EP4065407A1 - Kontaktanordnung für steckverbindungen, ladestecker mit kühlungseinrichtung - Google Patents

Kontaktanordnung für steckverbindungen, ladestecker mit kühlungseinrichtung

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Publication number
EP4065407A1
EP4065407A1 EP20815767.7A EP20815767A EP4065407A1 EP 4065407 A1 EP4065407 A1 EP 4065407A1 EP 20815767 A EP20815767 A EP 20815767A EP 4065407 A1 EP4065407 A1 EP 4065407A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
contact
connection
area
plug
Prior art date
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Pending
Application number
EP20815767.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bertsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amphenol Tuchel Industrial GmbH
Original Assignee
Amphenol Tuchel Industrial GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amphenol Tuchel Industrial GmbH filed Critical Amphenol Tuchel Industrial GmbH
Publication of EP4065407A1 publication Critical patent/EP4065407A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H01R13/005—Electrical coupling combined with fluidic coupling
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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/14—Conductive energy transfer
    • B60L53/16—Connectors, e.g. plugs or sockets, specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to the contact arrangement for plug connections, charging plugs for the transmission of electrical power, having at least one device for establishing an electrically conductive connection and at least one device for cooling, heat dissipation of the heat arising from the transmission of electrical power of the conductive connection, the invention also relates to plug connections, Charging plug with at least one such contact arrangement.
  • Contacts in general have at least one electrically conductive contact section for detachable, temporary or plug-in connection with a corresponding mating contact element and a shaft section adjoining the contact section for fastening an electrical line to the contact.
  • a contact, plug contact, high-current contact can be used on a charging plug or a charging socket, for example for charging an electrically powered vehicle.
  • a cable is connected on the one hand to a charging station and on the other hand carries a connector part in the form of a charging plug, which can be plugged into an associated mating connector part in the form of a charging socket on a vehicle in order to establish an electrical connection between the charging station and the vehicle to manufacture.
  • Charging currents can basically be transmitted as direct currents or as alternating currents, with charging currents and high-current areas in particular in the form of direct current having a high current strength, for example greater than 200 A or even greater than 300 A or even 350 A, and heating the cable, as well as a high-current contact connected to the cable.
  • Such high-current contacts which are made of an electrically conductive material, for example from a copper material, heat up when a charging current flows through the contacts, plug-in contacts, high-current contacts, whereby the contacts are basically to be dimensioned depending on the charging current to be transmitted so that the Contacts have a sufficient current carrying capacity and heating at the contact elements is limited.
  • the rule here is that the larger the charging current to be transmitted, the larger a contact must be.
  • there are limits to scaling the contact element size with increasing charging current due to the associated space requirements, weight and costs. There is therefore a need to transmit a large charging current with a comparatively small-sized contact.
  • a solution approach known in principle in the prior art is to passively or actively cool contacts, high-current contacts, in order to implement the transmission of electrical power with limited heating of the power-transmitting components even with smaller-sized components.
  • DE 102016204895 A1 discloses a power contact system for a charging plug and / or a charging socket and a charging plug for coupling to a corresponding connecting device and for transmitting electrical energy.
  • the object to be solved is to provide a charging plug by means of which increased charging currents can be transmitted without the charging plug heating up excessively.
  • a power contact system for a charging plug and / or a charging socket has a power contact with a first connection area for galvanic connection with an electrical energy receiver and a second connection area for galvanic connection with a charging cable.
  • a cooling element that is in direct contact with the second connection area of the power contact is provided, the cooling element having a cooling fluid inlet connection and a cooling fluid outlet connection fluidly connected to this by means of a cooling fluid channel arranged within the cooling element connected to the cooling element, which is designed in such a way that the cooling fluid is not in direct contact with the power contact.
  • US 2015/0217654 A1 from Tesla Motors shows a charging system for an electric vehicle, comprising a power supply, a cable with a first and a second end, the first end being attached to the power supply, the cable comprising a charging wire and a cooling line, each of which extends from the first end to the second end; and a connector attached to the second end of the cable, the connector having a form factor that corresponds to a charging station of the electric vehicle; wherein the cooling line is suitable for transporting a fluid that cools the charging wire, line.
  • the cooling line and the current-carrying charging wire are practically arranged as a line package.
  • a charging cable known from DE 102010007 975 B4 with contacts, high-current contacts has a cooling line which comprises a feed line and a return line for a coolant and thus enables a coolant flow to and from the charging cable.
  • the cooling line of DE 102010 007 975 B4 serves, on the one hand, to dissipate the heat loss that occurs in an energy store of a vehicle, but also to cool the cable itself.
  • the charging cable is arranged concentrically within the cooling line and the cooling medium flows around it.
  • EP 3043421 A1 shows an electrical connection body for a charging plug with a cooling device.
  • An electrical connection body for a charging plug and / or a charging socket with a first connection area for galvanic connection with an electrical energy receiver and a second connection area for galvanic connection with an electrical energy source is presented and wherein the electrical connection body has a cooling fluid channel formed in the electrical connection body.
  • High-current contacts are disadvantageous or in need of improvement in various respects.
  • Often the cooling medium volume flows are not sufficient due to the reduced cross-sections of the supply and discharge lines to the cooling element.
  • the volume of the cooling element is also undersized in many cases.
  • the invention recognizes that, in addition to cooling the contact, high-current contact to increase the current to be transmitted while maintaining the same line cross-section, a direct connection of the conductor and cooling hose to the contact element, high-current contact, is suitable for achieving significant cooling improvements.
  • the direct connection integratively supports both the conduction of electrical energy and the direct, improved one
  • Cooling medium circulation, cooling medium volume flow or the failure of the cooling medium pump - can act as a buffer.
  • the external cooling medium hose supports the increased cross-sectional area with an inlet and outlet hose arranged parallel to the electrical conductor, so that an increased cooling medium volume flow is possible.
  • the invention provides that the current-carrying conductor, line, is located within the cooling tube.
  • the conductor and the cooling hose are connected directly to the connecting element, contact carrier.
  • the connecting element, contact carrier has at least one transverse bore through which the cooling medium can be introduced into a reservoir which forms the cooling element and can be discharged again.
  • the invention is implemented by contact arrangements in plug connections in the context of charging systems for an electric vehicle, two contact arrangements, high-current contacts, are usually arranged in a charging plug.
  • the invention provides two cooling medium hoses.
  • a hose there is, for example, a direct current positive pole, in one of the direct current negative pole.
  • a cooling medium hose is used as a supply line for cooling medium, and one is used as a return line. Both hoses can be fluidically coupled via the cooling element.
  • the invention provides in a special way a cooling medium that is designed as an electrical insulator and thus an electrically non-conductive liquid is present. In this way, it is possible to directly couple the current-carrying and the cooling-medium-carrying components in an integrative manner, so that the cooling effect is supported as a result of the at least partially direct physical contact of the electrically conductive device and the cooling medium.
  • a number of advantages are associated with the configuration according to the invention: Due to the current-carrying conductor, power supply line, located inside the cooling hose, it can be crimped to the contact, high-current contact in a simple and reliable manner using a conventional crimping process; the use of a braid that makes the connection difficult is not required
  • Cooling medium hose is increased compared to individual hoses, so that an increased cooling medium volume flow can be achieved, the crimping area of the high-current contact, contact lies completely in the non-conductive cooling liquid, so that, as in the prior art, insulation does not make the heat transfer difficult, the elasticity and mobility of the flow and Cooling medium-conducting overall arrangement and compact design are supported, the heating of the device both during normal charging and in the event of a fault situation in the event of failure of the cooling medium volume flow is limited due to the structural design and dimensioning of a cooling medium reservoir.
  • FIG. 1a shows a perspective view of the contact arrangement with a contact and a cooling tube coupled through a connection area
  • Fig. 3 in the upper representation is a front view of a contact element with a
  • FIG. 1 a comprises a perspective view of the contact arrangement with a contact area 10 and a component of the cooling space delimitation 40, implemented by a cooling hose 41, coupled through and with a connection area 30.
  • FIG. 1b shows a front view of the contact arrangement with connection area 30, formed by at least one connection element 31 with a contact receptacle 32, and in the lower illustration, the sectional top view C-C.
  • connection region 30 essentially couples the at least one contacting 11 via the contact receptacle 32 to a hose receptacle 33 through the connection element, contact carrier 31, in a manner that is both electrically conductive and carrying a cooling medium.
  • the receptacles 32, 33 of this exemplary embodiment are designed both in alignment and concentric to the central axis and are functionally supplemented by a receptacle 34 for the electrical conductor 20, likewise in an aligned and concentric manner.
  • the connecting element 31 is preferably made of a material with electrical conductivity and heat conducting properties.
  • the contact receptacle 32 and the line receptacle 34 in the connecting element 31 are designed as bores, holes, blind holes with or without internal threads that are introduced axially and at the end and can have an approximately 120 ° angle tip at the end - in the case of a blind hole design as a result of a drill bit.
  • a through-hole with a constant diameter or a diameter that deviates from one another is also possible.
  • the area of the contact receptacle 32 is preferably, but not necessarily, provided with an internal thread that is designed to be compatible with an adapter or the contact 11, such that the contact 11 can be fixed with or on the connecting element, contact carrier 31.
  • the area of the line receptacle 34 is designed in such a way that a line 20 can be fixed.
  • the coupling can take place by a press fit, by a crimping process or by clamping elements within the connecting element 31. Because of the particularly reliable connection properties of a crimped connection, this is a frequently preferred solution.
  • One end side of the connecting element 31 is designed as a hose receptacle 33 for coupling a cooling hose 41.
  • the hose receptacle 33 is formed by a cylindrical section onto which the hose 41 can be pushed axially.
  • the hose 41 can be fixed, for example, by clamps, hose clamps or a press fit.
  • the hose receptacle 33 can optionally be supplemented by a hose stop 35 in the form of a shoulder in the pushing-on direction and / or a bevel at the end, threading bevel 36.
  • FIG. 2 illustrates a sectional front view A-A of a contact element with an outer cooling space delimitation 40, which is essentially formed by at least one cooling hose 41 and at least one cooling housing 42.
  • the outer cooling space delimitation 40 forms the housing, outer delimitation of the at least one cooling element 50 with its connecting cooling area, cooling reservoir 52 and the at least one line cooling area 51.
  • a cooling housing adapter 43 can optionally be provided.
  • the volume of the cooling reservoir 52 can be increased and / or adapted to the respective required cooling capacity without the contact arrangement having to be geometrically changed. This supports the use of identical parts for the contact arrangement even when different cooling capacities are required, so that different variants of the contact arrangement are not required. In this way, the production and its costs as well as storage and parts logistics can be implemented cost-effectively.
  • the outer cooling space delimitation 40 can be sealed with or without a cooling housing adapter 43 by means of seals 44. O-rings with a preferably round cross-section, which are inserted into a corresponding groove with a groove depth smaller than the ring diameter, have proven particularly useful in rotationally symmetrical sealing surface situations.
  • the outer cooling space delimitation 40 works functionally together with the inner cooling space delimitation, formed essentially by the line 20 and the connecting element 31.
  • the geometric design of the invention results in a significantly improved heat transfer of the current-carrying components 20, 31 within the outer cooling space delimitation 40 due to the fact that the Cooling medium is in direct physical, physical contact. It is important that the invention provides for the use of a cooling medium that is designed as an electrical insulator and thus an electrically non-conductive liquid is present.
  • the fluidic coupling is achieved by at least one cooling connection, opening 53, which connects both areas 51, 52 in such a way that a cooling medium volume flow or cooling medium exchange between the two areas is supported.
  • the cooling medium movement between the line cooling area 51 and the connecting cooling area 52 can take place by means of a cooling medium volume flow through circulation as a result of temperature gradients within the medium or the components adjoining the medium and / or by means of an inlet and outlet combined with a cooling medium pump. Will be two or more
  • FIG. 2 shows this variant as an example for two contact arrangements in the illustration below.
  • the contact combination shown consists of a first and a second contact arrangement with an at least partially shared cooling space delimitation 40.
  • the cooling space delimitation 40 is designed in such a way that a cooling medium volume flow is supported between the contact arrangements.
  • FIG. 3 shows a front view of a contact element with a cooling space delimitation 40, which is essentially formed by at least one cooling hose 41 and at least one cooling housing 42 and can be supplemented by a cooling housing adapter 43.
  • the sectional top view BB of a contact combination consisting of a first and a second contact arrangement with an at least sectionally common cooling space delimitation 40 is shown.
  • the cooling space delimitation 40 forms a central cooling area 52 ', so that a cooling medium volume flow is supported between the contact arrangements.
  • the ring connection or volume flow channel formed in this way enables a cooling medium flow to be generated between the line cooling regions 51.
  • connection area contact with wire

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Leistung, aufweisend wenigstens eine Einrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung und wenigstens eine Einrichtung zur Kühlung, Wärmeabfuhr der aus einer Übertragung elektrischer Leistung der leitenden Verbindung entstehenden Wärme, wobei die elektrisch leitende Einrichtung wenigstens einen Verbindungsbereich zur Kopplung mit wenigstens einer Kühlraumbegrenzung und wenigstens einem Kontaktbereich aufweist, wobei die Kopplung in direkter Weise integrativ erfolgt, sodass die Kühlwirkung infolge des wenigstens teilweise direkten körperlichen Kontaktes der elektrisch leitenden Einrichtung und des Kühlmediums unterstützt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung Steckverbindungen, Ladestecker mit wenigstens einer solchen Kontaktanordnung.

Description

Beschreibung
Kontaktanordnung für Steckverbindungen,
Ladestecker mit Kühlungseinrichtung
Die Erfindung betrifft die Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Leistung, aufweisend wenigstens eine Einrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung und wenigstens eine Einrichtung zur Kühlung, Wärmeabfuhr der aus einer Übertragung elektrischer Leistung der leitenden Verbindung entstehenden Wärme, Weiterhin betrifft die Erfindung Steckverbindungen, Ladestecker mit wenigstens einer solchen Kontaktanordnung.
Kontakte im Allgemeinen weisen wenigstens einen elektrisch leitfähigen Kontaktabschnitt zum lösbaren, temporären oder steckenden Verbinden mit einem korrespondierenden Gegenkontaktelement und einen an den Kontaktabschnitt anschließenden Schaftabschnitt zum Befestigen einer elektrischen Leitung an dem Kontakt auf. Ein solcher Kontakt, Steckkontakt, Hochstromkontakt kann an einem Ladestecker oder einer Ladebuchse, beispielsweise zum Aufladen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, Verwendung finden. In diesem Fall ist ein Kabel einerseits an eine Ladestation angeschlossen und trägt andererseits ein Steckverbinderteil in Form eines Ladesteckers, der in ein zugeordnetes Gegensteckverbinderteil in Form einer Ladebuchse an einem Fahrzeug eingesteckt werden kann, um auf diese Weise eine elektrische Verbindung zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug herzustellen.
Ladeströme können grundsätzlich als Gleichströme oder als Wechselströme übertragen werden, wobei insbesondere Ladeströme und Hochstrombereiche in Form von Gleichstrom eine große Stromstärke, beispielsweise größer als 200 A oder sogar größer als 300 A oder gar 350 A, aufweisen und zu einer Erwärmung des Kabels, genauso wie eines mit dem Kabel verbundenen Hochstromkontaktes führen können.
Bei einem Ladevorgang von elektrischen Energiespeichern, Akkumulatoren entsteht Wärme infolge der hohen übertragenen elektrischen Leistungen, elektrischen Strömen nicht nur an dem Kabel, mit dem ein Ladestecker beispielsweise mit einer Ladestation verbunden ist, sondern auch an dem Ladestecker und insbesondere innerhalb des Ladesteckers, beispielsweise an Hochstromkontakten, über die ein elektrischer Kontakt mit zugeordneten Gegenkontakten, beispielsweise auf Seiten einer Ladebuchse, an einem Elektrofahrzeug hergestellt wird, wenn der Ladestecker in die Ladebuchse eingesteckt ist und die elektrische Leistung übertragen wird. Solche Hochstromkontakte, die aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Kupferwerkstoff gefertigt sind, erwärmen sich, wenn ein Ladestrom über die Kontakte, Steckkontakte, Hochstromkontakte fließt, wobei grundsätzlich die Kontakte in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Ladestroms so zu dimensionieren sind, dass die Kontakte eine hinreichende Stromtragfähigkeit aufweisen und eine Erwärmung an den Kontaktelementen begrenzt ist. Hierbei gilt, dass ein Kontakt umso größer zu dimensionieren ist, je größer der zu übertragende Ladestrom ist. Einer Skalierung der Kontaktelementgröße mit steigendem Ladestrom sind jedoch aufgrund des damit einhergehenden Bauraumbedarfs, des Gewichts und der Kosten Grenzen gesetzt. Es besteht daher ein Bedürfnis, einen großen Ladestrom mit einem vergleichsweise klein dimensionierten Kontakt zu übertragen.
Im Rahmen der angestrebten Elektromobilität sind hohe Ladeströme von besonderer Bedeutung. Nur auf diese Weise lassen sich Elektrofahrzeuge bzw. dessen Energiespeicher in kurzer Zeit “auftanken“.
Ein im Stand der Technik grundsätzlich bekannter Lösungsansatz ist es, Kontakte, Hochstromkontakte passiv oder aktiv zu kühlen, um auch bei kleiner dimensionierten Bauelementen die Übertragung der elektrischen Leistung mit begrenzter Erwärmung der leistungsübertragenden Bauteile zu realisieren.
Die DE 102016204895 A1 offenbart ein Leistungskontaktsystem für einen Ladestecker und/oder eine Ladebuchse sowie einen Ladestecker zur Kopplung mit einer korrespondierenden Verbindungsvorrichtung und zur Übertragung elektrischer Energie. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Ladestecker bereitzustellen, mittels dem erhöhte Ladeströme übertragbar sind, ohne dass sich der Ladestecker übermäßig erhitzt.
Zur Lösung wird ein Leistungskontaktsystem für einen Ladestecker und/oder eine Ladebuchse vorgeschlagen, dass einen Leistungskontakt mit einem ersten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einem elektrischen Energieempfänger und einen zweiten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einem Ladekabel aufweist. Ein mit dem zweiten Anschlussbereich des Leistungskontakts in direktem Kontakt stehendes Kühlelement ist vorgesehen, wobei das Kühlelement einen Kühlfluidzulaufanschluss und einen mit diesem mittels eines innerhalb des Kühlelements angeordneten Kühlfluidkanal fluidverbundenen Kühlfluidablaufanschluss aufweist, Der Kühlfluidzulaufanschluss und der Kühlfluidablaufanschluss sind in dem Kühlelementdeckel angeordnet und sind durchström bar mit dem Kühlelement verbunden, welches derart konzipiert ist sodass das Kühlfluid nicht mit dem Leistungskontakt in direktem Kontakt steht.
Die US 2015/0217654 A1 von Tesla Motors zeigt ein Ladesystem für ein Elektrofahrzeug, aufweisend eine Stromversorgung, ein Kabel mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende an der Stromversorgung befestigt ist, wobei das Kabel einen Ladedraht und eine Kühlleitung umfasst, von denen sich jede vom ersten Ende bis zum zweiten Ende erstreckt; und einen Verbinder, der an dem zweiten Ende des Kabels befestigt ist, wobei der Verbinder einen Formfaktor aufweist, der einer Ladestation des Elektrofahrzeugs entspricht; wobei die Kühlleitung geeignet ist, ein Fluid zu transportieren, das den Ladedraht, Leitung kühlt. Die Kühlleitung und der stromführende Ladedraht, Leitung sind praktisch als Leitungspaket angeordnet.
Ein aus der DE 102010007 975 B4 bekanntes Ladekabel mit Kontakten, Hochstromkontakten weist eine Kühlleitung auf, die eine Zuleitung und eine Rückleitung für ein Kühlmittel umfasst und somit einen Kühlmittelfluss hin und zurück in dem Ladekabel ermöglicht. Die Kühlleitung der DE 102010 007 975 B4 dient hierbei zum einen zum Abführen von an einem Energiespeicher eines Fahrzeugs entstehender Verlustwärme, zudem aber auch zum Kühlen des Kabels an sich. Um die Kühlwirkung des Ladekabels zu erreichen ist das Ladekabel konzentrisch innerhalb der Kühlleitung angeordnet und von Kühlmedium umströmt.
Einen Elektroanschlusskörper für einen Ladestecker mit einer Kühleinrichtung zeigt die EP 3043421 Al Vorgestellt ist ein Elektroanschlusskörper für einen Ladestecker und/oder eine Ladebuchse mit einem ersten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einem elektrischen Energieempfänger und einen zweiten Anschlussbereich zur galvanischen Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle aufweist und wobei der Elektroanschlusskörper einen im Elektroanschlusskörper ausgebildeten Kühlfluidkanal aufweist. Die bekannten Kühllösungen für Steckverbindungen, Ladestecker, Kontakte,
Hochstromkontakte sind in verschiedener Hinsicht unvorteilhaft oder verbesserungswürdig. Häufig sind die Kühlmediumvolumenströme infolge der reduzierten Querschnitte der Zu- und Abfuhrleitungen zum Kühlelement nicht ausreichend. Auch das Volumen des Kühlelementes ist in vielen Fällen unterdimensioniert.
Ein weiteres Problem effektiver Kühlung ergibt sich durch den häufig unzureichenden Wärmeübergang von den Zonen und Bereichen erhöhter Temperatur und dem Kühlmedium. Ursächlich dafür sind vielfach die zu kleinen Kontaktflächen zwischen den zu kühlenden Komponenten bzw. Kontakten und den Kühlelementen. Meist sind die kühlmediumführenden und die hochstromführenden Komponenten separate, in sich geschlossene Bauelemente, mit dem dadurch resultierenden verringerten Wärmeübergang zwischen beiden.
Viele verfügbare Kühleinrichtungen sind derart konzipiert, dass nur Teilbereiche der Hochstrom kontakte einer Kühlleistung ausgesetzt sind. Oft werden nur die Kontaktbereiche zum Gegenstecker gekühlt oder es sind die Leitungen einer Kühlwirkung unterliegend. Die Verbindungsabschnitte zwischen Leitung und Kontakt sind meist nur dann gekühlt, wenn es sich bei den elektrisch leitenden Zuleitungen um geflechtartige Aufbauten handelt.
Auch sicherheitstechnisch können viele angebotene Kühlungslösungen für Hochstromkontakte nicht überzeugen. Die verfügbaren Kühleinrichtungen bieten keine Absicherung oder Notfallfunktion bei Ausfall der Kühlung beispielsweise durch Defekte an der Kühlmediumpumpe oder Störungen in der Zu- oder Ableitung von Kühlmedium.
Es ist Aufgabe der Erfindung bestehende Kühlungslösungen für Kontaktanordnungen, Kontakte, Hochstromkontakte weiterzuentwickeln sodass die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise reduziert und die Zuverlässigkeit der Kühlung verbessert werden.
Die Erfindung erkennt, dass neben der Kühlung des Kontaktes, Hochstromkontaktes zur Erhöhung des zu übertragenden Stroms bei gleichbleibendem Leitungsquerschnitt eine direkte Verbindung von Leiter und Kühlschlauch mit dem Kontaktelement, Hochstromkontakt geeignet ist, wesentliche Kühlungsverbesserungen zu erzielen. Die direkte Verbindung unterstützt integrativ sowohl die Leitung der elektrischen Energie als auch den direkten, verbesserten
Wärmeübergang von den sich erwärmenden Leitungskomponenten auf das Kühlmedium infolge des direkten körperlichen Kontaktes. Durch die Anordnung des oder der Kontaktelemente, Hochstromkontakte im Kontaktträger, Verbindungselement und damit im Kühlelement kann ein zusätzliches Kühlmedium- Sicherheitsreservoir geschaffen werden, welches im Fehlerfall - beispielsweise ausbleibende
Kühlmediumumwälzung, Kühlmediumvolumenstrom oder der Ausfall der Kühlmediumpumpe - als Puffer wirken kann. Der außenliegende Kühlmediumschlauch unterstützt eine gegenüber parallel zum elektrischen Leiter angeordneten Zu- und Ablaufschläuche die vergrößerte Querschnittsfläche, sodass ein gesteigerter Kühlmediumvolumenstrom möglich wird.
Konstruktiv sieht die Erfindung vor, dass sich der stromführende Leiter, Leitung innerhalb des Kühlschiauchs befindet. Der Leiter und der Kühlschlauch werden direkt mit dem Verbindungselement, Kontaktträger verbunden. Das Verbindungselement, Kontaktträger hat wenigstens eine Querbohrung, durch welche das Kühlmedium in ein Reservoir, das das Kühlelement bildet, eingeleitet und wieder ausgeleitet werden kann.
Wird die Erfindung durch Kontaktanordnungen in Steckverbindungen im Rahmen von Ladesystemen für ein Elektrofahrzeug verwirklicht, sind meist zwei Kontaktanordnungen, Hochstromkontakte in einem Ladestecker angeordnet. Die Erfindung sieht in dieser Variante zwei Kühlmediumschläuche vor. In einem Schlauch befindet sich beispielsweise ein Gleichstrom-Pluspolleiter, in einem der Gleichstrom-Minuspolleiter, Ein Kühlmediumschlauch wird als Zuleitung von Kühlmedium, einer als Rücklauf verwendet. Beide Schläuche können über das Kühlelement strömungstechnisch gekoppelt sein.
Die Erfindung sieht in besonderer Weise ein Kühlmedium vor, dass als elektrischer Isolator ausgebildet ist und somit eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit vorliegt. Auf diese Weise ist es möglich, die stromführenden und die kühlmediumführenden Komponenten in direkter Weise integrativ zu koppeln, sodass die Kühlwirkung infolge des wenigstens teilweise direkten körperlichen Kontaktes der elektrisch leitenden Einrichtung und des Kühlmediums unterstützt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind eine Reihe von Vorteilen einhergehend: Durch den innerhalb des Kühlschlauches liegenden stromführenden Leiter, Stromzuleitung kann dieser in einfacher und zuverlässiger Weise mit einem herkömmlichen Crimpverfahren an den Kontakt, Hochstromkontakt gecrimpt werden, die Verwendung eines die Verbindung erschwerenden Geflechtes ist nicht erforderlich,
Zu- und Ablaufquerschnitt der kühlmediumleitenden Komponenten,
Kühlmediumschlauch ist gegenüber Einzelschläuchen erhöht, sodass eine erhöhter Kühlmediumvolumenstrom realisierbar ist, der Crimpbereich des Hochstromkontaktes, Kontakt liegt vollständig in der nichtleitenden Kühlflüssigkeit, so dass nicht, wie beim Stand der Technik, eine Isolierung den Wärmeübergang erschwert, die Elastizität und Beweglichkeit der ström- und kühlmediumleitenden Gesamtanordnung sowie kompakte Gestaltung sind unterstützt, die Erwärmung der der Einrichtung sowohl bei Normalladebetrieb als auch im Fall einer Störungssituation bei Ausfall des Kühlmediumvolumenstromes ist infolge der konstruktiven Ausgestaltung und Dimensionierung eines Kühlmediumreservoirs begrenzt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen;
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht auf die Kontaktanordnung mit einem Kontakt sowie einem Kühlschlauch gekoppelt durch einen Verbindungsbereich;
Fig, 1b in der oberen Darstellung eine Vorderansicht auf die Kontaktanordnung mit Verbindungsbereich gebildet durch wenigstens ein Verbindungselement, Kontakträger mit einer Kontaktaufnahme und in der unteren Darstellung die
Schnittdraufsicht C-C; Fig. 2 in der oberen Darstellung eine Schnitt-Vorderansicht A-A auf ein Kontaktelement mit einer Kühlraumbegrenzung und in der unteren Darstellung die Draufsicht auf eine Kontaktkombination bestehend aus einer ersten und einer zweiten Kontaktanordnung mit einer wenigstens abschnittweise gemeinsamen Kühlraumbegrenzung;
Fig. 3 in der oberen Darstellung eine Vorderansicht auf ein Kontaktelement mit einer
Kühlraumbegrenzung und in der unteren Darstellung die Schnitt-Draufsicht B-B auf eine Kontaktkombination bestehend aus einer ersten und einer zweiten Kontaktanordnung mit einer wenigstens abschnittweise gemeinsamen Kühlraumbegrenzung.
Figur 1a umfasst eine perspektivische Ansicht auf die Kontaktanordnung mit einem Kontaktbereich 10 sowie einer Komponente der Kühlraumbegrenzung 40, realisiert durch einen Kühlschlauch 41 , gekoppelt durch und mit einem Verbindungsbereich 30.
Figur 1b zeigt in der oberen Darstellung eine Vorderansicht auf die Kontakt-anordnung mit Verbindungsbereich 30, gebildet durch wenigstens ein Verbindungselement 31 mit einer Kontaktaufnahme 32 und in der unteren Darstellung die Schnittdraufsicht C-C.
Der Verbindungsbereich 30 koppelt im Wesentlichen durch das Verbindungselement, Kontaktträger 31 die wenigstens eine Kontaktierung 11 über die Kontaktaufnahme 32 mit einer Schlauchaufnahme 33, in sowohl elektrisch leitender als auch kühlmedium führender Weise. Die Aufnahmen 32, 33 dieses exemplarischen Ausführungsbeispiels sind sowohl fluchtend als auch konzentrisch zur Mittenachse ausgeführt und werden funktionell ergänzt durch eine Aufnahme 34 für den elektrischen Leiter 20, in gleichfalls fluchtender und konzentrischer Weise. Das Verbindungselement 31 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff mit elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleiteigenschaften hergestellt.
Die Kontaktaufnahme 32 und die Leitungsaufnahme 34 in dem Verbindungselement 31 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als von jeweils stirnseitig und axial eingebrachte Bohrungen, Löcher, Sacklöcher mit oder ohne Innengewinde ausgeführt und können endseitig - im Fall einer Sacklochausführung - eine ca. 120°-Winkelspitze aufweisen als Ergebnis einer Bohrerspitze. Auch möglich ist eine Durchgangsbohrung mit konstantem oder voneinander abweichendem Durchmesser. Der Bereich der Kontaktaufnahme 32 ist vorzugsweise, aber nicht zwingend mit einem Innengewinde versehen, das kompatibel zu einem Adapter oder der Kontaktierung 11 ausgeführt ist, derart, dass die Kontaktierung 11 mit bzw. an dem Verbindungselement, Kontaktträger 31 festlegbar ist. Der Bereich der Leitungsaufnahme 34 ist derart gestaltet, dass eine Leitung 20 festgelegt werden kann. Die Kopplung kann erfolgen durch eine Presspassung, durch einen Crimpvorgang oder durch Klemmelemente innerhalb des Verbindungselementes 31. Wegen der besonders zuverlässigen Verbindungseigenschaften einer Crimpverbindung ist dies eine häufig bevorzugte Lösung.
Eine Endseite des Verbindungselementes 31 ist ausgebildet als Schlauchaufnahme 33 zur Kopplung eines Kühlschlauches 41. In der einfachsten geometrischen Gestaltung ist die Schlauchaufnahme 33 durch einen zylinderförmigen Abschnitt gebildet, auf den der Schlauch 41 axial aufschiebbar ist. Die Festlegung des Schlauches 41 kann beispielsweise durch Klemmen, Schlauchklemmen oder eine Presspassung erfolgen. Ergänzt werden kann die Schlauchaufnahme 33 optional durch einen Schlauchanschlag 35 in Form eines Absatzes in Aufschieberichtung und/oder eine endseitige Fase, Einfädelschräge 36.
Figur 2 illustriert in der oberen Darstellung eine Schnitt-Vorderansicht A-A auf ein Kontaktelement mit einer äußeren Kühlraumbegrenzung 40, die im Wesentlichen durch wenigstens einen Kühlschlauch 41 und wenigstens ein Kühlgehäuse 42 gebildet ist. Die äußere Kühlraumbegrenzung 40 bildet die Einhausung, äußere Begrenzung des wenigstens einen Kühlelementes 50 mit seinem Verbindungskühlbereich, Kühlreservoir 52 und des wenigstens einen Leitungskühlbereiches 51.
Zur Kopplung des Kühlgehäuses 42 mit dem Verbindungselement 31 kann optional ein Kühlgehäuseadapter 43 vorgesehen sein. Neben herstellungstechnischen Vorteilen durch Geometrievereinfachung des Verbindungselementes 31 ist das Kühlreservoir 52 in seinen Volumen vergrößerbar und/oder auf die jeweilige erforderliche Kühlleistung anpassbar, ohne dass die Kontaktanordnung geometrisch verändert werden muss. Dadurch ist die Verwendung von Gleichteilen für die Kontaktanordnung auch bei unterschiedlichen erforderlichen Kühlleistungen unterstützt, sodass verschiedene Varianten der Kontaktanordnung nicht erforderlich sind. Auf diese Weise sind die Herstellung und deren Kosten sowie die Lagerhaltung und Teilelogistik kostengünstig realisierbar. Die Abdichtung der äußeren Kühlraumbegrenzung 40 kann mit oder ohne Kühlgehäuseadapter 43 durch Dichtungen 44 erfolgen. Insbesondere bei rotationssymmetrischen Dichtflächensituationen haben sich O-Ringe mit vorzugsweise rundem Querschnitt bewährt, die in eine korrespondierende Nut mit Nuttiefe kleiner dem Ringdurchmesser eingelegt sind.
Die äußere Kühlraumbegrenzung 40 wirkt funktional zusammen mit der inneren Kühlraumbegrenzung, gebildet im Wesentlichen durch die Leitung 20 und das Verbindungselement 31. Das geometrische Design der Erfindung resultiert in einen erheblich verbesserten Wärmeübergang der stromführenden Komponenten 20, 31 innerhalb der äußeren Kühlraumbegrenzung 40 dadurch, dass das Kühlmedium in direktem physischem, körperlichen Kontakt steht. Wichtig ist, dass die Erfindung die Verwendung von Kühlmedium vorsieht, dass als elektrischer Isolator ausgebildet ist und somit eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit vorliegt.
Eine weitere kühlleistungsverbessernde Maßnahme stellt die erfindungsgemäße strömungstechnische Kopplung von Leitungskühlbereich 51 und Verbindungskühlbereich 52 dar. Die strömungstechnische Kopplung wird durch wenigstens eine Kühlverbindung, Öffnung 53 erreicht, die beide Bereiche 51 , 52 derart verbindet, sodass ein Kühlmediumvolumenstrom oder Kühlmediumaustausch zwischen beiden Bereich unterstützt ist. Die Kühlmediumbewegung zwischen Leitungskühlbereich 51 und Verbindungskühlbereich 52 kann durch einen Kühlmediumvolumenstrom durch Umwälzung infolge Temperaturgradienten innerhalb des Mediums oder der an das Medium angrenzenden Bauteile erfolgen oder/und mittels Zulauf und Ablauf kombiniert mit einer Kühlmediumpumpe erfolgen. Werden zwei oder mehrere
Kontaktanordnungen mit Kühlraumbegrenzung 40 verwendet und sind die Kühlmedienräume volumenstromunterstützend gekoppelt, können die Leitungskühlbereiche 51 als Zulauf und Rücklauf, Ablauf verwendet werden. Die Figur 2 zeigt diese Variante beispielhaft für zwei Kontaktanordnungen in der unteren Darstellung. Die gezeigte Kontaktkombination besteht aus einer ersten und einer zweiten Kontaktanordnung mit einer wenigstens abschnittweise gemeinsamen Kühlraumbegrenzung 40. Die Kühlraumbegrenzung 40 ist derart ausgeführt, dass ein Kühlmediumvolumenstrom zwischen den Kontaktanordnungen unterstützt wird. Figur 3 zeigt in der oberen Darstellung eine Vorderansicht auf ein Kontaktelement mit einer Kühlraumbegrenzung 40, die im Wesentlichen durch wenigstens einen Kühlschlauch 41 und wenigstens ein Kühlgehäuse 42 gebildet ist und ergänzt sein kann durch ein Kühlgehäuseadapter 43.
In der unteren Darstellung der Figur 3 ist die Schnitt-Draufsicht B-B auf eine Kontaktkombination bestehend aus einer ersten und einer zweiten Kontaktanordnung mit einer wenigstens abschnittweise gemeinsamen Kühlraumbegrenzung 40 dargestellt. Die Kühlraumbegrenzung 40 bildet einen Kühlmittenbereich 52', sodass ein Kühlmediumvolumenstrom zwischen den Kontaktanordnungen unterstützt wird. Durch die auf diese Weise gebildete Ringverbindung bzw, gebildeten Volumenstromkanal kann eine Kühlmediumströmung zwischen den Leitungskühlbereichen 51 erzeugt werden.
Bezugszeichen
10 Kontaktbereich, Kontakt, Hochstromkontakt
11 Kontaktierung
20 Leitung, Leiter
30 Verbindungsbereich (Kontakt mit Leitung)
31 Verbindungselement, Kontaktträger
32 Aufnahme für Kontakt/Hochstromkontakt, Kontaktaufnahme
33 Aufnahmebereich für Schlauch, Schlauchaufnahme
34 Aufnahmebereich für elektrischen Leiter, Leitungsaufnahme, Crimpverbindung
35 Schlauchanschlag
36 Fase, Einfädelschräge
40 (äußere) Kühlraumbegrenzung
41 Schlauch, Kühlschlauch
42 Kühlgehäuse
43 Kühlgehäuseadapter
44 Dichtelement, Dichtung, O-Ring
50 Kühlelement, Kühlmediumvolumina
51 Leitungskühlbereich
52 Kühlreservoir, Verbindungskühlbereich
52 Kühlmittenbereich
53 Kühlverbindung, Öffnung, Bohrung

Claims

Ansprüche
1. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Leistung, aufweisend wenigstens eine Einrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung und wenigstens eine Einrichtung zur Kühlung, Wärmeabfuhr der aus einer Übertragung elektrischer Leistung der leitenden Verbindung entstehenden Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Einrichtung wenigstens einen Verbindungsbereich (30) zur Kopplung mit wenigstens einer Kühlraumbegrenzung (40) und wenigstens einem Kontaktbereich (10) aufweist, wobei die Kopplung in direkter Weise integrativ erfolgt, sodass die Kühlwirkung infolge des wenigstens teilweise direkten körperlichen Kontaktes der elektrisch leitenden Einrichtung und des Kühlmediums unterstützt ist,
2. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des wenigstens einen Kontaktbereiches (10) eine Kontaktierung, Hochstromkontaktierung (11) aufnehmbar ist,
3. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (30) im Wesentlichen durch ein Verbindungselement (31), aufweisend wenigstens eine Kontaktaufnahme (32), gebildet ist,
4. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (31) wenigstens eine Schlauchaufnahme
(33) aufweist,
5. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlauchaufnahme (33) durch eine Fase (36) und/oder durch einen Schlauchanschlag (35) ergänzt ist.
6. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (31) wenigstens eine Leitungsaufnahme
(34) aufweist.
7. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsaufnahme (34) eine Crimpverbindung umfasst.
8. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlraumbegrenzung (40) außenseitig zumindest durch den mit dem Verbindungsbereich (30) koppelbaren, wenigstens einen Schlauch (41) und wenigstens einem Kühlgehäuse (42) gebildet ist.
9. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgehäuse (42) durch ein Kühlgehäuseadapter (43) mit dem Verbindungsbereich (30) gekoppelt ist.
10. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgehäuse (42) mit dem Verbindungsbereich (30) einen Verbindungskühlbereich (52) bildet, in dem Kühlmedium aufnehmbar ist.
11. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens eine Öffnung (53) in dem Verbindungselement (31) die Kopplung des Verbindungskühlbereiches (52) und des Leitungskühlbereiches (51) erfolgt, sodass ein Kühlmediumvolumenstrom zwischen den Bereichen (51, 52) unterstützt ist.
12. Kontaktanordnung für Steckverbindungen, Ladestecker gemäß Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs- oder Kopplungsbereiche des Kühlgehäuses (42) und/oder des Kühlgehäuseadapters (43) und/oder des Verbindungsbereiches (30) zueinander durch Dichtelemente (44) abgedichtet sind.
13. Steckverbindung, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Energie, insbesondere im Hochstrombereich, aufweisend wenigstens eine Kontaktanordnung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche.
14. Steckverbindung, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Energie gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung, Ladestecker durch wenigstens zwei Kontaktanordnungen gebildet ist, wobei von den zueinander angrenzenden Kühlelementen (50) mit seinen Verbindungskühlbereichen (52) wenigstens ein Kühlmittenbereich (52') gebildet ist.
15. Steckverbindung, Ladestecker zur Übertragung elektrischer Energie gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittenbereich (52') den Kühlmediumvolumenstrom von einem ersten Leitungskühlbereich (51) über einen ersten Verbindungskühlbereich (52) auf einen zweiten Verbindungskühlbereich (52) und einen zweiten Leitungskühlbereich (51) unterstützt.
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