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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz, das eine Gleichstromleitung aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Gleichstrom zwischen einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Traktionsbatterie, und einem elektrischen Hochvolt-Verbraucher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem Wechselrichter eines elektrischen Antriebsmotors, zu führen. Die Gleichstromleitung weist sowohl einen elektrischen Hinleiter als auch einen elektrischen Rückleiter auf, sodass über die Gleichstromleitung ein elektrischer Stromkreis geschlossen werden kann. Unter einer elektrischen Hochvoltspannung ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die größer als 60 Volt ist.
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Eine Gleichstromleitung, wie sie auch im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bereitgestellt ist, ist in vielen Typen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen zur Gleichstromversorgung von Hochvolt-Komponenten vorgesehen. Für den Fall, dass sich die elektrische Energiequelle einerseits und der elektrische Hochvolt-Verbraucher andererseits an unterschiedlichen Enden des Kraftfahrzeugs befinden, also beispielsweise die Traktionsbatterie im Heck und ein Elektromotor als Hochvolt-Verbraucher im Frontbereich, ist die Gleichstromleitung verhältnismäßig lang. Sie wird in der Regel aus Gründen der EMV (EMV – elektromagnetische Verträglichkeit) unterflur verlegt, das heißt unterhalb des Fahrzeugbodens.
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Aus der
WO 00/27672 A1 und der
DE 198 51 367 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem eine Traktionsbatterie über ein Kabel mit einem Wechselrichter gekoppelt ist, welcher der Traktionsbatterie über das Kabel einen gepulsten Strom entnimmt. Hierbei sind Abschirmungsmaßnahmen gegen elektromagnetische Abstrahlung des Kabels nötigt. Das Kabel ist hierzu als Koaxialkabel ausgestaltet.
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Aus der
US 5 408 049 A ist im Zusammenhang mit der Kopplung einer dreiphasigen Wechselstromleitung, die einen Wechselrichter mit einem Elektromotor koppelt, ebenfalls die Verwendung eines Koaxialkabels zur Vermeidung von Abstrahlung elektromagnetischer Wellen bekannt.
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Aus der
DE 697 10 822 T2 ist ein Hochfrequenz-Leistungskabel bekannt, welches mehrere, voneinander elektrisch isolierte Drahtadern aufweist, die miteinander verdrillt sind. Als Isolationsmaterial kann ein Silikonmantel vorgesehen sein.
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In der
US 2014/0014395 A1 ist ein Koaxialkabel zum Verbinden von Hochvoltkomponenten beschrieben. Bei dem Koaxialkabel ist ein innen liegender Kern als massiver Draht ausgestaltet, um das Koaxialkabel eigensteif auszugestalten. Eine Isolierung des Koaxialkabels ist aus einer speziellen Zweischichtstruktur mit Polyethylen und Polypropylen gebildet.
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Aus der
JP 2014-035964 A ist ein Hochvolt-Koaxialkabel bekannt, das mehradrige Leitungsstränge aufweisen kann, die jeweils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein können. Isolierschichten sind aus einem Harz gebildet.
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Aus der
CA 2 851 593 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem eine Hochvoltleitung in einer Fahrgastzelle verlegt ist.
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Ein Kraftfahrzeug-Hochvoltbordnetz muss dahingehend crashsicher sein, dass eine Hochvolt-Gleichstromleitung bei einem Crash nicht eine elektrisch leitfähige Kraftfahrzeugkomponente, wie beispielsweise die Karosserie, ebenfalls unter Hochspannung setzten kann und hierdurch Personen gefährdet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug ein Hochvoltbordnetz crashsicher zu gestalten.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das ein Hochvoltbordnetz aufweist, bei welchem eine Gleichstromleitung dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom zwischen einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs und einem elektrischen Hochvolt-Verbraucher des Kraftfahrzeugs zu führen. Eine elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie oder ein Brennstoffzellenstapel sein. Unter einem Hochvolt-Verbraucher ist insbesondere ein elektrischer Verbraucher zu verstehen, der einen Betriebsstrom von mehr als 2 Ampere, insbesondere mehr als 10 Ampere, aufweisen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist vorgesehen, die Energiequelle an einer Seite einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs und den Hochvolt-Verbraucher an einer gegenüberliegenden Seite der Fahrgastzelle anzuordnen. Mit anderen Worten kann die Energiequelle oder der Hochvolt-Verbraucher im Heck des Kraftfahrzeugs hinter der Fahrgastzelle angeordnet sein und entsprechend die andere Komponente, also der Hochvolt-Verbraucher beziehungsweise die Energiequelle, in einem Frontbereich vor der Fahrgastzelle. Die Gleichstromleitung, welche die Energiequelle mit dem Hochvolt-Verbraucher elektrisch verbindet, ist innerhalb der Fahrgastzelle angeordnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergibt sich der Vorteil, dass die Gleichstromleitung im Kraftfahrzeug an einem Ort angeordnet ist, der bereits zum Schutz der Fahrgäste besonders crashsicher ausgestaltet ist. Durch Anordnen der Energiequelle und des Hochvolt-Verbrauchers beiderseits der Fahrgastzelle lässt sich nun auch die Gleichstromleitung mittels der Fahrgastzelle schützen.
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Bisher ist von einer solchen Anordnung der Gleichstromleitung abgesehen worden. Grund dafür ist, dass bedingt durch den herkömmlichen Leiteraufbau neben den elektrischen auch magnetische Felder auftreten. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Betriebsströme zum Hochvolt-Verbraucher treten hierbei magnetische Felder auf, die oberhalb der vom Gesetzgeber vorgesehenen Höchstwerte liegen können. Die Verlegung der Traktionsnetzleitungen im Fahrgastinnenraum ist daher aufgrund der auftretenden Magnetfelder in der Regel nicht zulässig.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ebenfalls ein zu hoher Feldstärkewert für das Magnetfeld möglich ist, sieht hierfür die Erfindung vor, dass die Gleichstromleitung als Koaxialkabel ausgestaltet ist. Während im Stand der Technik die Koaxialanordnung nur zur Vermeidung von elektromagnetischer Strahlung aufgrund von Wechselfrequenzen im Stromverlauf bekannt ist, sieht die Erfindung also vor, auch bei einer Gleichstromleitung eine koaxiale Ausgestaltung von hin- und rückführendem Leitungsteil vorzusehen, um hierdurch eine Feldstärke des bei Stromfluss um die Gleichstromleitung entstehenden Magnetfelds unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes einzustellen. Der hinführende Leitungsteil kann also den Kern oder Innenleiter, der rückführende Leitungsteil den Außenleiter des Koaxialkabels bilden oder umgekehrt.
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Durch die beschriebene Anordnung von Hochvolt-Verbraucher und Energiequelle ist die Gleichstromleitung verhältnismäßig lang, insbesondere länger als 1 Meter. Die Erfindung sieht vor, dass die Drähte der Gleichstromleitung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind. Aluminium weist eine spezifische Dichte auf, die lediglich ein Drittel der spezifischen Dichte von Kupfer beträgt. Somit ist eine Gleichstromleitung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wesentlich leichter als eine funktional gleichwertige Gleichstromleitung aus Kupfer. Damit erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des Betriebs des Kraftfahrzeugs.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, indem eine hinführende Leitungsanordnung und eine rückführende Leitungsanordnung jeweils mehrere Drahtadern umfasst. Mit anderen Worten sind der hinführende Leitungsteil, also der von der Energiequelle zum Hochvolt-Verbraucher führende Leitungsteil, und/oder der entsprechend rückführende Leitungsteil als Litze ausgelegt. Die Litze kann verseilt oder parallel zur Längserstreckung der Gleichstromleitung ausgerichtet sein. Hierdurch ist die Gleichstromleitung flexibel, sodass insbesondere mechanische Brüche aufgrund von Vibrationen, wie sie während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs entstehen können, entgegengewirkt. Damit erhöht sich die Zuverlässigkeit des Betriebs des Kraftfahrzeugs. Bei der koaxialen Ausgestaltung der Gleichstromleitung entsprechen der hin- und rückführende Leitungsteil dem innen- und außenführenden Leitungsteil, also dem Kern und dem Außenleiter.
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Um auch mit einzelnen Drahtadern in koaxialer Ausgestaltung der Gleichstromleitung dennoch eine ausreichende Unterdrückung eines Magnetfelds in der Umgebung der Gleichstromleitung zu erhalten, sieht die Erfindung vor, dass in einem Querschnitt der Gleichstromleitung die Drahtadern einer der Leitungsanordnungen ringförmig um die andere Leitungsanordnung angeordnet sind. Hierdurch kann durch die Anordnung der Drahtadern ohne zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen eine Koax-Schirmung zumindest angenähert werden. Es ist kein geschlossener Metallmantel als außenführende Leitungsanordnung nötig.
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Die Erfindung sieht des Weiteren vor, dass eine Außenisolierung und/oder eine Innenisolierung, die zwei in der Gleichstromleitung angeordnete elektrische Pole gegeneinander isoliert, aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, Polyurethan umfasst. Ein solches Material gewährleistet neben der zuverlässigen elektrischen Isolierung auch eine hohe thermische Stabilität gegen durch den großen Verbraucherstrom in der Gleichstromleitung verursachte elektrische Verluste.
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Besonders bevorzugt ist die Gleichstromleitung in Fahrzeughochrichtung oberhalb eines Bodenblechs des Kraftfahrzeugs angeordnet. Dann wirkt das Bodenblech als Schild gegen mechanische Einflüsse, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise mit dem Bodenblech auf dem Fahruntergrund aufschlägt oder aufsetzt.
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Bei der Wahl der Drahtadern, also deren Durchmesser und Anzahl, wird insbesondere ein Verhältnis einer Fläche eines innenführenden Leitungsquerschnitts und einer Fläche eines außenführenden Leitungsquerschnitts der Gleichstromleitung in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 eingestellt. Insbesondere beträgt das Verhältnis 1, das heißt der innenführende und der außenführende Leitungsquerschnitt sind gleich groß.
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Die Gleichstromleitung kann dennoch eine elektrische und/oder magnetische Außenschirmung aufweisen, also beispielsweise ein Drahtgeflecht, welches sowohl die innenführende als auch die außenführende Leitungsanordnung umgibt. Mittels dieser Außenschirmung kann sichergestellt werden, dass ein- und auskoppelnde Störungen weiter reduziert werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Gleichstromleitung schirmfrei ist. Hierdurch ist es besonders günstig herstellbar und leicht.
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Eine andere Weiterbildung gleicht die auskoppelnden Störungen aus, indem die Gleichstromleitung mit einem elektrischen oder elektronischen Filter gekoppelt ist, welches dazu ausgelegt ist, eine Welligkeit einer in der Gleichstromleitung geführten Gleichspannung zu verringern. Eine solche Filtermaßnahme verringert also den Wechselstromanteil in der Gleichstromleitung, sodass das Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung durch die Gleichstromleitung reduziert oder unterdrückt wird. Das Filter kann beispielsweise einen Glättungskondensator umfassen, welcher zwischen die beiden Pole der Gleichstromleitung, also die Plus-Leitung und die Minus-Leitung, geschaltet sein kann.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Gleichstromleitung, wie sie bei dem Kraftfahrzeug von 1 eingebaut sein kann.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen Hybridantrieb oder einen Elektroantrieb aufweisen. Hierzu kann das Kraftfahrzeug 10 einen Elektromotor 12 und einen zum Betreiben des Elektromotors 12 ausgelegten Wechselrichter 14 aufweisen. Der Elektromotor 12 und der Wechselrichter 14 stellen zusammen einen Hochvolt-Verbraucher 16 des Kraftfahrzeugs 10 dar. Zusätzlich oder alternativ kann als Hochvolt-Verbraucher 16 auch beispielsweise ein Kompressor einer Klimaanlage in dem Kraftfahrzeug 10 bereitgestellt sein. Der Hochvolt-Verbraucher 16 kann bei dem Kraftfahrzeug 10 durch eine Energiequelle 18, beispielsweise eine Traktionsbatterie oder einen Brennstoffzellenstapel, mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierzu können die Energiequelle 18 und der Hochvolt-Verbraucher 16 über ein Hochvolt-Bordnetz 20 miteinander elektrisch gekoppelt sein.
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Das Hochvolt-Bordnetz 20 kann ein Gleichstromkabel oder eine Gleichstromleitung 22 aufweisen, welches mit einer Plus-Leitung 24 und einer Minus-Leitung 26 sowohl mit der Energiequelle 18 als auch mit dem Hochvolt-Verbraucher 16 elektrisch verbunden sein kann. Die Energiequelle 18 erzeugt zwischen der Plus-Leitung 24 und der Minus-Leitung 26 eine Hochvolt-Spannung, die größer als 60 Volt sein kann, insbesondere größer als 100 Volt. Im Betrieb des Hochvolt-Verbrauchers 16 fließt über die Gleichstromleitung 22 ein Betriebsstrom des Hochvolt-Verbrauchers 16. Der Betriebsstrom ist ein Gleichstrom. Die Plus-Leitung 24 und die Minus-Leitung 26 stellen jeweils einen Leitungsteil der Gleichstromleitung 22 dar. Die Plus-Leitung 24 ist hinführend, die Minus-Leitung 26 ist rückführend.
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Bei dem Kraftfahrzeug 10 ist sichergestellt, dass die Gleichstromleitung 22 beispielsweise bei einem Crash des Kraftfahrzeugs 10, wenn strukturgebende Teile des Kraftfahrzeugs 10 deformiert werden, dennoch die Gleichstromleitung mit einer hohen Wahrscheinlichkeit unbeschädigt bleibt. Hierzu ist die Gleichstromleitung 22 zumindest zu einem überwiegenden Teil in einer Fahrgastzelle 28 des Kraftfahrzeugs 10 verlegt oder angeordnet. Die Gleichstromleitung 22 ist insbesondere oberhalb eines Fahrzeugbodens 30 angeordnet.
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Obwohl die Gleichstromleitung 22 den Betriebsstrom des Hochvolt-Verbrauchers 16 durch das Innere der Fahrgastzelle 28 führt, entsteht in der Fahrgastzelle 28 durch den Betriebsstrom in der Gleichstromleitung 22 kein magnetisches Feld, welches eine derart große Feldstärke aufweist, dass es zu einer gesundheitlichen Gefährdung von Fahrgästen oder einer Störung von elektrischen Geräten kommt. Hierzu kann die Gleichstromleitung 22 den in 2 veranschaulichten prinzipiellen Aufbau aufweisen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Gleichstromleitung 22. Der Verlauf des Querschnitts ist in 1 angegeben. Die Gleichstromleitung 22 weist eine Außenisolierung 32, einen außenführenden Leitungsteil 34, eine Innenisolierung 36 und einen innenführenden Leitungsteil 38 auf. Der innenführende Leitungsteil 38 stellt bei der in 1 gezeigten Verschaltung die Plus-Leitung 24 dar, der außenführende Leitungsteil 34 die Minus-Leitung 26.
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Beide Leitungsteile 34, 38 können mehrere Drahtadern 40 aufweisen, von denen in 2 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Drahtadern können aus Kupfer oder, bevorzugt, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt sein. Die Außenisolierung 32 und die Innenisolierung 36 können beispielsweise Polyurethan umfassen.
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Somit ergibt sich bei dem Kraftfahrzeug 10 eine Hochvolt-Leitung, die einen koaxialen Aufbau aufweist, wobei die jeweiligen Potentiale (Plus und Minus) um einen Mittelpunkt radialsymmetrisch angeordnet sind. Auf diese Weise können störende Magnetfelder in der Fahrgastzelle 28 vermieden werden, da sich diese durch den koaxialen Aufbau aufheben.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Gleichstromleitung einen Innenleiter, der mehrere Adern 40 aufweist und von der Innenisolierung 36 umgeben ist. Um diese Isolierung 36 sind ringförmig Adern angeordnet, die in Summe von einer Isolierung 32 umgeben sind und einen Außenleiter bilden. Innen- und Außenleiter weisen in Summe im Wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche einer einzelnen Drahtader 40 der innenführenden Leitungsanordnung 38 kleiner als die Querschnittsfläche einer einzelnen Drahtader 40 der außenführenden Leitungsanordnung 34. Die einzelnen Adern des Innen- und des Außenleiters gewährleisten hierdurch eine große Flexibilität der Gleichstromleitung 22. Die Leitung kann zusätzlich einen äußeren Schirm aufweisen, also einen elektrischen Schirm durch beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Drahtgeflecht, oder einen magnetischen Schirm durch ein weichmagnetisches Material.
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Ziel des radialsymmetrischen Aufbaus der Leitung ist die möglichst vollständige Auslöschung der Magnetfelder, welche beim gegenläufigen Stromfluss durch den Innen- und Außenleiter auftreten, sodass im Idealfall keine Schirmung der Leitung erforderlich ist. Dadurch ist es möglich, die Gleichstromleitung durch den Fahrgastinnenraum zu verlegen, statt nur unterflur.
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Somit ist also der Einsatz von koaxialen HV-Traktionsnetzleitungen im Kraftfahrzeug zur Verhinderung von durch Stromprofile erzeugten Magnetfeldern ermöglicht. Die Verlegung dieser koaxialen HV-Traktionsleitungen erfolgt im Fahrzeuginnenraum. Zusätzlich kann der Einsatz des Werkstoffs Aluminium neben Kupfer für die Leitungseinzellitzen vorgesehen sein.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung in einem Kraftfahrzeug eine mehradrige koaxiale HV-Leitung crashsicher angeordnet werden kann.
