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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft elektrische Verbinder und insbesondere eine flexible
elektrische Stromschiene.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
wurden als eine alternative saubere und effiziente elektrische Leistungsquelle vorgeschlagen.
Insbesondere können
Brennstoffzellen verwendet werden, um Fahrzeuge mit Leistung zu
versorgen, anstelle, dass herkömmliche
Leistungserzeugungsverfahren, etwa Verbrennungsmotoren, verwendet
werden. Eine einzige Brennstoffzelle kann allgemein keine wesentliche
Leistungsmenge erzeugen. Brennstoffzellen werden in Stapeln angeordnet,
um die für
ein Fahrzeug benötigten
Energieanforderungen zu liefern.
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Eine
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist ein Brennstoffzellentyp,
der aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran besteht.
Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet.
Benachbart zu der Anode und der Kathode können Diffusionsschichten angeordnet
sein, um Recktanten, etwa Wasserstoffgas und Luft, zu verteilen.
Eine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle erzeugt
Wasser als ein Reaktionsprodukt. Im Betrieb wird das Wasser von
der Elektrolytmembran in jeder Brennstoffzelle absorbiert, was bewirkt,
dass die Gesamtlänge
des Brennstoffzellenstapels bei einigen Stapelentwürfen variiert.
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Elektrische
Verbindungen an beiden Enden eines Brennstoffzellenstapels müssen mit
der variierenden Länge
des Brennstoffzellenstapels zurechtkommen. Dies muss unter Einhaltung
strenger Platzanforderungen, niedriger Kosten bei den Herstellern und
der Beibehaltung der Fähigkeit
zum Leiten hoher Ströme
bewerkstelligt werden. Frühere
Versuche zum Einhalten dieser Parameter wurden unter Verwendung
von Schiebegelenken, flexiblen geflochtenen Verbindern und frei
tragenden Stromschienen bewerkstelligt.
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Schiebegelenkverbinder,
allgemein als Gabelstecker bekannt, verfügen über eine Auflageschiene und
eine Gabel, welche einen kleinen Bewegungsbetrag zulassen, wobei
ein elektrischer Kontakt zwischen der Auflageschiene und der Gabel
aufrechterhalten wird. Trotz einer ziemlich kompakten Größe haben
sich die Schiebegelenkverbinder aufgrund hoher Kosten, eines hohen
Raumbedarfs und eines eingeschränkten
Bewegungsbereichs als eine restriktive Option für elektrische Verbindungen
am Ende eines Brennstoffzellenstapels erwiesen. Folglich sind Schiebegelenkverbinder
keine geeignete Wahl für
Fahrzeughersteller.
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Flexible
geflochtene Verbinder haben als praktisches Mittel bei der Erfüllung der
Bedürfnisse von
Fahrzeugherstellern ebenfalls versagt. Die geflochtenen Verbinder
enthalten Luft in den Verflechtungen und halten die Raumnutzung
eines Festverbinders nicht ein. Trotz ihrer Fähigkeit, genügend Bewegung
eines Brennstoffzellenstapels zuzulassen, haben sich geflochtene
Verbinder als zu teuer erwiesen, um machbar zu sein, während sie
zudem die stringenten Raumanforderungen nicht erfüllen.
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Als
eine dritte Option sind auch freitragende Stromschienen eine nicht
angemessene Option. Die freitragenden Stromschienen halten einen
elektrischen Kontakt durch eine Vorspannkraft in dem Verbinder aufrecht.
Obwohl sie eine kosteneffektive Option sind, benötigen die freitragenden Stromschienen viel
Raum, um mit der variierenden Länge
eines Brennstoffzellenstapels zurechtzukommen, was deren Verwendung
bei Fahrzeuganwendungen einschränkt.
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Es
wäre wünschenswert,
einen kosteneffektiven flexiblen elektrischen Verbinder bereitzustellen, der
eine ausreichende Bewegung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen
System ermöglicht, wobei
er strenge Raumanforderungen einhält.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
kosteneffektiver flexibler elektrischer Verbinder, der eine ausreichende
Bewegung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen System ermöglicht,
während
er strikte Raumanforderungen einhält, wurde überraschenderweise entdeckt
und wird derzeit durch die Erfindung bereitgestellt.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der elektrische Verbinder einen ersten Kontaktabschnitt,
einen von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandeten zweiten Kontaktabschnitt,
und einen elastischen Abschnitt, der sich zwischen dem ersten Kontaktabschnitt
und dem zweiten Kontaktabschnitt erstreckt, wobei der elastische
Abschnitt so ausgelegt ist, dass er eine Relativbewegung zwischen
dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt ermöglicht.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der elektrische Verbinder mehrere Leiter mit einem ersten
Kontaktabschnitt, einem von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandeten
zweiten Kontaktabschnitt und einem elastischen Abschnitt, der sich
zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt
erstreckt, wobei der elastische Abschnitt so ausgelegt ist, dass
er eine Relativbewegung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem
zweiten Kontaktabschnitt ermöglicht,
und einen zwischen den Leitern angeordneten Isolator.
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Die
Erfindung stellt auch ein elektrisches System für einen Brennstoffzellenstapel
bereit.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst das elektrische System für
einen Brennstoffzellenstapel eine Schnittstelleneinheit, einen Brennstoffzellenstapel und
einen mit der Schnittstelleneinheit und dem Brennstoffzellenstapel
gekoppelten elektrischen Verbinder, der einen ersten Kontaktabschnitt,
einen zweiten, von dem ersten Kontaktabschnitt beabstandeten Kontaktabschnitt,
und einen elastischen Abschnitt umfasst, der sich zwischen dem ersten
Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt erstreckt, wobei
der elastische Abschnitt so ausgelegt ist, dass er eine Relativbewegung
zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem zweiten Kontaktabschnitt
ermöglicht.
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Der
durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte flexible elektrische
Verbinder ist besonders vorteilhaft zum Bereitstellen einer kosteneffektiven Option
bei kompaktem Platz für
Fahrzeughersteller, die eine ausreichende Bewegung zwischen zwei Punkten
in einem elektrischen System ermöglicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich Fachleuten leicht aus der folgenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung, wenn diese im Licht der beiliegenden Zeichnungen
betrachtet werden, bei welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines flexiblen elektrischen Verbinders
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht des in 1 veranschaulichten
flexiblen elektrischen Verbinders entlang einer Linie 2-2 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines flexiblen elektrischen Verbinders
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines elektrischen Systems für einen
Brennstoffzellenstapel ist, welches den flexiblen elektrischen Verbinder von 1 umfasst;
und
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5 eine
perspektivische Ansicht eines elektrischen Systems für einen
Brennstoffzellenstapel ist, welches den flexiblen elektrischen Verbinder von 3 umfasst.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben
und veranschaulichen eine Ausführungsform
der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einen
Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und
zu verwenden, und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung
in irgendeiner Weise einzuschränken.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein elektrischer Verbinder 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Der elektrische Verbinder 10 umfasst Kontaktabschnitte 12 und
einen elastischen Abschnitt 14. Der elektrische Verbinder 10 ist
aus einem elektrisch leitfähigen
Material geformt, wie etwa Kupfer oder Aluminium. Nach Wunsch können andere Materialien
verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der elektrische
Verbinder 10 geformt werden, indem ein Metallstück mit einer
rechteckigen Querschnittsgestalt aus einem Rohling ausgestanzt wird
und das Metallstück
in die veranschaulichte Gestalt gebogen wird. Es versteht sich,
dass der elektrische Verbinder 10 durch andere Verfahren geformt
werden kann. Es versteht sich außerdem, dass der elektrische
Verbinder 10 nach Wunsch andere Querschnittsgestalten aufweisen
kann. Wie gezeigt erstreckt sich der elastische Abschnitt 14 zwischen
den Kontaktabschnitten 12, wobei die Komponenten einen
einheitlichen festen Querschnitt aufweisen können. Bei der gezeigten Ausführungsform weist
der elastische Abschnitt 14 eine im Wesentlichen spiralförmige Gestalt
auf. Es können
jedoch andere Gestalten verwendet werden, die eine axiale Flexibilität in der
Länge bereitstellen,
wie z. B. eine rechteckig abgestufte Gestalt. Der Querschnitt eines oder
beider Kontaktabschnitte 12 und des elastischen Abschnitts 14 kann
von rechteckiger Gestalt sein. Es versteht sich jedoch, dass die
Kontaktabschnitte 12 und der elastische Abschnitt 14 auf Wunsch
verschiedene Gestalten aufweisen können.
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Wie
in 2 veranschaulicht ist, weist ein rechteckiger Querschnitt 16 des
elektrischen Verbinders eine erste Länge L1 senkrecht zu einer Achse
des elastischen Abschnitts 14 und eine zweite Länge L2 parallel
zu der Achse des elastischen Abschnitts 14 auf. Vorzugsweise
ist die erste Länge
L1 größer als die
zweite Länge
L2, was Flexibilität
entlang der Langsachse des elastischen Abschnitts 14 gestattet. Wenn
ein Verhältnis
der ersten Länge
L1 zu der zweiten Länge
L2 zunimmt, nimmt der Betrag an axialer Flexibilität pro Windung
des elastischen Abschnitts 14 zu. Als ein Beispiel ohne
Einschränkung
kann ein Verhältnis
von Zwei eine axiale Flexibilität
von drei Millimetern pro Windung erzeugen, wohingegen ein Verhältnis von
Drei eine axiale Flexibilität
von vier Millimetern pro Windung erzeugen kann. Zudem ist die Kenntnis
weit verbreitet, dass die Querschnittsfläche eines Leiters in direktem
Bezug zu einem Strombetrag steht, den ein Leiter führen kann.
Diese sowie andere Eigenschaften können variiert werden, um einen
elektrischen Verbinder 10 mit gewünschter Länge und Flexibilität zu erzeugen,
um die speziell gewünschten
Bedürfnisse
zu erfüllen.
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In 1 sind
die Kontaktabschnitte 12 des elektrischen Verbinders so
gezeigt, dass sie zu der Längsachse
des elastischen Abschnitts 14 im Wesentlichen parallel
verlaufen. Dies ermöglicht
die Verwendung verschiedener Verbindungsoptionen, indem der Raum,
der die Kontaktabschnitte 12 umgibt, im Wesentlichen offen
gelassen wird. Andere Anordnungen der Kontaktabschnitte 12 können verwendet werden,
wie etwa, dass die Kontaktabschnitte 12 im Wesentlichen
senkrecht zu der Längsachse
der Achse des elastischen Abschnitts 14 verlaufen. Zudem können die
Kontaktabschnitte 12 mit einem beliebigen Winkel zwischen
den parallelen und senkrechten Anordnungen, der an einen speziellen
Bedarf ange passt ist, positioniert sein. Die Kontaktabschnitte 12 können eine Öffnung 18 umfassen,
die zur Aufnahme eines Befestigungselements 19 (in 4 gezeigt) zum
Koppeln des Verbinders 10 mit einem elektrischen System
angepasst ist. Andere Merkmale können
in die Kontaktabschnitte 12 aufgenommen werden, etwa eine
Zunge oder ein Vorsprung, um eine ausreichende elektrische Verbindung
oder adäquate Kopplung
des elektrischen Verbinders 10 zu ermöglichen.
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Der
elastische Abschnitt 14 des elektrischen Verbinders 10 ist
so gezeigt, dass er einem im Wesentlichen ringförmigen Pfad entlang einer Achse folgt,
aber es können
andere Gestalten mit dem gleichen Effekt verwendet werden. Beispielsweise
kann ein elliptischer, rechteckiger oder polygonaler Pfad verwendet
werden. Der elastische Abschnitt 14 kann auf Wunsch auch
eine nichtlineare Achse verwenden. Bei einigen Ausführungsformen
kann eine gebogene Achse oder eine Achse mit mehreren linearen Abschnitten
in Abhängigkeit
von einer gewünschten Geometrie
für den
elektrischen Verbinder 10 verwendet werden. Wie gezeigt
umfasst der elektrische Abschnitt 14 drei Windungen. Es
versteht sich jedoch, dass eine beliebige Anzahl von Windungen einschließlich eines
Bruchteils verwendet werden können,
um den gewünschten
elastischen Abschnitt 14 zu erzeugen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist ein Verbindungsabschnitt 20 zwischen dem Kontaktabschnitt 12 und
dem elastischen Abschnitt 14 angeordnet. Wie gezeigt ist,
ist der Verbindungsabschnitt gebogen, wodurch er einen sanften Übergang
zwischen dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14 ermöglicht.
Der Verbindungsabschnitt 20 verwendet eine einheitliche
feste Querschnittsgestalt gemeinsam mit dem Kontaktabschnitt 12 und
dem elastischen Abschnitt 14. Der Verbindungsabschnitt 20 spricht
gegen eine Scherbelastungskonzentration, die offensichtlich sein
kann, wo der Übergang zwischen
dem Kontaktabschnitt 12 und dem elastischen Abschnitt 14 abrupt
ist. Zudem kann eine Ermüdung
des elektrischen Verbinders 10 minimiert werden, wenn der
Verbindungsabschnitt 20 vorhanden ist, wodurch eine Lebensdauer
des Verbinders 10 maximiert wird.
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Bei
Verwendung wird der elektrische Verbinder 10 mit mindestens
einer beweglichen Komponente eines elektrischen Systems verbunden.
Wenn sich eine der Komponenten bewegt, kann sich der elektrische
Verbinder 10 komprimieren, axial ausdehnen oder die Achse
des elastischen Abschnitts 14 verbiegen. Wie angemerkt,
kann der Verbinder 10 für
Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, die einen Verbinder benötigen, der
zum Führen
hoher Ströme in
einem kompakten Raum bei niedrigen Kosten in der Lage ist. Wenn
der elektrische Verbinder 10 beispielsweise als ein Verbinder
für einen
Brennstoffzellenstapel verwendet wird, können Verbinder 10 zwischen
einem Brennstoffzellenstapel und einer festen Stapelschnittstelleneinheit,
zwischen zwei separaten Stapeln, zwischen zwei separaten Batterien
oder zwischen einem Batterieanschluss und einem Verteilungsblock
vorhanden sein. Die gleichen Vorteile sind offensichtlich, wenn
der Verbinder 10 bei Anwendungen, die keine Kraftfahrzeuge
betreffen, verwendet wird.
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Die
Kenntnis ist weit verbreitet, dass aus dem Anlegen eines Stroms
an einen im Wesentlichen spiralförmigen
Leiter eine induktive Kraft resultiert. Wenn an den elektrischen
Verbinder 10 ein Strom angelegt wird, wird der elektrische
Verbinder 10 eine Induktivität, die dem vollen Strom bei
einer anfänglichen
Anwendung widersteht und gegen eine plötzliche Beschränkung beim
Strom spricht, wenn dieser gestoppt wird. Dort, wo die resultierende
Induktivität, die
durch den Verbinder 10 erzeugt wird, Schwierigkeiten verursachen
kann, kann die Erfindung so angepasst werden, dass die Induktivität minimiert
wird, indem eine im Wesentlichen gleiche und entgegengesetzte Induktivität erzeugt
wird.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die der in 1 gezeigten ähnelt. Bezugszeichen für Strukturen,
die in Bezug auf die Beschreibung von 1 ähnlich sind,
sind in 3 mit einem Hochkomma-Symbol
(') wiederholt.
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Zwei
Leiter 22 bilden in 3 jeweils
die Kontaktabschnitte 12',
den elastischen Abschnitt 14' und
den Verbindungsabschnitt 20'.
Es versteht sich jedoch, dass eine beliebige Anzahl von Leitern 22 verwendet
werden kann. Ein elastisches Isoliermaterial 24, wie etwa
Kunststoff, ist zwischen den Leitern 22 angeordnet. Diese
Anordnung ermöglicht,
dass mehrere Ströme
von dem Verbinder geführt
werden können.
Die Ströme
können
in entgegengesetzte Richtungen verlaufen und entgegengesetzte induktive
Kräfte
erzeugen. Wenn die entgegengesetzten Ströme im Wesentlichen die gleiche
Größe aufweisen,
werden die resultierenden induktiven Kräfte ebenfalls im Wesentlichen
die gleiche Größe aufweisen.
Dies führt
dazu, dass eine Nettoinduktivkraft unbedeutend ist, was ermöglicht,
dass der Verbinder 10' ohne
Bedenken hinsichtlich von Schwierigkeiten bezüglich induktiver Kräfte, die
erzeugt werden könnten,
verwendet werden kann. Wie veranschaulicht ist, können Öffnungen 18' in den Kontaktabschnitten 12' jedes Leiters 22 enthalten
sein.
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Durch
die Erfindung werden elektrische Systeme bereitgestellt, die den
elektrischen Verbinder enthalten. 4 veranschaulicht
ein elektrisches System 26, das eine Schnittstelleneinheit 28,
einen Brennstoffzellenstapel 30 und den elektrischen Verbinder 10 umfasst.
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Die
Stapelschnittstelleneinheit 28 kann von einem allgemeinen
oder einem speziellen Typ sein, der zur Aufnahme mindestens einer
elektrischen Verbindung und zum Liefern eines Stroms ausgelegt ist. Wie
gezeigt ist, ist die Stapelschnittstelleneinheit 28 mit
dem elektrischen Verbinder 10 durch ein Befestigungselement 19 gekoppelt,
das sich durch die Öffnung 18 in
den elektrischen Kontaktabschnitten 12 erstreckt. Nach
Wunsch können
andere Mittel, etwa ein selbst in Eingriff tretender Vorsprung oder
eine Verbindung vom Klemmentyp verwendet werden. Die Stapelschnittstelleneinheit 28 ist
typischerweise an einem von dem Brennstoffzellenstapel 30 getrennten System
angebracht. Beispielsweise kann die Stapelschnittstelleneinheit 28 z.
B. an dem Fahrwerk eines Fahrzeugs oder einer anderen festen Komponente angebracht
sein. Zudem kann die Stapelschnittstelleneinheit 28 an
einer starren Struktur eines Leistungserzeugungssystems angebracht
sein.
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Der
Brennstoffzellenstapel 30 umfasst eine Vielzahl einzelner
Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Leistung. Wenn sich
zwischen den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 30 eingeschlossene
Membrane während
eines normalen Betriebs ausdehnen und zusammenziehen, wird eine
Höhe des
Stapels 30 variieren. Ein Ende des Brennstoffzellenstapels 30 kann
mit dem elektrischen Verbinder 10 durch die Verwendung
einer speziellen Scheibe oder eines spezialisierten Verbinders direkt
gekoppelt sein. Der Brennstoffzellenstapel 30 ist an einem
Ende an einem Fahrzeug oder einer starren Struktur befestigt, was
das Ausdehnen und Zusammenziehen auf ein Ende des Brennstoffzellenstapels 30 beschränkt. Wenn
der Stapel 30 an einem Ende befestigt ist, muss der elektrische
Verbinder 10 mit dem entgegengesetzten Ende gekoppelt werden. Es
können
auch andere Anordnungen verwendet werden, etwa ein Befestigen des
Brennstoffzellenstapels 30 an einem Zwischenpunkt, was
ermöglicht, dass
das Ausdehnen und Zusammenziehen an beiden Enden auftritt. Wie gezeigt
ist, ist der Brennstoffzellenstapel 30 mit dem elektrischen
Verbinder 10 durch ein Befestigungselement 19 gekoppelt,
das sich durch die Öffnung 18 in
dem elektrischen Verbinder 10 erstreckt. Andere Mittel,
etwa ein selbst in Eingriff tretender Vorsprung oder eine Verbindung
vom Klemmentyp können
nach Wunsch verwendet werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die der in 4 gezeigten ähnelt. Bezugszeichen für ähnliche
Strukturen bezüglich
der Beschreibung von 4 werden in 5 mit
einem Hochkommasymbol (')
wiederholt.
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5 zeigt
den elektrischen Verbinder 10' in ein elektrisches System 26' eingebaut,
wobei der elektrische Verbinder 10' mehrere Leiter 22 umfasst, die
einen dazwischen angeordneten Isolator 24 aufweisen. Die
Stapelschnittstelleneinheit 28' und der Brennstoffzellenstapel 30' können zur
Verwendung mit einem elektrischen Verbinder 10' ausgelegt sein, der
mehrere Leiter aufweist.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung kann der Fachmann die wesentlichen
Eigenschaften dieser Erfindung leicht entnehmen und ohne den Geist und
den Umfang derselben zu verlassen, verschiedene Änderungen und Modifikationen
an der Erfindung ausführen,
um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen.