-
Die Erfindung betrifft einen Ladestecker, wie er am Ende eines Ladekabels angebracht sein kann, um das Ladekabel an ein Kraftfahrzeug anschließen zu können. Hierzu kann der Ladestecker eine mechanische Steckschnittstelle zum Einstecken in eine Ladebuchse des Kraftfahrzeugs aufweisen. In den Ladestecker ist eine Wandlerschaltung integriert, um einen Wechselstrom (AC - alternating current) in einen Gleichstrom (DC - direct current) zum Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs umzuwandeln. Dieser Gleichstrom ist hier deshalb auch als DC-Ladestrom bezeichnet. Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit der beschriebenen Ladebuchse sowie ein Ladesystem, das besagtes Kraftfahrzeug und ein Ladekabel mit dem Ladestecker bereitstellt.
-
Um den elektrischen Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs mit Energie nachzuladen, kann das Elektrofahrzeug eine Ladebuchse aufweisen, in die der Ladestecker eines Ladekabels eingesteckt werden kann, um Energie aus einem Stromnetz in das Kraftfahrzeug zu übertragen. Da ein Stromnetz in der Regel einen Wechselstrom (AC) bereitstellt, ist eine Wandlung in einen Gleichstrom (DC) notwendig, damit dieser Gleichstrom zum Laden des Energiespeichers, beispielsweise eines elektrischen Akkumulators oder einer elektrischen Batterie, bereitsteht. Die für das Wandeln des Wechselstroms in Gleichstrom notwendige Wandlerschaltung kann in den Ladestecker des Ladekabels integriert sein, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass in einem Wohnhaus keine solche Wandlerschaltung nachgerüstet werden muss, wenn dort ein Elektrofahrzeug nachgeladen werden soll. Stattdessen kann ein Ladekabel mit einem solchen Ladestecker in dem Elektrofahrzeug mitgeführt werden.
-
Durch die kompakte Bauweise im Ladestecker und den Wunsch nach einer möglichst großen Ladeleistung kann sich aber die Abfuhr von Wärme aus der Wandlerschaltung in die Umgebung als eine Herausforderung erweisen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, dass ein Gehäuse des Ladesteckers Staub- und Spritzwasserdicht ausgestaltet sein muss. Führt man die Wärme dann mittels eines Kühlkörpers aus einem solchen Gehäuse nach draußen ab, so muss dieser Kühlkörper aufgrund seiner Hitze berührgeschützt angeordnet sein, da der Ladestecker von einem Benutzer gegriffen werden muss, um ihn in die Ladebuchse einzustecken und von dieser wieder abziehen zu können.
-
Ein Ladekabel mit einem Ladestecker ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 111 334 A1 bekannt. Darin ist beschrieben, dass auch eine Temperaturüberwachung für die elektrischen Steckkontakte vorgesehen sein kann, über welche der Ladestrom aus dem Ladestecker in die Ladebuchse des Kraftfahrzeugs fließt.
-
Eine solche Temperaturüberwachung der Steckkontakte in einem Ladestecker ist auch aus der
WO 2016/020133 A1 bekannt. Diese Steckkontakte können sich erhitzen, wenn ein elektrische Ladestrom über die Steckkontakte in die Ladebuchse fließt. Mittels der Temperaturüberwachung kann allerdings die Temperaturentwicklung kontrolliert werden.
-
Aus der
DE 10 2016 211 876 A1 ist bekannt, dass man die Steckkontakte eines Ladesteckers durch eine Schaltungsplatine hindurchführen kann, um die Temperatur an den Steckkontakten zu messen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abwärme, die in einem Gehäuse eines Ladesteckers durch eine dort betriebene Wandlerschaltung entsteht, aus dem Gehäuse heraus zu führen.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
-
Durch die Erfindung ist ein Ladestecker bereitgestellt, wie er an ein Ladekabel montiert werden kann, um dieses mit einem Kraftfahrzeug verbinden zu können. Der Ladestecker weist eine mechanische Steckschnittstelle zum Einstecken in eine Ladebuchse des besagten Kraftfahrzeugs auf. Eine solche Steckschnittstelle kann einen Bereich oder ein Feld mit mehreren DC-Steckkontakten zum Einstecken in ein korrespondierendes DC-Buchsenfeld der Ladebuchse aufweisen. Ein Buchsenfeld ist ein Bereich, in welchem die jeweiligen elektrischen Kontakte gemeinsam angeordnet sind.
-
Für eine zusätzliche mechanische Führung kann eine Steckschnittstelle auch einen Kragen aufweisen, der zusätzlich auch als Berührschutz fungieren kann. Die DC-Steckkontakte sind zum Übertragen eines DC-Ladestroms vorgesehen. Zum Erzeugen dieses DC-Ladestroms ist in ein Gehäuse des Ladesteckers eine Wandlerschaltung integriert, mittels welcher auch eine Stromstärke des DC-Ladestroms eingestellt oder gesteuert werden kann. Ein Beispiel für eine geeignete Wandlerschaltung ist ein Stromrichter oder Gleichrichter oder ein AC/DC-Wandler. Der von der Wandlerschaltung erzeugte DC-Ladestrom kann in an sich bekannter Weise im Gehäuse über Drähte und/oder Stromschienen oder Metallstifte zu den DC-Steckkontakten geführt sein.
-
Um nun eine Kühlung oder eine Wärmeabfuhr an der Wandlerschaltung zu ermöglichen, ist zumindest ein Schaltungsbauteil der Wandlerschaltung zusätzlich über zumindest einen Wärmeleitpfad (zur Steckschnittstelle hin) mit zumindest einem der DC-Steckkontakte und/oder (zum Ladekabel hin) mit zumindest einem Anschlussfeld für einen jeweiligen Draht des Ladekabels thermisch gekoppelt. Über den jeweiligen Wärmeleitpfad kann also Abwärme aus dem zumindest einen Schaltungsbauteil zu zumindest einem der DC-Steckkontakte und/oder in zumindest einen Draht des Ladekabels diffundieren oder geführt werden. Zusätzlich zu den elektrischen Verbindungen der Wandlerschaltung hin zu den DC-Steckkontakten einerseits und zu den Drähten des Ladekabels andererseits ist also in zumindest eine Richtung (also zum zumindest einen DC-Steckkontakt und/oder zum Ladekabel hin) zusätzlich eine Wärmeleitung über einen Wärmeleitpfad vorgesehen. Dieser Wärmeleitpfad weist insbesondere zumindest einen wärmeleitfähigen Festkörper auf, dessen Wärmeleitfähigkeit größer als 200 W/(mk) ist. Bevorzugt ist der Wärmeleitpfad auf der Grundlage von Metall, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, gebildet. Der Wärmeleitpfad ist für den Wärmetransport von Abwärme aus der Wandlerschaltung hin zu dem zumindest einen DC-Steckkontakte und/oder zu dem Anschlussfeld für Drähte des Ladekabels eingerichtet. Der jeweilige Wärmeleitpfad ist dabei von den stromführenden Bauteilen des Ladesteckers verschieden.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass eine in der Wandlerschaltung entstehende Abwärme gezielt über den Wärmeleitpfad in zumindest einen, bevorzugt alle DC-Steckkontakte und/oder in zumindest einen Draht, bevorzugt mehrere Drähte des Ladekabels abgeführt werden kann, von wo aus die Abwärme sich dann in das Kraftfahrzeug und/oder in das Ladekabel ausbreiten kann. Hierdurch wird die Abwärme verteilt. Dies erfolgt mittels des zumindest einen Wärmeleitpfads, benötigt also nicht die Wärmeleitfähigkeit der stromführenden Bauteile selbst.
-
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
-
Das besagte Anschlussfeld kann beispielsweise metallische Anschlussflächen mit Schraubloch aufweisen, um Kabelschuhe des Ladekabels mit dem Anschlussfeld verschrauben zu können, und/oder er kann Lötflächen (sogenannte Löt-Pads) zum Anlöten der Drähte des Ladekabels aufweisen.
-
In einer Ausführungsform ist in dem Wärmeleitpfad die thermische Leitfähigkeit mittels zumindest eines wärmeleitenden metallischen Bauteils bereitgestellt. Mit anderen Worten ist zumindest ein Abschnitt oder ein Abschnitt des Wärmeleitpfads durch ein metallisches Bauteil, wie beispielsweise einen Schraubenbolzen oder einen Stab oder eine Platte, gebildet. Mit „Bauteil“ ist hier ein Element des Ladesteckers gemeint, das bevorzugt zusätzlich eine weitere Funktion, beispielsweise eine haltende Funktion oder eine mechanisch Kraftübertragung, erfüllt. Eine Metallplatte kann beispielsweise die Wandlerschaltung und einen Rahmen für die DC-Steckkontakte tragen und/oder verbinden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wärmeleitpfad für die thermische Leitfähigkeit auch eine dedizierte Metallplatte aufweisen, die ohne eine weiterer mechanische Funktion, also zusätzlich vorgesehen ist, um den Wärmeleitpfad oder zumindest einen Abschnitt des Wärmeleitpfads, zu bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wärmeleitpfad zumindest abschnittsweise oder vollständig ein Kupfer-Inlay oder allgemein ein Metall-Inlay einer Leiterplatte umfassen. Ein solches Metall-Inlay ist ein in die Leiterplatte eingelegter Metallkörper, z.B. ein Metallblock, oder eine Metallschicht der Leiterplatte, die bevorzugt eine Dicke von mehr als 0,5 Millimeter, insbesondere mehr als 1 Millimeter, aufweist. Es kann sich hier um eine Zwischenschicht oder eine Bodenschicht der Leiterplatte handeln. Somit kann die Abwärme auf der Leiterplatte selbst von elektrischen Anschlusspins eines elektronischen Bauteils der Wandlerschaltung in den Wärmeleitpfad übertreten. Zusätzlich oder alternativ dazu umfasst der Wärmeleitpfad eine Heat-Pipe und/oder eine Flüssigkeitskühlung und/oder ein Peltierelement. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine aktive Kühlung oder ein aktiver Wärmetransport realisiert werden kann.
-
In einer Ausführungsform ist der jeweilige Wärmeleitpfad durch eine Leiterplatte hindurch mittels eines so genannten VIAs (vertical interconnect access; Durchkontaktierung) gebildet. Hierzu kann in der Leiterplatte eine Durchgangsöffnung mit einem metallischen Füllmaterial, beispielsweise Lötzinn oder einem Metallstift, ausgefüllt sein. Durch Führen der Abwärme mittels VIAs durch eine Leiterplatte hindurch ergibt sich der Vorteil, dass die Abwärme von einer Seite der Leiterplatte auf die andere Seite der Leiterplatte geführt werden kann. Mittels der VIAs wird insbesondere keine Stromübertragung oder Stromleitung vorgesehen.
-
In einer Ausführungsform ist als jeweiliges Schaltungsbauteil der Wandlerschaltung zumindest eines der folgenden mit dem zumindest einen Wärmeleitpfad thermisch verbunden: eine AC-DC-Stufe, eine DC-DC-Stufe, ein Ausgangsfilter. Diese Schaltungsbauteile haben sich als besondere Wärmequellen erwiesen. Die Anbindung an den Wärmeleitpfad kann beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste und/oder einer Kupferfolie erfolgen.
-
Für den Fall, dass ein Wärmeleitpfad hin zu dem Ladekabel führen soll, sieht eine Ausführungsform vor, dass das zumindest eine Anschlussfeld, an welches Drähte des Ladekabels angeschlossen werden müssen, mittels einer Metall-Inlay-Leiterplatte der besagten Art realisiert ist. An dieser Leiterplatte können die Drähte des Ladekabels beispielsweise angelötet sein oder es kann vorgesehen sein, die Drähte mittels Kabelschuhen an der Leiterplatte zu verschrauben. Ein Metall-Inlay ist in der beschriebenen Weise einen zusätzlichen Metallkörper oder eine zusätzliche Metallschicht der Leiterplatte, über welche Abwärme transportiert oder geführt werden kann. Mit „zusätzlich“ ist hierbei gemeint, dass dieses Metall-Inlay nicht der Stromleitung oder der Stromführung dient.
-
In einer Ausführungsform ist in die Metall-Inlay-Leiterplatte ein Gewindebolzen zum Verschrauben der Metall-Inlay-Leiterplatte integriert. Hierbei ist dieser Gewindebolzen bevorzugt mit dem Metall-Inlay, das heißt der beschriebenen Metallschicht oder dem integrierten Metallkörper, galvanisch gekoppelt. Somit kann ein Wärmetransport zwischen dem Gewindebolzen und dem Metall-Inlay begünstigt sein. Dies fördert die Wärmeverteilung der Abwärme.
-
In einer Ausführungsform ist der jeweilige Wärmeleitpfad mittels einer elektrischen Isolierschicht von dem zumindest einen Schaltungsbauteil der Wandlerschaltung und/oder dem zumindest einen DC-Steckkontakt und/oder dem zumindest einen Anschlussfeld jeweils galvanisch getrennt. Mit anderen Worten dient der Wärmeleitpfad nicht zur Stromführung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wärmeleitpfad selbst nicht mit der Ladespannung beaufschlagt ist und somit keine Berührschutzmaßnahmen in dem Maße notwendig sind, wie es für den stromführenden Strompfad notwendig ist. Dies vereinfacht die Ausgestaltung für die Wärmeabfuhr vom Wärmeleitpfad weg.
-
In Zusammenhang mit dem beschriebenen Kraftfahrzeug, in dessen Ladebuchse die Abwärme aus dem Ladestecker abgeführt wird, sieht die Erfindung vor, dass innerhalb des Kraftfahrzeugs eine Kühlmöglichkeit für die nun zusätzlich mit Abwärme beaufschlagten Buchsenkontakte der Ladebuchse bereitgestellt ist. Hierzu sieht die Erfindung ein Kraftfahrzeug vor, das den besagten elektrischen Energiespeicher aufweist, der mit einer Ladebuchse zum Einstecken einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesteckers gekoppelt ist. Hierzu weist die Ladebuchse entsprechend DC-Buchsenkontakte zum Empfangen des DC-Ladestroms auf. Über die DC-Buchsenkontakte empfängt das Kraftfahrzeug in der Ladebuchse also den DC-Ladestrom zum Nachladen des Energiespeichers. Die DC-Buchsenkontakte sind mit dem Energiespeicher in an sich bekannter Weise elektrisch durch einen elektrischen Verbindungspfad mit dem Energiespeicher verbunden. Ein solcher Verbindungspfad kann beispielsweise durch ein Kabel und/oder eine Stromschiene realisiert sein. An dem Verbindungspfad ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zumindest ein Kühlkörper bereitgestellt, wobei der zumindest eine Kühlkörper thermisch mit zumindest einem der DC-Buchsenkontakte über den elektrischen Verbindungspfad verbunden ist. Leitet also der Ladestecker über seinen Wärmeleitpfad zusätzliche Abwärme über den DC-Steckkontakt in einen DC-Buchsenkontakt, so kann diese Abwärme sich im elektrischen Verbindungspfad ausbreiten, der aufgrund seines elektrisch leitfähigen Materials, beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder allgemein einem Metall, die Wärmeausbreitung begünstigt, dann bis zum Kühlkörper geführt werden, wo sie dann aus dem Verbindungspfad abgeführt werden kann. Ein Kühlkörper kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein und die für einen Kühlkörper bekannte Rippenstruktur oder Fächerstruktur aufweisen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Kühlkörper durch ein Blech des Kraftfahrzeugs realisiert sein.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Die Erfindung umfasst auch ein Ladesystem, das eine Kombination aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und einem Ladekabel mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesteckers umfasst.
-
Schließlich gehört zu der Erfindung auch eine Ladevorrichtung, die sich durch die Kombination aus einem Ladekabel und einem Ladestecker ergibt, der an einem Ende des Ladekabels angeschlossen ist. Bei der Ladevorrichtung kann also Abwärme aus der Wandlerschaltung des Ladesteckers über zumindest einen Wärmeleitpfad abgeführt werden.
-
Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können auch in ein und demselben Produkt verwirklicht werden, solange es sich nicht ausdrücklich um sich gegenseitig ausschließende Ausführungsformen handelt.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ladesteckers einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung;
- 2 einen schematisierten Schaltplan einer Wandlerschaltung, wie sie in dem Ladestecker von 1 bereitgestellt sein kann;
- 3 eine weitere schematisierte Darstellung der Wandlerschaltung mit einer Veranschaulichung von Wärmequellen;
- 4 eine schematische Explosionsdarstellung des Ladesteckers von 1;
- 5 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Ladesteckers mit einer Veranschaulichung von Wärmeleitpfaden;
- 6 eine schematische Darstellung, die eine Leiterplatte und DC-Steckkontakte zeigt, die über einen ersten Wärmeleitpfad miteinander thermisch gekoppelt sind;
- 7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Ladesteckers mit einer Darstellung des ersten Wärmeleitpfads von 6;
- 8 eine schematische Darstellung eines Anschlussfelds für Drähte eines Ladekabels der Ladevorrichtung; und
- 9 eine schematische Darstellung eines Ladesystems mit der Ladevorrichtung und einem Kraftfahrzeug.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine Ladevorrichtung 10, die ein Ladekabel 11 aufweisen kann, das mit einem Ladestecker 12 der Ladevorrichtung 10 verbunden sein kann. Der Ladestecker 12 lässt sich in eine (nicht dargestellte) Ladebuchse eines Kraftfahrzeugs einstecken, sodass über das Ladekabel 11 elektrische Energie aus einem (nicht dargestellten) elektrischen Versorgungsnetz, beispielsweise einem Wechselstromnetz mit einer Wechselspannung im Bereich von 100 Volt bis 250 Volt, in das Kraftfahrzeug übertragen werden kann, um dort einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie nachzuladen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein.
-
Zum Einstecken des Ladesteckers 12 in die Ladebuchse kann eine Steckschnittstelle S bereitgestellt sein, welche eine an sich bekannte mechanische Führung für das Einstecken vorsehen kann sowie zusätzlich zu DC-Steckkontakten 13 weitere Steckkontakte 13 für die Übertragung von Kommunikationssignalen und/oder eines Massepotentials.
-
Zum Übertragen der elektrischen Energie kann der Ladestecker 12 die DC-Steckkontakte 13 aufweisen, die jeweils in einen DC-Buchsenkontakt in einem (nicht dargestellten) DC-Buchsenfeld der Ladebuchse des Kraftfahrzeugs eingesteckt werden können. 1 zeigt hier beispielhaft einen Ladestecker vom so genannten Typ 2, wie er an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Über die DC-Steckkontakte 13 kann ein DC-Ladestrom 14 in das Kraftfahrzeug übertragen werden oder mit dem Kraftfahrzeug ausgetauscht werden. Über das Ladekabel 11 kann dabei ein AC-Wechselstrom 15 in den Ladestecker 12 übertragen werden.
-
2 zeigt, wie innerhalb des Ladesteckers 12 eine elektrische Wandlung des AC-Wechselstroms 15 aus dem Ladekabel 11 in den DC-Ladestrom 14 durchgeführt werden kann. 2 zeigt dabei am oberen Rand noch einmal den Ladestecker 12 in perspektivischer Darstellung, um die räumliche Orientierung für den darunter dargestellten schematischen Schaltplan 16 zu geben.
-
Das Ladekabel 11 kann im Ladestecker 12 an ein Anschlussfeld 17 beispielsweise durch Anlöten und/oder mittels Kabelschuhen befestigt sein. Die an einem solchen Anschlussfeld 17 bereitgestellten elektrischen Kontakte PE, L1, N sind in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise benannt.
-
In 2 ist auch die Steckschnittstelle S mit den Bezeichnungen für die dort möglichen Steckkontakte PP, CP, PE, DC+, DC- in der an sich bekannten Weise dargestellt.
-
Zum Wandeln des AC-Wechselstroms 15 in den DC-Ladestrom 14 kann eine Wandlerschaltung 18 vorgesehen sein, die hier als AC/DC-Wandlerschaltung ausgestaltet sein kann. Mit dieser kann eine DC-Ladespannung 19 erzeugt werden, die eine Hochvoltspannung sein kann, also einen Spannungswert größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt, aufweisen kann. Die DC-Ladespannung 19 kann den DC-Ladestrom 14 treiben oder bewirken.
-
Eine Steuerschaltung 20 kann die Wandlerschaltung 18 mittels Steuersignalen 21 steuern, bei denen es sich beispielsweise um PWM-Signale (PWM - Pulsweitenmodulation) handeln kann. Für eine Regelung können Spannungsmessschaltungen 22 und/oder Strommessschaltungen 23 vorgesehen sein, um eine Stromstärke des DC-Ladestroms 14 auf einen Sollwert einzuregeln. Die Steuerschaltung 20 kann hierfür einen Mikrocontroller µC aufweisen. Für die beschriebenen Kommunikation kann ein Kommunikationsmodul 24 vorgesehen sein, das beispielsweise die Kommunikation auf Basis einer PLC (Powerline Communication) in an sich bekannter Weise realisieren kann.
-
Beim Betrieb der Wandlerschaltung 18 kann dabei eine Abwärme oder Verlustwärme entstehen, die aus einem Gehäuse 25 des Ladesteckers 12 abgeführt werden muss, damit die Wandlerschaltung 18 die mittels des Ladesteckers 12 übertragene elektrische Leistung wandeln oder erbringen kann.
-
3 veranschaulicht hierzu noch einmal die relevanten Wärmequellen der Wandlerschaltung 18. Dargestellt sind das Ladekabel 11, welches den AC-Wechselstrom 15 bereitstellt, und die Steckschnittstelle S, die in das Kraftfahrzeug KFZ eingesteckt sein kann. Das Ladekabel 11 und die Steckkontakte der Steckschnittstelle S sind über die Wandlerschaltung 18 elektrisch miteinander gekoppelt. Dies kann durch mehrere Schaltungskomponenten oder Schaltungsbauteile 26 der Wandlerschaltung 18 realisiert sein. Mögliche Schaltungsbauteile 26 sind eines oder mehrere der folgenden: ein Eingangsfilter 27, eine bidirektionale AC-DC-Stufe 28, ein DC-Zwischenkreis 29, eine DC-DC-Stufe 30, die bevorzugt bidirektional betreibbar ausgestaltet ist, und ein Ausgangsfilter 31. Diese Schaltbauteile 26 sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Es hat sich erwiesen, dass insbesondere die AC-DC-Stufe 28 und die DC-DC-Stufe 30 und/oder das Ausgangsfilter 31 abzuführende Verlustwärme oder Abwärme 32 erzeugen.
-
4 veranschaulicht noch einmal in einer schematischen Explosionsdarstellung, wie dieser Wärmetransport in dem Ladestecker 12 realisiert ist. Genutzt werden als Kühlelemente die DC-Steckkontakte 13 und/oder zumindest ein Draht 33.
-
5 veranschaulicht hierzu, wie dazu von zumindest einer Schaltungskomponente oder einem Schaltungsbauteil 26 der Wandlerschaltung 18 die Abwärme 32 über einen ersten Wärmeleitpfad 34 in die DC-Steckkontakte 13 und/oder über einen zweiten Wärmeleitpfad 35 in zumindest ein Kabel oder einen Draht 33 des Ladekabels 11 geleitet werden kann. Die Wärmeleitpfade 34, 35 sind dabei galvanisch von den elektrischen Pfaden, wie sie durch die Wandlerschaltung 18 selbst bereitgestellt sind, um das Ladekabel 11 mit den DC-Steckkontakten 13 zu verbinden, getrennt.
-
6 veranschaulicht hierzu für den ersten Wärmeleitpfad 34 eine mögliche Implementierung. Dargestellt ist, wie ein Schaltungsbauteil 26 der Wandlerschaltung 18 auf einer Leiterplatte 36 der Wandlerschaltung 18 montiert sein kann und mittels des Wärmeleitpfads 34 die Abwärme aus dem Schaltungsbauteil 26 in ein Material eines DC-Steckkontakts 13, beispielsweise ein Metall, übertragen werden kann. Der Wärmeleitpfad 34 kann hierzu einen Kühlkörper oder eine Platte 37 umfassen, die beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gebildet sein kann. Um die Abwärme aus dem Schaltungsbauteil 26 in die Platte 37 durch die Leiterplatte 36 hindurch zu übertragen, kann beispielsweise in der Leiterplatte 36 ein Kupfer-Inlay 38 integriert sein, durch welches hindurch die Abwärme innerhalb der Leiterplatte 36 geführt werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu können Thermo-VIAs 39 realisiert oder bereitgestellt sein kann, das heißt mit einem Metall oder einer Metalllegierung gefüllte Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte 36. So kann die Abwärme beispielsweise aus einem heißen Bereich 40 entlang eines Ausbreitungspfads 41 entlang des Wärmeleitpfads 34 in den DC-Steckkontakt 13 geleitet werden. Der DC-Steckkontakt 13 kann im eingesteckten Zustand in der Ladebuchse mit elektrischen Kabeln des Kraftfahrzeugs in Berührung stehen, sodass die Abwärme sich in diesen Kabeln verteilen kann.
-
6 veranschaulicht am rechten Rand ein thermisches Ersatzschaltbild, welches darstellt, wie ausgehend von einem Wärmewiderstand 42 des Schaltungsbauteils 26 selbst die Abwärme durch einen Wärmewiderstand 43 der thermischen Verbindung zwischen dem Schaltungsbauteil 26 und der Leiterplatte 36 und dem thermischen Widerstand 44 einer elektrischen Isolierung der Leiterplatte 36 selbst, beispielsweise einem Kunstharz und einem thermischen Widerstand 45 eines metallischen Bereichs, beispielsweise des Kupfers des Kupfer-Inlays und/oder des Materials der VIAs 39 und einem thermischen Widerstand 46 der thermischen Verbindung zwischen der Leiterplatte 36 und dem Kühlkörper der Platte 37 und dem thermischen Widerstand 47 des Kühlkörpers der Platte 37 selbst überwinden muss, um in den DC-Steckkontakt 13 zu gelangen. Dies entspricht dem thermischen Widerstands des Ausbreitungspfads 41.
-
7 veranschaulicht, wie die Anordnung aus 6 in dem Ladestecker 12 angeordnet sein kann. Um an die Wandlerschaltung 18 Drähte 33 des Ladekabels 11 anzuschließen (in 7 nicht dargestellt), kann ein Anschlussfeld 17 vorgesehen sein, wie es in 8 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt ist. Das Anschlussfeld 17 kann beispielsweise auf Grundlage einer Leiterplatte 48 realisiert sein, die über Anschlüsse oder Steckkontakte 49 mit der Leiterplatte 36 verbunden sein kann. Die Leiterplatte 48 kann das Anschlussfeld 17 durch elektrisch leitfähige Anschlussflächen 50 realisieren, die beispielsweise als Kupferflächen realisiert sein können. Es kann ein Gewindebolzen 51 bereitgestellt sein, um beispielsweise das Erdungskabel PE anzuschließen und/oder die Leiterplatte 48 mechanisch mit dem Gehäuse 25 zu verbinden.
-
In den Anschlussflächen 50 können Durchgangsbohrungen 52 vorgesehen sein, um beispielsweise einen Kabelschuh des jeweiligen Drahtes 33 mit der Leiterplatte 48 zu verschrauben. Über die Steckkontakte 49 und die Anschlussflächen 50 kann so die Abwärme in die Drähte 33 abgeführt oder geführt werden. Hierdurch ergibt sich der beschriebene zweite Wärmeleitpfad 35.
-
9 veranschaulicht, wie aus der Kombination aus dem Kraftfahrzeug KFZ und dem Ladestecker 12 ein Ladesystem 53 realisiert ist. In dem Ladesystem 53 ist es ermöglicht, dass der Ladestecker 12 in die beschriebenen Ladebuchse 54 des Kraftfahrzeugs KFZ eingesteckt werden kann und somit über die DC-Steckkontakte 13 die aus dem Wärmeleitpfad 34 in die DC-Steckkontakte 13 übertretende Abwärme in zumindest ein elektrisches Leitelement 55 des Kraftfahrzeugs KFZ geleitet werden kann. Somit kann die Abwärme im Bereich eines DC-Buchsenfelds 56 aus dem Ladestecker 12 in das Kraftfahrzeug KFZ übergeleitet werden. Als Leitelement 55 kann ein Kabel vorgesehen sein. Durch das Leitelement 55 kann allgemein ein elektrischer Verbindungspfad 57 realisiert sein, um den DC-Ladestrom 14 zu einem elektrischen Energiespeicher 58 des Kraftfahrzeugs KFZ, beispielsweise einer elektrischen Hochvoltbatterie, zu leiten. An diesem Verbindungspfad 57, beispielsweise an dem Leitelement 55, kann ein Kühlkörper 59 oder es können mehrere Kühlkörper 59 angeordnet sein, um die in dem Verbindungspfad 57 aus dem DC-Steckkontakten 13 empfangene Abwärme 32 wieder aus dem elektrischen Verbindungspfad 57 abzuführen und in eine Umgebung im inneren des Kraftfahrzeugs KFZ abzugeben. Der Kühlkörper 59 kann hierbei galvanisch getrennt von dem elektrischen Verbindungspfad 57 angeordnet sein, was beispielsweise durch eine elektrische Isolationsschicht realisiert sein kann. Der Kühlkörper 59 kann in an sich bekannter Weise beispielsweise Kühlrippen 60 aufweisen.
-
Der DC-Steckkontakt 13 kann beispielsweise in einem DC-Buchsenkontakt 13' der Ladebuchse 54 einesteckt sein, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
-
Der Kühlkörper 59 kann mit dem Leitelement 55 thermisch verbunden sein, wodurch sich eine über den Verbindungspfad 57 indirekte thermische Kopplung mit den DC-Buchsenkontakten 13' ergibt. Der Kühlkörper 59 kann zusätzlich oder alternativ dazu auch direkt an dem mindestens einen DC-Buchsenkontakt 13' angebunden sein, wobei auch hier wieder die beschriebene galvanische Trennung bereitgestellt sein kann.
-
Im Folgenden sind noch einmal besonders bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
-
Die beschriebene Umsetzung der Integration der Lade-Leistungselektronik kann, wie in der 2 veranschaulicht, umgesetzt werden. Der im Stecker integrierten Leistungselektronik/ Ladeelektronik wird direkt die infrastrukturseitige AC Spannung (L1, L2, L3, N und PE) zugeführt. Je nach Ausbaustufe kann das Steckernetzteil (Ladestecker mit integrierter Wandlerschaltung) auch nur einphasig (L1, N und PE) ausgeführt sein. Der integrierte µC der Steuerschaltung kann die Kommunikation zum Fahrzeug übernehmen und überwacht, steuert und regelt die Leistungselektronik. Zusätzlich sind am Eingang- sowie Ausgang Sicherungselemente integriert um das Netzteil bzw. das Fahrzeug vor Überstrom zu schützen. Bei einer maximalen Ladeleistung von <= 3500W entstehen bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 96% eine Gesamtverlustleistung von 175W. Diese teilen sich zum zwischen der Leistungselektronik auf der AC-Netzinfrastrukturseite und der DC Hochvolt Seite zu gleichen Teilen auf. Eine thermische Kopplung zwischen AC und DC Seite ist aufgrund galvanischen Trennung nicht möglich.
-
Zukünftige Ladesysteme erfordern das Integrieren von Leistungselektronik in den Stecker bzw. in das Steckergehäuse. z.B. kann ein DC/DC-Wandler und/oder ein AC/DC-Wandler in einem sogenannten Combo-Stecker integriert werden. Diese Integration der Lade-Leistungselektronik in den Ladestecker erfordert jedoch eine Kühlung bzw. Entwärmung der Elektronik. Da die Gehäuse aufgrund der Handhabungsanforderungen Wasser- und Staubdicht ausgelegt sein müssen stellt die Entwärmung eine große Herausforderung dar. Eine aktive Kühlung mit beispielsweise flüssigem Kühlmittel ist für ein portables, ortsveränderliches Ladekabel mit integrierter Lade-Leistungselektronik nicht umsetzbar. Im Mittel entstehen bei der Integration einer Lade-Leistungselektronik mit einer Ladeleistung von 3,5kW mit einem Wirkungsgrad von 95%, 175W Verlustleistung. Gerade die galvanisch getrennte Energiewandlung von der netzseitigen Infrastruktur und der ausgangsseitigen DC Ladespannung generiert im Betrieb Verlustleistung welche in Form von Abwärme abgeführt werden muss.
-
Um die Verlustleistung, welche durch die Lade-Leistungselektronik entsteht, aus dem wasser- und staubdichten Gehäuse zu leiten, liegt folgende Idee zu Grunde, die durch die Energiewandlung entstehende Verlustwärme durch die Anschlusspins des Steckers (d.h. die DC-Steckerkontakte) sowie des Anschlusskabels abzuführen. Die DC-Steckerkontakte sind beispielsweise als sogenannte Crimp-Kontakte ausgeführt und werden nicht an eine Platine (PCB) angebunden. Eine Entwärmung über Crimp-Kontakte und Kabel ist technisch mittels der Idee umsetzbar. Es werden die DC-Leitungspins (DC-Steckerkontakte) über eine Dick-Kupfer-Platine (Metall-Inlay) thermisch an die integrierte Leistungselektronik angebunden und können somit die Abwärme über die DC Leistungspins in einen Kabelbaum abgeben. Idem das Kraftfahrzeug und die vorgesehene Ladeschnittstelle für viel größere Ladeleistung (z.B. mehr als 100kW) bzw. Ladeströme (z.B. 350Adc) ausgelegt ist, kann die thermische Masse der Anschlussleitung im Fahrzeug als auch der Zuleitung für die Entwärmung der integrierten Leistungselektronik genutzt werden. Die Grundlage hierfür schafft die zusätzliche thermische Anbindung an die Platine der integrierten Leistungselektronik.
-
Damit ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
- - Es ermöglicht eine Integration von Leistungselektronik in den Combo Stecker.
- - Es ermöglicht eine Kühlung/ Entwärmung der Leistungselektronik im Stecker ohne zusätzlichen Aufwand.
- - Aktive Abfuhr der Verlustwäre des Steckers
-
Die Entwärmung der AC-Eingangsseite sowie der DC-Ausgangsseite erfolgt über sogeannte Platinen mit Dick-Kupfer-Inlay. Durch die thermischen Vorteile der Platinen ist es möglich einen bestmöglichen Wärmefluss zwischen der Verlustleistungsquelle (den Leistungshalbleitern) in die Wärmesenke (den Kabeln) zu realisieren. Durch eine Kupfer-Inley Platine wird die Verlustleistung der Leistungshalbleiter abgeführt und kann somit Richtung DC-Steckkontakte des Ladesteckers erfolgen. Ein weitere Gedanke ist die Anbindung der DC-Steckerkontakte sowie die AC-Zuleitung an die Dickkupfer-Leiterkarte um einen Wärmefluss zu erreichen.
-
Die infrastrukturseitige Entwärmung erfolgt über eine direkte thermischd Anbindung der Zuleitung an ebenfalls eine Dickkupferplatine.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Entwärmen eines Ladesteckers mit integrierter Leistungselektronik für elektrische Fahrzeuge bereitgestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014111334 A1 [0004]
- WO 2016/020133 A1 [0005]
- DE 102016211876 A1 [0006]
