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 LastInfo
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Description
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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