JP2019153578A - 電気接続ユニットおよびバッテリシステム - Google Patents

Abstract

【課題】一体的に冷却される電気接続ユニット、およびそのような接続ユニットを有するバッテリシステムを提供する。【解決手段】電気接続ユニット（１２０）は、第１の電気構成要素に接触する第１の電気端子（１０４）と、導電ケーブル（１００）に接続される第２の電気端子（１０６）と、冷却剤源を取り付けるための第１の流体端子（１０８）とを備える。電気接続ユニット（１２０）が、第１の電気端子（１０４）と第２の電気端子（１０６）との間の電気接続を確立する。第２の電気端子（１０６）は、第２の流体端子（１１０）としてさらに形成され、したがって第２の流体端子（１１０）は、ケーブル（１００）に配置される冷却チャネル（１０３）に接続し、導電ケーブルを冷却するための冷却剤が、冷却チャネル（１０３）を通って第１の流体端子（１０８）へ流れることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、一体的に冷却される電気接続ユニット、およびそのような接続ユニットを有するバッテリシステムに関する。詳細には、冷却は、液体冷却剤によって行うことができる。

あらゆる電子構成要素、機器、および回路は過剰な熱を発生する。したがって信頼性を改善し、早すぎる故障を防止するために、熱管理を必要とする。特に、自動車内のバッテリシステムの電気接続の場合、バッテリの電気コンタクトでは高い電流、したがって相当な量の熱が生じる。この熱は、危険な過熱を回避するために、可能な限り迅速かつ効率的に放散しなければならない。

電気アセンブリを冷却するための様々な技法が存在し、たとえばファンを使用する空気冷却またはペルティエ効果に基づく熱電冷却が存在する。ファンによる従来の空気冷却システムは、熱を放散するその能力が制限されている。したがって、そのような従来の空気冷却システムは、バッテリシステムとともに使用するには、限られた程度適しているにすぎない。流体、たとえば水またはオイルなどの冷却液を介して熱を放出する方が、実質上より効率的である。

例として、プラグ接続を冷却するデバイスが、ＤＥ１０２０１５２２１５７１Ａ１に記載されている。このデバイスは、充電プラグと、充電プラグを受け取るのに適したコンタクトブッシングと、コンタクトブッシングに接続された第１の電気ラインと、充電プラグに接続された第２の電気ラインとから構成されている。第１の電気ラインは第１の空洞を有し、かつ／または第２の電気ラインは電気ラインに沿って第２の空洞を有し、この電気ラインを介して冷却剤が導かれる。たとえば、充電ケーブルを取り囲むチューブを通って冷却剤が流れる。この冷却剤は、熱を放散するのに適した空気、オイル、水、または別の流体とすることができる。

しかし、この既知の配置には、バッテリへの接点で冷却するための実行可能な解決策を提供しないという欠点がある。

したがって、特に電気自動車のバッテリの接点において直接、電気接続の安全かつ効率的な冷却を可能にし、したがってバッテリの充電中および車両の操作中の熱管理を強化および単純化する手段が必要とされている。

この問題は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項の主題である。

導電ＨＦケーブルを、ケーブル内で案内される冷却液によって冷却することが知られている。例として、ドイツで調査および公開された出願ＤＥ１１６００５３Ｂに、ゴム製チューブ内に銅の中空チューブが配置され、この銅の中空チューブが電流を伝える働きをし、ゴム製チューブが冷却剤をさらに導く働きをし、冷却剤は、電流導体のワイア周りを同時に浸すことが記載されている。

本発明の発明者らは、電気ラインの液体冷却の概念をバッテリシステム内での使用に適合させるには、それと同様に冷却媒体を少なくとも部分的に流すことができるようにバッテリの電気端子を構成することができればよいことに気付いた。特に、本発明は、一方ではバッテリの接点に接続することができ、他方では対応する外部接点に接続することができる電気接続ユニットを提供する。

本発明によれば、電気接続ユニットは、第１の電気構成要素、たとえばバッテリに接触する第１の電気端子と、導電ケーブルに接続される第２の電気端子とを備え、電気接続ユニットは、第１の電気端子と第２の電気端子との間の電気接続を確立する。さらに、電気接続ユニットは、冷却剤源を取り付けるための第１の流体端子を備える。本発明によれば、第２の電気端子は、第２の流体端子としてさらに形成され、したがって第２の流体端子は、ケーブルに配置される冷却チャネルに接続し、導電ケーブルを冷却するための冷却剤が、冷却チャネルを通って第１の流体端子へ流れることができる。

このようにして、たとえばバッテリなどの熱を発生する構成要素への電気的取付け部を効率的に冷却することが達成され得る。このプロセスにおいて、実際の接点の可能な限り近くで冷却剤を伝えることを確実にすることができる。したがって接続ユニットは、電流回路と冷却剤回路との両方に取り付けられるように作用する。

特に、導電性でない冷却剤が使用される場合、冷却剤からケーブルの導電性材料を電気絶縁することを省くことができる。その結果、一方では追加の絶縁体によって熱の遷移が損なわれず、他方ではケーブルの製造が大幅に単純化される。本発明によれば、ケーブルは導電性材料を含み、導電性材料は、絶縁体によって取り囲まれた空洞を形成し、冷却チャネルは、導電性材料によって形成された空洞の内部に形成される。

電気接続ユニットの取付け中の第１の電気構成要素に対するケーブルの位置に関して可能な限り最大の柔軟性を可能にするために、第２の電気端子は、リングカプラに配置される。リングカプラは、第２の端子を第１の電気端子の長手方向軸周りで回転可能に保持する。リングカプラは、第１の電気構成要素上に取り付けた後、たとえば本発明の電気接続ユニットの圧力嵌めによって回転しないようにすることができる。言い換えれば、取付け中、ケーブルの位置が最終取付け状態で固定されている間のみ回転することができる。第１の電気端子と第１の電気構成要素との間の接続が解放可能である場合、電気接続を解放することによって機械的に回転が再び可能になるようにすることができる。

流体に対するリング支持カプラは、たとえばＥＰ０６４６７４８Ｂ１から知られており、互いに対して任意の所望の角度位置に存在することができる流体ラインを互いに接続しなければならない場合に使用される。

ここでは、ねじの基本的な形状は中空の円筒であり、ねじのヘッド端で閉じており、ねじ山端で開いている。さらにねじは、ヘッド端に、互いに反対側の２つの孔を有する。リング端子は、一方の側に孔を有するリングから構成され、この孔に端子支持体が配置され、それによって支持体が径方向に外向きになる。リング端子は、２つの封止リング間で中空のねじに差し込まれる。この構成では、ある角度で回って液体を導くことができる。

しかし、一体型の冷却システムを有する電流ラインをバッテリおよび冷却回路に取り付けるには、流体接続だけに注目する既知の解決策では満たすことができない２つの要件が存在する。第１に、ねじ山をバッテリに螺着可能であるべきであり、ねじはねじ山側に液体を伝えることなく、電流は伝えることが可能であるべきである。したがって、ねじは、ねじ山側で中空で開いていてはならず、中実であるべきである。第２に、さらなるチューブを取り付けることが可能でなければならず、これは本発明によれば、第１の流体端子によって達成される。

特にバッテリに接触するために使用する場合、立体構造であるため、電気接続ユニットが、第１の長手方向軸を有するベース本体を有し、第１の長手方向軸が第１の流体端子の差込み方向に沿って延びる場合が有利であり、第１の流体端子の差込み方向は、第１の電気端子の長手方向軸に沿って延びる。このようにして、第１の電気端子に対応するバッテリ端子は、冷却剤回路端子の反対側に位置し、その結果、冷却剤回路とバッテリとの間に明確な空間分離が得られる。

本発明の有利な発展形態によれば、第２の電気端子は、第２の長手方向軸を有し、第２の長手方向軸は、第１の流体端子の差込み方向に対して平行に延びない。言い換えれば、第２の長手方向軸は、差込み方向に対して０°に等しくない角度を形成する。このようにして、たとえば第１の電気端子がバッテリの接点に取り付けられた後、たとえば冷却剤端子の特に簡単で素早い取付けを可能にするために、解放可能な迅速カプラ（rapid coupler）を第１の流体端子に提供することができる。

さらに、リングカプラが接続ユニットのベース本体とともに冷却剤チャンバを形成するようにすることができる。このようにして、ベース本体は、電気コンタクト領域内で冷却剤によって内側および外側の両方から浸される。その結果、発生した熱がさらに良好に放出される。

特に、第１の流体端子は、ベース本体内の少なくとも１つの開口を介してリングカプラの冷却剤チャンバに流体接続することができる。この開口によって、一方では冷却剤の流れが可能になり、しかし他方では、ベース本体の残りの壁の十分な許容電流および機械的安定性が確保される。冷却剤チャンバは、有利には、ベース本体の周りを巡るように形成され、したがって冷却剤の流れが妨げられないことを可能にするために、少なくとも１つの開口の位置が第２の流体端子の位置に相関しなくてもよい。

可能な限り冷却剤の高い処理能力を可能にするために、ベース本体の外周に等距離を隔てて複数の開口が配置される。

動作の際、液冷式の電気接続ユニットは、液体が逃げないように、流体封止されなければならない。本発明によれば、これは、有利には、少なくとも１つの導電封止デバイスによって達成される。例として、ベース本体とリングカプラとの間の境界面に少なくとも１つの銅シールを嵌めるようにすることができる。そのような金属シールの利点は、一方では許容電流が増大され、他方では、過酷な環境条件下でも耐久性があり機械的に安定したシールを確保することができることである。

本発明の有利な発展形態によれば、ケーブルは、圧着接続によって第２の電気端子に接続される。そのような圧着接続の利点は、高い熱負荷を受けても、高い許容電流を有する安定した機械的および電気的接続を確立することができることである。圧着接続を確立するために、第２の電気端子は、互いに対してかつ第２の電気端子の長手方向軸に対して同心円状に配置された内側スリーブおよび外側スリーブを有することができる。２つのスリーブ間の中間空間に実質上管状のケーブルが導入され、内側スリーブとケーブルの電気導体との間の電気接続を確立するために、外側スリーブが内側スリーブに押し込まれる。ここでまた、外側スリーブは、ケーブルの絶縁を貫通して電気導体に接触することができる内向きの舌片を有するようにすることができる。このようにして、許容電流が再び増大する。

有利には、ケーブルの電気絶縁シースへの圧着接続によって、流体で充填されたケーブルと、本発明によれば流体端子としても機能する第２の電気端子との間でも、流体封止が行われる。

第１の電気端子がねじ山として形成された場合、電流を搬送することが可能であり、特に自動車のバッテリに接触する、特に安定した容易に再解放可能な電気接続を確立することができる。

本発明の利点は、特に本発明の接続ユニットがたとえば自動車のバッテリシステム内で使用された場合に効果を発揮する。したがって、本発明はさらに、少なくとも１つの電気コンタクトを有するバッテリシステムに関し、電気コンタクトは、本発明による接続ユニットの第１の電気端子に接続され、第１の流体端子は、バッテリシステムの冷却剤リザーバに取り付けられる。

有利には、本発明の電気接続ユニットがリングカプラを有することを条件として、このリングカプラは、電気コンタクトと第１の電気端子との間の接続によって機械的に固定される。このようにして、取付け中の幾何学的条件に従ってケーブルの放散位置を調整することができ、次いでこの位置が動作の際に確実に固定されることが達成され得る。

本発明をよりよく理解するために、本発明について、以下の図に示す例示的な実施形態を使用してさらに詳細に説明する。図面では、同一の部分には同一の参照番号および同一の構成要素名が与えられている。さらに、図示および記載する異なる実施形態に示したいくつかの特徴または特徴の組合せもまた、独立した、発明的な、本発明自体による解決策となることができる。

本発明の有利な実施形態による電気接続ユニットの概略斜視断面図である。 図１に示した電気接続ユニットの側断面図である。 図１に示した電気接続ユニットの側面図である（断面図ではない）。 図１に示した電気接続ユニットのさらなる側面図である（断面図ではない）。 図１に示した電気接続ユニットの斜視図である（断面図ではない）。 図１に示した電気接続ユニットの平面図である。

本発明について、以下、図を参照してより詳細に説明する。まず図１を参照する。

図１は、バッテリコンタクト（図示せず）に電気的に接触するのに適した電気接続ユニット１２０を示す。この目的で、電気接続ユニット１２０は、第１の電気端子１０４を有し、図示の実施形態では、第１の電気端子１０４はねじ接続として形成されている。しかし、たとえばプラグコネクタまたは圧入接続などの第１の電気端子の他の構成を使用することもできることが、当業者には明らかである。

第１の電気端子１０４は、第１の長手方向軸１２４に沿って延びるベース本体１２２の一部である。ベース本体１２２は、部分的に中空であり、冷却剤ライン（図示せず）を取り付けるための第１の流体端子１０８を有する。図示の実施形態では、第１の流体端子１０８は、迅速カプラとして構成される。このようにして、電気接続ユニット１２０は、たとえばバッテリの車両内冷却回路に迅速かつ解放可能に取り付けることができる。

本発明によれば、電気接続ユニット１２０に第２の電気端子１０６が設けられる。第２の電気端子１０６はケーブル１００に接続されており、ケーブル１００の導電性材料１０２への電気的接触ならびに流体接触の両方を提供する。本発明によれば、ケーブル１００は電気絶縁シース１０１を有しており、電気絶縁シース１０１の内部に導電性材料１０２が配置される。このようにして、ケーブルは、その内部に冷却チャネル１０３を形成し、冷却チャネル１０３を通って冷却剤が流れることができる。有利な実施形態によれば、ケーブル１００は、外側にテフロン（登録商標）のチューブ１０１を備え、内側に金属メッシュ１０２を備える。最適の導電性を達成するために、この金属として銅が使用される。いくつかの層の銅メッシュを使用することによって、この構造の導電性を増大させることができる。
この導体を冷却するために、銅メッシュ１０２によって形成された空洞を通って冷却剤が導かれる。この布構造によって、銅と冷却剤との間に非常に大きい境界面を達成することができ、その結果、効率的な冷却が可能になる。

本発明によれば、リングカプラ１１２上に第２の流体端子１１０が配置され、それにより第２の流体端子１１０は、軸１２４周りで回転することができる。この配置により、本発明による電気接続ユニット１２０の取付けを著しく容易にすることが可能になる。

しかし当然ながら、第２の電気端子１０６および第２の流体端子１１０の組合せは、ベース本体１２２に一体形成することもできることが、当業者には明らかである。

ベース本体１２２は開口１１８を有する。開口１１８は、冷却剤がリングカプラ１１２によって形成された冷却剤チャンバ１１３内へ流れることを可能にするように、ベース本体１２２の外周に等距離を隔てて配置される。ここで、冷却剤の流れは、第１の流体端子１０８から開口１１８を通って第２の流体端子１１０へ進み、ケーブル１００の導電性を有する冷却チャネル１０３に入るように、流体的に有利に誘導される。但し、当然ながら、この流れ方向は必須ではない。

本発明による配置により、ケーブル１００と、電流が流れる導体１０４、１０６のすぐ近くの環境との両方を、冷却剤によって冷却することが可能になる。その結果、既知の配置の場合より著しく良好に、発生した熱を放出することができ、危険な過熱を回避することができる。

図示の実施形態では、ベース本体１２２とリングカプラ１１２との間の境界面１１５は、２つの銅リング１１４によって封止されている。取り付けられていない状態で、第２の電気端子１０６および第２の流体端子１１０を形成するリングカプラ１１２の支持体は、依然として長手方向軸１２４周りで回転することができ、圧縮部１１４はまだ封止機能を有していない。しかし、第１の電気端子１０４のねじ接続が嵌合コンタクトキャリア（図示せず）に十分に堅固に取り付けられるとすぐ、第１の銅シール１１４ａが図示されていない対向支承部に位置する。

長手方向軸１２４に沿って軸方向に作用する力によって、銅シール１１４はリングカプラ１１２に押し付けられる。したがって、一方ではリングカプラ１１２は、長手方向軸１２４周りで回転することができなくなる。他方では、ベース本体１２２との境界面１１５が液密に封止される。本発明の電気接続ユニット１２０の取付けを容易にするために、ねじナットに類似の作動ユニット１２８がベース本体１２２に配置される。したがって、従来の取付け工具を使用して、たとえばバッテリに、電気接続ユニット１２０を取り付けることができる。第１の流体端子がまだ開いていることを条件として、作動ユニット１２８は、工具にとって容易にアクセス可能であり、ベース本体１２２を確実に固定することができ、第２の電気端子１０６および第２の流体端子１１０を形成する支持体１１１は、ベース本体１２２とともに回転しない。
最終取付け位置に到達する直前のみ、リングカプラ１１２が動かなくなり、回転することができなくなる。

したがって有利には、ケーブル１００は、工場内で第２の電気端子１０６にすでに取り付けておくことができる。

図示の実施形態によれば、支持体１１１は、この目的のため、内側スリーブ１３０および外側スリーブ１３２を備える。径方向において、内側スリーブ１３０と外側スリーブ１３２との間に外周間隙が形成され、この間隙内へケーブル１００が挿入される。

圧着領域１１６では、外側スリーブ１３２は、ケーブル１００および内側スリーブ１３０の方向に径方向内方へ押される。その結果、ケーブル１００の導電性材料１０２は、内側スリーブ１３０の外側に押し付けられ、それによって電気接触が生じる。さらに、圧着領域１１６はまた、外側スリーブ１３２とケーブル１００の電気絶縁シース１０１との間に径方向外周の圧入接続を形成する。したがって、特に簡単に、ケーブル１００の機械的固定および支持体１１１と流体チャネル１０３との間の流体封止が確立される。

図２は、図１に示した配置を側断面図に示す。この図から見ることができるように、冷却剤チャンバ１１３は丸い内面１２６を有し、内面１２６は、ベース本体１２２の外壁の周りを円環状に延び、開口１１８を通って流れる冷却液を、ベース本体１２２の周りに環状に第２の流体端子１１０内へ導くことを可能にする。本発明によれば、支持体１１１の長手方向軸１２５は、第１の長手方向軸１２４に対して平行に延びるのではなく、それにより空間を節約するが柔軟に角度が付けられたコネクタ配置が形成される。

図３〜６は、図１に示した実施形態による電気接続ユニット１２０を様々なさらなる図で示す。

１００ ケーブル
１０１ 絶縁体
１０２ 導電性材料、金属メッシュ
１０３ 冷却チャネル
１０４ 第１の電気端子
１０６ 第２の電気端子
１０８ 第１の流体端子
１１０ 第２の流体端子
１１１ 支持体
１１２ リングカプラ
１１３ 冷却剤チャンバ
１１４、１１４ａ、１１４ｂ 封止デバイス、銅リング
１１５ 境界面
１１６ 圧着領域
１１８ 開口
１２０ 電気接続ユニット
１２２ ベース本体
１２４ 第１の長手方向軸
１２５ 第２の長手方向軸
１２６ 内面
１２８ 作動ユニット
１３０ 内側スリーブ
１３２ 外側スリーブ

Claims (15)

1. 電気接続ユニットであって、
   第１の電気構成要素に接触する第１の電気端子（１０４）と、
   導電ケーブル（１００）に接続される第２の電気端子（１０６）と、
   冷却剤源を取り付けるための第１の流体端子（１０８）と、を備え、
   前記電気接続ユニット（１２０）が、前記第１の電気端子（１０４）と前記第２の電気端子（１０６）との間の電気接続を確立し、
   前記第２の電気端子（１０６）は、第２の流体端子（１１０）としてさらに形成され、したがって前記第２の流体端子（１１０）は、前記導電ケーブル（１００）に配置される冷却チャネル（１０３）に接続し、前記導電ケーブルを冷却するための冷却剤が、前記冷却チャネル（１０３）を通って前記第１の流体端子（１０８）へ流れることができる、
   電気接続ユニット。
2. 前記導電ケーブル（１００）は導電性材料（１０２）を含み、
   前記導電性材料（１０２）は、絶縁体（１０１）によって取り囲まれた空洞を形成し、
   前記冷却チャネル（１０３）は、前記導電性材料（１０２）によって形成される前記空洞の内部に形成されている、
   請求項１に記載の電気接続ユニット。
3. 前記第２の電気端子（１０６）は、リングカプラ（１１２）に配置され、
   前記リングカプラ（１１２）は、前記第２の電気端子（１０６）を前記第１の電気端子（１０４）の長手方向軸の周りで回転可能に保持している、
   請求項１または２に記載の電気接続ユニット。
4. 前記電気接続ユニット（１２０）は、第１の長手方向軸を有するベース本体（１２２）を有し、
   前記第１の長手方向軸は、前記第１の流体端子（１０８）の差込み方向に沿って延び、
   前記第１の流体端子（１０８）の前記差込み方向は、前記第１の電気端子（１０４）の前記長手方向軸に沿って延びている、
   請求項３に記載の電気接続ユニット。
5. 前記第２の電気端子（１０６）は、第２の長手方向軸を有し、
   前記第２の長手方向軸は、前記第１の流体端子（１０８）の前記差込み方向に対して平行に延びていない、
   請求項４に記載の電気接続ユニット。
6. 前記リングカプラ（１１２）は、前記電気接続ユニット（１２０）の前記ベース本体（１２２）とともに冷却剤チャンバ（１１３）を形成している、
   請求項３から５のいずれか一項に記載の電気接続ユニット。
7. 前記第１の流体端子（１０８）は、前記ベース本体（１２２）内の少なくとも１つの開口（１１８）を介して前記リングカプラ（１１２）の前記冷却剤チャンバ（１１３）に流体接続されている、
   請求項６に記載の電気接続ユニット。
8. 前記ベース本体（１２２）の外周に等距離を隔てて複数の開口（１１８）が配置されている、
   請求項７に記載の電気接続ユニット。
9. 少なくとも１つの導電封止デバイス（１１４）によって、前記ベース本体（１２２）と前記リングカプラ（１１２）との間の境界面を封止することができる、
   請求項３から８のいずれか一項に記載の電気接続ユニット。
10. 前記少なくとも１つの導電封止デバイス（１１４）は、銅リングを備えている、
    請求項９に記載の電気接続ユニット。
11. 前記導電ケーブル（１００）は、圧着接続（１１６）によって前記第２の電気端子（１０６）に接続されている、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気接続ユニット。
12. 前記ケーブル（１００）は、前記ケーブル（１００）の電気絶縁および前記圧着接続（１１６）の流体封止のための絶縁シース（１０１）を有している、
    請求項１１に記載の電気接続ユニット。
13. 前記第１の電気端子（１０４）は、ねじ山として形成されている、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気接続ユニット。
14. 少なくとも１つの電気コンタクトを有するバッテリシステムであって、
    前記電気コンタクトは、請求項１から１３のいずれか一項に記載の接続ユニット（１２０）の前記第１の電気端子（１０４）に接続されており、
    前記第１の流体端子（１０８）が前記バッテリシステムの冷却剤リザーバに取り付けられている、
    バッテリシステム。
15. 前記電気コンタクトは、請求項３に記載の接続ユニット（１２０）の前記第１の電気端子（１０４）に接続されており、
    前記リングカプラ（１１２）は、前記電気コンタクトと前記第１の電気端子（１０４）との間の接続によって機械的に固定されている、
    請求項１４に記載のバッテリシステム。

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