CN114537180A - 电动车辆充电连接器和热管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热管(106)，被配置为附接到用于车辆(800)的电动车辆充电连接器(100)内部的热源。热管(106)包括金属热量接收部分(107)、热量引导部分和热量散发部分(109)。该热管还包括围绕热量接收部分(107)的绝缘套管(121)，该绝缘套管(121)被配置为使金属热量接收部分与热源电绝缘。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动车辆充电连接器、充电站、热管以及热管在电动车辆充电连接器中的用途。
背景技术
电动车辆的充电电缆的一个限制因素是，当高电流从充电站流过电缆和电连接器到达车辆的电池时会生成热量。热量可以使用液体主动传导离开热源。这样，实现超过500A的电流速率。对于这种冷却布置，需要包括液体并将液体从散热器传送到热源并返回液体。必需诸如泵之类的附加设备。可替代地，被动冷却是可能的。然而，对于现有设计，只能实现高达200A的额定电流。被动冷却需要设计为封壳中的中空部或用于不隔离封壳中的热量的封壳的材料。这种设计可能无效或导致充电电缆的重量过大。
发明内容
诸如使用液体进行主动冷却之类的传统解决方案价格高昂，并且包括潜在的对环境不友好的冷却剂。其他***可能无效，或与不利的设计特性相关联。因此，可能期望提供一种改进电池充电连接器，该改进电池充电连接器可以低成本操作并且易于维护。
该问题由独立权利要求的主题解决。实施例由从属权利要求、以下描述和附图提供。
所描述的实施例同样涉及电动车辆充电连接器、充电站、热管以及热管在电动车辆充电连接器中的用途。尽管可能尚未对实施例的不同组合进行详细描述，但实施例的不同组合可能会产生协同效应。
技术术语按其常识使用。如果向某些术语传达特定含义，则以下在使用这些术语的上下文中给出术语的定义。
根据第一方面，提供了一种热管，被配置为附接到电动车辆充电连接器内部的热源。热管包括金属热量接收部分、金属热量引导部分、以及热量散发部分。热管还包括绝缘套管，该绝缘套管至少围绕热量接收部分，该绝缘套管被配置为在金属热量接收部分处与电缆电绝缘。
绝缘套管将热管的金属热量接收部分与诸如铜的功率触头或功率触头处的电缆之类的金属分开。绝缘套管确保电气保护，其中热性能仅略有下降。例如金属与绝缘材料之间的热接触界面可以通过导热膏来改善。绝缘材料可以是陶瓷或塑料材料。要绝缘的最少部件是可能直接与功率触头或带电压的电缆连接的部件。然而，套管还可能围绕整个热管。
根据一个实施例，热管被配置为相对于电缆连接到电接地。热管可以在其部件中的任何部件连接到电缆的电接地。这确保了在发生严重机械损坏、这也可能会损害陶瓷套管的情况下热管的接地。附加地，该措施可以允许充电器的保护***检测到对电气接地的这种破坏并且断开故障连接器。
根据一个实施例，热量散发部分包括管子和翅片，该管子提供热量引导部分，其中翅片安装在管子上，并且其中翅片由电绝缘材料制成。在这种情况下，翅片单独安装，例如，等距安装在管子上。绝缘材料可以是纯塑料或陶瓷。纯塑料材料的传导系数约为0.1W/mK，使得可能需要非常大的热量传递区域。更优选地，可以选取具有例如量级为1W/mK的传导系数的材料。这种传导系数可以通过例如市售的所谓“高传导系数塑料”或可以提供量级为10W/mK的较高传导系数的陶瓷材料来实现。通过这样的材料，可以实现小型翅片和体积节省，假设提供了机械设计和坚固性。
根据一个实施例，热量散发部分包括管子和翅片，其中管子和翅片提供金属热量引导部分，并且其中管子和翅片涂覆有电绝缘层。电绝缘层例如可以由塑料或陶瓷组成。从制造的角度来看，首先组装带有冷凝器的热管，然后在另一步骤中，施加绝缘层，例如，通过涂覆。
根据一个实施例，热量散发部分包括管子和翅片，其中管子和翅片提供热量引导部分，并且其中管子和翅片套有套管，套管形成电绝缘层。套筒可以是一个紧凑部件或由翅片中的每个翅片的分离部件组成。在后一情况下，已经套上套管的单个翅片元件一个接一个地堆叠在一起。在这两种情况下，在将热管与冷凝器组装之前，翅片例如通过收缩管技术套上套管。然后，绝缘翅片连接到热管。
根据一个实施例，热量散发部分包括管子以及翅片，该管子提供热量引导部分。翅片是由绝缘材料制成的一体式翅片，管子套设有一体式翅片。例如，在组装管子和热管之前，一体式翅片套可以滑至金属管上。
根据一个实施例，散发部分中的表面区域热量被喷涂。通过例如使用黑色为诸如散热片之类的热量散发区域喷涂，可以降低热阻并且提高热量散发。
根据一个实施例，热源是功率触头或功率触头处的电缆。功率触头是实际热源。然而，由于电缆与功率触头之间的热阻较低，所以将蒸发器连接到功率触头处或附近的电缆可能会产生几乎相同的效果。电缆和功率触头两者均是金属的，以使绝缘确保热管不带电压。
根据一个方面，提供了一种电动车辆充电连接器，包括外部封壳、内部封壳和热管。外部封壳被配置为在电动车辆充电连接器的后端区域中接收电缆并且在电动车辆充电连接器的前端区域处包封内部封壳。内部封壳布置在电动车辆充电连接器的前端区域中，被配置为接收来自外部封壳的电缆并且将电缆引导到电动车辆充电连接器的功率触头。电动车辆充电连接器还包括如本文中所描述的热管，该热管附接到内部封壳中的热源并且被配置为将热量从内部封壳中的热源引导到外部封壳中的自由空间。热管包括绝缘套管，其中仅热管的绝缘套管与热源接触。
根据一个实施例，充电连接器的电池包括电缆，其中电缆包括布置，该布置被配置为从热管的金属部分接收接地电缆，使得热管关于电缆的电压电连接到接地。
热管可以在其金属部件中的任一金属部件处连接到电缆的接地。这确保了热管或至少部分的接地，以防出现也会危及陶瓷套管的高机械损坏。附加地，充电器的保护***可以检测到对接地的这种破坏并且断开故障连接器。
根据一个实施例，冷凝器的区域中的外部封壳配备有穿孔或狭缝，这些穿孔或狭缝关于它们的数目和尺寸进行设计，使得依据热量散发部分的热量散发特点和绝缘特点，提供了关于用户的热防护、翅片的机械保护、在绝缘套管绝缘受损的情况下与用户的电绝缘以及污垢保护的总目标保护。
上文已经对热量散发部分的设计的各种示例进行了讨论并且这些示例在图中示出。示例示出了例如使用用于翅片或覆盖翅片的套管和翅片固定在其上的管子的绝缘材料提供热量散发部分的不同散热特点和绝缘特点的设计。例如，如果翅片具有坚固设计并且由于覆盖翅片和管子的相对较厚的套管而已经提供了良好的绝缘保护，则穿孔的开口或狭缝可能很大，以使可以确保充分的空气流动，从而与薄绝缘层相比较，平衡较差的热量散发特点。关于狭缝的尺寸和数目的维度设计，必须考虑诸如翅片的机械稳定性之类的其他方面以及最终的诸如污垢和湿度之类的环境方面。例如，如果机械稳定性低，则可能需要较高的外部损坏保护，使得开口必须设计得更小并且外部壳体通常更为坚固。
根据一个实施例，内部封壳是完全密封的，并且例如被设计为使得它提供对机械损坏、水损坏、灰尘损坏或其他损坏的高度保护，并且包括密封通路，使得热管的热量接收部分布置在密封的内部封壳内，而热量散发部分位于密封的内部封壳外部和外部封壳内部。
根据另一方面，提供了一种充电站，包括如本公开中所描述的电动车辆充电连接器。
根据另一方面，提供了诸如本公开中呈现的热管之类的热管在如本文中所描述的电动车辆充电连接器中的用途。
因此，本发明提供一种充电连接器或充电插头，其中通过至少一个措施确保在热管的热量接收部分处使用绝缘(例如，陶瓷)套管的电绝缘。原则上讲，热管与电缆电压完全分离。所提出的设计元素确保热管***的冷凝器部件实现了用户免受电风险和热危险的所需保护，同时确保了所需热性能。
参考附图和以下描述，对本发明的这些和其他特征、方面和优点进行更好的理解。相同或等同的元件原则上具有相同的附图标记。
附图说明
图1示出了实施例可基于的电动车辆充电连接器的图。
图2a示出了实施例可基于的附加地具有热管的图1的电动车辆充电连接器的图。
图2b示出了图2a的电动车辆充电连接器的热网络图。
图3a示出了具有与冷凝器翅片并联的两个热管的双热管的图示。
图3b示出了跨越图2a的电动车辆充电连接器的开口的网格的图示。
图4示出了根据一个实施例的具有绝缘热管的电动车辆充电连接器的图。
图5示出了根据一个实施例的绝缘热管翅片的图。
图6示出了根据一个实施例的用于绝缘热管翅片的封壳开口设计的示例的图。
图7示出了跨固体绝缘的温度下降相对于绝缘层厚度的图。
图8示出了连接到车辆的充电站的示意图。
具体实施方式
图1示出了实施例可基于的电动车辆充电连接器设计的图。这种电动车辆充电连接器100基本可以包括外部壳体或外部封壳104、内部壳体或内部封壳103、以及用于将充电电流从充电站传导到电池充电插座的电缆101。外部封壳104被配置为在电动车辆充电连接器100的后端区域111中接收电缆101并且在电动车辆充电连接器的前端区域113处包封内部封壳103。内部封壳103布置在电动车辆充电连接器100的前端区域113中，被配置为接收来自外部封壳104的电缆101并且将电缆引导到电动车辆充电连接器100的功率触头。电缆101链接到内部封壳103内部的连接器102。内部封壳103的功能是确保电绝缘、确保机械强度并且防止水和污垢污染。为此，内部封壳103大部分被密封，并且在一些设计中还包括几乎完全灌封的结构。该结构还被包封在外部壳体104中。该结构的目的是提供手柄以及与用户交互的其他功能。将壳体103和104分开的原因中的一个原因是重量。对内部封壳103的严格功能要求导致设计相当坚固且沉重，这也可能是“终生密封”的。另一方面，体积较大的外部壳体104以相当轻便的方式构建，其中重点是减轻重量和舒适度。
图2a示出了实施例可基于的附加地具有热管106的图1的电动车辆充电连接器100的图。图2a中的电动车辆充电连接器100具有与图1的电动车辆充电连接器100基本相同的设计，然而，热管106示为被布置在封壳104内部并且部分布置在封壳103内部的热导体。热量接收部件(也就是说，图2a中的热管的蒸发器107)以与隔室102中的热源或热点紧密热接触(具体地，靠近或连接到连接器的功率触头)的方式被附接。然后，热管从内部封壳103中提取热量，该内部封壳103就电、水、灰尘方面可以高度密封并且关于触头及相关部件具有机械保护。然后，热量从蒸发器经由密封点110运送到具有冷凝器翅片108的冷凝器109。热管106将热量在区域109中排出到环境，该区域被外部封壳104包封，该外部封壳104需要的保护较低并且主要用作用户界面。热量从热管106的冷凝器部分109排出到环境中。在AC充电器的情况下，每个相可以存在一个热管或几个热管。
图2b示出了对应热网络图。内部封壳103中的热管106由R9体现，而在外部封壳中由对应于外部封壳104中的管道的热阻R10和对应于翅片108的R11体现。
由热管106的蒸发器端107、R9吸收的热量由热管106引导到冷凝器区域106、R10、R11。由于设计原因，R9较低。为了降低R11，热管106的冷凝器部分109很好地暴露于环境空气中。在所提出的设计中，在区域109中，外部封壳104可以提供空气通道或开口，空气通道或开口将热管冷凝器端109暴露于环境空气。例如，这些通道可以由开口中空部分组成，该开口中空部分在外部封壳104的侧面可以具有盖子，以保护用户免于与热管106接触。图3b示出了具有栅格302的这种盖的图示，其中热管冷凝器109暴露于环境，在该处将热管冷凝器109置于外部封壳104的合适表面，使翅片108暴露，可能地仅被保护栅格302覆盖。
图3a示出了具有两个热管的双热管106，两个热管与附接到管道上的冷凝器翅片108集合并置。冷凝器翅片108由于在热管冷凝器端部处增强的表面而改善了散热，因此降低了热阻R11。所示的翅片可以适应外部封壳104中的可用空间。
图4示出了带有绝缘热管106的电动车辆充电连接器的图。图4中的附图标记对应于先前图中的附图标记。电缆101包含用于功率触头、接地和信号触头的铜导体。连接器100还包括用于功率触头102和封壳104的隔室或保持器102。作为用于热管106的电气保护的第一措施，使用例如将铜热管106与隔室102中的铜功率连接器分开的陶瓷套管121来实现绝缘。
热管蒸发器107最好直接嵌入热点区域(即，接触区域)中。套管的内径例如为4mm，该内径等于热管直径，而外径例如为5mm。导热膏可以改善热接触界面，但总的来说，陶瓷套管仅提供对热性能的轻微劣化，并且形成电绝缘保护措施中的一个电绝缘保护措施。原则上，热管106与电缆电压完全分离。作为其他电气保护措施，热管106也可以如虚线112所示接地。热管的任何部分都可以连接到电缆的接地。这会确保部件接地，以防出现危及陶瓷套管121的高度机械损坏，并且附加地，充电器的保护***可以检测到对接地的这种破坏并且断开故障连接器。
在高保护性的内部封壳103内部，热管106弯曲90°，通过点或密封点110从内部封壳103中穿出。应当指出，直至点110，内部封壳被设计为完全密封，其中机械损坏保护性、水损坏保护性、灰尘损坏保护性或其他损坏保护性都非常高。
为了满足更高的保护要求，可以采取以下附加措施。具体地，除了陶瓷套管绝缘之外，还提议使用本身电绝缘的冷凝器。
图5中的示意图仅示出了外部封壳104的区域中的热管在图4中点110之外部件。金属部件被绘制为实心黑色区域，而绝缘部件为由线包围的白色区域。
设计520示出了热管106，该热管106可在没有保护的情况下暴露，但是翅片108本身由电绝缘材料制成。正如稍后所示出的，传导系数量级为0.1W/mK的纯塑料材料可能需要非常大的热量传递区域并且可能导致复杂化，但传导系数量级为1W/mK的材料可能提供合理的选择。这可以通过市售的“高电导率塑料”或甚至可以提供量级为10W/mK的更高电导率的陶瓷材料来实现，在这种情况下，可以实现小翅片和体积节省，假设提供了机械设计和坚固性。
设计530提供了另一选项，这可能导致高热性能。在这种设计中，与先前设计一样，冷凝器由金属翅片制成，但翅片附加地涂覆有电绝缘层，该电绝缘层可以是塑料或陶瓷。如稍后所示出的，即使是高厚度(例如，约0.5mm或更大)层，也可能只会提供较小的热性能劣化。
设计540、550和560通过提出制造完整“套管”来扩展这一概念，该“套管”可能形成带有绝缘层的翅片。这可能是如540中那样的紧凑部件，或如550中那样被分离成堆叠在一起的翅片元件。在560的情况下，套管可以由具有合理热导率的坚固的电绝缘材料件制成，并且从点110覆盖整个管道。
图6示出了根据一个实施例的绝缘热管翅片108的封壳开口设计的示例的图。在图6中，描绘了三个可能保护级别。应当指出，主要保护的是内部封壳103。然后，外部保护的目的主要如下：
-确保在绝缘套管121绝缘受损的情况下与用户电绝缘，
-确保翅片108的机械保护(依据其坚固性)，
-确保用户免于接触热部件的热防护，
-依据需要，减少翅片108的污垢暴露。
在组合520/620中，塑料翅片108***在热管上，由垫片分开。垫片也可能是塑料的，确保完全覆盖热管。冷凝器的区域中的外部封壳可能配备有穿孔或狭缝620以提供保护，同时确保冷凝器通过自然对流良好暴露于空气流动。封壳还应使得能够进行辐射热量传递。已经证明该封壳切实可行，然而，由于从冷凝器翅片108到环境空气的热量传递是***中迄今为止最高的热阻，所以过度约束狭槽会导致热性能的快速劣化。
在组合550/660中，假设翅片108已经包括高电绝缘级别。在这种设计中，狭缝可能更大，并且可以保证良好的空气流动。在这种情况下，保护的主要功能是确保充分保护翅片108上的绝缘层免受外部损坏。
组合560/660仅为用户提供热防护。然而，该设计假设绝缘翅片108例如由具有良好机械特性和电气特性的实心块制造。在这种情况下，外部封壳层的功能只是热防护，使得保护用户免于接触翅片108。原则上讲，这种情况也可以通过将翅片结构直接集成为封壳本身的外部表面来实现。
如上文所提及的，整个***中的主要热阻是通过自然对流和辐射从翅片108到环境空气的热量传递。用以确保的主要方法如下：
-提供翅片108的足够表面区域。已经表明，即使塑料翅片108具有良好的热导率，例如，六个翅片108也可能足够，只要***的其他部件表现良好即可。翅片表面的厚度、暴露、它们的节距是设计的重要元素。
-辐射热量传递对热量传递有很大贡献，并且已经表明以高辐射率对表面区域喷涂显著提高热性能。
-通过过于限制性的外部盖约束翅片108周围的空气流动可以相当明显地降低热量传递。
实际上，优选策略是确保翅片108的电绝缘，其中甚至可以使用热导率相对较低的材料，这对于试图通过更受约束的空气流动来增加保护仍然优选。
图7呈现了跨固体绝缘的温度下降相对于绝缘层厚度的图，该图示出了绝缘层对具有不同热导率的材料的不同厚度的翅片的影响。可以看出，即使是非常厚的层也可以允许使用传导系数量级为1W/mK的材料并且即使是0.1W/mK的塑料涂层在几毫米的水平上也仍然可以接受。
使用热导率量级为3W/mK的市售塑料翅片进行测试。表明这种传导系数级别对于全塑料翅片而言足够。通过将布置与风扇结合，可以明显提高热性能，该风扇可以例如暂时性操作，以降低峰值载荷。
图8作为示例示出了经由电动车辆充电连接器100连接到车辆800的充电站120的示意图。电动车辆充电连接器100与充电站120的连接固定，使得电动车辆充电连接器100是充电站120的一部分。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并实现对所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，单词“包括”不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
Claims (14)
1.一种热管(106)，被配置为附接到用于车辆(800)的电动车辆充电连接器(100)内部的热源；
其中所述热管(106)包括金属热量接收部分(107)、热量引导部分和热量散发部分(109)；以及
其中所述热管还包括至少围绕所述热量接收部分(107)的绝缘套管(121)，所述绝缘套管被配置为至少将所述金属热量接收部分与所述热源电绝缘。
2.根据权利要求1所述的热管(106)，还被配置为相对于电缆连接到电接地。
3.根据权利要求1或2所述的热管，其中所述热量散发部分(109)包括提供所述热量引导部分的管子、以及翅片(108)；
其中所述翅片(108)安装在所述管子上；以及
其中所述翅片(108)由电绝缘材料制成。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的热管(106)，其中所述热量散发部分(109)包括管子和翅片(108)；
其中所述管子和所述翅片提供所述热量引导部分；以及
其中所述管子和所述翅片涂覆有电绝缘层。
5.根据权利要求1或2所述的热管(106)，其中所述热量散发部分(109)包括管子和翅片；
其中所述管子和所述翅片提供所述热量引导部分；以及
其中所述管子和所述翅片套有套管，所述套管形成电绝缘层。
6.根据权利要求1或2所述的热管(106)，其中所述热量散发部分包括提供所述热量引导部分的管子、以及翅片；
其中所述翅片是由绝缘材料制成的一体式翅片；以及
其中所述管子由所述一体式翅片套设。
7.根据前述权利要求中一项所述的热管(106)，其中所述热量散发部分中的表面区域被喷涂。
8.根据前述权利要求中一项所述的热管(106)，其中所述热源是功率触头或所述功率触头处的电缆(101)。
9.一种电动车辆充电连接器(100)，包括：
外部封壳(104)，被配置为在所述电动车辆充电连接器(100)的后端区域(111)中接收电缆(101)并且在所述电动车辆充电连接器(100)的前端区域(113)处包封内部封壳(103)；
所述内部封壳(103)，被设置在所述电动车辆充电连接器(100)的所述前端区域(113)中，被配置为接收来自所述外部封壳(104)的所述电缆(101)，并且将所述电缆引导到所述电动车辆充电连接器(100)的功率触头；
根据权利要求1至8中一项所述的热管(106)，被附接到所述内部封壳(103)中的热源，被配置为将热量从所述内部封壳(103)中的所述热源引导到所述外部封壳(104)中的自由空间，并且包括绝缘套管(121)，其中只有所述热管(106)的所述绝缘套管(121)与所述热源接触。
10.根据权利要求9所述的电动车辆充电连接器(100)，其中所述电动车辆充电连接器(100)包括所述电缆，并且其中所述电缆包括如下装置，所述装置被配置为从所述热管的金属部分接收接地电缆，使得所述热管关于所述电缆的电压被电连接到地。
11.根据权利要求9或10所述的电动车辆充电连接器(100)，其中所述热量散发部分(109)的区域中的所述外部封壳(104)包括穿孔或狭缝，所述穿孔或狭缝关于它们的数目和尺寸被设计为使得依据所述热量散发部分(109)的热量散发特点和绝缘特点，提供了关于用户的热防护、所述翅片的机械保护、在所述绝缘套管(121)绝缘受损的情况下与所述用户的电绝缘以及污垢保护的总目标保护。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电动车辆充电连接器(100)，其中所述内部封壳(103)是完全密封的，并且还包括密封通路(110)，使得所述热管(106)的所述热量接收部分被布置在所密封的内部封壳(102)内部，并且所述热量散发部分(109)位于所述密封的内部封壳(103)外部和所述外部封壳(104)内部。
13.一种充电站(120)，包括根据权利要求9至12中任一项所述的电动车辆充电连接器(100)。
14.根据权利要求1至8中任一项所述的热管(106)在根据权利要求9至12中任一项所述的电动车辆充电连接器(100)中的用途。
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