie im Bereich von Bauteilen innerhalb der eigentlichen Ladedose vorgesehen sind, sind während der Ladephase hohen spezifischen Stromdichten von z. B. bis zu 5 Ampere je Quadratzentimeter ausgesetzt. Diese hohen spezifischen Stromdichten bewirken während eines Ladevorganges signifikante Anstiege der Bauteiltemperaturen aufgrund ohmscher Verluste an, die aus den spezifischen elektrischen Widerständen der jeweils eingesetzten Materialien sowie der ausgeformten Geometrien der stromführenden Bauteile resultieren. Die Betriebstemperatur der stromführenden Bauteile kann dabei ein unerwünschtes und eventuell sogar die Funktionsweise der Bauteile irreversibel beeinträchtigendes Temperaturniveau erreichen.In practice, detachably screwed electrical connection devices are known for high-current connections. Such screwed high-current connections are also used, for example, in electric, battery-operated vehicles in which high charging currents are used to quickly charge the vehicles. Currents in the range of 1000 amps can occur, meaning that current-carrying components are exposed to considerable stress during the charging phases, which can last 10 minutes, for example. The electrical conductors in the vehicle, in particular those provided between a charging socket and a high-voltage battery, within the high-voltage battery, and in the area of components within the actual charging socket, are exposed to high specific current densities of up to 5 amps per square centimeter during the charging phase. These high specific current densities cause significant increases in component temperatures during a charging process due to ohmic losses that result from the specific electrical resistances of the materials used and the shaped geometries of the current-carrying components. The operating temperature of the current-carrying components can reach an undesirable temperature level that may even irreversibly impair the functioning of the components.

Ein Lösungsansatz kann darin bestehen, die elektrischen Verbindungen robuster auszuführen und beispielsweise aus der Starkstromtechnik bekannte Stromschienen bzw. Busbars zu verwenden, die aus Kupfermaterialien oder Aluminiummaterialien hergestellt sind.One solution could be to make the electrical connections more robust and, for example, to use busbars known from high-voltage technology that are made of copper or aluminum materials.

Ladedosen von Elektro-Fahrzeugen sind üblicherweise mit Steckkontakten bzw. PINs ausgeführt, die während des eigentlichen Ladevorgangs über ein Koppelelement mit einer fahrzeugexternen Ladestation oder Stromentnahmeeinrichtung in Verbindung stehen. Die Steckkontakte sind innerhalb des Fahrzeugs sicher mit zur Fahrzeugbatterie führenden Leitungen zu verbinden, wobei die stromführenden Verbindungen in der Praxis unter anderem über Schraubverbindungen hergestellt werden. Dabei kann eine Stromschiene mittels einer Schraube und ggf. einem Ausgleichselementen mit einem Pin des Steckkontaktes verschraubt sein, der ein Gewinde für die Schraube aufweist.Charging sockets for electric vehicles are usually designed with plug contacts or PINs, which are connected to a charging station or power supply device outside the vehicle via a coupling element during the actual charging process. The plug contacts must be securely connected to cables leading to the vehicle battery inside the vehicle, with the current-carrying connections in practice being made using screw connections, among other things. A busbar can be screwed to a pin of the plug contact using a screw and, if necessary, a compensating element, which has a thread for the screw.

Abgesehen von einem minimalen Stromfluss durch die Schraube wird die elektrische Energie im Wesentlichen im Bereich von sich berührenden, elektrisch leitfähigen Kontaktflächen übertragen. Diese Kontaktflächen entsprechen unter anderem Berührflächen zwischen den Ladeleitungen und den Steckkontakten. In Abhängigkeit der jeweiligen Vorspannkräfte der angezogenen Schrauben wird zwischen den stromführenden Leitungen und den Steckkontakten im Bereich der Kontaktflächen jeweils eine entsprechende Flächenpressung erzeugt. Die sich jeweils berührenden Oberflächen der stromführenden Leitungen und der Steckkontakte sind üblicherweise beschichtet, wobei die Beschichtung aus einer Silberverbindung bestehen kann und den elektrischen Kontaktwiderstand reduziert. Silber hat den Vorteil, dass es ungiftig ist und eine hohe chemische Beständigkeit sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Des Weiteren verbindet sich Silber hinreichend gut mit den Grundmaterialien, aus denen die stromführenden Leitungen und die Steckverbindungen üblicherweise bestehen. Zudem bietet der Einsatz von Silber die Möglichkeit, die Härte der aufgebrachten Schichten einstellen zu können. Zusätzlich lassen sich Silberverbindungen auch mit geringem apparativem Aufwand im industriellen Maßstab in beliebigen Schichten aufbringen.Apart from a minimal current flow through the screw, the electrical energy is essentially transmitted in the area of touching, electrically conductive contact surfaces. These contact surfaces correspond, among other things, to contact surfaces between the charging cables and the plug contacts. Depending on the respective preload forces of the tightened screws, a corresponding surface pressure is generated between the current-carrying cables and the plug contacts in the area of the contact surfaces. The contacting surfaces of the current-carrying cables and the plug contacts are usually coated, whereby the coating can consist of a silver compound and reduces the electrical contact resistance. Silver has the advantage that it is non-toxic and has a high chemical resistance and a high thermal conductivity. Furthermore, silver bonds sufficiently well with the base materials from which the current-carrying cables and the plug connections are usually made. In addition, the use of silver offers the possibility of being able to adjust the hardness of the applied layers. In addition, silver compounds can also be applied in any layer on an industrial scale with little equipment effort.

In der vorstehend näher beschriebenen Art und Weise ausgeführte elektrische Verbindungen sind mit elektrischen Kontaktübergangswiderständen im Bereich von ca. 5 µΩ oder sogar unterhalb davon herstellbar. Obwohl derartige Kontaktübergangswiderstandswerte sehr gering sind, verursachen Stromflüsse von ca. 1000 Ampere während Übertragungszeiträumen von z. B. bis zu 10 Minuten trotzdem nicht vernachlässigbare lokale Eigenerwärmungen im Kontaktbereich der miteinander elektrisch leitend verbundenen Bauteile.Electrical connections made in the manner described above can be produced with electrical contact resistances in the range of approximately 5 µΩ or even less. Although such contact resistance values are very low, current flows of approximately 1000 amperes during transmission periods of, for example, up to 10 minutes nevertheless cause non-negligible local self-heating in the contact area of the electrically connected components.

Je schlechter der elektrische Kontakt zwischen zwei leitend miteinander verbundenen Bauteilen ist, desto höher ist der elektrische Kontaktwiderstand. Die Güte des elektrischen Kontaktes ist von vielen Faktoren abhängig und wird unter anderem durch die jeweils anliegende Vorspannkraft beeinflusst. Die Anpresskraft zwischen den miteinander verbundenen elektrisch leitenden Bauteilen kann beispielsweise durch lokale Setzungserscheinungen, thermisch-mechanische Dehnungserscheinungen, aufgrund eines Lösens der Schraubverbindung oder dergleichen auf Werte kleiner als ein minimal notwendiger Schwellwert absinken.The poorer the electrical contact between two conductively connected components, the higher the electrical contact resistance. The quality of the electrical contact depends on many factors and is influenced, among other things, by the pre-tension force applied. The contact force between the electrically conductive components connected to one another can, for example, drop to values below a minimum required threshold due to local settlement phenomena, thermal-mechanical expansion phenomena, loosening of the screw connection or the like.

Aus einer reduzierten Anpresskraft resultieren wiederum ein Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes und somit auch erhöhte lokale Betriebstemperaturen der miteinander elektrisch gekoppelten Bauteile. Höhere Betriebstemperaturen verursachen üblicherweise einen weiteren Abfall der mechanischen und strukturellen Kontaktintegrität, was einen weiteren Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes zur Folge hat. Die vorbeschriebene positive Feedback-Schleife kann innerhalb kurzer Zeit zur Zerstörung des elektrischen Kontaktes führen. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Leitermaterialien lokal aufschmelzen, Kunststoffbauteile schmelzen oder entzündet werden und elektrische Lichtbögen auftreten, die Brände verursachen können.A reduced contact force results in an increase in the electrical contact resistance and thus also increased local Operating temperatures of the electrically coupled components. Higher operating temperatures usually cause a further drop in mechanical and structural contact integrity, which results in a further increase in electrical contact resistance. The positive feedback loop described above can lead to the destruction of the electrical contact within a short period of time. There is a possibility that the conductor materials melt locally, plastic components melt or ignite, and electrical arcs occur, which can cause fires.

Um solche Szenarien zu verhindern, werden elektrische Kontaktverbindungen üblicherweise mittels Temperatursensoren überwacht. Die Temperatursensoren werden dabei möglichst in der Nähe der Kontaktverbindungen angeordnet. Dennoch sind die Temperatursensoren bauraumbedingt meist derart räumlich von den Kontaktverbindungen distanziert angeordnet und zudem elektrisch isoliert. Dies führt dazu, dass eine durch die Distanz zwischen Temperatursensor und Kontaktstelle sowie der jeweils verwendeten Bauteilmaterialien und der Bauteilgeometrien bestimmte Temperaturübertragungsfunktion im Wesentlichen von den sich im System ausbreitenden Temperaturgradienten und der Betriebszeit abhängig ist.To prevent such scenarios, electrical contact connections are usually monitored using temperature sensors. The temperature sensors are arranged as close to the contact connections as possible. However, due to the space available, the temperature sensors are usually arranged at such a distance from the contact connections and are also electrically insulated. This means that a temperature transfer function determined by the distance between the temperature sensor and the contact point as well as the component materials and geometries used in each case depends essentially on the temperature gradients spreading in the system and the operating time.

Daher misst ein Temperatursensor immer nur jene Temperatur, die in einer definierten Relation zu der Betriebstemperatur im elektrischen Kontaktbereich in der Vergangenheit steht. Die aktuelle Temperatur im Bereich der Kontaktverbindung ist mit den verfügbaren Methoden nicht exakt genug bestimmbar. Dies führt nachteilhafterweise dazu, dass eine sich spontan verschlechternde Fehlersituation im Bereich einer Kontaktverbindung nicht hinreichend schnell erfassbar ist, was das Auftreten der oben genannten thermischen und pyrotechnischen Folgeerscheinungen begünstigt.Therefore, a temperature sensor only ever measures the temperature that has a defined relationship to the operating temperature in the electrical contact area in the past. The current temperature in the area of the contact connection cannot be determined precisely enough using the available methods. The disadvantage of this is that a spontaneously worsening fault situation in the area of a contact connection cannot be detected quickly enough, which promotes the occurrence of the thermal and pyrotechnic consequences mentioned above.

Es ist 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 elektrische Verbindungsvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Verbindungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich mindestens eines der folgenden Faktoren verbessert sind: Herstellungskosten, Komplexität der Herstellung, Montageaufwand, Bauraumausnutzung, Betriebssicherheit, Nachhaltigkeit und Bauteilzuverlässigkeit.It is a preferred object of the technology according to the invention to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to provide an electrical connection device and a vehicle with such a connection device, which are improved with regard to at least one of the following factors: manufacturing costs, complexity of manufacturing, assembly effort, use of installation space, operational safety, sustainability and component reliability.

Die Aufgabe/n wird/werden gelöst mit einer elektrischen Verbindungsvorrichtung und mit einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 11. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.The problem(s) is/are solved with an electrical connection device and with a vehicle having the features of patent claim 1 and 11 respectively. The dependent claims represent preferred embodiments.

Die erfindungsgemäße elektrische Verbindungsvorrichtung umfasst ein erstes elektrisch leitendes Bauteil und wenigstens ein zweites elektrisch leitendes Bauteil, die im Bereich von Kontaktflächen elektrisch leitend miteinander in Wirkverbindung stehen und über eine lösbare Verbindungseinheit miteinander verbunden sind.The electrical connection device according to the invention comprises a first electrically conductive component and at least one second electrically conductive component, which are electrically conductively connected to one another in the region of contact surfaces and are connected to one another via a detachable connection unit.

Erfindungsgemäß ist im Kontaktbereich zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil wenigstens ein drittes Bauteil vorgesehen. Das dritte Bauteil steht sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Bauteil elektrisch in Verbindung. Dabei ist das dritte Bauteil aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, dessen Schmelzpunkt kleiner ist als die Schmelzpunkte der Materialien, aus welchen jeweils das erste Bauteil und das zweite Bauteil zumindest im Bereich der Kontaktflächen bestehen.According to the invention, at least one third component is provided in the contact area between the first component and the second component. The third component is electrically connected to both the first component and the second component. The third component is made of an electrically conductive material whose melting point is lower than the melting points of the materials from which the first component and the second component are made, at least in the area of the contact surfaces.

Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, innerhalb der ausgeprägten elektrischen Kontaktgeometrie zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bauteil und dem wenigstens zweiten elektrisch leitenden Bauteil ein zusätzliches Element bzw. das dritte Bauteil anzuordnen, das aus einem Material besteht, welches bei niedrigen Betriebstemperaturen aufschmilzt und weiterhin eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.In other words, it is proposed to arrange an additional element or the third component within the pronounced electrical contact geometry between the first electrically conductive component and the at least second electrically conductive component, which consists of a material which melts at low operating temperatures and also has a high electrical conductivity.

Bei der Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil steigt nicht nur die Betriebstemperatur des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils aufgrund des Kontaktwiderstandes an, sondern auch die Betriebstemperatur des dritten Bauteils steigt entsprechend an. Ab einer definierten Betriebstemperatur bzw. Grenztemperatur, welche zweckmäßig oberhalb der üblichen Betriebstemperatur der Bauteile während der Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Bauteilen liegt und die durch einen unerwünscht hohen Anstieg des Kontaktwiderstandes zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil überschritten wird, schmilzt das dritte Bauteil auf und diffundiert aufgrund der Kapillarwirkung in den weiterhin eng anliegenden, jetzt aber sehr heißen elektrischen Kontaktbereich zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil hinein.When electrical energy is transferred between the first component and the second component, not only does the operating temperature of the first component and the second component rise due to the contact resistance, but the operating temperature of the third component also rises accordingly. From a defined operating temperature or limit temperature, which is expediently above the usual operating temperature of the components during the transfer of electrical energy between the components and which is exceeded by an undesirably high increase in the contact resistance between the first component and the second component, the third component melts and diffuses due to the capillary effect into the still close-fitting, but now very hot electrical contact area between the first component and the second component.

Indem das dritte Bauteil aufzuschmelzen beginnt, bevor die Betriebstemperaturen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils auf unzulässig hohe Werte ansteigen, wird der elektrische Kontaktwiderstand zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil sofort signifikant reduziert, wodurch sich eine thermische Stabilisierung und daraus resultierend eine Abkühlung des ersten Bauteiles und des zweiten Bauteiles im Kontaktbereich ergibt und ein Nachlassen der mechanischen, strukturellen Kontaktintegrität unterbleibt. Zudem wird dadurch erreicht, dass die elektrische Verbindungsvorrichtung dauerhaft eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil bereitstellt.By starting to melt the third component before the operating temperatures of the first component and the second component rise to unacceptably high values, the electrical contact resistance between the first component and the second component is immediately significantly reduced, resulting in thermal stabilization and, as a result, cooling of the first component and the second component in the contact area and a deterioration in the mechanical, structural contact integrity is prevented. In addition, this ensures that the electrical connection device permanently provides good electrical conductivity between the first component and the second component.

Somit stellt das dritte Bauteil eine Art thermische „Schmelzsicherung“ dar, jedoch nicht im Sinne der üblichen Verwendung des Begriffs „Schmelzsicherung“ mit der Bedeutung einer Unterbrechung des elektrischen Kontakts und der Unterbindung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen zwei Komponenten, sondern prinzipmäßig mit der gegenteiligen Wirkung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bauteil und dem wenigstens zweiten elektrisch leitenden Bauteil.Thus, the third component represents a type of thermal “fuse”, however not in the sense of the usual use of the term “fuse” with the meaning of an interruption of the electrical contact and the prevention of the electrical conductivity between two components, but in principle with the opposite effect between the first electrically conductive component and the at least second electrically conductive component.

Durch die Anordnung des dritten Bauteils zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil wird die Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil selbst bei einem unerwünschten Ansteigen des Kontaktwiderstandes aufrechterhalten, da eine unkontrollierte Zunahme des Kontaktwiderstandes der Betriebstemperaturen des ersten Bauteiles und des zweiten Bauteiles auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise vermieden wird.By arranging the third component between the first component and the second component, the conductivity of the electrical connection between the first component and the second component is maintained even in the event of an undesirable increase in the contact resistance, since an uncontrolled increase in the contact resistance of the operating temperatures of the first component and the second component is avoided in a structurally simple and cost-effective manner.

Grundsätzlich stellt die erfindungsgemäße elektrische Verbindungsvorrichtung eine lösbare elektrische Verbindung mit einem integrierten Kontaktwiderstandsstabilisator für verschiedenste Anwendungsbereiche, wie verschraubte Hochstromverbindungen und dergleichen, dar.Basically, the electrical connection device according to the invention represents a detachable electrical connection with an integrated contact resistance stabilizer for a wide variety of applications, such as screwed high-current connections and the like.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsvorrichtung ist das Material des dritten Bauteils dazu eingerichtet, dass das dritte Bauteil zur Begrenzung eines Kontaktwiderstandes zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil auf Werte kleiner als ein definierter Grenzwert in den aufgeschmolzenen Zustand übergeht. Im aufgeschmolzenen Zustand des dritten Bauteiles unterbleiben temperaturbedingte irreversible Beeinträchtigungen der Funktion des ersten Bauteils und der Funktion des zweiten Bauteils.In an advantageous development of the electrical connection device according to the invention, the material of the third component is designed such that the third component changes to the molten state in order to limit a contact resistance between the first component and the second component to values smaller than a defined limit value. In the molten state of the third component, temperature-related irreversible impairments of the function of the first component and the function of the second component are avoided.

Dieser erfindungsgemäßen Kombination der Werkstoffkenngrößen der drei Bauteile liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Betriebstemperaturen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils zunächst während der Übertragung von elektrischer Energie durch den Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil aufgrund lokaler Eigenerwärmungen ansteigen. Die Zunahme der inneren Energie des ersten Bauteiles und der inneren Energie des zweiten Bauteiles bewirkt auch einen Anstieg der Betriebstemperatur des dritten Bauteils, dessen Aufschmelzen zu der oben beschriebenen thermischen und mechanischen Stabilisierung bei Aufrechterhaltung einer guten elektrischen Leitfähigkeit des ersten und zweiten Bauteiles führt.This inventive combination of the material characteristics of the three components is based on the knowledge that the operating temperatures of the first component and the second component initially increase during the transfer of electrical energy due to the increase in the electrical contact resistance between the first component and the second component due to local self-heating. The increase in the internal energy of the first component and the internal energy of the second component also causes an increase in the operating temperature of the third component, the melting of which leads to the thermal and mechanical stabilization described above while maintaining good electrical conductivity of the first and second components.

Bei einer konstruktiv einfachen und kostengünstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsvorrichtung sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil über eine Schraubverbindung der Verbindungseinheit lösbar miteinander verbunden und im Bereich der Kontaktflächen gegeneinander gedrückt.In a structurally simple and cost-effective embodiment of the electrical connection device according to the invention, the first component and the second component are detachably connected to one another via a screw connection of the connection unit and pressed against one another in the region of the contact surfaces.

Eine Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass das erste Bauteil als eine Stromschiene bzw. Busbar ausgebildet ist, womit das erste Bauteil sehr hohe elektrische Energiemengen übertragen kann.One embodiment of the invention can provide that the first component is designed as a busbar, whereby the first component can transmit very high amounts of electrical energy.

Das zweite Bauteil kann als ein Steckkontakt bzw. als ein sogenannter Pin ausgebildet sein, der auf einfache Art und Weise mit einem Steckelement in Wirkverbindung bringbar ist.The second component can be designed as a plug contact or as a so-called pin, which can be easily brought into operative connection with a plug element.

Das dritte Bauteil kann zumindest abschnittsweise ringförmig ausgeführt sein und zumindest bereichsweise in einer Nut angeordnet sein. Die Nut kann zumindest im Bereich der Kontaktfläche des ersten Bauteils und/oder im Bereich der Kontaktfläche des zweiten Bauteils vorgesehen sein.The third component can be designed to be ring-shaped at least in sections and can be arranged in a groove at least in regions. The groove can be provided at least in the region of the contact surface of the first component and/or in the region of the contact surface of the second component.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass das dritte Bauteil die Schraubverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil umfangsseitig umgibt.It is possible for the third component to surround the screw connection between the first component and the second component on the circumference.

Die Abmessungen der Nut und des dritten Bauteils können derart auf einander abgestimmt sein, dass das dritte Bauteil jeweils elektrisch leitend mit dem ersten Bauteil und mit dem zweiten Bauteil in Kontakt steht. Zusätzlich kann die Abstimmung derart vorgesehen sein, dass das erste Bauteil mit seiner Kontaktfläche im Wesentlichen spaltfrei an der Kontaktfläche des zweiten Bauteils anliegt.The dimensions of the groove and the third component can be coordinated with one another in such a way that the third component is in electrically conductive contact with the first component and with the second component. In addition, the coordination can be provided in such a way that the first component rests with its contact surface on the contact surface of the second component essentially without a gap.

In Versuchen hat sich ein Schmelzpunkt des Materials des dritten Bauteils in einem Temperaturbereich von 230 °C bis 250 °C als geeignet erwiesen, um irreversible Funktionsbeeinträchtigungen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils, die aus einem zu hohen thermischen Energieeintrag resultieren, zu vermeiden.In tests, a melting point of the material of the third component in a temperature range of 230 °C to 250 °C has proven to be suitable in order to avoid irreversible functional impairments of the first component and the second component resulting from excessive thermal energy input.

Grundsätzlich eignen sich als Material für das dritte Bauteil alle bekannten Weichlote. Ein kostengünstiges und effektives Weichlot kann z. B. aus einer Zinnlegierung hergestellt sein.In principle, all known soft solders are suitable as a material for the third component. A cost-effective and effective soft solder can be made from a tin alloy, for example.

Das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil können aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Dann sind die Bauteile jeweils mit einer hohen Leitfähigkeit bei gleichzeitig moderaten Herstellkosten ausführbar.The first component and/or the second component can be made of copper, a copper alloy, aluminum and/or an aluminum alloy. The components can then be manufactured with high conductivity while maintaining moderate manufacturing costs.

Des Weiteren wird mit der Erfindung ein Fahrzeug mit einer vorstehend näher beschriebenen Verbindungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, über die eine Hochvolt-Schnittstelle, insbesondere eine Ladeschnittstelle, mit wenigstens einer elektrischen Leitung verbunden ist, die mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung zu deren Ladung oder Entladung elektrisch leitend gekoppelt ist.Furthermore, the invention provides a vehicle with a connection device described in more detail above, via which a high-voltage interface, in particular a charging interface, is connected to at least one electrical line which is electrically conductively coupled to an electrical energy storage device for charging or discharging the latter.

Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sind über die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung mit hoher Betriebssicherheit Ladevorgänge mit hohen Stromdichten möglich, ohne dass im Bereich der elektrischen Verbindungsvorrichtung sowie im Bereich der darüber miteinander elektrisch gekoppelten Bauteile eine Funktionsbeeinträchtigung auftritt.In the vehicle according to the invention, charging processes with high current densities are possible via the connecting device according to the invention with a high degree of operational reliability, without any functional impairment occurring in the area of the electrical connecting device and in the area of the components electrically coupled to one another via it.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche 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.The invention is not limited to the specified combination of the features of the independent claims or the claims dependent thereon. There are also possibilities to combine individual features with one another, even if they emerge from the claims, the following description of embodiments or directly from the drawings. The reference of the claims to the drawings by using reference symbols is not intended to limit the scope of protection of the claims.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.The technology disclosed here will now be explained in more detail using the figures in the drawing.

Es zeigt:

1 eine vereinfachte dreidimensionale Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Ladeschnittstelle an einer Öffnung einer Fahrzeugkarosserie des Fahrzeugs;
2 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine an der Ladeschnittstelle angeordnete elektrische Verbindungsvorrichtung mit einem ersten elektrisch leitenden Bauteil und wenigstens einem zweiten elektrisch leitenden Bauteil, wobei im Kontaktbereich zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil wenigstens ein drittes Bauteil vorgesehen ist, und das erste Bauteil und das zweite Bauteil über eine Schraubverbindung miteinander fest verbunden sind;
3 einen Querschnitt im Bereich des dritten Bauteils der 2; und
4 eine 2 entsprechende Darstellung der elektrischen Verbindungsvorrichtung mit aufgeschmolzenem dritten Bauteil.

It shows:

1 a simplified three-dimensional view of a vehicle with a charging interface at an opening of a vehicle body of the vehicle;
2 a simplified longitudinal section through an electrical connection device arranged at the charging interface with a first electrically conductive component and at least one second electrically conductive component, wherein at least one third component is provided in the contact region between the first component and the second component, and the first component and the second component are firmly connected to one another via a screw connection;
3 a cross-section in the area of the third component of the 2 ; and
4 one 2 corresponding representation of the electrical connection device with melted third component.

Bezug nehmend auf 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einer Fahrzeugkarosserie 2 und mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 3 dargestellt, welche wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs 1 mit elektrischer Energie versorgt. Die Fahrzeugkarosserie 2 weist an einer ergonomisch gut zugänglichen Stelle eine Öffnung 6 auf, welche eine über eine elektrische Leitung 4 mit der Energiespeichereinrichtung 3 verbundene Ladeschnittstelle 5 aufnimmt. Die Öffnung 6 stellt mithin eine Lademulde dar, durch die eine fahrzeugexterne elektrische Verbindungseinheit, insbesondere ein Ladestecker einer Ladestation, mit der hier eine Ladedose darstellenden fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle 5 in Wirkverbindung bringbar ist, um die elektrische Energiespeichereinrichtung 3 des Fahrzeugs 1 mit elektrischer Energie beladen zu können oder elektrische Energie von dieser abführen zu können.Referring to 1 a vehicle 1 is shown with a vehicle body 2 and with an electrical energy storage device 3, which supplies at least one electric drive machine of the vehicle 1 with electrical energy. The vehicle body 2 has an opening 6 at an ergonomically easily accessible location, which accommodates a charging interface 5 connected to the energy storage device 3 via an electrical line 4. The opening 6 therefore represents a charging recess through which an electrical connection unit external to the vehicle, in particular a charging plug of a charging station, can be brought into operative connection with the vehicle-side charging interface 5, which here represents a charging socket, in order to be able to charge the electrical energy storage device 3 of the vehicle 1 with electrical energy or to be able to discharge electrical energy from it.

Die 2 zeigt eine elektrische Verbindungsvorrichtung 7 an der Ladeschnittstelle 5, welche mit einem ersten elektrisch leitenden Bauteil 8, das vorliegend als Stromschiene bzw. Busbar ausgebildet ist, und einem zweiten elektrisch leitenden Bauteil 9, welches bei der gezeigten Ausführung einen Pin der Ladedose 5 zur Herstellung eines Steckkontakts mit einem fahrzeugexternen elektrischen Koppelelement bildet, ausgeführt ist. Die beiden elektrisch leitenden Bauteile 8 und 9 sind über eine lösbare Verbindungseinheit 10 mit einer Schraubverbindung 10A fest miteinander verbunden. Eine Schraube 11 der Schraubverbindung 10A durchgreift das erste Bauteil 8 im Bereich einer Bohrung 12 und ist in ein in dem zweiten Bauteil 9 ausgebildetes Innengewinde 13 eingeschraubt.The 2 shows an electrical connection device 7 on the charging interface 5, which is designed with a first electrically conductive component 8, which in this case is designed as a busbar, and a second electrically conductive component 9, which in the embodiment shown forms a pin of the charging socket 5 for establishing a plug contact with an electrical coupling element external to the vehicle. The two electrically conductive components 8 and 9 are firmly connected to one another via a detachable connection unit 10 with a screw connection 10A. A screw 11 of the screw connection 10A passes through the first component 8 in the area of a bore 12 and is screwed into an internal thread 13 formed in the second component 9.

Da ein Schraubenkopf 11A der Schraube 11 einen größeren Durchmesser als die Bohrung 12 des ersten Bauteils 8 aufweist, drückt die Schraubverbindung 10A das erste Bauteil 8 mit einer Kontaktfläche 8A fest gegen eine Kontaktfläche 9A des zweiten Bauteils 9.Since a screw head 11A of the screw 11 has a larger diameter than the bore 12 of the first component 8, the screw connection 10A presses the first component 8 with a contact surface 8A firmly against a contact surface 9A of the second component 9.

Aus der vereinfachten Querschnittdarstellung der 3 geht hervor, dass das zweite Bauteil 9 bzw. Pin hier zylindrisch ausgeführt ist, wobei jedoch auch eine eckige Querschnittsform denkbar ist. Das zweite Bauteil 9 weist im Bereich seiner Kontaktfläche 9A eine Nut 9B auf, in die ein drittes Bauteil 14 eingelegt ist. Die Nut 9B umgibt das Innengewinde 13, welches in das zweite Bauteil 9 eingebracht ist, in Umfangsrichtung U. Das dritte Bauteil 14 ist ebenfalls elektrisch leitend ausgeführt und steht sowohl mit dem ersten Bauteil 8 als auch mit dem zweiten Bauteil 9 elektrisch in Wirkverbindung.From the simplified cross-sectional view of the 3 It can be seen that the second component 9 or pin is cylindrical here, although a square cross-sectional shape is also conceivable. The second component 9 has a groove 9B in the area of its contact surface 9A, into which a third component 14 is inserted. The groove 9B surrounds the internal thread 13, which is introduced into the second component 9, in the circumferential direction U. The third component 14 is also designed to be electrically conductive and is electrically connected to both the first component 8 and the second component 9.

Das erste Bauteil 8 und das zweite Bauteil 9 sind vorliegend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, während das dritte Bauteil 14 aus einem sogenannten Weichlot gefertigt ist, das bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Zinnlegierung besteht. Ein Schmelzpunkt des Materials des dritten Bauteiles 14 liegt vorliegend in einem Temperaturbereich von 230 °C bis etwa 250 °C, während die Schmelztemperaturen der Materialien, aus den die beiden Bauteile 8 und 9 hergestellt sind, wesentlich höher sind.The first component 8 and the second component 9 are made of copper or a copper alloy, while the third component 14 is made of a so-called soft solder, which in the present embodiment consists of a tin alloy. A melting point of the material of the third component 14 is in a temperature range of 230 °C to about 250 °C, while the melting temperatures of the materials from which the two components 8 and 9 are made are significantly higher.

Liegt ein Stromfluss bzw. ein hoher Ladestrom im Bereich von z. B. 1000 Ampere über eine Ladezeit von beispielsweise 10 Minuten an den drei Bauteilen 8, 9 und 14 an, werden diese in Abhängigkeit des Kontaktwiderstandes zwischen der Kontaktfläche 8A des ersten Bauteiles 8 und der Kontaktfläche 9A des zweiten Bauteiles 9 entsprechend erwärmt. Dabei ist die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil so ausgelegt, dass die Betriebstemperaturen der Bauteile 8, 9 und 14 trotz der anliegenden hohen Ladeströme während des gesamten Ladezyklus unterhalb der Schmelztemperatur des dritten Bauteiles 14 liegen.If a current flow or a high charging current in the range of e.g. 1000 amperes is applied to the three components 8, 9 and 14 over a charging time of e.g. 10 minutes, they are heated accordingly depending on the contact resistance between the contact surface 8A of the first component 8 and the contact surface 9A of the second component 9. The electrical connection between the first component and the second component is designed in such a way that the operating temperatures of the components 8, 9 and 14 are below the melting temperature of the third component 14 during the entire charging cycle despite the high charging currents applied.

Führt die Erwärmung der Bauteile 8, 9 und 14 und insbesondere der beiden Bauteile 8 und 9 dazu, dass der Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktflächen 8A und 9A der Bauteile 8 und 9 auf ein Niveau ansteigt, bei dem die Betriebstemperaturen insbesondere im Kontaktbereich der beiden Bauteile 8 und 9 und die Betriebstemperatur des dritten Bauteiles 14 die Schmelztemperatur des Materials des dritten Bauteiles 14 erreichen, geht dieses zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes zwischen dem ersten Bauteil 8 und dem zweiten Bauteil 9 in seinen aufgeschmolzenen Zustand über. Dies führt dazu, dass die Schmelze des dritten Bauteiles 14 in der in 4 dargestellten Art und Weise in den Kontaktbereich zwischen den Kontaktflächen 8A und 9A hineindiffundiert.If the heating of the components 8, 9 and 14 and in particular of the two components 8 and 9 leads to the contact resistance between the contact surfaces 8A and 9A of the components 8 and 9 increasing to a level at which the operating temperatures, in particular in the contact area of the two components 8 and 9 and the operating temperature of the third component 14, reach the melting temperature of the material of the third component 14, the latter changes to its molten state in order to reduce the contact resistance between the first component 8 and the second component 9. This leads to the melt of the third component 14 in the 4 diffuses into the contact area between the contact surfaces 8A and 9A in the manner shown.

Da das Weichlot des dritten Bauteiles 14 sowohl im festen Zustand als auch im aufgeschmolzenen Zustand des dritten Bauteiles 14 jeweils eine hohe Leitfähigkeit aufweist, sinkt der Kontaktwiderstand zwischen dem ersten Bauteil 8 und dem zweiten Bauteil 9 nach dem Aufschmelzen und nach dem Hineindiffundieren der Schmelze des dritten Bauteiles 14 zwischen die Kontaktflächen 8A und 9A wieder ab. Dies bewirkt eine Reduzierung der Leitungsverluste und eine weitere Erwärmung der beiden Bauteile 8 und 9 wird dadurch vermieden. Dies führt wiederum dazu, dass die Betriebstemperaturen der Bauteile 8 und 9 im Bereich der Kontaktflächen 8A und 9A selbst bei weiter anhaltender Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Bauteil 8 und dem zweiten Bauteil 9 wieder absinken, wodurch zusätzlich eine Reduktion des Kontaktwiderstandes zwischen den Bauteilen 8 und 9 erzielt wird.Since the soft solder of the third component 14 has a high conductivity both in the solid state and in the melted state of the third component 14, the contact resistance between the first component 8 and the second component 9 drops again after melting and after the melt of the third component 14 has diffused between the contact surfaces 8A and 9A. This reduces the line losses and further heating of the two components 8 and 9 is thereby avoided. This in turn leads to the operating temperatures of the components 8 and 9 in the area of the contact surfaces 8A and 9A dropping again even when the transmission of electrical energy between the first component 8 and the second component 9 continues, which additionally reduces the contact resistance between the components 8 and 9.

Im Fehlerfall entsteht somit durch das Aufschmelzen des dritten Bauteiles 14 zwischen den Bauteilen 8 und 9 zusätzlich zur lösbaren Schraubverbindung eine dauerhafte und nicht lösbare stoffschlüssige Verbindung in Form einer Lötverbindung. In einem nachfolgenden Reparaturfall müssen folglich die Ladedose und die Ladeleitung ausgetauscht werden. Dieser Umstand stellt jedoch im Vergleich zu bekannten Lösungen keinen Nachteil dar, da eine solcher Austausch nach einem thermisch induzierten Schadensfall ohnehin immer durchzuführen ist.In the event of a fault, the melting of the third component 14 between components 8 and 9 creates a permanent and non-detachable material connection in the form of a soldered connection in addition to the detachable screw connection. In a subsequent repair, the charging socket and the charging cable must therefore be replaced. However, this circumstance does not represent a disadvantage compared to known solutions, since such a replacement must always be carried out after a thermally induced damage event.

BezugszeichenReference symbols

11: KraftfahrzeugMotor vehicle
22: FahrzeugkarosserieVehicle body
33: elektrische Energiespeichereinrichtungelectrical energy storage device
44: elektrische Leitungelectrical line
55: Ladeschnittstelle, LadedoseCharging interface, charging socket
66: Öffnungopening
77: elektrische Verbindungsvorrichtungelectrical connection device
88th: erstes Bauteil, Stromschienefirst component, busbar
8A8A: Kontaktfläche des ersten BauteilesContact surface of the first component
99: zweites Bauteil, Pinsecond component, pin
9A9A: Kontaktfläche des zweites BauteilesContact surface of the second component
9B9B: Nut des zweiten BauteilesGroove of the second component
1010: lösbare Verbindungseinheitdetachable connection unit
10A10A: SchraubverbindungScrew connection
1111: Schraubescrew
11A11A: SchraubenkopfScrew head
1212: Bohrung des ersten Bauteiles 8Drilling of the first component 8
1313: Innengewinde des zweiten Bauteiles 9Internal thread of the second component 9
1414: drittes Bauteilthird component
UU: UmfangsrichtungCircumferential direction

Claims

Electrical connection device (7) comprising a first electrically conductive component (8) and at least one second electrically conductive component (9), which are electrically conductively connected to one another in the region of contact surfaces (8A, 9A) and are connected to one another via a detachable connection unit (10), characterized in that at least one third component (14) is provided in the contact region between the first component (8) and the second component (9), which is electrically connected both to the first component (8) and to the second component (9), wherein the third component (14) consists of an electrically conductive material whose melting point is lower than the melting points of the materials from which the first component (8) and the second component (9) are each made, at least in the region of the contact surfaces (8A, 9A).

Electrical connection device according to Claim 1 , characterized in that the material of the third component (14) is designed such that the third component (14) changes to the molten state in order to limit a contact resistance between the first component (8) and the second component (9) to values smaller than a defined limit value, wherein the limit value is defined such that temperature-related irreversible impairments of the function of the first component (8) and the function of the second component (9) are avoided.

Electrical connection device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the first component (8) and the second component (9) are detachably connected to one another via a screw connection (10A) of the connecting unit (10) and are pressed against one another in the region of the contact surfaces (8A, 9A).

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first component (8) is designed as a busbar.

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the second component (9) is designed as a plug contact, in particular a pin.

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the third component (14) is at least partially annular and in particular is arranged at least partially in a groove (9B) which is provided at least in the region of the contact surface (8A) of the first component (8) and/or in the region of the contact surface (9A) of the second component (9).

Electrical connection device according to Claim 6 , characterized in that the dimensions of the groove (9B) and of the third component (14) are coordinated with one another in such a way that the third component (14) is in electrically conductive contact with the first component (8) and the second component (9), and the first component (8) rests with its contact surface (8A) essentially without a gap on the contact surface (9A) of the second component (9).

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the third component (14) is made of a soft solder, in particular of a tin alloy.

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the melting point of the material of the third component (14) is in a temperature range from 230 °C to 250 °C.

Electrical connection device according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the first component (8) and/or the second component (9) is formed from copper, a copper alloy, aluminium and/or an aluminium alloy.

Vehicle with an electrical connection device (7) according to one of the Claims 1 until 10 via which a charging interface (5) is connected to at least one electrical line (4) which is electrically conductively coupled to an electrical energy storage device (3).