-
Die Erfindung betrifft die Erfindung betrifft ein Steckverbinderteil zum Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein derartiges Steckverbinderteil umfasst ein oder mehrere elektrische Leistungskontaktelemente zum Übertragen eines elektrischen Laststroms zwischen dem Steckverbinderteil und dem Gegensteckverbinderteil. Mit zumindest einem Leistungskontaktelement ist eine elektrische Lastleitung verbunden, über die der Laststrom hin zu dem zugeordneten Leistungskontaktelement oder weg von dem zugeordneten Leistungskontaktelement geführt wird.
-
Ein solches Steckverbinderteil kann insbesondere an einer Ladeeinrichtung zum Übertragen eines Ladestroms zum Einsatz kommen. Das Steckverbinderteil kann hierbei insbesondere als Ladestecker beispielsweise an einem Ladekabel oder als Ladedose beispielsweise an einem Fahrzeug oder an einer Ladestation zum Einsatz kommen und dient zum elektrischen Aufladen einer Batterie eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (bezeichnet auch als Elektrofahrzeug).
-
Steckverbinderteile zum Verwenden an einer Ladeeinrichtung zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs sind so auszulegen, dass große Ladeströme übertragen werden können. Weil ein Ladevorgang zügig durchgeführt werden soll, werden immer größere Ladeströme verwendet, was jedoch erforderlich macht, die im Steckverbinderteil und den angeschlossenen Lastleitungen anfallende Wärme zu reduzieren, um ein (übermäßiges) Erwärmen an dem Steckverbinderteil und den mit den Leistungskontaktelementen des Steckverbinderteils verbundenen Lastleitungen zu vermeiden. Die Stromstärken können sich hierbei beispielsweise in einem Bereich jenseits von 50 A bewegen, wobei auch Ladeströme, insbesondere Gleichstromladeströme größer als 100 A fließen können.
-
Generell ist zum Übertragen eines großen Laststroms über eine Lastleitung eine elektrische Leitung, beispielsweise eine Kupferleitung, mit großem Querschnitt zu verwenden. Dies geht jedoch mit einem erhöhten Gewicht der Leitung sowie mit erhöhten Kosten einher. Anstatt ohmsche Verluste in einer Lastleitung durch Verwendung von Leitungen mit großem Querschnitt zu reduzieren, kann daher bevorzugt sein, die auftretende Wärme an einer Lastleitung in geeigneter Weise abzuführen, um auf diese Weise ein (übermäßiges, unzulässiges) Erwärmen zu verhindern.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steckverbinderteil mit einer angeschlossenen Lastleitung zur Verfügung zu stellen, das auf einfache, kostengünstige Weise eine Reduzierung der Erwärmung insbesondere an der Lastleitung auch bei Übertragen großer Ladeströme ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Demnach weist die Lastleitung mehrere Einzelleitungen auf, die elektrisch mit dem zugeordneten Leistungskontaktelement zum Übertragen eines Laststroms über das Leistungskontaktelement verbunden sind.
-
Das Steckverbinderteil weist einen oder mehrere elektrische Leistungskontaktelemente auf. Zumindest mit einem dieser Leistungskontaktelemente ist eine Lastleitung verbunden, wobei jede Lastleitung aus mehreren Einzelleitungen besteht. Der Stromfluss über ein Leistungskontaktelement erfolgt somit über die Einzelleitungen der mit dem Leistungskontaktelement verbundenen Lastleitung.
-
Dies geht von dem grundsätzlichen Gedanken aus, den über ein Leistungskontaktelement zu übertragenden Laststrom auf mehrere Einzelleitungen zu verteilen, sodass durch jede Einzelleitung nur ein Teil des Stroms fließt und somit für jede Einzelleitung eine Leitung mit kleinerem Querschnitt gewählt werden kann. Durch Verwendung mehrerer Einzelleitungen mit kleinerem Querschnitt erhöht sich insgesamt die Oberfläche der Lastleitung, sodass die Wärmeabgabe von der Lastleitung verbessert ist und somit Wärmeenergie günstiger von der Lastleitung abgeführt werden kann. Generell ist das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bei Leitungen mit kleinem Querschnitt größer als bei Leitungen mit großem Querschnitt. Eine Leitung mit kleinem Querschnitt hat somit – bei Beaufschlagung mit gleicher Stromdichte – eine niedrigere Gleichgewichtstemperatur als eine Leitung mit großem Querschnitt, weil Wärmeenergie über die Oberfläche der Leitung günstiger abgegeben werden kann.
-
Der Laststrom, der über ein Leistungskontaktelement zu übertragen ist, wird somit auf mehrere Einzelleitungen aufgeteilt. Die Einzelleitungen sind jeweils mit dem zugeordneten Leistungskontaktelement elektrisch verbunden und liegen somit gemeinsam auf dem Potenzial des Leistungskontaktelements. Sind die Einzelleitungen gleich dimensioniert, so übertragen sie jeweils einen gleichen Anteil des Laststroms. Kommen beispielsweise vier Einzelleitungen pro Lastleitung zum Einsatz, überträgt jede Einzelleitung ein Viertel des über das Leistungskontaktelement insgesamt zu übertragenden Laststroms.
-
Die Einzelleitungen können, in einer vorteilhaften Ausgestaltung, beispielsweise elektrisch an eine mit dem Leistungskontaktelement verbundene Stromschiene angeschlossen sein. Die Stromschiene kann beispielsweise stegartig quer zu einer Längsrichtung, entlang derer sich die Einzelleitungen erstrecken, erstreckt sein und ist elektrisch mit dem Leistungskontaktelement kontaktiert, beispielsweise indem die Stromschiene mit dem Leistungskontaktelement fest verbunden, z.B. verlötet oder verschweißt oder integral mit dem Leistungskontaktelement ausgebildet ist. Von der Stromschiene erstrecken sich die Einzelleitungen, sodass ein Laststrom über die Stromschiene auf die Einzelleitungen aufgeteilt wird oder hin zum Leistungskontaktelement geleitet wird.
-
Die Einzelleitungen sind, in einer konkreten Ausgestaltung, quer zur Längsrichtung, entlang derer sich der Einzelleitungen erstrecken, zueinander beabstandet. Die Einzelleitungen sind somit zueinander beabstandet und liegen nicht unmittelbar aneinander an, was eine Wärmeabgabe von den Einzelleitungen begünstigt und insbesondere eine Luftumströmung der Einzelleitungen ermöglicht. Beispielsweise können die Einzelleitungen über einen oder mehrere Abstandshalter auf Abstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Einzelleitungen ausgehend von der Stromschiene beispielsweise in einer Ebene erstrecken, die durch die Längsrichtung und eine durch die Stromschiene vorgegebene Höhenrichtung aufgespannt ist. Die Einzelleitungen sind somit entlang der Höhenrichtung zueinander versetzt, wobei benachbarte Einzelleitungen über einen oder mehrere Abstandshalter, beispielsweise zwischen benachbarten Einzelleitungen erstreckte Stege, auf Abstand zueinander gehalten werden.
-
Die Einzelleitungen sind vorzugsweise jeweils elektrisch isoliert, indem sie längs entlang ihrer Längsrichtung durch einen Isoliermantel umhüllt sind. Ausgehend beispielsweise von der mit dem Leistungskontaktelement verbundenen Stromschiene erstreckt sich jede Einzelleitung somit in einem zugeordneten Isoliermantel und ist somit nach außen hin elektrisch isoliert.
-
In diesem Fall können die Abstandshalter durch zwischen den Isoliermänteln erstreckte Stege verwirklicht sein. Beispielsweise können Isoliermäntel zweier benachbarter Einzelleitungen über Stege miteinander verbunden sein, sodass die Einzelleitungen über die Stege auf Abstand zueinander gehalten werden und somit ein unmittelbares Anliegen der Einzelleitungen aneinander verhindert ist. Zwischen den Stegen befinden sich hierbei, betrachtet entlang der Längsrichtung, Zwischenräume, durch die hindurch Luft strömen kann, sodass die Einzelleitungen luftumströmt sein können, um die Abgabe von Wärmeenergie zu verbessern.
-
Bevorzugt umfasst das Steckverbinderteil mehrere Leistungskontaktelemente, die jeweils mit einer Lastleitung verbunden sind. Die Leistungskontaktelemente können beispielsweise zum Übertragen eines Gleichstroms dienen, wobei auch denkbar und möglich ist, dass über die Leistungskontaktelemente ein ein- oder mehrphasiger Wechselstrom übertragen wird.
-
Die Einzelleitungen können, z.B. bei Verwendung in einem Ladekabel eines Ladesystems zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs, beispielsweise flexibel ausgebildet sein, sodass die Einzelleitungen gebogen werden können und somit beispielsweise ein Ladekabel variabel verlegt werden kann. Hierzu können die Einzelleitungen z.B. durch einadrige Kupferleitungen oder durch Litzen ausgebildet sein, wobei die Einzelleitungen jeweils einen vergleichsweise geringen Querschnitt aufweisen können. Das Übertragen von großen Lastströmen kann beispielsweise durch Verwenden einer Vielzahl von Einzelleitungen, die jeweils nur einen Anteil des Laststroms übertragen, ermöglicht werden.
-
Das Steckverbinderteil kann Bestandteil eines Ladesystems zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs sein. Das Steckverbinderteil mit seinen Leistungskontaktelementen und den daran angeschlossenen Lastleitungen dient in diesem Fall zum Übertragen eines Ladestroms, beispielsweise eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms mit vergleichsweise großer Stromstärke, beispielsweise größer als 50 A, insbesondere größer als 80 A oder gar größer als 100 A.
-
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Elektrofahrzeugs mit einer daran angeschlossenen Ladeeinrichtung;
-
2A eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Steckverbinderteils in Form einer Ladedose eines Fahrzeugs;
-
2B eine andere perspektivische Ansicht des Steckverbinderteils gemäß 2A;
-
3 eine Seitenansicht einer mit einem Leistungskontaktelement des Steckverbinderteils verbundenen Lastleitung; und
-
4 eine perspektivische Ansicht der Lastleitung gemäß 3.
-
1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug 1 in Form eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs (nachfolgend bezeichnet als Elektrofahrzeug). Das Elektrofahrzeug 1 verfügt über elektrisch aufladbare Batterien, über die ein Elektromotor zum Fortbewegen des Fahrzeugs 1 elektrisch versorgt werden kann.
-
Um die Batterien des Fahrzeugs 1 aufzuladen, kann das Fahrzeug 1 über ein Ladekabel 3 an eine Ladestation 2 angeschlossen werden. Das Ladekabel 3 kann hierzu mit einem Steckverbinderteil 5 in Form eines Ladesteckers an einem Ende in eine zugeordnete Ladedose 4 des Elektrofahrzeugs 1 eingesteckt werden und steht an seinem anderen Ende mit einer Ladestation 2 in elektrischer Verbindung. Über das Ladekabel 3 werden Ladeströme mit vergleichsweise großer Stromstärke hin zum Fahrzeug 1 übertragen.
-
Ein Ausführungsbeispiel eines Steckverbinderteils 4 in Form einer Ladedose zeigen 2A und 2B. Das in diesem Ausführungsbeispiel als sogenannter CCS-Steckverbinder (CCS steht für Combined AC/DC-Charging System) ausgestaltete, zum Übertragen eines Ladestroms in Form eines Gleichstroms oder eines Wechselstroms geeignete Steckverbinderteil 4 umfasst ein Gehäuse 40 mit zwei Steckabschnitten 400, 401, die steckend mit dem zugeordneten Ladestecker 5 an dem Ladekabel 3 (siehe 1) in Eingriff gebracht werden können. In die Steckabschnitte 400, 401 ragen entlang einer Einsteckrichtung E längserstreckte Kontaktelemente 42A–42G, 43A, 43B in Form von Kontaktstiften hinein, die in an sich bekannter Weise mit zugeordneten Kontaktbuchsen des Ladesteckers 5 steckend in die Einsteckrichtung E in Eingriff gebracht werden können.
-
Über die Kontaktelemente 42A–42G des Steckabschnitts 400 kann ein Ladestrom in Form eines Wechselstroms übertragen werden. Von den Kontaktelementen 42A–42G dienen die entlang eines Halbkreises um das zentrale Kontaktelement 42A angeordneten Kontaktelemente 42B–42E als sogenannte Leistungskontakte zum Übertragen der (großen) Ladeströme.
-
Von den Leistungskontaktelementen 42A–42E können die Kontaktelemente 42B–42D beispielsweise als Außenleiterkontakte (auch bezeichnet mit „L1“, „L2“ und „L3“) dienen, während das Kontaktelement 42D als Neutralleiter (auch bezeichnet mit dem Buchstaben „N“) und das mittig angeordnete Kontaktelement 42A als Schutzkontakt (auch bezeichnet als „PE“) verwendet werden. Diese Leistungskontaktelemente 42A–42E dienen zum Übertragen eines Ladestroms in Form eines ein- oder mehrphasigen, beispielsweise dreiphasigen Wechselstroms mit einem Effektivwert von beispielsweise zwischen 50 A und 100 A und einer Spannung von beispielsweise zwischen 400 V und 600 V.
-
Die zusätzlichen Kontaktelemente 42F, 42G dienen der Signalisierung. So stellt das Kontaktelement 42F ein Signalkontaktelement (auch bezeichnet als „Control Pilot“, kurz „CP“) dar, über das Signalisierungsinformationen übertragen werden können. Das Kontaktelement 42G hingegen dient als so genannter Näherungskontakt (auch bezeichnet als „Proximity Pilot“, kurz „PP“). Über das Signalkontaktelement 42F kann beispielsweise eine Rechteckspannung übertragen werden, mittels derer vonseiten der Ladestation 2 hin zum Fahrzeug 1 Informationen über eine maximal zur Verfügung stehende Ladeleistung übertragen werden können. Über den Näherungskontakt 42G hingegen kann die Anwesenheit eines Ladesteckers 5 an der Ladedose 4 festgestellt werden.
-
Über die Kontaktelemente 43A, 43B des unteren, zweiten Steckabschnitts 401 hingegen kann ein Ladestrom in Form eines Gleichstroms übertragen werden. Die Ladedose 4 kann somit im Rahmen eines Ladesystems verwendet werden, über das sowohl Gleichströme als auch Wechselströme zum Aufladen des Elektrofahrzeugs 1 übertragen werden können.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Ladedose 4 ist mit jedem Kontaktelement 43A, 43B an dem unteren, zweiten Steckabschnitt 401 eine Lastleitung 44A, 44B verbunden, die aus einer Mehrzahl von Einzelleitungen 442 besteht. Ein Ladestrom wird somit nicht über eine einzelne Leitung, sondern in aufgeteilter Weise über die Mehrzahl von Einzelleitungen 442 übertragen. Weil jede Einzelleitung 442 somit nicht den vollen Ladestrom übertragen muss, sondern nur einen Anteil des Ladestroms, können die Einzelleitungen 442 mit vergleichsweise geringem Leitungsquerschnitt beispielsweise als einadrige Kupferleitungen oder als Litzen ausgestaltet sein.
-
Wie aus den Ansichten gemäß 3 und 4 ersichtlich, sind die Einzelleitungen 442 an eine Stromschiene 441 angeschlossen, die über einen Verbindungsabschnitt 440 mit dem zugeordneten Kontaktelement 43A, 43B elektrisch verbunden ist. Der plattenförmige Verbindungsabschnitt 440 liegt hierzu in elektrisch kontaktierender Weise an einem plattenförmigen Verbindungsabschnitt 431 rückwärtig eines Tellers 430 des zugeordneten Kontaktelements 43A, 43B an und ist fest mit diesem verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt oder integral, also einstückig mit diesem ausgebildet.
-
Die Stromschiene 441 erstreckt sich entlang einer Höhenrichtung H quer zur Einsteckrichtung E und quer zu einer Längsrichtung L, entlang derer sich die Einzelleitungen 442 von der Stromschiene 441 erstrecken. An die Stromschiene 441 sind die Einzelleitungen 442 angeschlossen und erstrecken sich senkrecht von der Stromschiene 441 entlang der Längsrichtung L weg.
-
Die Einzelleitungen 442 sind entlang der Höhenrichtung H versetzt an der Stromschiene 441 angeordnet und weisen einen Abstand A (betrachtet entlang der Höhenrichtung H) zueinander auf. Jede Einzelleitung 442 ist entlang ihrer Längsrichtung L von einem beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial hergestellten Isoliermantel 443 umhüllt und ist somit über den Isoliermantel 443 elektrisch nach außen hin isoliert.
-
Die Einzelleitungen 442 erstrecken sich in einer durch die Höhenrichtung H und die Längsrichtung L aufgespannten Ebene und sind in dieser Ebene derart zueinander versetzt, dass sich zwischen benachbarten Einzelleitungen 442 der Abstand A ergibt.
-
Um die Einzelleitungen 442 entlang der Längsrichtung L auf Abstand A zueinander zu halten, sind zwischen je zwei benachbarten Einzelleitungen 442 Abstandshalter in Form von Stegen 444 aus Kunststoff angeordnet, die verhindern, dass benachbarte Einzelleitungen 442 aneinander anliegen. Die Stege 444 können integral mit den Isoliermänteln 443 der benachbarten Einzelleitungen 442 ausgebildet sein. Entlang der Längsrichtung L sind hierbei mehrere Stege 444 periodisch versetzt zueinander angeordnet, sodass sich Zwischenräume zwischen den Stegen 444 ergeben.
-
Weil die Lastleitung 44A, 44B in Einzelleitungen 442 aufgeteilt ist, muss jede Einzelleitung 442 nicht zum Übertragen des gesamten Laststroms ausgelegt sein, sondern nur einen Anteil, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Viertel des Gesamtstroms, tragen. Die Einzelleitungen 442 können somit mit vergleichsweise geringem Querschnitt ausgebildet sein.
-
Dadurch, dass mehrere Einzelleitungen 442 verwendet werden, ist die Oberfläche der Lastleitung 44A, 44B vergrößert, was die Abgabe von Wärmeenergie begünstigt. Weil zudem bei kleinerem Leitungsquerschnitt sich ein größeres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen ergibt, ist die Gleichgewichtstemperatur jeder Einzelleitung 442 – bei gleicher eingeprägter Stromdichte – geringer als bei einer Leitung mit größerem Querschnitt. Jede Einzelleitung 442 für sich und die Einzelleitungen 442 der Lastleitung 44A, 44B in Gesamtschau ermöglichen somit eine günstige Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung, was durch Luftumströmung der Lastleitung 44A, 44B noch verbessert werden kann.
-
Die Einzelleitungen 442 sind vorzugsweise flexibel ausgebildet, sodass die Lastleitung 44A, 44B variabel verlegt werden kann. Beispielsweise sind die Einzelleitungen 442 als einadrige Kupferleitungen (mit vergleichsweise geringem Querschnitt) oder als Litzen ausgestaltet. Unter einer Litze wird in diesem Zusammenhang ein aus dünnen Einzeldrähten bestehender und daher leicht zu biegender elektrischer Leiter verstanden. Die Einzeldrähte sind beispielsweise als Kupferdrähte ausgebildet.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Ladedose 4 sind (nur) die Kontaktelemente 43A, 43B des Steckabschnitt 401 zum Übertragen eines Gleichstroms mit einer Lastleitung 44A, 44B der in 3 und 4 dargestellten Art verbunden. Die Kontaktelemente 42A–42E des Steckabschnitts 400 hingegen sind jeweils mit einer einadrigen Lastleitung verbunden, die in einer Leitung 45 zusammengefasst und von der Ladedose 4 weggeführt sind. Denkbar und möglich ist in diesem Zusammenhang selbstverständlich auch, dass die Kontaktelemente 42A–42E des Steckabschnitts 400 zum Übertragen eines Wechselstroms mit aus mehreren Einzelleitungen bestehenden Lastleitungen verbunden sind.
-
Die Einzelleitungen 442 der Lastleitungen 44A, 44B treten aus einem Gehäuseabschnitt 41 rückwärtig des Gehäuses 40 der Ladedose 4 aus, wobei die Stromschiene 441 in dem Gehäuseabschnitt 41 eingefasst ist und die Einzelleitungen 442 außerhalb des Gehäuses 40 vollständig von ihren Isoliermänteln 443 eingehüllt sind.
-
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch in gänzlich anders gearteter Weise verwirklichen.
-
So kann ein Steckverbinderteil der hier beschriebenen Art auf Seiten eines Fahrzeugs in Form einer Ladedose eingesetzt werden oder auch an einem Ladekabel in Form eines Ladesteckers. In letzterem Fall sind die Lastleitungen innerhalb des Ladekabels verlegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Ladestation
- 3
- Ladekabel
- 4
- Steckverbinderteil (Ladedose)
- 40
- Gehäuse
- 400, 401
- Steckabschnitt
- 41
- Gehäuseabschnitt
- 42A–42G
- Kontaktelement (Kontaktstift)
- 43A, 43B
- Kontaktelement (Kontaktstift)
- 430
- Teller
- 431
- Verbindungsabschnitt
- 44A, 44B
- Lastleitung
- 440
- Verbindungsabschnitt
- 441
- Steg
- 442
- Einzelleitung
- 443
- Isoliermantel
- 444
- Abstandshalter
- 45
- Leitung
- 5
- Steckverbinderteil (Ladestecker)
- A
- Abstand
- E
- Einsteckrichtung
- L
- Längsrichtung
- H
- Höhenrichtung
