DE102017123069B4

DE102017123069B4 - Verbindungsanordnung zum konduktiven Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mittels einer Ladevorrichtung

Info

Publication number: DE102017123069B4
Application number: DE102017123069.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Groß; Björn Pehnert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: DE102017123069A1

Abstract

Verbindungsanordnung (1) zum konduktiven Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (2) mittels einer Ladevorrichtung (3), wobei die Verbindungsanordnung (1) eine der Ladevorrichtung (3) zugeordnete erste Verbindungsstruktur (4) und eine dem Fahrzeug zugeordnete, zweite Verbindungsstruktur (5) aufweist, wobei die erste Verbindungsstruktur (4) mit der zweiten Verbindungsstruktur (5) verbindbar ist, wobei die Verbindungsstrukturen (4, 5) jeweils mindestens einen elektrisch leitfähigen Leiter (6, 7) aufweisen, wobei, zwecks Übertragens von elektrischer Energie von der Ladevorrichtung (3) in den Energiespeicher, der Leiter (6) der ersten Verbindungsstruktur (4) mit dem Leiter (7) der zweiten Verbindungsstruktur (5) elektrisch verbindbar ist, ferner die Verbindungsanordnung (1) eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Verbindungsanordnung (1) aufweist, wobei zumindest der Leiter (6) der ersten Verbindungsstruktur (4) als Wärmerohr ausgebildet ist, wobei das Wärmerohr (6) in einem Kühlabschnitt (8) des Wärmerohrs (6) mit einem Kühlkörper (9) der Kühlvorrichtung verbunden ist, wobei das Wärmerohr (6) als Heatpipe (6) ausgebildet ist, wobei ein Ende des Wärmerohrs (6) den Kühlabschnitt (8) bildet, wobei die erste Verbindungsstruktur (4) als Stecker und die zweite Verbindungsstruktur (5) als Buchse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (6) zylinderförmig ausgebildet ist, und dass der Kühlkörper (9) auf das Wärmerohr (6) aufgeschrumpft ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zum konduktiven Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mittels einer Ladevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Verbindungsanordnung ist aus der DE 10 2015 221 571 A1 bekannt. Bei dieser weist die erste Verbindungsstruktur und/oder die zweite Verbindungsstruktur jeweils einen Hohlraum auf, durch den, zwecks Kühlung der Verbindungsanordnung, ein Kühlmittel geleitet werden kann. Bei diesem handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit.
Heutige Elektrofahrzeuge erlauben in der Regel zwei Lademodi: Bei einem Laden an einer gewöhnlichen Wechselspannungs- oder Drehstromsteckdose verfügt ein Fahrzeug über ein On-Board-Ladegerät, das sowohl die nötige Wandlung in Gleichstrom vornimmt als auch den Ladebetrieb steuert. Dieses AC-Laden ist jedoch aufgrund der verfügbaren Anschlussleistung und aufgrund der Installation des Ladegeräts mit ausreichender Leistung in der Ladegeschwindigkeit enorm eingeschränkt. Hierdurch ergeben sich sehr hohe Ladezeiten für Elektrofahrzeuge. Aufgrund dieser hohen Ladezeiten wurde DC-Laden mit Gleichspannung entwickelt. Hierbei verfügt das Fahrzeug nicht über ein eigenes Ladegerät. Stattdessen führt eine fahrzeugexterne Ladesäule den Ladevorgang durch und formt ebenfalls Spannung und Strom so, wie es für das Laden der Batterie notwendig ist. Die DC-Ladeleitungen werden während des Ladevorgangs direkt mit den Polen der Hochvoltbatterie des Fahrzeugs verbunden. Eine galvanische Trennung findet zwischen den DC-Ladeleitungen und der Batterie nicht statt. Wegen der Möglichkeit, die Leistungen der DC-Ladestationen zu erhöhen, lassen sich die Ladezeiten für Elektrofahrzeuge erheblich verkürzen. Ziel ist es aber, die Ladezeiten noch weiter zu reduzieren. Damit soll das Nachladen während Reisen in Größenordnungen gebracht werden, die Kunden vom Tanken von Verbrennungsfahrzeugen gewohnt sind.
Der Ladevorgang wird in großen Teilen vom Fahrzeug gesteuert. Die Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug findet dabei auf digitalem Weg, zumeist über separate Signalleiter im Ladekabel statt. Die Signalleiter verlaufen dabei in unmittelbarer Umgebung zu den Ladeleitungen, die sehr hohe Ströme und Spannungen sowie Transienten beider aufweisen können.
Um einen Schnellladevorgang mit maximaler Performance durchführen zu können, ist sicherzustellen, dass die bei Erhöhung des Ladestroms zur Überhitzung neigenden Ladekabel optimal gekühlt werden.
Aus DE 10 2015 016 267 A1 ist eine Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
US 2017 / 0 062 993 A1 und WO 2017/ 143 295 A1 offenbaren geradlinige, zylinderförmige Heatpipes im Steckerbau.
DE 10 2015 220 096 A1 offenbart eine Verbindungsanordnung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Verbindungsanordnung. Ein Wärmerohr der Verbindungsanordnung ist in einem Kühlabschnitt des Wärmerohrs mit einem Kühlkörper der Kühlvorrichtung verbunden, wobei ein Ende des Wärmerohrs den Kühlabschnitt bildet.
DE 10 2015 119 338 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlkörper, der auf einen Kühlabschnitt eines Kontaktelements aufgesteckt ist. Der aufgesteckte Kühlkörper umgreift den Kühlabschnitt entlang eines Umfangs des Kühlabschnitts.
US 2009/0 239 408 A1 offenbart eine Verbindungsanordnung mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Verbindungsanordnung. Ein Kontaktelement der Verbindungsanordnung ist in einem Kühlabschnitt des Kontaktelements mit einem Kühlkörper der Kühlvorrichtung verbunden. Der Kühlkörper ist über eine Schraubbefestigung auf den Kühlabschnitt des Kontaktelements aufgepresst.
DE 31 51 419 C1 , DE 10 2017 105 353 A1 , US 2012/0317811 A1 und WO 2014/ 110 376 A1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass diese optimal gekühlt werden kann, insbesondere um das Laden des jeweiligen Fahrzeugs bei erhöhtem Ladestrom und damit innerhalb kürzerer Zeit durchführen zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Verbindungsanordnung, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung ist vorgesehen, dass zumindest einer der Leiter als Wärmerohr ausgebildet ist, wobei das Wärmerohr in einem Kühlabschnitt des Wärmerohrs mit einem Kühlkörper der Kühlvorrichtung verbunden ist.
Bei einem Wärmerohr weist ein Rohrkörper des Wärmerohrs ein elektrisch leitfähiges Material auf und es weist das Wärmerohr innerhalb des Rohrkörpers ein hermetisch geschlossenes Volumen auf, das mit einem Arbeitsmedium befüllt ist.
Dieses Wärmerohr ermöglicht eine Wärmeübertragung, die unter Nutzung von Verdampfungswärme des Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Somit können auf kleiner Querschnittsfläche große Wärmemengen transportiert werden.
Bei Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dadurch wird über den Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht. Dies führt zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs. Der entstandene Dampf strömt deswegen zu einer Stelle mit niedriger Temperatur, wo er kondensiert. An dieser Stelle erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene latente Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Im Kühlabschnitt des Wärmerohrs ist dieses mit dem Kühlkörper der Kühlvorrichtung der Verbindungsanordnung verbunden.
Das Wärmerohr ist als Heatpipe ausgebildet. Bei Ausbildung des Wärmerohrs als Heatpipe kehrt das flüssige Arbeitsmedium durch Kapillarkräfte im Volumen wieder zurück an die Stelle, an der die Wärme eingeleitet wird.
Grundsätzlich könnte das Wärmerohr auch als Thermosiphon ausgebildet sein. In dem Fall wäre es aber erforderlich, das Wärmerohr definiert zu positionieren, weil es für das Funktionieren des Thermosiphons erforderlich ist, dass das flüssige Arbeitsmedium durch Schwerkraft zu der Stelle, an der die Wärme eingeleitet wird, zurückkehren kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Rohrkörper des Wärmerohrs aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Somit dient das Wärmerohr, insbesondere die Heatpipe, als stromleitendes Bauteil.
Vorzugsweise ist das Wärmerohr über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement mit dem Kühlkörper verbunden. Es ist somit eine elektrische Isolation zwischen dem Wärmerohr und dem Kühlkörper vorgesehen, die die Variabilität der Gestaltung der Verbindungsanordnung signifikant erhöht, insbesondere unter dem Aspekt von leitenden oder nichtleitenden Komponenten, die dem Wärmerohr und/oder dem Kühlkörper zugeordnet sind.
Der Kühlkörper ist vorzugsweise als aktiver Kühlkörper ausgebildet. Unter diesem Aspekt weist die Kühlvorrichtung insbesondere eine Förderpumpe zum Fördern eines Kühlfluids auf, wobei das Kühlfluid den Kühlkörper durchströmt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlfluid das Wärmerohr unmittelbar kontaktiert, insbesondere das Kühlfluid den Rohrkörper des Wärmerohrs unmittelbar kontaktiert. Vorzugsweise weist das Wärmerohr im Kontaktbereich mit dem Kühlfluid ein elektrisch isolierendes Material auf, insbesondere weist der Rohrkörper im Kontaktbereich mit dem Kühlfluid eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Diese Isolation lässt sich somit bei minimalem Bauraumerfordernis verwirklichen.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiter der einen Verbindungsstruktur als Wärmerohr ausgebildet ist.
Der Leiter der ersten Verbindungsstruktur ist in den Leiter der zweiten Verbindungsstruktur einsteckbar.
Die eine Verbindungsstruktur ist als Stecker und die andere Verbindungsstruktur als Buchse ausgebildet.
Das Wärmerohr ist zylinderförmig ausgebildet, wobei ein erstes Ende des Wärmerohrs bzw. der Heatpipe den Kühlabschnitt bildet.
Der Kühlkörper ist auf das Wärmerohr aufgeschrumpft. Hierdurch lässt sich eine vorteilhafte Verbindung von Kühlkörper und Wärmerohr schaffen, bei optimaler Wärmeübertragung zwischen Wärmerohr und Kühlkörper.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die jeweilige Verbindungsstruktur einen Signalleiter zur Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung und dem Fahrzeug aufweist, wobei die Signalleiter miteinander elektrisch verbindbar sind.
Die Ladevorrichtung liefert insbesondere einen Gleichstrom zwecks Aufladens des elektrischen Energiespeichers des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigt:

1 in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung, bei benachbart zueinander angeordneten Verbindungsstrukturen, somit Verbindungsstrukturen kurz vor deren Zusammenstecken.

In der 1 ist eine Verbindungsanordnung 1 zum konduktiven Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2 mittels einer Ladevorrichtung 3 gezeigt. Die Verbindungsanordnung 1 weist eine der Ladevorrichtung 3 zugeordnete erste Verbindungsstruktur 4 und eine dem Fahrzeug zugeordnete, zu der ersten Verbindungsstruktur 4 korrespondierende, zweite Verbindungsstruktur 5 auf. Die erste Verbindungsstruktur 4 ist mit der zweiten Verbindungsstruktur 5 verbindbar. In der jeweiligen Verbindungsstruktur 4 bzw. 5 ist mindestens ein elektrisch leitfähiger Leiter angeordnet. Bezüglich der Verbindungsstruktur 4 ist ein elektrisch leitfähiger Leiter 6 und bezüglich der Verbindungsstruktur 5 ein elektrisch leitfähiger Leiter 7 gezeigt. Die Leiter 6, 7 dienen dem Ubertragen von elektrischer Energie von der Ladevorrichtung 3 in den Energiespeicher des Fahrzeugs 2. Der Leiter 6 der Verbindungsstruktur 4 ist mit dem Leiter 7 der Verbindungsstruktur 5 elektrisch verbindbar. Konkret ist die Verbindungsstruktur 4 als Stecker und die Verbindungsstruktur 5 als Buchse ausgebildet.
Die Verbindungsanordnung 1 weist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Verbindungsanordnung 1 auf. Hierzu ist der Leiter 6 als Wärmerohr, konkret als Heatpipe ausgebildet. Hierbei besteht ein Rohrkörper der Heatpipe 6 aus einem elektrisch leitfähigen Material.
Die Heatpipe 6 ist in einem Kühlabschnitt 8 der Heatpipe 6 mit einem Kühlkörper 9 der Kühlvorrichtung verbunden. Die Heatpipe 6 ist über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 10 mit dem Kühlkörper 9 verbunden. Beim dem Verbindungselement 10 handelt es sich insbesondere um eine PTFE-Isolationsschicht, die auf die Heatpipe 6 gelegt ist.
Der Kühlkörper 9 ist als aktiver Kühlkörper ausgebildet. Hierzu weist die Kühlvorrichtung eine Förderpumpe zum Fördern eines Kühlfluids auf, wobei das Kühlfluid den Kühlkörper 9 durchströmt. Gezeigt ist eine Einlassöffnung 11 in den Kühlkörper 9 und eine Auslassöffnung 12 aus dem Kühlkörper 9 für das Kühlfluid.
Die Heatpipe 6 ist zylinderförmig ausgebildet. Ein erstes Ende der Heatpipe 6 bildet den Kühlabschnitt 8.
Die jeweilige Verbindungsstruktur 4 bzw. 5 weist einen Signalleiter zur Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung 3 und dem Fahrzeug 2 auf. Die Signalleiter sind miteinander elektrisch verbindbar. Sie werden beim Verbinden der beiden Verbindungsstrukturen 4, 5 elektrisch miteinander verbunden.
Das der Ladevorrichtung 3 zugeordnete, dem Zuführen von Strom von der Ladevorrichtung 3 zur Heatpipe 6 dienende Verbindungskabel 13 ist einerseits über einen Anschluss 14 mit der Ladevorrichtung 3 verbunden, andererseits an die Verbindungsstruktur 4 angeschraubt oder mit einem Kabelschuh 15 verbunden, der unmittelbar auf die Heatpipe 6 aufgepresst ist.
Die Heatpipe 6 wird somit direkt in den Leiter 7, vorliegend die Buchse, eingesteckt und dient in diesem Fall auch als stromführendes Bauteil. Zur Kühlung ist der Kühlkörper 9 auf die Heatpipe 6 aufgeschrumpft. Zur Isolierung bei Verwendung mit Wasser bzw. leitendem Kühlfluid ist die PTFE-Isolationsschicht auf die Heatpipe gelegt. Bei einem nichtleitenden Kühlfluid, beispielsweise Öl, kann direkt überströmt werden, somit auf die Isolationsschicht 14 verzichtet werden. Die Heatpipe 6, somit der Pin, als auch die Buchse 7 und mit diesen wärmeleitend verbundene Teile können so optimal gekühlt werden. Als Kühlfluid findet insbesondere Wasserglykol oder ein nichtleitendes Fluid Verwendung. Unter Verwendung von nichtleitendem Fluid ist eine direkte Kühlung möglich.
Die Verwendung eines Wärmerohrs bei der Kühlvorrichtung der Verbindungsanordnung ermöglicht auch bei sehr hohen Ladeströmen, unter Umständen Ladeströmen bis zu 500 Ampere, Ladevorgänge ohne Überhitzung und Derating durchzuführen.

Claims

Verbindungsanordnung (1) zum konduktiven Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (2) mittels einer Ladevorrichtung (3), wobei die Verbindungsanordnung (1) eine der Ladevorrichtung (3) zugeordnete erste Verbindungsstruktur (4) und eine dem Fahrzeug zugeordnete, zweite Verbindungsstruktur (5) aufweist, wobei die erste Verbindungsstruktur (4) mit der zweiten Verbindungsstruktur (5) verbindbar ist, wobei die Verbindungsstrukturen (4, 5) jeweils mindestens einen elektrisch leitfähigen Leiter (6, 7) aufweisen, wobei, zwecks Übertragens von elektrischer Energie von der Ladevorrichtung (3) in den Energiespeicher, der Leiter (6) der ersten Verbindungsstruktur (4) mit dem Leiter (7) der zweiten Verbindungsstruktur (5) elektrisch verbindbar ist, ferner die Verbindungsanordnung (1) eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Verbindungsanordnung (1) aufweist, wobei zumindest der Leiter (6) der ersten Verbindungsstruktur (4) als Wärmerohr ausgebildet ist, wobei das Wärmerohr (6) in einem Kühlabschnitt (8) des Wärmerohrs (6) mit einem Kühlkörper (9) der Kühlvorrichtung verbunden ist, wobei das Wärmerohr (6) als Heatpipe (6) ausgebildet ist, wobei ein Ende des Wärmerohrs (6) den Kühlabschnitt (8) bildet, wobei die erste Verbindungsstruktur (4) als Stecker und die zweite Verbindungsstruktur (5) als Buchse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (6) zylinderförmig ausgebildet ist, und dass der Kühlkörper (9) auf das Wärmerohr (6) aufgeschrumpft ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei ein Rohrkörper des Wärmerohrs (6) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Wärmerohr (6) über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement (10) der Verbindungsanordnung mit dem Kühlkörper (9) verbunden ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kühlkörper (9) als aktiver Kühlkörper ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Kühlvorrichtung eine Förderpumpe zum Fördern eines Kühlfluids aufweist, wobei das Kühlfluid den Kühlkörper (9) durchströmt.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 5, wobei das Kühlfluid das Wärmerohr (6) unmittelbar kontaktiert.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, wobei das Wärmerohr (6) im Kontaktbereich mit dem Kühlfluid ein elektrisch isolierendes Material aufweist, insbesondere der Rohrkörper im Kontaktbereich mit dem Kühlfluid eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Leiter (6) der ersten Verbindungsstruktur (4) in den Leiter (7) der zweiten Verbindungsstruktur (5) einsteckbar ist, insbesondere der Leiter (7) der zweiten Verbindungsstruktur (5) als Buchse ausgebildet ist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verbindungsstrukturen (4, 5) jeweils einen Signalleiter zur Kommunikation zwischen der Ladevorrichtung (3) und dem Fahrzeug (2) aufweisen, wobei die Signalleiter miteinander elektrisch verbindbar sind.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 wobei die Ladevorrichtung (3), zwecks Aufladens des elektrischen Energiespeichers des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (2), einen Gleichstrom liefert.