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Die Erfindung betrifft eine Stromschienenanordnung insbesondere zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug. Stromschienenanordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, unterliegen diversen Anforderungen. Einerseits müssen sie die notwendige Stromtragfähigkeit aufweisen, die mit zunehmender Leistung des elektromotorischen Antriebs und mit zunehmender Ladeleistung der Traktionsbatterie bzw. der Ladeinfrastruktur stetig wächst. Ferner bedarf es aufgrund der nicht zu vermeidenden ohmschen Verluste vielmals Maßnahmen zur Wärmeabfuhr von den stromtragenden Komponenten der Stromschienenanordnung. Um möglichst viel Bauraum für die Traktionsbatterie und somit hohe elektrische Kapazität bereitstellen zu können, wird ferner eine hohe Integrationsdichte angestrebt. Dies erschwert den Einhalt der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen den mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagten Stromschienen und wird mit steigendem Ladepotenzial und steigendem Potenzial der Traktionsbatterie zunehmend konstruktiv aufwändiger. Es ist zwar beispielswiese aus der
DE 10 2019 214 18 A1 bekannt, Stromschienen mit Kunststoff zu umspritzen. Diese Lösung ist aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient der verwendeten Komponenten vergleichsweise aufwändig. Es ist ferner beispielsweise aus
CN 102255162 A1 bekannt, mehrpolige Stromschienenanordnung durch Laminieren herzustellen. Da die Stromschienen im laminierten Bereich lediglich flächig ausgestaltet sind, sind komplexe Verläufe der Stromschienen nicht realisierbar. Darüber fehlt es solchen Konstruktionen meist an einer ausreichenden mechanischen Stabilität, die im Falle eines elektrischen Kraftfahrzeugs nicht nur im Fahrbetrieb sondern auch im Falle eines Unfalls gewährleistet sein muss.
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Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Stromschienenanordnung insbesondere zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, welche ein hohe Integrationsdichte aufweist, vergleichsweise komplexe Verläufe der Stromschienen unter Einhalt der vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken als Mindestabstände gestattet, darüber hinaus eine ausreichende und dauerhafte mechanische Stabilität aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Stromschienenanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft eine Stromschienenanordnung, insbesondere zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug beispielsweise zwischen der Traktionsbatterie und dem elektrischen Antriebsmotor und/oder einer außerhalb des Kraftfahrzeugs befindlichen Ladeinfrastruktur und der Traktionsbatterie. Die erfindungsgemäße Stromschienenanordnung weist mehrere entlang einer Stapelrichtung gestapelt, angeordnete, im Wesentlichen flächige Träger aus einem elektrischen Isolationsmaterial, die jeweils eine oder mehrere, einseitig offene, wannenförmige Aufnahmen ausbilden auf. Erfindungsgemäß sind mehrere Stromschienen aus Metall, wie Kupfer, oder einer metallischen Legierung, die jeweils in einer der Aufnahmen angeordnet sind, vorgesehen. Bevorzugt sind in wenigstens einem Träger, bevorzugter in allen Trägern der Stromschienenanordnung, mehrere Stromschienen in jeweils einer zugehörigen Aufnahme aufgenommen. Bevorzugt sind die pro Träger vorgesehenen, mehreren Stromschienen elektrisch isoliert zueinander.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Träger, bevorzugt alle Träger, einen eine Anlagefläche für die jeweilige Stromschiene und dabei einen Wannenboden der wannenförmigen Aufnahme ausbildenden Boden und für jede Aufnahme einen die jeweilige Stromschiene umlaufend einfassenden, eine Seitenwand der wannenförmigen Aufnahme ausbildenden, ersten Steg auf, um eine zugehörige Luft- und Kriechstrecke auf dem aus dem elektrischen Isolationsmaterial ausgebildeten Träger bereitzustellen. Bevorzugt umläuft der Steg die Schmalseiten der jeweils aufgenommenen Stromschiene. Das elektrische Isolationsmaterial ist beispielsweise ein Kunststoff, wie ein Thermoplast. Der Träger wird beispielsweise in einem thermisch formgebenden Verfahren, wie einem Spritzgussverfahren, hergestellt. Der Träger kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Träger einteilig ausgebildet und weist eine Einstückigkeit aus dem Boden mit sich von dem Boden erhebendem einen oder mehreren, ersten Stegen auf. Die Stromschienen sind bevorzugt jeweils klebstofffrei in die zugehörige Aufnahme aufgenommen. Bevorzugt sind die Stromschienen formschlüssig und/oder kraftschlüssig in der wannenförmigen Aufnahme aufgenommen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Stromschienenanordnung insbesondere zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug bereitgestellt, welche ein hohe Integrationsdichte aufweist, vergleichsweise komplexe Verläufe der Stromschienen unter Einhalt der vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken als Mindestabstände gestattet, darüber hinaus eine ausreichende und dauerhafte mechanische Stabilität aufweist.
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Bevorzugt weist wenigstens ein Träger einen sich in Richtung des nächstbenachbarten Trägers vorstehenden, zweiten Steg auf, der mit den ersten Stegen des nächstbenachbarten Trägers eine labyrinthförmige Kriech- und/oder Luftstrecke zwischen zwei, in dem nächstbenachbarten Träger aufgenommenen Stromschienen ausbildet.
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Bevorzugt bildet der Träger jeweils nur auf der Seite einer seiner beiden Hauptflächen also einseitig eine oder mehrere wannenförmige Aufnahmen aus. Beispielsweise erhebt sich der zweite Steg von der der Aufnahme oder den Aufnahmen abgewandten Seite des Bodens als der aufnahmefreien Bodenfläche des Bodens des Trägers.
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Bevorzugt sind alle wannenförmigen Aufnahmen entlang der Stapelrichtung gleichgerichtet geöffnet ausgerichtet. Beispielsweise öffnen sich alle Aufnahmen der Stromschienenanordnung in eine einer Wärmesenke abgewandten Richtung, wobei die Wärmesenke angrenzend an die aufnahmefreie Bodenfläche des Bodens eines äußeren Trägers angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromschienenanordnung weist wenigstens ein äußerer Träger der Stromschienenanordnung einen Boden auf, der zur thermisch leitenden Kopplung mit einer Wärmesenke ausgebildet ist. Beispielsweise sind Partikel aus thermisch leitendem Material in das Material des Trägers, insbesondere ausschließlich in den die aufnahmefreie Bodenfläche ausbildenden Bodenbereich des Trägers eingebettet.
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Bevorzugt weist der äußere Träger ein den ersten Steg oder die ersten Stege ausbildendes Skelett und eine den Boden des äußeren Trägers zumindest teilweise ausbildende Isolationsfolie auf. Dadurch wird eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem oder den im äußeren Träger aufgenommenen Stromschienen erreicht. Beispielsweise handelt es sich um eine ein thermoplastisches Foliensubstrat aufweisende Isolationsfolie. Der Begriff Isolationsfolie bezieht sich ausschließlich auf die elektrische Isolierfähigkeit der Folie, nicht zwingend oder zumindest in vernachlässigbarer Weise auf eine thermische Isolierfähigkeit. Bevorzugt ist das Material und die Dicke der Isolationsfolie des äußeren Trägers so gewählt, dass deren Wärmeleitfähigkeit in der Stapelrichtung besser ist als die des Bodens aller verbleibenden Träger,
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Bevorzugt ist ein äußerer Träger derjenige Träger mit der größten Außenabmessung.
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Als Skelett wird ein Träger mit Durchbrüchen verstanden. Beispielsweise ist pro Aufnahme ein Durchbruch vorgesehen, dessen äußerer Rand parallel versetzt zum ersten Steg verläuft und somit eine Auflagekante als Anlagefläche des Bodens für die Stromschiene ausbildet, während die Isolationsfolie den Durchbruch verschließt und zumindest teilweise den Boden des Trägers und damit den der zugehörigen Aufnahme oder der Aufnahmen ausbildet.
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Bevorzugt ist zwischen der Isolationsfolie und der zugehörigen Stromschiene eine silikonbasierte, polyurethanbasierte oder acrylatbasierte, bevorzugt elastomere Einlage mit keramischem Füllstoff, wie Aluminiumoxid, Zinkoxid und/oder Bornitrid, angeordnet. Derartige Einlagen sind unter dem Markennamen „GAP PAD®“ kommerziell erhältlich. Bevorzugter ist die Einlage angeordnet, den durch die Auflagekante erzeugten Spalt zwischen der Stromschiene und der Isolationsfolie auszufüllen und somit im Vergleich zu einer Luftfüllung thermisch leitfähig zu überbrücken.
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Beispielsweise sind wenigstens zwei Stromschienen der mehreren Stromschienen, die in nächstbenachbarten Trägern angeordnet sind, durch kraftschlüssige Verbindung, wie einer Niet- oder Schraubverbindung elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt sind alle Stromschienen der Stromschienenanordnung elektrisch isoliert zueinander angeordnet.
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Bevorzugt weist wenigstens ein Träger einen Durchbruch für einen elektrischen Kontaktstift zur elektrischen Kontaktierung der Stromschienenanordnung und Ab- oder Zuleitung eines elektrischen Stroms auf. Der Begriff Kontaktstift ist weit auszulegen.
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Bevorzugt sind die Stromschienen jeweils als Stanzteil oder als Stanz-Prägeteil beispielsweise einem metallischen Blech ausgebildet.
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Bevorzugt bildet wenigstens eine Stromschiene innerhalb ihres in der zugehörigen wannenförmigen Aufnahme angeordneten Verlaufs einen Sockelabschnitt zur Montage eines elektrischen Kontaktelements aus. Beispielsweise ist der Sockelabschnitt zur Herstellung einer kraftschlüssigen elektrischen Verbindung, wie Verschraubung oder Vernietung mit einem Anschlussteil, wie einem Kontaktstift ausgebildet. Der Sockelabschnitt ist beispielsweise durch Prägen in die Stromschiene eingebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Stromschienenanordnung weist diese ferner eine Wärmesenke, wie einen Wärmetauscher, einen Kühlkörper zur Konvektionskühlung auf, wobei die Wärmesenke angrenzend an einen äußeren Träger der mehreren Träger angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Stromschienenanordnung in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen jeweils lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Aufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschienenanordnung 1;
- 2 eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschienenanordnung 1;
- 3 eine Detailschnittansicht der in 1 gezeigten Stromschienenanordnung 1.
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1, 2 und 3 zeigen eine Stromschienenanordnung 1 zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug beispielsweise zwischen der Traktionsbatterie und dem elektrischen Antriebsmotor und/oder einer außerhalb des Kraftfahrzeugs befindlichen Ladeinfrastruktur und der Traktionsbatterie. Die Stromschienenanordnung 1 weist mehrere, hier zwei, entlang einer Stapelrichtung S gestapelt, angeordnete, im Wesentlichen flächige Träger 2a, 2b aus einem elektrischen Isolationsmaterial, die jeweils mehrere, einseitig offene, wannenförmige Aufnahmen 13a bzw. 13b ausbilden auf. Erfindungsgemäß sind mehrere Stromschienen 4a bzw. 4b aus Metall, wie Kupfer, oder einer metallischen Legierung, die jeweils in einer der Aufnahmen 13a bzw. 13b angeordnet sind, vorgesehen. Die Stromschienen 4a, 4b sind jeweils als Stanzteil oder als Stanz-Prägeteil aus einem metallischen Blech ausgebildet. In allen Trägern 2a, 2b der Stromschienenanordnung 1 sind mehrere Stromschienen 4a, 4b in jeweils einer zugehörigen Aufnahme 13a, 13b aufgenommen. Bei der gezeigten Ausführungsform sind nicht nur pro Träger 2a, 2b die zugehörigen Stromschienen 4a, 4b elektrisch isoliert zueinander, sondern alle Stromschienen 4a, 4b sind zumindest innerhalb der Stromschienenanordnung 1 elektrisch isoliert zueinander angeordnet. Alle Stromschienen 4a, 4b bilden innerhalb ihres in der zugehörigen wannenförmigen Aufnahme 13a, 13b angeordneten Verlaufs einen oder mehrere Sockelabschnitte 18a, 18b zur Montage eines elektrischen Kontaktelements aus. Beispielsweise ist der Sockelabschnitt 18a, 18b zur Herstellung einer kraftschlüssigen elektrischen Verbindung, wie Verschraubung oder Vernietung mit einem Anschlussteil, wie einem Kontaktstift 5a, 5b ausgebildet. Der Sockelabschnitt 18a, 18b ist beispielsweise durch Prägen in die Stromschiene 4a, 4b eingebracht.
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Alle Träger 2a, 2b bilden einen eine Anlagefläche für die jeweilige Stromschiene 4a, 4b und dabei einen Wannenboden der wannenförmigen Aufnahme 13a, 13b ausbildenden Boden 14a, 14b (siehe auch 2 und 3) und für jede Aufnahme 13a, 13 einen die jeweilige Stromschiene 4a, 4b umlaufend einfassenden, eine Seitenwand der wannenförmigen Aufnahme ausbildenden, ersten Steg 3a, 3b auf, um eine zugehörige Luft- und Kriechstrecke auf dem aus dem elektrischen Isolationsmaterial ausgebildeten Träger 2a, 2b bereitzustellen. Dabei umläuft der Steg 3a, 3b die Schmalseiten der jeweils aufgenommenen Stromschiene 4a, 4b und schließt für den überwiegenden Teil des gesamten Umfangs mit der freiliegenden Oberfläche der Stromschiene 4a, 4b bündig ab. Das elektrische Isolationsmaterial ist beispielsweise ein Kunststoff, wie ein Thermoplast. Der Träger 2a, 2b wird beispielsweise ganz oder teilweise in einem thermisch formgebenden Verfahren, wie einem Spritzgussverfahren, hergestellt. Die gezeigte Ausführungsformen weist einen einteiligen Träger 2b als auch einen mehrteiligen Träger 2a auf. Der in seinen Außenabmessungen kleinere Träger 2b ist einteilig ausgebildet und weist eine Einstückigkeit aus dem Boden 14b mit sich von dem Boden 14b erhebenden, mehreren, ersten Stegen 3b auf. Sämtliche Stromschienen 4a, 4b sind jeweils klebstofffrei in der zugehörigen Aufnahme 13a, 13b angeordnet. Hier bilden alle Träger 2a, 2b jeweils nur auf der Seite einer seiner beiden Hauptflächen also einseitig die mehreren wannenförmigen Aufnahmen 13a, 13b aus. Dabei sind alle wannenförmigen Aufnahmen 13, 13b entlang der Stapelrichtung S gleichgerichtet geöffnet ausgerichtet und öffnen sich in eine Richtung, die der Stapelrichtung entspricht, und einer nicht dargestellten Wärmesenke abgewandt ist, und welche bei bestimmungsgemäßer Anbringung der Stromschienenanordnung 1 an die durch den Boden 14a definierte, ebene Fläche 12 des äußersten Trägers 2a angrenzt. Hier weist der äußere Träger 2a der Stromschienenanordnung 1 einen Boden 14a auf, der zur thermisch leitenden Kopplung mit einer Wärmesenke ausgebildet ist und weist ein die ersten Stege 3a ausbildendes Skelett und eine den Boden 14a des äußeren Trägers 2a zumindest teilweise ausbildende Isolationsfolie 9 auf. Dadurch wird eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem oder den im äußeren Träger 2a aufgenommenen Stromschienen 4a erreicht. Hierbei handelt es sich um eine ein thermoplastisches Foliensubstrat aufweisende Isolationsfolie. Als Skelett wird der mit Durchbrüchen 10 versehene Teil 7 des Trägers 2a verstanden. Pro Aufnahme 13a ist jeweils ein Durchbruch 10 vorgesehen, dessen äußerer Rand parallel versetzt zum ersten Steg 3a verläuft und somit eine Auflagekante 11 als Anlagefläche des Bodens 14a für die zugehörige Stromschiene 4a ausbildet. Der Begriff Isolationsfolie 9 bezieht sich ausschließlich auf die elektrische Isolierfähigkeit der Folie, nicht zwingend oder zumindest in vernachlässigbarer Weise auf eine thermische Isolierfähigkeit.
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Vielmehr ist das Material und die Dicke der Isolationsfolie 9 des äußeren Trägers 2a so gewählt, dass deren Wärmeleitfähigkeit in der Stapelrichtung S besser ist als die des Bodens 14b aller verbleibenden Träger 2b.
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Bevorzugt ist zwischen der Isolationsfolie 9 und der zugehörigen Stromschiene 4a jeweils eine silikonbasierte, polyurethanbasierte oder acrylatbasierte, bevorzugt elastomere Einlage 8 mit keramischem Füllstoff, wie Aluminiumoxid, Zinkoxid und/oder Bornitrid, angeordnet. Derartige Einlagen 8 sind unter dem Markennamen „GAP PAD®“ kommerziell erhältlich. Hier ist die Einlage 8 angeordnet, den durch die Auflagekante 11, bzw. den Durchbruch 10 erzeugten Spalt zwischen der Stromschiene 4a und der Isolationsfolie 9 formschlüssig auszufüllen und somit beispielsweise im Vergleich zu einer Luftfüllung thermisch leitfähig zu überbrücken. Der in Stapelrichtung S über dem äußeren Träger 2a angeordnete Träger 2b weist, wie die 2 und 3 zeigen einen sich in Richtung des nächstbenachbarten Trägers 2a vorstehenden, zweiten Steg 6b auf, der mit den ersten Stegen 3a des nächstbenachbarten Trägers 2a eine labyrinthförmige Kriech- und/oder Luftstrecke 16 zwischen zwei, in dem nächstbenachbarten Träger 2a aufgenommenen Stromschienen 4a ausbildet. Hier erhebt sich der zweite Steg 6b von der der Aufnahme oder den Aufnahmen 13b abgewandten Seite 15 des Bodens 14b als der aufnahmefreien Bodenfläche des Bodens 14b des den Steg 6b ausbildenden Trägers 2b. Der in der der Stapelrichtung S obere Träger 2b weist ferner einen Durchbruch 17 für einen elektrischen Kontaktstift 5a zur elektrischen Kontaktierung der Stromschienenanordnung 1 und Ab- oder Zuleitung eines elektrischen Stroms auf.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Stromschienenanordnung 1 insbesondere zur elektrischen, mehrpoligen Hochstromverbindung in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug bereitgestellt, welche ein hohe Integrationsdichte aufweist, vergleichsweise komplexe Verläufe der Stromschienen 4a, 4b unter Einhalt der vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken als Mindestabstände gestattet, darüber hinaus eine ausreichende und dauerhafte mechanische Stabilität aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10201921418 A1 [0001]
- CN 102255162 A1 [0001]
