DE102017120725A1 - Entwärmungsvorrichtung für eine elektrische leitung, damit ausgestattete leitungsanordnung und verfahren zum entwärmen einer elektrischen leitung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Entwärmungsvorrichtung (2) zum Anbringen an einer elektrischen Leitung (1), mit einem flexiblen oder biegeschlaffen, hülsen- oder schlauchförmigen Grundkörper, der einen zwischen einer Innenwandung (7) und einer Außenwandung (8) eingeschlossenen Kühlmittelraum (9) sowie eine an die Innenwandung (7) angrenzende Durchgangsöffnung (6) zur Aufnahme der Leitung (1) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Leitungsanordnung (100) mit einer solchen Entwärmungsvorrichtung (2) sowie ein Verfahren zum Entwärmen einer elektrischen Leitung (1).
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine flexible oder biegeschlaffe Entwärmungsvorrichtung für eine elektrische Leitung. Ferner betrifft die Erfindung auch eine damit ausgestattete elektrische Leitungsanordnung sowie ein Verfahren zum Entwärmen einer elektrischen Leitung. Die Erfindung eignet sich besonders gut zum Einsatz mit einer Hochvolt-Leitung, wie sie beispielsweise bei Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.
- Stand der Technik
- Elektrofahrzeuge mit wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichern, also z.B. Traktionsbatterien, verfügen für ein kabelgebundenes Wiederaufladen über eine Ladebuchse zum Anschluss eines Ladesteckers, der über eine für hohe elektrische Ladeströme ausgelegte Hochvoltleitung mit einer Energiequelle, also z.B. einer Ladestation, verbunden ist, um so die Energiespeicher wiederaufladen zu können. Die verwendbaren Ladestecker und Hochvoltleitungen sind u.a. in der internationalen Norm IEC 62196 bzw. der DIN EN 62196 spezifiziert und sollen demnach je nach Lademodus Nennladeströme von 250 A und mehr zur Verfügung stellen können. Die Nennladeströme bewirken an dem Ladestecker und insbesondere bei der Hochvoltleitung eine Wärmeentwicklung, wodurch diese thermisch belastet werden. Thermisch belastete elektrische Leitungen finden darüber hinaus aber auch in anderen Bereichen eines Kraftfahrzeugs Anwendung.
- Zum Entwärmen der Hochvoltleitung schlägt deshalb z.B. die
DE 10 2015 221 571 A1 eine Vorrichtung vor, bei der eine elektrische Leitung bzw. deren Isolationsmantel über ihre Länge einen Hohlraum entlang aufweist, durch den ein Kühlmittel geleitet wird. Nachteilig daran ist, dass hierfür besondere Leitungen notwendig sind, die entweder noch gar nicht am Markt verfügbar sind oder aufgrund der besonderen Konstruktionsmerkmale zu kostenintensiv sind. - Die
DE 20 2017 102 368 U1 offenbart eine ähnliche Ausgestaltung einer elektrischen Leitung, die ebenfalls den Nachteil hat, dass der Isolationsmantel einen Hohlraum als Kühlmittelraum aufweist. Auch hier ist die Leitung also konstruktiv aufwendig gestaltet und entsprechend kostenintensiv in der Fertigung sowie Bereitstellung. - Eine noch aufwendigere konstruktive Ausgestaltung ist in der
DE 10 2015 117 508 A1 beschrieben. Darin weist die elektrische Leitung einen direkt eine Leitungsader umgebenden Schlauch auf, in dem neben der Leitungsader auch eine Fluidleitung für ein Kühlmittel angeordnet ist. Auch hier ist der gesamte Aufbau konstruktiv aufwendig ausgestaltet und entsprechend kostenintensiv. - Beschreibung der Erfindung
- Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Möglichkeit zum Kühlen bzw. Entwärmen von herkömmlichen elektrischen Leitungen zur Verfügung zu stellen.
- Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
- Eine erfindungsgemäße Entwärmungsvorrichtung zum Anbringen an einer elektrischen Leitung hat einen flexiblen oder biegeschlaffen, also nicht formstabilen, sowie hülsen- oder schlauchförmigen Grundkörper. Dieser kann z.B. aus einem kühlmittelresistenten Kunststoffmaterial mit ggf. elastischen Eigenschaften geformt sein. Der Grundkörper weist einen zwischen einer Innenwandung und einer Außenwandung eingeschlossenen Kühlmittelraum sowie eine an die Innenwandung angrenzende Durchgangsöffnung zur Aufnahme der Leitung auf. Die Leitung kann insbesondere eine so genannte Hochvolt-Leitung sein, wie sie z.B. zwischen einer Ladedose/-buchse und einem wiederaufladbaren Energiespeicher eines Elektro- oder Plug-In-Hybridfahrzeugs eingesetzt wird.
- Das heißt, dass die Entwärmungsvorrichtung separat zu der zu kühlenden Leitung gefertigt und bereitgestellt wird. Es gibt insbesondere keine einstückige Einheitlichkeit zwischen einem Isolationsmantel der Leitung und der Entwärmungsvorrichtung. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, herkömmliche Leitungen, wie sie am Markt käuflich erworben werden können, bei Bedarf zu kühlen, indem die Entwärmungsvorrichtung einfach um den Isolationsmantel angebracht und dann von Kühlmittel durchströmt wird. Die Entwärmungsvorrichtung kann dann auch nur in kritischen Bereichen, wie etwa nahe der Ladedose, angebracht werden. Im Stand der Technik wäre hierzu eine Stückelung durch z.B. Steckverbindungen notwendig, wodurch sich der Gesamtwiderstand der Leitung durch zusätzliche Übergangswiderstände erhöht.
- Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelraum an seinen Stirnseiten in einen Kühlmitteleinlassstutzen und einen Kühlmittelauslassstutzen mündet. Dadurch hat die Entwärmungsvorrichtung einen besonders kleinen Außendurchmesser. Der Kühlmitteleinlass- bzw. Kühlmittelauslassstutzen kann einfach ein Materialfortsatz der Innen- und/oder Außenwandung sein. Es ist aber auch möglich, dass als eine Art Widerlager ein formstabiler Einsatz, z.B. ein Metalleinsatz, vorgesehen wird.
- Alternativ zu der stirnseitigen Anordnung ist es auch möglich, dass der Kühlmittelraum in radialer Richtung in einen Kühlmitteleinlassstutzen und einen Kühlmittelauslassstutzen mündet. Dies kann je nach Einbausituation der Leitung die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels erleichtern.
- Um ein möglichst enges Anlegen der Entwärmungsvorrichtung an dem Isolationsmantel bzw. dem Außenumfang der Leitung und damit einen größtmöglichen Wärmeübergang zu ermöglichen, kann ein Durchmesser der Durchgangsöffnung kleiner sein als ein Außendurchmesser der Leitung.
- Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Leitung nicht immer über ihre gesamte Länge gekühlt werden muss. Deshalb ist es aufgrund der Kosteneinsparung und der verbesserten Montage häufig ausreichend, wenn die Entwärmungsvorrichtung eine Länge von 50 bis 500 mm, vorzugsweise von 100 bis 300 mm, aufweist. Damit kann eine längere Leitung in den thermisch kritischen Abschnitten gekühlt werden, während die Entwärmungsvorrichtung an den unkritischen Abschnitten ausgespart werden kann bzw. dort nicht angebracht werden muss.
- Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Leitungsanordnung. Diese verfügt über eine elektrische Leitung, die einen Innenleiter und einen diesen umgebenden Isolationsmantel aus einem, vorzugsweise hohlraumfreien, Vollmaterial aufweist. In anderen Worten handelt es sich um eine herkömmliche isolierte Leitung. Separat zu bzw. nicht einstückig mit dem Isolationsmantel ist eine Entwärmungsvorrichtung mit einem flexiblen oder biegeschlaffen, hülsen- oder schlauchförmigen Grundkörper vorgesehen, der einen zwischen einer Innenwandung und einer Außenwandung eingeschlossenen Kühlmittelraum sowie eine an die Innenwandung angrenzende Durchgangsöffnung aufweist, in der die Leitung aufgenommen ist.
- Die Leitungsanordnung ermöglicht es also, eine herkömmliche Leitung um eine einfach zu montierende Kühlmöglichkeit zu ergänzen. Dabei können entlang der Leitung auch mehrere in Längserstreckungsrichtung der Leitung voneinander beabstandete Entwärmungsvorrichtungen vorgesehen sein, z.B. jeweils in thermisch kritischen Abschnitten.
- Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung einsetzen, wenn die elektrische Leitungsanordnung zwischen zwei elektrischen Komponenten, vorzugsweise einer Ladebuchse und einem wiederaufladbaren Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs, angeordnet ist und während des Betriebs der Komponenten elektrischer Strom mit einer Stromstärke von 100 A bis 200 A oder mehr, vorzugsweise von 270 A oder mehr, fließt. Durch die flexibel anordbare Entwärmungsvorrichtung kann eine relativ klein dimensionierte Leitung verwendet werden.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Entwärmen einer elektrischen Leitung. Das Verfahren sieht die folgenden Schritte vor:
- - Bereitstellen der elektrischen Leitung. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Leitung mit einem Innenleiter und einem aus einem Vollmaterial gefertigten Isolationsmantel.
- - Anbringen einer eine Durchgangsöffnung aufweisenden, flexiblen oder biegeschlaffen Entwärmungsvorrichtung auf eine Außenumfangsfläche der Leitung. In anderen Worten wird die Entwärmungsvorrichtung um den Isolationsmantel herum angebracht, so dass diese vollflächig an dem Isolationsmantel anliegen kann.
- - Strömen lassen eines Kühlmittels in einem zwischen einer Innenwandung und einer Außenwandung der Entwärmungsvorrichtung gebildeten Kühlmittelraum. Zwischen der an dem Isolationsmantel anliegenden Innenwandung und der Außenwandung ist somit ein Hohlraum gebildet, in den Kühlmittel einbringbar ist.
- Zum Anbringen der Entwärmungsvorrichtung kann die Leitung zunächst durch die Durchgangsöffnung der noch biegeschlaffen Entwärmungsvorrichtung gefädelt und danach das Kühlmittel unter Druck gesetzt werden. Dadurch ist die Entwärmungsvorrichtung also zunächst noch schlaff, so dass die Leitung vergleichsweise einfach durch die Durchgangsöffnung, die ggf. einen größeren Durchmesser als den Außendurchmesser der Leitung aufweist, gefädelt werden kann. Wenn dann das Kühlmittel eingelassen und unter Druck gesetzt wird, bläht sich die Entwärmungsvorrichtung auf und legt sich dadurch vollflächig an den Außenumfang der Leitung an.
- Es ist aber auch möglich, dass die Durchgangsöffnung mit einem Durchmesser bereitgestellt wird, der kleiner ist als ein Außendurchmesser der Leitung. Zwischen der Entwärmungsvorrichtung und der Leitung besteht dann also eine Übermaßpassung bzw. Presspassung, die für ein sehr enges Anliegen der Innenwandung an dem Außenumfang der Leitung sorgt.
- Um bei der Übermaßpassung das Anbringen zu vereinfachen, kann die Durchgangsöffnung, insbesondere durch Verwendung eines Spreizwerkzeugs, aufgespreizt und dann die Leitung hindurch gefädelt werden.
- Figurenliste
- Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematisch dargestellte, erfindungsgemäße Leitungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung für eine elektrische Leitung. -
2 einen Teilabschnitt der Leitungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung, die an einer zu kühlenden elektrischen Leitung angebracht ist, in einer perspektivischen Ansicht. -
3 eine perspektivische Schnittansicht eines Teilabschnitts einer Leitungsanordnung mit einer Entwärmungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsvariante und -
4 eine perspektivische Schnittansicht eines Teilabschnitts einer Leitungsanordnung mit einer Entwärmungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsvariante. - Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- Detaillierte Beschreibung
- In
1 ist eine elektrische Leitungsanordnung100 schematisch dargestellt, die eine elektrische Leitung1 aufweist, die beispielsweise in einem Elektrofahrzeug z.B. eine Ladebuchse200 mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher300 verbindet. Der Übersichtlichkeit halber stellt die Leitung1 hier eine direkte Verbindung her, die in der Praxis jedoch auch mittelbar mit Zwischenelementen realisiert sein kann. Im Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs können über die Leitung1 beispielsweise 200 A oder mehr fließen, wodurch diese thermisch belastet ist. Die Leitung1 ist daher zumindest abschnittsweise von einer Entwärmungsvorrichtung2 umgeben, die für eine Kühlung der Leitung1 sorgt. -
2 zeigt den mit der Entwärmungsvorrichtung2 gekühlten Teilabschnitt der Leitungsanordnung100 in einer perspektivischen Ansicht. Es ist erkennbar, dass die zu kühlende Leitung1 einen Innenleiter3 und einen diesen umgebenden Isolationsmantel4 aus einem Kunststoff-Vollmaterial aufweist, wie dies von herkömmlichen Leitungen für hohe Ströme bekannt ist. Am Außenumfang5 des Isolationsmantels4 liegt die schlauch- oder hülsenförmige Entwärmungsvorrichtung2 an, die aus einem flexiblen und/oder biegeschlaffen Kunststoffmaterial gefertigt ist und eine zentrale Durchgangsöffnung6 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Innenleiter3 ein Rundleiter aus z.B. Kupfer, der mit der Durchgangsöffnung6 konzentrisch ausgerichtet ist. Demnach ist die Leitung1 in radialer Richtung von der Entwärmungsvorrichtung2 umgeben. - In
3 , die eine schematische Schnittansicht der Leitungsanordnung100 aus2 zeigt, ist erkennbar, dass die Entwärmungsvorrichtung2 benachbart zu dem Isolationsmantel4 eine daran mit ihrer Außenseite anliegende Innenwandung7 und in radialer Richtung beabstandet davon eine Außenwandung8 aufweist. Die Innenwandung7 und die Außenwandung8 sind miteinander so verbunden, dass dazwischen ein fluiddichter Hohlraum ausgebildet ist, der als Kühlmittelraum9 für ein vorzugsweise flüssiges Kühlmittel dient. - An einer ersten Stirnseite der Entwärmungsvorrichtung
2 ist ein Kühlmitteleinlassstutzen10 zum Einleiten des Kühlmittels und an einer zweiten Stirnseite ist ein Kühlmittelauslassstutzen11 zum Ausleiten des Kühlmittels ausgeformt, was z.B. durch einen Materialfortsatz des Kunststoffmaterials der Entwärmungsvorrichtung2 und ggf. durch einen stutzenförmigen Metalleinsatz als Widerlager realisiert ist. Der jeweilige Kühlmittelstutzen10 ,11 ist hier in Leitungslängsrichtung geöffnet, so dass beim Anschluss einer (nicht gezeigten) Kühlmittelleitung die Baugröße der Leitungsanordnung100 in radialer Richtung klein bleibt. -
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Entwärmungsvorrichtung2 , die sich gegenüber der vorstehend beschriebenen Ausführungsform in der Anordnung des Kühlmitteleinlassstutzens10 und Kühlmittelauslassstutzens11 unterscheidet. Hier erstrecken sich diese nun in radialer Richtung und sind auch in diese Richtung geöffnet. - Anhand der
1 bis4 soll nun im Folgenden ein mögliches Verfahren zum Entwärmen der elektrischen Leitung1 erläutert werden. - Zunächst wird die elektrische Leitung
1 möglichst als Einzelbauteil bereitgestellt. Dann wird die hülsen- oder schlauchförmige Entwärmungsvorrichtung2 bereitgestellt, was auf unterschiedliche Weise erfolgen kann, nämlich entweder mit einem ungefähr dem Außendurchmesser der Leitung1 entsprechenden oder geringfügig größeren Durchmesser der Durchgangsöffnung6 oder mit einem gegenüber dem Außendurchmesser der Leitung1 kleineren Durchmesser der Durchgangsöffnung6 . - Wenn der Durchmesser der Durchgangsöffnung
6 ungefähr dem Außendurchmesser der Leitung1 entspricht oder sogar geringfügig größer ist, also im Prinzip eine Spielpassung aufweist, wird die Leitung1 durch die aufgrund ihrer Materialbeschaffenheit biegeschlaffe Entwärmungsvorrichtung2 bzw. deren Durchgangsöffnung6 hindurch gefädelt. - Wenn allerdings der Durchmesser der Durchgangsöffnung
6 , vorzugsweise geringfügig, kleiner ist als der Außendurchmesser der Leitung1 , also im Prinzip eine Übermaßpassung aufweist, wird ein (nicht gezeigtes) Spreizwerkzeug verwendet, das z.B. in die Durchgangsöffnung6 eingreift und diese aufspreizt. Dies wird unterstützt, indem das Kunststoffmaterial der Entwärmungsvorrichtung2 zumindest leicht elastische Eigenschaften hat. Im aufgespreizten Zustand wird die Leitung1 dann durch die Durchgangsöffnung6 hindurch gefädelt oder, umgekehrt, die Entwärmungsvorrichtung2 auf die Leitung1 aufgefädelt. - Dann wird die Entwärmungsvorrichtung
2 über ihre Kühlmittelstutzen10 ,11 an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen und entsprechend mit Kühlmittel gefüllt, das dann unter Druck gesetzt wird. Durch den fluidischen Druck im Kühlmittelraum9 versteift sich die vorher biegeschlaffe Entwärmungsvorrichtung2 und die Außenseite der Innenwandung7 legt sich vollflächig an den Außenumfang5 der Leitung1 an. - Im Betrieb, also insbesondere im Ladebetrieb, der Leitungsanordnung
100 wird sich aufgrund des hohen Stroms von 200 A oder mehr die Leitung1 erwärmen, wobei die Wärme an das Kühlmittel der Entwärmungsvorrichtung2 abgegeben wird. - Bezugszeichenliste
-
- 100
- Elektrische Leitungsanordnung
- 200
- Ladebuchse
- 300
- Energiespeicher
- 1
- Elektrische Leitung
- 2
- Entwärmungsvorrichtung
- 3
- Innenleiter
- 4
- Isolationsmantel
- 5
- Außenumfang
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- Innenwandung
- 8
- Außenwandung
- 9
- Kühlmittelraum
- 10
- Kühlmitteleinlassstutzen
- 11
- Kühlmittelauslassstutzen
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015221571 A1 [0003]
- DE 202017102368 U1 [0004]
- DE 102015117508 A1 [0005]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Norm IEC 62196 [0002]
- DIN EN 62196 [0002]
Claims (11)
- Entwärmungsvorrichtung (2) zum Anbringen an einer elektrischen Leitung (1), mit einem flexiblen oder biegeschlaffen, hülsen- oder schlauchförmigen Grundkörper, der einen zwischen einer Innenwandung (7) und einer Außenwandung (8) eingeschlossenen Kühlmittelraum (9) sowie eine an die Innenwandung (7) angrenzende Durchgangsöffnung (6) zur Aufnahme der Leitung (1) aufweist.
- Entwärmungsvorrichtung (2) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) an seinen Stirnseiten in einen Kühlmitteleinlassstutzen (10) und einen Kühlmittelauslassstutzen (11) mündet. - Entwärmungsvorrichtung (2) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelraum (9) in radialer Richtung in einen Kühlmitteleinlassstutzen (10) und einen Kühlmittelauslassstutzen (11) mündet. - Entwärmungsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Durchgangsöffnung (6) kleiner ist als ein Außendurchmesser der Leitung (1).
- Entwärmungsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwärmungsvorrichtung (2) eine Länge von 50 bis 500 mm, vorzugsweise von 100 bis 300 mm, aufweist.
- Elektrische Leitungsanordnung (100), mit einer elektrischen Leitung (1), die einen Innenleiter (3) und einen diesen umgebenden Isolationsmantel (4) aus einem, vorzugsweise hohlraumfreien, Vollmaterial aufweist, und einer Entwärmungsvorrichtung (2) mit einem flexiblen oder biegeschlaffen, hülsen- oder schlauchförmigen Grundkörper, der einen zwischen einer Innenwandung (7) und einer Außenwandung (8) eingeschlossenen Kühlmittelraum (9) sowie eine an die Innenwandung (7) angrenzende Durchgangsöffnung (6) aufweist, in der die Leitung (1) aufgenommen ist.
- Elektrische Leitungsanordnung (100) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitungsanordnung (100) zwischen zwei elektrischen Komponenten (200, 300), vorzugsweise einer Ladebuchse und einem wiederaufladbaren Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs, angeordnet ist und während des Betriebs der Komponenten (200, 300) Strom mit einer Stromstärke von 270 A oder mehr fließt. - Verfahren zum Entwärmen einer elektrischen Leitung (1), mit den Schritten: - Bereitstellen der elektrischen Leitung (1), - Anbringen einer eine Durchgangsöffnung (6) aufweisenden, flexiblen oder biegeschlaffen Entwärmungsvorrichtung (2) auf eine Außenumfangsfläche (5) der Leitung (1), - Strömen lassen eines Kühlmittels in einem zwischen einer Innenwandung (7) und einer Außenwandung (8) der Entwärmungsvorrichtung (2) gebildeten Kühlmittelraum (9).
- Verfahren nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) zunächst durch die Durchgangsöffnung (6) der noch biegeschlaffen Entwärmungsvorrichtung (2) gefädelt und danach das Kühlmittel unter Druck gesetzt wird. - Verfahren nach
Anspruch 8 oder9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (6) mit einem Durchmesser bereitgestellt wird, der kleiner ist als ein Außendurchmesser der Leitung (1). - Verfahren nach
Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (6), insbesondere durch Verwendung eines Spreizwerkzeugs, aufgespreizt und dann die Leitung (1) hindurch gefädelt wird.
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