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DE102020102219A1 - Charging connector for a charging cable for connection to a motor vehicle and motor vehicle and charging system - Google Patents

Charging connector for a charging cable for connection to a motor vehicle and motor vehicle and charging system Download PDF

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DE102020102219A1
DE102020102219A1 DE102020102219.0A DE102020102219A DE102020102219A1 DE 102020102219 A1 DE102020102219 A1 DE 102020102219A1 DE 102020102219 A DE102020102219 A DE 102020102219A DE 102020102219 A1 DE102020102219 A1 DE 102020102219A1
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DE
Germany
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charging
plug
motor vehicle
circuit board
socket
Prior art date
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Pending
Application number
DE102020102219.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Daniel Ruppert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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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 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.A charging cable with a charging plug is, for example, from the DE 10 2014 111 334 A1 famous. It is described therein that temperature monitoring can also be provided for the electrical plug contacts, via which the charging current flows from the charging plug into the charging socket of the motor vehicle.

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.Such temperature monitoring of the plug contacts in a charging plug is also from the WO 2016/020133 A1 famous. These plug contacts can heat up if an electrical charging current flows into the charging socket via the plug contacts. However, the temperature development can be controlled by means of temperature monitoring.

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.From the DE 10 2016 211 876 A1 it is known that the plug contacts of a charging plug can be passed through a circuit board in order to measure the temperature at the plug contacts.

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 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.
Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:
  • 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 of 1 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 of 1 ;
  • 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 from 6th ;
  • 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.

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. 1 shows a charging device 10, which has a charging cable 11 may have that with a charging plug 12th the charging device 10 can be connected. The charging plug 12th can be plugged into a (not shown) charging socket of a motor vehicle, so that via the charging cable 11 electrical energy from an electrical supply network (not shown), for example an alternating current network with an alternating voltage in the range from 100 volts to 250 volts, can be transmitted into the motor vehicle in order to recharge an electrical energy store of the motor vehicle with electrical energy there. The motor vehicle can be an electric vehicle or a hybrid vehicle, for example.

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.For inserting the charging plug 12th A plug-in interface S can be provided in the charging socket, which can provide a mechanical guide known per se for plugging in and in addition to DC plug-in contacts 13th further plug contacts 13th for the transmission of communication signals and / or a ground potential.

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.The charging plug 12th the DC plug contacts 13th have, each of which can be plugged into a DC socket contact in a (not shown) DC socket field of the charging socket of the motor vehicle. 1 shows here an example of a so-called type of charging plug 2 as is known per se from the prior art. Via the DC plug contacts 13th can be a DC charging current 14th be transferred to the motor vehicle or exchanged with the motor vehicle. Via the charging cable 11 can be an AC alternating current 15th in the charging plug 12th be transmitted.

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. 2 shows how inside the charging connector 12th an electrical conversion of the AC alternating current 15th from the charging cable 11 into the DC charging current 14th can be carried out. 2 shows the charging plug again at the top 12th in a perspective view to the spatial orientation for the schematic circuit diagram shown below 16 admit.

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. The charging cable 11 can in the charging plug 12th to a connection panel 17th be attached for example by soldering and / or by means of cable lugs. The one on such a connector panel 17th Electrical contacts PE, L1, N provided are named in the manner known from the prior art.

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.In 2 the plug-in interface S is also shown with the designations for the plug-in contacts PP, CP, PE, DC +, DC- possible there in the manner known per se.

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.For converting the AC alternating current 15th into the DC charging current 14th can be a converter circuit 18th be provided, which can be designed here as an AC / DC converter circuit. With this a DC charging voltage 19th which can be a high-voltage voltage, that is to say a voltage value greater than 60 volts, in particular greater than 100 volts. The DC charging voltage 19th can adjust the DC charging current 14th drive or cause.

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.A control circuit 20th can the converter circuit 18th by means of control signals 21 control, which can be, for example, PWM signals (PWM - pulse width modulation). Voltage measuring circuits can be used for regulation 22nd and / or current measurement circuits 23 be provided to a current strength of the DC charging current 14th to be regulated to a setpoint. The control circuit 20th can have a microcontroller µC for this purpose. A communication module 24 be provided that, for example, can implement the communication based on a PLC (Powerline Communication) in a manner known per se.

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.When operating the converter circuit 18th This can result in waste heat or heat loss from a housing 25th of the charging plug 12th must be dissipated so that the converter circuit 18th by means of the charging plug 12th can convert or provide transferred electrical power.

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. 3 illustrates once again the relevant heat sources of the converter circuit 18th . The charging cable is shown 11 , which is the AC alternating current 15th provides, and the plug interface S, which can be plugged into the motor vehicle motor vehicle. The charging cable 11 and the plug contacts of the plug interface S are via the converter circuit 18th electrically coupled to each other. This can be achieved by means of several circuit components or circuit parts 26th the converter circuit 18th be realized. Possible circuit components 26th are one or more of the following: an input filter 27 , a bidirectional AC-DC stage 28 , a DC link 29 , a DC-DC stage 30th , which is preferably designed to be operated bidirectionally, and an output filter 31 . These switching components 26th are known per se from the prior art. It has been shown that the AC-DC stage in particular 28 and the DC-DC stage 30th and / or the output filter 31 heat loss or waste heat to be dissipated 32 respectively.

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. 4th illustrates once again in a schematic exploded view how this heat transport in the charging plug 12th is realized. The DC plug contacts are used as cooling elements 13th and / or at least one wire 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. 5 illustrates how this is done by at least one circuit component or one circuit component 26th the converter circuit 18th the waste heat 32 via a first heat conduction path 34 into the DC plug contacts 13th and / or via a second heat conduction path 35 in at least one cable or one wire 33 of the charging cable 11 can be directed. The thermal conduction paths 34 , 35 are galvanic from the electrical paths as they are through the converter circuit 18th themselves are provided to the charging cable 11 with the DC plug contacts 13th to connect, disconnected.

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. 6th illustrates this for the first heat conduction path 34 a possible implementation. It shows how a circuit component 26th the converter circuit 18th on a circuit board 36 the converter circuit 18th can be mounted and by means of the heat conduction path 34 the waste heat from the circuit component 26th into a material of a DC plug contact 13th , for example a metal, can be transferred. The thermal conduction path 34 can do this with a heat sink or a plate 37 include, which can be formed for example from a metal, for example aluminum or copper. About the waste heat from the circuit component 26th into the plate 37 through the circuit board 36 to transmit through, for example in the circuit board 36 a copper inlay 38 be integrated, through which the waste heat inside the circuit board 36 can be performed. Additionally or alternatively, Thermo-VIAs 39 can be realized or provided, that is, through holes filled with a metal or a metal alloy in the printed circuit board 36 . For example, the waste heat can come from a hot area 40 along a propagation path 41 along the thermal path 34 into the DC plug contact 13th be directed. The DC plug contact 13th can be in contact with electrical cables of the motor vehicle when plugged into the charging socket, so that the waste heat can be distributed in these cables.

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. 6th illustrates a thermal equivalent circuit diagram on the right, which shows how based on a thermal resistance 42 of the circuit component 26th even the waste heat through a thermal resistor 43 the thermal connection between the circuit component 26th and the circuit board 36 and thermal resistance 44 electrical insulation of the circuit board 36 itself, for example a synthetic resin and a thermal resistor 45 a metallic area, for example the copper of the copper inlay and / or the material of the VIAs 39 and a thermal resistance 46 the thermal connection between the circuit board 36 and the heat sink of the plate 37 and thermal resistance 47 of the plate's heat sink 37 even have to overcome to get into the DC plug contact 13th to get. This corresponds to the thermal resistance of the propagation path 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. 7th illustrates how the arrangement is made 6th in the charging plug 12th can be arranged. To get to the converter circuit 18th Wires 33 of the charging cable 11 to be connected (in 7th not shown), a connector panel 17th be provided as in 8th is shown in an exemplary embodiment. The connector panel 17th can for example be based on a printed circuit board 48 be realized via connections or plug contacts 49 with the circuit board 36 can be connected. The circuit board 48 can the connector panel 17th through electrically conductive connection surfaces 50 realize, which can be realized, for example, as copper surfaces. It can be a threaded bolt 51 be provided, for example, to connect the grounding cable PE and / or the circuit board 48 mechanically with the housing 25th connect to.

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.In the connection surfaces 50 can through holes 52 be provided, for example, a cable lug of the respective wire 33 with the circuit board 48 to screw. Via the plug contacts 49 and the pads 50 can so the waste heat in the wires 33 be led away or led away. This results in the described second heat conduction path 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. 9 illustrates how from the combination of the motor vehicle and the charging plug 12th a charging system 53 is realized. In the charging system 53 is it enables the charging plug 12th into the described charging socket 54 of the motor vehicle KFZ can be plugged in and thus via the DC plug contacts 13th those from the thermal path 34 into the DC plug contacts 13th excess heat in at least one electrical conducting element 55 of the motor vehicle KFZ can be directed. Thus, the waste heat can be in the area of a DC socket field 56 from the charging plug 12th be transferred into the motor vehicle KFZ. As a guiding element 55 a cable can be provided. Through the guide element 55 can generally be an electrical connection path 57 be realized to the DC charging current 14th to an electrical energy store 58 of the motor vehicle KFZ, for example an electric high-voltage battery. At this connection path 57 , for example on the guide element 55 , can be a heat sink 59 or it can have multiple heat sinks 59 be arranged to be in the connection path 57 from the DC plug contacts 13th received waste heat 32 again from the electrical connection path 57 dissipate and deliver in an environment inside the motor vehicle KFZ. The heat sink 59 can be galvanically separated from the electrical connection path 57 be arranged, which can be implemented, for example, by an electrical insulation layer. The heat sink 59 can, for example, cooling fins in a manner known per se 60 exhibit.

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.The DC plug contact 13th can for example in a DC socket contact 13 ' the charging socket 54 be inserted, as is known per se from the prior art.

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.The heat sink 59 can with the guide element 55 be thermally connected, creating a via the connection path 57 indirect thermal coupling with the DC socket contacts 13 ' results. The heat sink 59 can additionally or alternatively also directly on the at least one DC socket contact 13 ' be connected, the galvanic isolation described can also be provided here again.

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 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.The described implementation of the integration of the charging power electronics can, as in the 2 illustrated, implemented. The power electronics / charging electronics integrated in the connector are directly fed by the infrastructure-side AC voltage ( L1 , L2 , L3 , N and PE). Depending on the expansion stage, the plug-in power supply unit (charging plug with integrated converter circuit) can also only be single-phase (L1, N and PE). The integrated µC of the control circuit can take over the communication to the vehicle and monitors, controls and regulates the power electronics. In addition, fuse elements are integrated at the input and output to protect the power supply unit or the vehicle from overcurrent. With a maximum charging power of <= 3500W and an average efficiency of 96%, a total power loss of 175W occurs. These are divided equally between the power electronics on the AC grid infrastructure side and the DC high-voltage side. A thermal coupling between AC and DC side is not possible due to galvanic separation.

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
This results in the following advantages in particular:
  • - 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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Claims (10)

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, dadurch gekennzeichnet, 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.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 being connected to the plug-in interface ( S) several DC plug contacts (13) are provided for plugging into a DC beech field (56) of the charging socket (54) and for transmitting a DC charging current (14) and a converter circuit is provided in a housing (25) of the charging plug (12) (18) is integrated for setting a current strength of the DC charging current (14), characterized in that at least one circuit component (26) of the converter circuit (18) is connected to at least one of the DC plug contacts ( 13) and / or is thermally coupled to at least one connection field (17) for a respective wire (33) of the charging cable (11), the respective heat conduction path (34, 35) for heat transport of waste heat (32) to the at least one DC plug contact t (13) and / or the connection panel (17) is set up. Ladestecker (12) nach Anspruch 1, wobei in dem jeweiligen Wärmeleitpfad (34, 35) die thermische Kopplung mittels zumindest eines wärmeleitenden metallischen Bauteils und/oder einer Metallplatte (37) und/oder einem Kupfer-Inlay (38) einer Leiterplatte (36) und/oder mittels einer Heat-Pipe und/oder mittels einer Flüssigkeitskühlung und/oder eines Peltierelements bereitgestellt ist.Charging plug (12) Claim 1 , wherein in the respective heat conduction path (34, 35) the thermal coupling by means of at least one thermally conductive metallic component and / or a metal plate (37) and / or a copper inlay (38) of a circuit board (36) and / or by means of a heat Pipe and / or is provided by means of liquid cooling and / or a Peltier element. Ladestecker (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Wärmeleitpfad (34, 35) mittels eines VIAs (39) durch eine Leiterplatte (36) hindurch geführt ist.Charging plug (12) according to one of the preceding claims, wherein the respective heat conduction path (34, 35) is guided through a circuit board (36) by means of a VIA (39). Ladestecker (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als jeweiliges Schaltungsbauteil (26) zumindest eines der folgenden mit dem zumindest einen Wärmeleitpfad (34, 35) thermisch verbunden ist: eine AC-DC-Stufe (28), eine DC-DC-Stufe (30), ein Ausgangsfilter (31).Charging plug (12) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the following is thermally connected to the at least one heat conduction path (34, 35) as the respective circuit component (26): an AC-DC stage (28), a DC-DC stage (30), an output filter (31). Ladestecker (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Anschlussfeld (17) mittels einer Kupfer-Inlay-Leiterplatte (48) realisiert ist.Charging plug (12) according to one of the preceding claims, wherein the at least one connection field (17) is implemented by means of a copper inlay circuit board (48). Ladestecker (12) nach Anspruch 5, wobei in die Kupfer-Inlay-Leiterplatte (48) ein Gewindebolzen (51) zum Verschrauben der Kupfer-Inlay-Leiterplatte (48) integriert ist und der Gewindebolzen (51) mit dem Kupfer-Inlay der Kupfer-Inlay-Leiterplatte (48) galvanisch gekoppelt ist.Charging plug (12) Claim 5 , wherein a threaded bolt (51) for screwing the copper inlay circuit board (48) is integrated into the copper inlay circuit board (48) and the threaded bolt (51) with the copper inlay of the copper inlay circuit board (48) is galvanically coupled. Ladestecker (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Wärmeleitpfad (34, 35) mittels einer elektrischen Isolierschicht von dem zumindest einen Schaltungsbauteil (26) der Wandlerschaltung (18) und/oder dem zumindest einen DC-Steckkontakt (13) und/oder dem zumindest einen Anschlussfeld (17) galvanisch getrennt ist.Charging plug (12) according to one of the preceding claims, wherein the respective heat conduction path (34, 35) by means of an electrical insulating layer of the at least one circuit component (26) of the converter circuit (18) and / or the at least one DC plug contact (13) and / or the at least one connection field (17) is galvanically isolated. Ladevorrichtung (10) mit einem Ladekabel (11) und einem an einem Ende des Ladekabels (11) angeordneten Ladestecker (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Charging device (10) with a charging cable (11) and a charging plug (12) according to one of the preceding claims arranged at one end of the charging cable (11). Kraftfahrzeug (Kfz) mit einem elektrischen Energiespeicher (58), der mit einer Ladebuchse (54) zum Einstecken eines Ladesteckers (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekoppelt ist, wobei in der Ladebuchse (54) DC-Buchsenkontakte (13') zum Empfangen eines DC-Ladestroms (14) zum Nachladen des Energiespeichers (58) bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass an einem die DC-Buchsenkontakte (13') und den Energiespeicher (58) elektrisch verbindenden elektrischen Verbindungspfad (57) zumindest ein Kühlkörper (59) bereitgestellt ist, wobei der zumindest eine Kühlkörper (59) thermisch mit zumindest einem der DC-Buchsenkontakte (13') verbunden ist.Motor vehicle (motor vehicle) with an electrical energy store (58) which is coupled to a charging socket (54) for plugging in a charging plug (12) according to one of the preceding claims, wherein in the charging socket (54) DC socket contacts (13 ') for receiving a DC charging current (14) are provided for recharging the energy store (58), characterized in that at least one heat sink (59) is provided on an electrical connection path (57) that electrically connects the DC socket contacts (13 ') and the energy store (58). is provided, wherein the at least one heat sink (59) is thermally connected to at least one of the DC socket contacts (13 '). Ladesystem (53) mit einem Kraftfahrzeug (Kfz) nach Anspruch 9 und einer Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 8.Charging system (53) with a motor vehicle (motor vehicle) Claim 9 and a loading device (10) Claim 8 .
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