DE102020102219A1 - Charging connector for a charging cable for connection to a motor vehicle and motor vehicle and charging system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ladestecker (12) für ein Ladekabel (11) zum Anschließen an ein Kraftfahrzeug (Kfz), wobei der Ladestecker (12) eine mechanische Steckschnittstelle (S) zum Einstecken in eine Ladebuchse (54) des Kraftfahrzeugs (Kfz) aufweist und an der Steckschnittstelle (S) mehrere DC-Steckkontakte (13) zum Einstecken in ein DC-Buchenfeld (56) der Ladebuchse (54) und zum Übertragen eines DC-Ladestroms (14) bereitgestellt sind und in ein Gehäuse (25) des Ladesteckers (12) eine Wandlerschaltung (18) zum Einstellen einer Stromstärke des DC-Ladestroms (14) integriert ist. Die Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Schaltungsbauteil (26) der Wandlerschaltung (18) jeweils über zumindest einen Wärmeleitpfad (34, 35) mit zumindest einem der DC-Steckkontakte (13) und/oder mit zumindest einem Anschlussfeld (17) für einen jeweiligen Draht (33) des Ladekabels (11) thermisch gekoppelt ist, wobei der jeweilige Wärmeleitpfad (34, 35) für einen Wärmetransport von Abwärme (32) hin zu dem zumindest einen DC-Steckkontakt (13) und/oder dem Anschlussfeld (17) eingerichtet ist.The invention relates to a charging plug (12) for a charging cable (11) for connection to a motor vehicle (motor vehicle), the charging plug (12) having a mechanical plug-in interface (S) for plugging into a charging socket (54) of the motor vehicle (motor vehicle) and Several DC plug contacts (13) are provided at the plug interface (S) for plugging into a DC beech field (56) of the charging socket (54) and for transmitting a DC charging current (14) and in a housing (25) of the charging plug ( 12) a converter circuit (18) for setting a current strength of the DC charging current (14) is integrated. The invention provides that at least one circuit component (26) of the converter circuit (18) each via at least one heat conduction path (34, 35) with at least one of the DC plug contacts (13) and / or with at least one connection field (17) for a respective Wire (33) of the charging cable (11) is thermally coupled, the respective heat conduction path (34, 35) being set up for heat transport of waste heat (32) to the at least one DC plug contact (13) and / or the connection panel (17) is.
Description
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.The invention relates to a charging plug as it can be attached to the end of a charging cable in order to be able to connect the charging cable to a motor vehicle. For this purpose, the charging plug can have a mechanical plug-in interface for plugging into a charging socket of the motor vehicle. A converter circuit is integrated in the charging plug in order to convert an alternating current (AC) into a direct current (DC - direct current) for charging an energy storage device of the motor vehicle. This direct current is therefore also referred to here as the DC charging current. The invention also includes a motor vehicle with the described charging socket and a charging system that provides said motor vehicle and a charging cable with the charging plug.
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.In order to recharge the electrical energy store of an electric vehicle with energy, the electric vehicle can have a charging socket into which the charging plug of a charging cable can be inserted in order to transfer energy from a power grid into the motor vehicle. Since an electricity network usually provides an alternating current (AC), a conversion into a direct current (DC) is necessary so that this direct current is available for charging the energy storage device, for example an electric accumulator or an electric battery. The converter circuit necessary for converting the alternating current into direct current can be integrated into the charging plug of the charging cable, which has the advantage that no such converter circuit has to be retrofitted in a residential building if an electric vehicle is to be recharged there. Instead, a charging cable with such a charging plug can be carried in the electric vehicle.
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.Due to the compact design in the charging plug and the desire for the highest possible charging power, however, the dissipation of heat from the converter circuit into the environment can prove to be a challenge. For example, it may be necessary for a housing of the charging plug to be designed to be dust-tight and splash-proof. If the heat is then dissipated from such a housing by means of a heat sink, this heat sink must be arranged so that it is protected from contact due to its heat, since the charging plug has to be gripped by a user in order to be able to insert it into the charging socket and remove it from it again .
Ein Ladekabel mit einem Ladestecker ist beispielsweise aus der
Eine solche Temperaturüberwachung der Steckkontakte in einem Ladestecker ist auch aus der
Aus der
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.The invention is based on the object of guiding the waste heat that is generated in a housing of a charging plug by a converter circuit operated there out of the housing.
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.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.
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.The invention provides a charging plug that can be mounted on a charging cable in order to be able to connect it to a motor vehicle. The charging plug has a mechanical plug-in interface for plugging into a charging socket of the said motor vehicle. Such a plug interface can have an area or a field with several DC plug contacts for plugging into a corresponding DC socket field of the charging socket. A socket field is an area in which the respective electrical contacts are arranged together.
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.For additional mechanical guidance, a plug-in interface can also have a collar, which can also function as a protection against accidental contact. The DC plug contacts are intended to transmit a DC charging current. To generate this DC charging current, a converter circuit is integrated into a housing of the charging plug, by means of which a current intensity of the DC charging current can also be set or controlled. An example of a suitable converter circuit is a power converter or rectifier or an AC / DC converter. The DC charging current generated by the converter circuit can be routed to the DC plug-in contacts in a manner known per se in the housing via wires and / or busbars or metal pins.
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.In order to enable cooling or heat dissipation at the converter circuit, is At least one circuit component of the converter circuit is additionally thermally coupled via at least one heat conduction path (to the plug interface) to at least one of the DC plug contacts and / or (to the charging cable) to at least one connection field for a respective wire of the charging cable. Waste heat from the at least one circuit component can thus diffuse or be conducted via the respective heat conduction path to at least one of the DC plug contacts and / or into at least one wire of the charging cable. In addition to the electrical connections of the converter circuit to the DC plug contacts on the one hand and to the wires of the charging cable on the other hand, heat conduction via a heat conduction path is also provided in at least one direction (i.e. towards at least one DC plug contact and / or towards the charging cable). This heat conduction path has in particular at least one thermally conductive solid body, the thermal conductivity of which is greater than 200 W / (mk). The heat conduction path is preferably formed on the basis of metal, in particular aluminum and / or copper. The heat conduction path is set up for the heat transport of waste heat from the converter circuit to the at least one DC plug contact and / or to the connection field for wires of the charging cable. The respective heat conduction path is different from the current-carrying components of the charging plug.
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.The invention has the advantage that waste heat generated in the converter circuit can be dissipated specifically via the heat conduction path into at least one, preferably all DC plug contacts and / or into at least one wire, preferably several wires, of the charging cable, from where the waste heat can then spread into the motor vehicle and / or into the charging cable. This distributes the waste heat. This takes place by means of the at least one heat conduction path, so it does not require the thermal conductivity of the current-carrying components themselves.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also encompasses embodiments which result in additional advantages.
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.Said connection field can, for example, have metallic connection surfaces with screw holes in order to be able to screw cable lugs of the charging cable to the connection field, and / or it can have soldering surfaces (so-called soldering pads) for soldering the wires of the charging cable.
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 one embodiment, the thermal conductivity is provided in the heat conduction path by means of at least one heat-conducting metallic component. In other words, at least a section or a section of the heat conduction path is formed by a metallic component, such as, for example, a screw bolt or a rod or a plate. The term “component” here means an element of the charging plug that preferably also fulfills a further function, for example a holding function or a mechanical power transmission. A metal plate can, for example, support and / or connect the converter circuit and a frame for the DC plug-in contacts. In addition or as an alternative to this, the heat conduction path for the thermal conductivity can also have a dedicated metal plate, which is provided without a further mechanical function, that is to say in addition, in order to form the heat conduction path or at least a section of the heat conduction path. Additionally or alternatively, the heat conduction path can comprise, at least in sections or completely, a copper inlay or generally a metal inlay of a printed circuit board. Such a metal inlay is a metal body inserted into the circuit board, e.g. a metal block, or a metal layer of the circuit board, which preferably has a thickness of more than 0.5 millimeters, in particular more than 1 millimeter. It can be an intermediate layer or a bottom layer of the circuit board. In this way, the waste heat on the circuit board itself can pass into the heat conduction path from the electrical connection pins of an electronic component of the converter circuit. Additionally or alternatively, the heat conduction path comprises a heat pipe and / or a liquid cooling system and / or a Peltier element. This has the advantage that active cooling or active heat transport can be implemented.
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 one embodiment, the respective heat conduction path is formed through a circuit board by means of what is known as a VIA (vertical interconnect access; through-hole plating). For this purpose, a through opening in the printed circuit board can be filled with a metallic filler material, for example solder or a metal pin. By guiding the waste heat through a circuit board by means of VIAs, there is the advantage that the waste heat can be conducted from one side of the circuit board to the other side of the circuit board. In particular, no power transmission or power line is provided by means of the VIAs.
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.In one embodiment, as a respective circuit component of the converter circuit, at least one of the following is thermally connected to the at least one heat conduction path: an AC-DC stage, a DC-DC stage, an output filter. These circuit components have proven to be particular sources of heat. The connection to the heat conduction path can take place, for example, by means of a heat conduction paste and / or a copper foil.
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 the event that a heat conduction path is to lead to the charging cable, one embodiment provides that the at least one connection field, to which wires of the charging cable must be connected, by means of a metal inlay Printed circuit board of the said type is realized. The wires of the charging cable can be soldered to this circuit board, for example, or provision can be made for the wires to be screwed to the circuit board by means of cable lugs. In the manner described, a metal inlay is an additional metal body or an additional metal layer of the circuit board, via which waste heat can be transported or guided. The term “additional” means that this metal inlay is not used to conduct electricity or to conduct electricity.
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 one embodiment, a threaded bolt for screwing the metal inlay circuit board is integrated into the metal inlay circuit board. In this case, this threaded bolt is preferably galvanically coupled to the metal inlay, that is to say the described metal layer or the integrated metal body. Thus, a heat transfer between the threaded bolt and the metal inlay can be promoted. This promotes the heat distribution of the waste heat.
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 one embodiment, the respective heat conduction path is galvanically separated from the at least one circuit component of the converter circuit and / or the at least one DC plug contact and / or the at least one connection field by means of an electrical insulating layer. In other words, the heat conduction path is not used to conduct electricity. This has the advantage that the heat conduction path itself is not subjected to the charging voltage and thus no contact protection measures are necessary to the extent that is necessary for the current-carrying current path. This simplifies the design for the dissipation of heat away from the heat conduction path.
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.In connection with the described motor vehicle, in whose charging socket the waste heat from the charging plug is dissipated, the invention provides that within the motor vehicle a cooling option is provided for the socket contacts of the charging socket, which are now additionally subjected to waste heat. For this purpose, the invention provides a motor vehicle which has said electrical energy store which is coupled to a charging socket for plugging in an embodiment of the charging plug according to the invention. For this purpose, the charging socket has corresponding DC socket contacts for receiving the DC charging current. The motor vehicle receives the DC charging current for recharging the energy storage device via the DC socket contacts in the charging socket. The DC socket contacts are electrically connected to the energy store in a manner known per se through an electrical connection path to the energy store. Such a connection path can be implemented, for example, by a cable and / or a busbar. In the motor vehicle according to the invention, at least one heat sink is provided on the connection path, the at least one heat sink being thermally connected to at least one of the DC socket contacts via the electrical connection path. So if the charging plug conducts additional waste heat via the DC plug contact into a DC socket contact via its heat conduction path, this waste heat can spread in the electrical connection path, which, due to its electrically conductive material, for example copper or aluminum or a metal in general, favors the spread of heat, can then be led to the heat sink, where it can then be discharged from the connection path. A heat sink can be made of aluminum, for example, and have the rib structure or fan structure known for a heat sink. Additionally or alternatively, the heat sink can be realized by a sheet metal of the motor vehicle.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
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.The invention also comprises a charging system which comprises a combination of an embodiment of the motor vehicle according to the invention and a charging cable with an embodiment of the charging plug according to the invention.
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.Finally, the invention also includes a charging device that results from the combination of a charging cable and a charging plug which is connected to one end of the charging cable. In the case of the charging device, waste heat can therefore be dissipated from the converter circuit of the charging plug via at least one heat conduction path.
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.The described embodiments of the invention can also be implemented in one and the same product, as long as they are not expressly mutually exclusive embodiments.
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 von1 bereitgestellt sein kann; -
3 eine weitere schematisierte Darstellung der Wandlerschaltung mit einer Veranschaulichung von Wärmequellen; -
4 eine schematische Explosionsdarstellung des Ladesteckers von1 ; -
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 von6 ; -
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.
-
1 a schematic representation of a charging plug of a charging device according to the invention; -
2 a schematic circuit diagram of a converter circuit as it is in the charging plug of1 can be provided; -
3 a further schematic representation of the converter circuit with an illustration of heat sources; -
4th a schematic exploded view of the charging plug of1 ; -
5 a schematic representation of a longitudinal section of the charging plug with an illustration of heat conduction paths; -
6th a schematic illustration showing a circuit board and DC plug contacts that are thermally coupled to one another via a first heat conduction path; -
7th a schematic representation of a longitudinal section of the charging plug with a representation of the first heat conduction path from6th ; -
8th a schematic representation of a connection field for wires of a charging cable of the charging device; and -
9 a schematic representation of a charging system with the charging device and a motor vehicle.
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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
Zum Einstecken des Ladesteckers
Zum Übertragen der elektrischen Energie kann der Ladestecker
Das Ladekabel
In
Zum Wandeln des AC-Wechselstroms
Eine Steuerschaltung
Beim Betrieb der Wandlerschaltung
In den Anschlussflächen
Der DC-Steckkontakt
Der Kühlkörper
Im Folgenden sind noch einmal besonders bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.Particularly preferred embodiments are described again below.
Die beschriebene Umsetzung der Integration der Lade-Leistungselektronik kann, wie in der
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.Future charging systems require the integration of power electronics in the connector or in the connector housing. E.g. a DC / DC converter and / or an AC / DC converter can be integrated in a so-called combo connector. However, this integration of the charging power electronics in the charging plug requires cooling or cooling of the electronics. Since the housing has to be designed to be waterproof and dustproof due to the handling requirements, the heat dissipation is a major challenge. Active cooling with, for example, liquid coolant cannot be implemented for a portable, portable charging cable with integrated charging power electronics. On average, when integrating charging power electronics with a charging power of 3.5kW with an efficiency of 95%, 175W power loss occurs. It is precisely the galvanically separated energy conversion from the network-side infrastructure and the output-side DC charging voltage that generates power loss during operation, which must be dissipated in the form of waste heat.
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.In order to divert the power loss that arises from the charging power electronics out of the waterproof and dust-proof housing, the following idea is based on dissipating the heat loss resulting from the energy conversion through the connector pins (i.e. the DC connector contacts) and the connection cable . The DC plug contacts are designed, for example, as so-called crimp contacts and are not connected to a circuit board (PCB). Cooling via crimp contacts and cables can be technically implemented using the idea. The DC line pins (DC plug contacts) are thermally connected to the integrated power electronics via a thick copper circuit board (metal inlay) and can thus dissipate the waste heat into a cable harness via the DC power pins. Idem the motor vehicle and the intended charging interface for much higher charging power (e.g. more than 100kW) or charging currents (e.g. 350Adc) is designed, the thermal mass of the connection line in the vehicle and the supply line can be used for cooling the integrated power electronics. The basis for this is created by the additional thermal connection to the circuit board of the integrated power electronics.
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
- - It enables the integration of power electronics in the combo connector.
- - It enables the power electronics in the connector to be cooled / cooled without additional effort.
- - Active dissipation of the loss of the connector
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.The cooling of the AC input side as well as the DC output side takes place via so-called circuit boards with thick copper inlay. The thermal advantages of the circuit boards make it possible to achieve the best possible heat flow between the power loss source (the power semiconductors) and the heat sink (the cables). The power loss of the power semiconductors is dissipated by a copper Inley circuit board and can thus be directed towards the DC plug contacts of the charging connector. Another idea is the connection of the DC plug contacts and the AC supply line to the thick copper circuit board in order to achieve a heat flow.
Die infrastrukturseitige Entwärmung erfolgt über eine direkte thermischd Anbindung der Zuleitung an ebenfalls eine Dickkupferplatine.The infrastructure-side cooling takes place via a direct thermal connection of the supply line to a thick copper circuit board.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Entwärmen eines Ladesteckers mit integrierter Leistungselektronik für elektrische Fahrzeuge bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide a device for cooling a charging plug with integrated power electronics for electric vehicles.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- WO 2016/020133 A1 [0005]WO 2016/020133 A1 [0005]
- DE 102016211876 A1 [0006]DE 102016211876 A1 [0006]
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