Titel:

Hochvoltschnittstelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvoltschnittstelle zwischen einer ersten elektrischen Komponente, beispielsweise einem Verdichter, und einer zweiten elektrischen Komponente, beispielsweise einem Inverter.

Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Elektrofahrzeuge und/oder Brennstoffzellenfahrzeuge.

Stand der Technik

Bekannt sind elektrische Verdichter mit angebautem Inverter. Zwischen dem Inverter und einem Elektromotor des elektrischen Verdichters muss eine Hochvoltkontaktierung hergestellt werden, die zugleich einen Toleranzausgleich ermöglicht. Eine derartige Hochvoltkontaktierung kann beispielsweise mit Hilfe eines zwischen zwei Lamellenbuchsen schwimmend gelagerten Taumelpins realisiert werden. Durch die schwimmende Lagerung des Taumelpins kann ein Achs- und/oder Winkelversatz zwischen den beiden Lamellenbuchsen bedingt ausgeglichen werden.

Als nachteilig erweist sich dabei, dass die Baugruppe bestehend aus dem Taumelpin und den zwei Lamellenbuchsen vergleichsweise komplex und damit teuer in der Herstellung ist.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, eine Hochvoltschnittstelle zwischen zwei elektrischen Komponenten anzugeben, die möglichst einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Zugleich soll die Hochvoltschnittstelle derart beschaffen sein, dass sie den notwendigen Toleranzausgleich ermöglicht. Zur Lösung der Aufgabe wird die Hochvoltschnittstelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Hochvoltschnittstelle zwischen einer ersten elektrischen Komponente, beispielsweise einem Verdichter, und einer zweiten elektrischen Komponente, beispielsweise einem Inverter, weist auf: ein rohrförmiges Kontaktelement mit einer stirnseitigen Kontaktfläche zur unmittelbaren oder mittelbaren elektrischen Kontaktierung einer Stromschiene, eine zumindest abschnittsweise im rohrförmigen Kontaktelement aufgenommene Schraube zur unmittelbaren oder mittelbaren Verschraubung des rohrförmigen Kontaktelementes mit der Stromschiene, einen Isolierkörper, der das rohrförmige Kontaktelement unter Freilassung zumindest der stirnseitigen Kontaktfläche umgibt.

Die vorgeschlagene Hochvoltschnittstelle ist demnach nicht wie sonst üblich als Steckkontakt, sondern als Schraubkontakt ausgelegt. Die hierzu im rohrförmigen Kontaktelement zumindest abschnittsweise aufgenommene Schraube ist von außen zugänglich, so dass die Verschraubung durch das rohrförmige Kontaktelement hindurch vorgenommen werden kann. Der notwendige Toleranzausgleich wird bei noch nicht voll angezogener Schraube durch eine Relativbewegung des rohrförmigen Kontaktelements gegenüber der Schraube in radialer Richtung realisiert. Da die elektrische Kontaktierung über eine stirnseitige Kontaktfläche des rohrförmigen Kontaktelements hergestellt wird, ist eine derartige Relativbewegung möglich. Ferner ist der Innendurchmesser des rohrförmigen Kontaktelements größer als der Außendurchmesser der Schraube gewählt, um die Relativbewegung zu ermöglichen.

Bei dem rohrförmigen Kontaktelement und der Schraube handelt es sich um einfache und kostengünstig zu fertigende Bauteile, so dass die Kosten zur Herstellung der Hochvoltschnittstelle sinken. Dadurch, dass die Hochvoltschnittstelle als Schraubverbindung ausgelegt ist, erweist sich sie zudem als äußert robust, insbesondere im Vergleich zu einer Steckverbindung. Zugleich ist über die Schraubverbindung aber auch sichergestellt, dass sie bei Bedarf wieder gelöst werden kann. Darüber hinaus weist die Schraubverbindung einen geringen elektrischen Widerstand im Kontaktbereich auf, so dass - im Vergleich zur Steckverbindung zwischen einem Taumelpin und einer Lamellenbuchse - die Verlustleistung gesenkt werden kann.

Durch seine Rohrform weist das Kontaktelement eine hohe Formsteifigkeit aus, so dass die Wandstärke vergleichsweise gering gewählt werden kann. Die geringe Wandstärke trägt dazu bei, dass sich das Kontaktelement unter Strom weniger stark erwärmt. Dies wiederum führt dazu, dass das rohrförmige Kontaktelement eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das rohrförmige Kontaktelement stirnseitig einen sich vorzugsweise nach radial innen erstreckenden Ringbund zur Ausbildung der stirnseitigen Kontaktfläche auf. Der Ringbund vergrößert die Kontaktfläche, was insbesondere von Vorteil ist, wenn die Wandstärke des rohrförmigen Kontaktelements aus den vorstehend genannten Gründen minimiert ist. Sofern der Ringbund sich nach radial innen erstreckt, kann dieser zugleich zur axialen Abstützung der im rohrförmigen Kontaktelement aufgenommenen Schraube genutzt werden. Über die Anzugskraft der Schraube wird dann die stirnseitige Kontaktfläche an eine Gegenfläche des Kontaktpartners gedrückt. Der Kontaktpartner kann insbesondere die Stromschiene sein, so dass der elektrische Kontakt zwischen dem rohrförmigen Kontaktelement und der Stromschiene unmittelbar hergestellt ist.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Stromschiene mit einer Mutter oder einer Gewindebuchse verbunden ist, in welche die Schraube eingeschraubt ist. Auf diese Weise kann die Robustheit der Schraubverbindung weiter gesteigert werden. Bevorzugt weist das rohrförmige Kontaktelement ein über eine Öffnung im Isolierkörper zugängliches offenes Ende auf, in das ein Stopfen eingesetzt ist. Mit Hilfe des Stopfens kann das offene Ende des rohrförmigen Kontaktelements verschlossen werden, so dass keine Feuchtigkeit eindringen und bis an die Kontaktstelle gelangen kann. Der Stopfen ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, so dass dieser zugleich eine elektrische Isolierung bewirkt. Der Stopfen kann ein Pressübermaß gegenüber dem rohrförmigen Kontaktelement aufweisen, so dass er über einen Presssitz im rohrförmigen Kontaktelement gehalten ist. Bei Bedarf kann der Stopfen herausgezogen werden, so dass die Zugänglichkeit der im rohrförmigen Kontaktelement aufgenommenen Schraube wieder gegeben ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stopfen mindestens eine umlaufende Dichtkontur zur fluiddichten Anlage am rohrförmigen Kontaktelement auf. Die Dichtkontur kann beispielsweise aus einer oder mehreren umlaufenden Dichtlippen bestehen, die geringfügig elastisch verformbar sind, so dass sie unter einer radialen Vorspannung innenseitig am rohrförmigen Kontaktelement anliegen. Die radiale Vorspannung erhöht die Dichtwirkung.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Stopfen einen axial und radial über das rohrförmige Kontaktelement überstehenden Endabschnitt aufweist. Der Stopfen kann auf diese Weise zur Anlage am Isolierkörper gebracht werden, so dass der Stopfen zugleich die im Isolierkörper vorgesehene Öffnung schließt. Vorzugsweise ist der axial und radial über das rohrförmige Kontaktelement überstehende Endabschnitt des Stopfens von einem Dichtring zur fluiddichten Anlage am Isolierkörper umgeben. Auf diese Weise kann die Öffnung im Isolierkörper zugleich fluiddicht geschlossen werden.

Ferner bevorzugt ist das rohrförmige Kontaktelement von mindestens einem Dichtring zur fluiddichten Anlage am Isolierkörper umgeben. Auf diese Weise wird verhindert, dass Feuchtigkeit über einen Spalt zwischen dem rohrförmigen Kontaktelement und dem Isolierkörper bis an die elektrische Kontaktstelle gelangt. Vorteilhafterweise ist der Isolierkörper in zumindest einem Abschnitt hohlzylinderförmig ausgebildet und in diesem Abschnitt von einer Zentrierbuchse umgeben. Die Zentrierbuchse ermöglicht eine Steckverbindung zwischen dem Isolierkörper und einer korrespondierenden Aufnahme der anderen Komponente, so dass vor der Herstellung der Schraubverbindung der Isolierkörper einschließlich des hierin aufgenommenen rohrförmigen Kontaktelements ausgerichtet werden. Dabei erfolgt zugleich der Toleranzausgleich. Anschließend muss nur noch die Schraube in das rohrförmige Kontaktelement eingeführt und in die Gewindebuchse eingedreht werden, um die Schraubverbindung herzustellen. Die Zentrierbuchse erleichtert somit die Montage. Die Zentrierbuchse kann zur Selbstzentrierung stirnseitig konisch geformt sein und/oder außenumfangseitig axial verlaufende Zentrierrippen aufweisen, die vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind.

In den Isolierkörper ist bevorzugt ein elektrischer Leiter integriert, der das rohrförmige Kontaktelement, vorzugsweise im Bereich seines offenen Endes, außenumfangseitig kontaktiert. Der elektrische Leiter stellt die elektrisch leitende Verbindung zur jeweils anderen Komponente her. Der elektrische Leiter kann beispielsweise eine Art Stromschiene mit einer endseitigen Öffnung sein, durch welche das rohrförmige Kontaktelement hindurchgeführt ist, so dass die Stromschiene das rohrförmige Kontaktelement außenumfangseitig kontaktiert.

Ferner bevorzugt umgibt der Isolierkörper mehrere, beispielsweise drei, parallel zueinander angeordnete rohrförmige Kontaktelemente, in denen jeweils zumindest abschnittsweise eine Schraube zur unmittelbaren oder mittelbaren Verschraubung des rohrförmigen Kontaktelements mit einer Stromschiene aufgenommen ist. Auf diese Weise können mit Hilfe eines Isolierkörpers mehrere Hochvoltschnittstellen realisiert werden. Der Isolierkörper wird hierzu bevorzugt in eine entsprechende Aufnahme bzw. Öffnung der zu kontaktierenden Komponente eingesetzt, so dass die in den rohrförmigen Kontaktelementen aufgenommenen Schrauben unmittelbar oder mittelbar mit den Stromschienen verschraubt werden können. Anschließend können die offenen Enden der rohrförmigen Kontaktelemente jeweils mit Hilfe eines Stopfens verschlossen werden, so dass die Kontaktstellen vor eindringender Feuchtigkeit geschützt sind. Die mindestens eine Stromschiene, mit der das rohrförmige Kontaktelement unmittelbar oder mittelbar verschraubt wird, ist vorzugsweise in einem Gehäuseteil der ersten Komponente aufgenommen. Das Gehäuseteil der ersten Komponente weist im Bereich der Stromschiene eine Öffnung auf. In diese kann der Isolierkörper eingesetzt werden, der vorzugsweise Bestandteil der zweiten Komponente ist.

Der Isolierkörper mit dem mindestens einen rohrförmigen Kontaktelement ist vorzugsweise derart in die Öffnung des Gehäuseteils der ersten Komponente eingesetzt, dass die stirnseitige Kontaktfläche des rohrförmigen Kontaktelements die Stromschiene elektrisch kontaktiert. Nach dem Einsetzen des Isolierkörpers in die Öffnung muss dann zur Herstellung der Schraubverbindung nur noch die Schraube in das rohrförmige Kontaktelement eingesetzt und eingeschraubt werden. Nach der Herstellung der Schraubverbindung kann das offene Ende des rohrförmigen Kontaktelements mit Hilfe des Stopfens fluiddicht verschlossen werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochvoltschnittstelle zwischen zwei elektrischen Komponenten,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Hochvoltschnittstelle der Figur 1 während der Montage der Komponenten,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der beiden elektrischen Komponenten nach der Montage,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der den Isolierkörper aufweisenden Komponente vor der Montage und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines rohrförmigen Kontaktelements in Kombination mit einem elektrischen Leiter. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellte Hochvoltschnittstelle verbindet eine erste elektrische Komponente 1 und eine zweite elektrische Komponente 2. Bei der ersten elektrischen Komponente 1 handelt es sich vorliegend um einen Verdichter. Die zweite elektrische Komponente 2 ist ein an den Verdichter angebauter Inverter. Mit Hilfe des Verdichters kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems mit dem notwendigen Luftmassenstrom versorgt werden. Der Verdichter gelangt in diesem Fall in einem Luftsystem eines Brennstoffzellensystems zum Einsatz.

Die beiden Komponenten 1, 2 sind nicht nur mechanisch verbunden, sondern auch elektrisch, und zwar über eine erfindungsgemäße Hochvoltschnittstelle. Diese umfasst ein rohrförmiges Kontaktelement 3 mit einer stirnseitigen Kontaktfläche 4 zur Kontaktierung einer Stromschiene 5. Die Stromschiene 5 ist zusammen mit zwei weiteren Stromschienen 5 innerhalb eines Gehäuseteils 20 der ersten Komponente 1 angeordnet. Zur elektrischen Kontaktierung der beiden weiteren Stromschienen 5 sind zwei weitere rohrförmige Kontaktelemente 3 vorgesehen. Die dargestellte Hochvoltschnittstelle umfasst demnach drei rohrförmige Kontaktelemente 3. Diese sind parallel in einer Reihe angeordnet und jeweils aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt. In den rohrförmigen Kontaktelementen 3 ist jeweils eine Schraube 6 aufgenommen, mittels welcher die rohrförmigen Kontaktelemente 3 jeweils mit einer Stromschiene 5 verschraubt werden können. Die Stromschienen 5 sind hierzu jeweils mit einer Gewindebuchse 9 verbunden. Beim Einschrauben der Schrauben 6 in die Gewindebuchsen 9 gelangen diese zur Anlage an einen Ringbund 8 des jeweiligen rohrförmigen Kontaktelements 3, der zugleich die stirnseitige Kontaktfläche 4 ausbildet (siehe auch Figur 5). Über die Anzugskraft der Schraube 6 wird demnach die stirnseitige Kontaktfläche 4 eines rohrförmigen Kontaktelements 3 gegen die jeweilige Stromschiene 5 gedrückt, so dass eine sehr robuste Hochvoltverbindung geschaffen wird.

Die im Gehäuseteil 20 aufgenommenen Stromschienen 5 sind mittels Isolierungen 22 gegenüber dem Gehäuseteil 20 elektrisch isoliert. Zur Isolierung der rohrförmigen Kontaktelemente 3 gegenüber dem Gehäuseteil 20 ist ein Isolierkörper 7 aus einem elektrisch nichtleitenden Material vorgesehen, der die rohrförmigen Kontaktelemente 3 unter Freilassung der stirnseitigen Kontaktflächen 4 umgibt. Im Bereich der stirnseitigen Kontaktflächen 4 bildet der Isolierkörper 7 drei hohlzylinderförmige Abschnitte 17 aus, welche die rohrförmigen Kontaktelemente 3 konzentrisch umgeben. Diese sind wiederum von Zentrierbuchsen 18 umgeben, die beim Einsetzen des Isolierkörpers 7 in das Gehäuseteil 20 die rohrförmigen Kontaktelemente 3 in Bezug auf die Stromschienen 5 ausrichten sollen. Die Zentrierbuchsen 18 können hierzu axial verlaufende Zentrierrippen 24 aufweisen (siehe auch Figur 4). Die Zentrierbuchsen 18 haben ferner eine schwingungsdämpfende Funktion.

Nach dem Einsetzen des Isolierkörpers 7 in das Gehäuseteil 20 können die Schrauben 6 über Öffnungen 10 des Isolierkörpers 7 und offene Enden 11 der rohrförmigen Kontaktelemente 3 von außen eingeführt (siehe auch Figur 3) und mit den Gewindebuchsen 9 der Stromschienen 5 verschraubt werden (siehe auch Figur 2). Zum Verschrauben kann über die Öffnungen 10 und die offenen Enden 11 auch ein Schraubwerkzeug (nicht dargestellt) in die rohrförmigen Kontaktelemente 3 eingeführt werden. Nach dem Einsetzen und Eindrehen der Schrauben 6 werden die offenen Enden 11 der rohrförmigen Kontaktelemente 3 und die Öffnungen 10 des Isolierkörpers 7 mit Stopfen 12 fluiddicht verschlossen (siehe auch Figur 2). Die Stopfen 21 weisen hierzu jeweils außenumfangseitig angeordnete umlaufende Dichtkonturen 13 auf, die nach dem Einsetzen der Stopfen 12 unter einer radialen Vorspannung innen an den rohrförmigen Kontaktelementen 3 anliegen. Darüber hinaus weisen die Stopfen 12 jeweils einen axial sowie radial über das jeweilige rohrförmige Kontaktelement 3 überstehenden Endabschnitt 14 auf, der von einem Dichtring 15 umgeben ist. Dieser liegt nach dem Einsetzen der Stopfen 12 unter einer radialen Vorspannung am Isolierkörper 7 an. Weitere Dichtringe 16 umgeben die rohrförmigen Kontaktelemente 3, so dass auch über Spalte zwischen dem Isolierkörper 7 und den rohrförmigen Kontaktelementen 3 keine Feuchtigkeit bis an die Kontaktstellen gelangen kann.

Die rohrförmigen Kontaktelemente 3 sind im Bereich ihrer offenen Enden 11 jeweils von einem elektrischen Leiter 19 in Form einer Stromschiene umgeben (siehe auch Figur 5). Hierüber kann die elektrische Verbindung der rohrförmigen Kontaktelemente 3 mit der zweiten Komponente 2 hergestellt werden. Die elektrischen Leiter 19 sind hierzu abschnittsweise aus dem Isolierkörper 7 herausgeführt (siehe auch Figur 4).

Der Isolierkörper 7 weist neben den hohlzylinderförmigen Abschnitten 17 einen Sockelabschnitt 25 auf, der an eine Öffnung 21 des Gehäuseteils 20 angepasst ist (siehe auch Figur 4). Der Sockelabschnitt 25 ist von einer umlaufenden Dichtung 23 umgeben, die nach dem Einsetzen des Isolierkörpers 7 in das Gehäuseteil 20 die Öffnung 21 fluiddicht verschließt.