DE19851367C2 - Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven Last - Google Patents

Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven Last

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Description

1. Beschreibung 1.1. Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem elektri­ schen Energiespeicher verbundene induktive Last in einem Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher in Form einer (wiederauflad­ baren) Fahrzeugbatterie, der mit einem Wechselrichter oder einer anderen mit hoher Frequenz schaltenden elektronischen Leistungsbaugruppe verbunden ist, wobei der Wechselrichter seinerseits einen Wechselstrommotor speist, der die induk­ tive Last bildet.
Insbesondere in Kraftfahrzeugen, in denen ein Wechselstrom­ motor im Antriebsstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist um als Anlasser, Lichtmaschine und als Schwingungstil­ ger zu wirken, besteht das Problem, dem den Wechselstrommo­ tor ansteuernden Wechselrichter eine hohe Gleichstromlei­ stung aus der Autobatterie zuzuführen. Derartige Autobatte­ rien sind in der Regel Blei/Säure-Akkumulatoren und für ma­ ximale Umgebungstemperaturen von etwa 60° Celsius bis etwa 70° Celsius ausgelegt. Allerdings können im Motorraum eines modernen Kraftfahrzeuges, wo sich auch der Wechselstrommo­ tor und der zugehörige Wechselrichter befinden, auch über längere Betriebszeiträume Temperaturen von 150° Celsius und mehr auftreten. Um temperaturbedingte Beeinträchtigungen der Autobatterie zu vermeiden, aber auch aus Platz- und Ge­ wichtsverteilungsgründen wird diese üblicherweise im Heck des Fahrzeuges (zum Beispiel im Kofferraum) angeordnet.
Daher besteht das Problem, eine Verbindungsleitung von der Autobatterie im Heck zu dem Wechselrichter im Frontbereich des Fahrzeuges zu verlegen. Diese relativ lange Verbin­ dungsleitung muß aufgrund der erforderlichen hohen Ströme sehr niederohmig dimensioniert sein, was entsprechend große Leitungsquerschnitte bedingt. Übliche einadrige oder zwei­ adrige Kabel mit diesen Querschnitten können zwar in den baulichen Gegebenheiten eines Kraftfahrzeuges verlegt wer­ den. Allerdings haftet ihnen der erhebliche Nachteil einer zu hohen Induktivität an. Dies hat zur Folge, daß bei Schaltvorgängen mit hoher Frequenz bei den hohen Strömen in der Verbindungsleitung elektrische Energie gespeichert ist, die nicht abfließen kann und zu unkontrollierten Entladun­ gen und zur Zerstörung einzelner Bauteile führen kann.
1.2. Stand der Technik
Im Stand der Technik sind zur Speisung von Elektromotoren in Anwendungsbereichen, bei denen es auf minimale magneti­ sche Abstrahlung ankommt, Leitungen bekannt, bei denen die einzelnen Leiter (Plus, Minus) durch im Querschnitt schach­ brettartig verteilt angeordnete Leiterelemente gebildet werden. Diese Anordnung ist jedoch aufwendig in der Herstellung und in der Anschlußtechnik. Außerdem ist die Isolierung der einzelnen Leiterelemente gegen die benachbarten Leiterele­ mente aufwendig und bewirkt eine erhebliche Zunahme des Ge­ samtquerschnitts. Im übrigen liegt dieser Anordnung nicht das Problem der hohen Induktivität der Speiseleitung, son­ dern das einer möglichst geringen magnetischen Gesamtabstrahlung zugrunde.
In DE 37 43 317 A1 wird ein Fahrzeugbordnetzsystem mit einer Batterie und einer mit dieser über einen Pulswech­ selrichter verbundenen Asynchron-/Synchronmaschine be­ schrieben. Hierbei wird Leistung zwischen der Batterie und der Maschine bzw. dem Pulswechselrichter über herkömmliche zweiadrige Kabel übertragen.
In dem Artikel "Entwurf von Drehstrom-Koaxialkabeln" von H. Brakelmann in der Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft", Jahrgang 81 (1982), Heft 26, Seiten 942-947, werden die Vorteile von Drehstrom-Koaxialkabeln gegenüber Hochspan­ nungs-Gleichstrom-Übertragungskabeln erläutert. Die dort beschriebenen Drehstrom-Koaxialkabel werden zur Übertragung hoher Leistungen im Bereich zwischen 100 und 1850 MVA an­ stelle herkömmlicher Kabel verwendet, da die Drehstrom- Koaxialkabel bei den hier infrage kommenden Spannungen zwi­ schen 110 kV und 400 kV höhere Ströme übertragen können. Aussagen über die Verringerung der Induktivität derartiger Drehstrom-Koaxialkabel sind in diesem Artikel nicht zu fin­ den. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Drehstrom- Koaxialkabel hier nur zur unidirektionalen Übertragung von Energie zwischen einem Energiespeicher und einer Last ver­ wendet werden. Die Verwendung von mit hoher Frequenz schal­ tender elektronischer Leistungsbaugruppen, bei deren Be­ trieb die Induktivität der Energie zu- und abführenden Kabel eine große Rolle spielen, wird nicht beschrieben.
1.3. Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für zwischen ei­ nem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem über einen schnellschaltenden Leistungsschalter verbundenen induktiven Last im Kraftfahrzeug eine Verbindungsleitung be­ reitzustellen.
1.4. Erfindungsgemäße Lösung
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß zwischen ei­ nem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem über eine mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungs­ baugruppe verbundenen induktiven Last in einem Kraftfahr­ zeug eine Speiseleitung vorgesehen, die einen mit einem er­ sten Anschlußpol des elektrischen Energiespeichers verbun­ denen Kernleiter und einen diesen umgebenden, mit einem zweiten Anschlußpol des elektrischen Energiespeichers ver­ bundenen Mantelleiter aufweist.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Speiseleitung ex­ trem niederinduktiv ist. Vergleichsmessungen haben ergeben, daß die Induktivität einer erfindungsgemäßen Speiseleitung etwa 15 mal geringer ist als die Induktivität einer zwei­ adrigen Litze mit entsprechender Querschnittsfläche. Des weiteren läßt diese Anordnung kleine Biegeradien für die Speiseleitung in jeder beliebigen Richtung zu, wie sie beim Einbau in Kraftfahrzeuge erforderlich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise ein Blei/Säure-Akkumulator, und die mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe ist ein Wechselrichter. Schließlich ist die induktive Last be­ vorzugt ein Wechselstrommotor, vorzugsweise ein Asynchron­ motor, der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges als Anlas­ ser, Generator (Lichtmaschine) und Schwingungstilger ange­ ordnet ist.
Dabei hat der Kernleiter eine zylindrische Querschnittsge­ stalt und der diesen umgebende Mantelleiter eine entspre­ chende Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche. Insbesondere zur einfachen Handhabung der Speiseleitung beim Verlegen bzw. Einbau in das Kraft­ fahrzeug um die im hinteren Bereich des Fahrzeuges angeord­ nete Batterie mit dem Wechselrichter bzw. dem Asysnchronmo­ tor zu verbinden ist es vorteilhaft, wenn die Querschnitts­ gestalt des Kernleiters und des Mantelleiters kreisrund sind. Es sind jedoch je nach spezifischen Anforderungen auch davon abweichende Querschnittsgestalten (quadratisch, rechteckig, mehreckig, elliptisch) möglich.
Weiterhin ist der Kernleiter von dem Mantelleiter durch ei­ ne erste Isolationsschicht getrennt und der Mantelleiter von einer zweiten Isolationsschicht umgeben ist.
Insbesondere für mehrphasige Speiseleitungen kann der Man­ telleiter, durch eine weitere Isolationsschicht getrennt, von wenigstens einem weiteren Mantelleiter umgeben sein.
Zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) kann der äußerste Mantelleiter von einer zusätzlichen Ab­ schirmungshülle, vorzugsweise aus Drahtgeflecht umgeben sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Kernleiter und/oder der oder jeder Mantelleiter aus vor­ zugsweise verseilter Drahtlitze gebildet. Damit wird eine besonders gute Flexibilität, auch bei größeren Querschnit­ ten sichergestellt.
Die Erfindung betrifft auch die Speiseleitung an sich mit einem Kernleiter und den einander konzentrisch umbegebenden Mantelleitern, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den anderen Komponenten der Kraftfahrzeug-Funktionsgruppe be­ schrieben ist.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar­ gestellt sind.
1.5. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Funktionsgruppe mit einem Energiespeicher, ei­ ner Speiseleitung, einem Wechselrichter und einer indukti­ ven Last.
Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Darstel­ lung einer Speiseleitung gemäß der Erfindung in einer er­ sten Ausführungsform.
Fig. 3 zeigt eine stirnseitige Darstellung der erfindungs­ gemäßen Speiseleitung aus Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Darstel­ lung einer Speiseleitung gemäß der Erfindung in einer zwei­ ten Ausführungsform.
1.6. Detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Aus­ führungsformen
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Funktionsgruppe gezeigt, die durch einen elektrischen Energiespeicher in Form einer wiederaufladbaren Batterie 10 und eine mit der Batterie 10 durch eine Speiseleitung 12 mit zwei Leitern 12', 12" ver­ bundene elektronische Leistungsbaugruppe 14 und eine mit dieser verbundene induktive Last 16 gebildet ist. Der Über­ sichtlichkeit ist die elektronische Leistungsbaugruppe 14 lediglich schematisch durch zwei Leistungsschalter 14a, 14b und zwei Freilaufdioden 14c, 14d angedeutet, wobei insbe­ sondere die Ansteuerschaltung für die beiden mit hoher Fre­ quenz schaltenden Leistungs(halbleiter)schalter 14a, 14b nicht weiter veranschaulicht sind. Details einer derartigen elektronischen Leistungsbaugruppe 14 sind zum Beispiel in der Deutschen Patentschrift 42 30 510 C1 der Anmelderin be­ schrieben. Die induktive Last 16 ist vorzugweise eine Pha­ se (n-Wicklung) eines (nicht weiter veranschaulichten) Asyn­ chronmotors. Die übrigen Phasen des Asynchronmotors sind gleichermaßen über entsprechende elektronische Leistungs­ baugruppen 14 mit der Speiseleitung 12 verbunden.
Erfindungsgemäß ist der eine (mit größerer Strichstärke ge­ zeichnete) Leiter 12' der Speiseleitung 12 mit einem ersten Anschlußpol 10a des elektrischen Energiespeichers 10 ver­ bunden und als Kernleiter ausgestaltet, während der zweite (mit größerer Strichstärke gezeichnete) Leiter 12" der Speiseleitung 12 ein den Kernleiter 12' umgebender, mit ei­ nem zweiten Anschlußpol 10b des elektrischen Energiespei­ chers 10 verbundener Mantelleiter 12" ist. Vorzugsweise ist der Mantelleiter 12" mit dem Masseanschluß und der Kernlei­ ter 12' mit dem Pluspol der Batterie 10 verbunden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der Kernleiter 12' eine zylindrische Querschnittsge­ stalt und der diesen umgebende Mantelleiter 12" weist eine ent­ sprechende Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche auf.
Zwischen dem Kernleiter 12' und dem Mantelleiter 12" ist eine erste Isolationsschicht 18' aus Kunststoff angeordnet. Der Mantelleiter 12" ebenfalls ist von einer zweiten Isola­ tionsschicht 18" aus Kunststoff umgeben.
Wie in Fig. 3 gezeigt, haben der Kernleiter 12' und der Mantelleiter 12" jeweils eine kreiszylindrische bzw. kreis­ ringzylindrische Querschnittsgestalt. Zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Enden der Speiseleitung 12 mit der Batterie 12 bzw der Leistungsbaugruppe 14 kann die Speiseleitung 12 in der in Fig. 2 gezeigten Weise stufen­ weise abisoliert sein, so daß (nicht gezeigte) Ver­ bindungsschellen angelegt werden können.
In Fig. 4 ist eine Speiseleitung für einen Drehstroman­ schluß gezeigt. Allerdings läßt sich das Prinzip der einan­ der konzentrisch umgebenden Leiter auch mit einer noch grö­ ßeren Anzahl von Leitern fortsetzen.
Je nach Einsatzzweck kann dabei ein gemeinsamer Masse- Leiter für mehrere Phasenleiter vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Querschnittsfläche des Masse-Leiters der Summe aller Querschnittsflächen der einzelen Phasenleiter sein sollte. Alternativ dazu kann auch jeweils eine Masse­ leitung für einen benachbarten, innenliegenden Phasenleiter vorgesehen sein.
Sowohl der Kernleiter als auch jeder der Mantelleiter sind aus blanken Kupferdrähten durch Verseilen gebildet. Zur Er­ höhung der Abschirmung ist der äußerste Mantelleiter von einer ggf. nach außen elektrisch isolierten zusätzlichen Abschirmungshülle 20 (siehe Fig. 3) aus Drahtgeflecht umgeben.

Claims (9)

1. Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit
einer Speiseleitung (12), die vorgesehen ist zwischen
einem elektrischen Energiespeicher (10) und
einer induktiven Last (16), mit der der elektrische Energiespeicher (10) über eine mit hoher Frequenz schalten­ de elektronische Leistungsbaugruppe (14) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Speiseleitung (12)
einen mit einem ersten Anschlußpol (10a) des elektri­ schen Energiespeichers verbundenen Kernleiter (12') und
einen diesen umgebenden, mit einem zweiten Anschlußpol (10b) des elektrischen Energiespeichers (10) verbundenen Mantelleiter (12") aufweist.
2. Funktionsgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Energiespeicher (10) eine wiederaufladba­ re Batterie, vorzugsweise ein Blei/Säure-Akkumulator ist.
3. Funktionsgruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit hoher Frequenz schaltende elektronische Lei­ stungsbaugruppe (14) ein Wechselrichter ist.
4. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Last (16) ein Wechselstrommotor, vorzugs­ weise ein Asynchronmotor ist.
5. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernleiter (12') eine zylindrische Querschnittsge­ stalt und der diesen umgebende Mantelleiter (12") eine entsprechende Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche aufweist.
6. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernleiter (12') von dem Mantelleiter (12") durch ei­ ne erste Isolationsschicht (18') getrennt und der Mantel­ leiter (12") von einer zweiten Isolationsschicht (18") um­ geben ist.
7. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelleiter, durch eine weitere Isolationsschicht getrennt, von wenigstens einem weiteren Mantelleiter umge­ ben ist.
8. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Mantelleiter von einer zusätzlichen Abschir­ mungshülle, vorzugsweise aus Drahtgeflecht umgeben ist.
9. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernleiter und/oder der oder jeder Mantelleiter aus vorzugsweise verseilter Drahtlitze gebildet sind.
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