DE69710822T2

DE69710822T2 - Hochfrequenz-Leistungskabel

Info

Publication number: DE69710822T2
Application number: DE69710822T
Authority: DE
Inventors: Scott D. Downer; George R. Woody
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: JP3326365B2; EP0821371A3; KR980011525A; KR100264722B1; EP0821371B1; EP0821371A2; ES2170329T3; MX9705598A; TW342505B; US5777273A; JPH10116519A; DE69710822D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Kabel und insbesondere ein Stromkabel für Hochfrequenz und Hochspannung zum Gebrauch mit einem induktiven Ladesystem, das elektrische Fahrzeuge lädt.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung konstruiert und stellt induktive Ladesysteme zum Gebrauch beim Laden von Elektrofahrzeugen her. Das Ladesystem verwendet einen Ladeanschluss, in welchen ein induktiver Koppler eingesetzt wird, um das Elektrofahrzeug zu laden. Der induktive Koppler ist über ein Kabel mit einer Energiequelle gekoppelt.
Das Kabel muss dazu in der Lage sein, Hochfrequenz (100 KHz bis 400 KHz) und Hochspannung (230 V bis 430 V) handzuhaben und bidirektionale Kommunikationssignale zu leiten. Das Kabel muss auch eine raue Betriebsumgebung aushalten, während es seine Flexibilität beibehalten muss. Das Kabel muss auch eine ausreichende Abschirmung aufweisen, um eine EMI-Kompatibilität mit anderen Verbraucherprodukten beizubehalten. Es sind keine elektrischen Kabel bekannt, die diese Erfordernisse erfüllen.
Kommerziell verfügbare Standardkabel, die untersucht wurden, erfüllen nicht die UL-, FCC-, Kommunikationsverbindungs- und Flexibilitätsanforderungen wie auch nicht die elektrischen und thermischen Anforderungen. Es wurde eine Vielzahl kommerziell verfügbarer Kabel untersucht, aber ihre Kapazitätswerte zwischen den Leitern und der Außenabschirmung waren zu hoch. Die Außenabschirmungen besaßen auch keine ausreichende Bedeckung, um eine EMI zur Abschirmung vorzusehen. Die kommerziell erhältlichen Kabel waren zu steif, um mit einem Rückziehmechanismus verwendet werden zu können. Keines der kommerziell erhältlichen Kabel besaß zusätzlich zu der Fähigkeit zum Leiten von Strom auch eine Koaxialleitung zur Kommunikation.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stromkabel für Hochfrequenz zum Gebrauch mit einem induktiven Ladesystem vorzusehen, das Elektrofahrzeuge lädt. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stromkabel für Hochfrequenz vorzusehen, das Hochfrequenz und Hochspannung handhabt, bidirektionale Kommunikationssignale leitet, dazu in der Lage ist, eine raue Betriebsumgebung auszuhalten, während es seine Flexibilität beibehält, und eine ausreichende Abschirmung vorsieht, um Verbraucher-EMI-Kompatibilitätsanforderungen zu erfüllen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die obigen und anderen Aufgaben zu erfüllen, umfasst die vorliegende Erfindung ein elektrisches Kabel, das zum Gebrauch mit einem induktiven Ladesystem ausgebildet ist, das bei Ladeanwendungen für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Das Kabel ist so ausgebildet, um effizient AC- Energie bei Hochfrequenz zwischen 100 KHz bis 400 KHz bei Hochspannungspegeln in der Größenordnung von 230 Volt bis 430 Volt zu übertragen. Das Kabel ist so ausgebildet, um bidirektionale HF-Kommunikationssignale zwischen einer Energiequelle des Ladesystems und dem Elektrofahrzeug unter Verwendung einer Trägerfrequenz von 915 MHz zu leiten. Das Kabel ist unempfindlich genug, um eine Außenbetriebsumgebung auszuhalten, während es seine Flexibilität beibehält. Das Kabel ist auch so ausgebildet, um eine ausreichende Abschirmung aufzuweisen und eine EMI-Kompatibilität mit anderen Verbraucherprodukten beizubehalten.
Das elektrische Kabel umfasst mehrere verdrillte Paare (twisted pairs) von separat isoliertem Litzendraht, die in einer Pseudo-Litzendraht- Architektur angeordnet sind und ein Koaxialkabel umgeben. Das Koaxialkabel leitet die bidirektionalen HF-Kommunikationssignale zwischen einer Energiequelle 13 des Ladesystems und dem Fahrzeug. Das Kabel weist eine äußere EMI-Abschirmung auf, die aus einer metallisierten Mylarlage besteht, die von einer Lage aus einem verzinnten Kupfergeflecht mit einer hohen Bedeckung umgeben ist. Die mehreren verdrillten Paare von Drähten und das Koaxialkabel sind in einem Füllmaterial aus Polytetrafluorethylen (PTFE) innerhalb der äußeren EMI-Abschirmung eingebettet. Die Außenabdeckung, die aus Polyurethan oder einem ähnlichen Material besteht, ist um die Außenseite des Kabels angeordnet.
Das Kabel wird dazu verwendet, Energie von dem induktiven Ladesystem an das Elektrofahrzeug zu leiten, um dieses zu laden. Die Konstruktion des Kabels ermöglicht eine Übertragung von hochfrequenter AC-Energie, während es strenge FCC-Emissionsanforderungen (FCC-Anforderungen für abgestrahltes Rauschen) übertrifft. Es existierten keine kommerziell verfügbaren Kabel, die diese Anforderung erfüllten. Anfängliche Experimente wurden mit verschiedenen Koaxialkabelkonstruktionen, verschiedenen Kombinationen aus verdrillten Paaren und verschiedenen Materialien ohne Durchbrüche ausgeführt. Die endgültige Kabelkonstruktion, die den Gegenstand der vorliegenden Offenbarung darstellt, erfüllt UL- Anforderungen, FCC-Anforderungen, thermische und elektrische Anforderungen sowie auch Flexibilitätsanforderungen.
Das Kabel wurde speziell zur Verwendung als Teil eines induktiven 6,6 Kilowatt Ladesystems entwickelt, das von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde. Das Kabel ist auch zum Gebrauch als ein Ausgabeenergiekabel für den 6,6 Kilowatt Ladeanschluss des induktiven Ladesystems konstruiert.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche bauliche Elemente bezeichnen, und wobei:
Fig. 1 ein induktives Ladesystem zeigt, das ein Stromkabel für Hochfrequenz und Hochspannung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet, welches dazu verwendet wird, Vortriebsbatterien eines Elektrofahrzeugs zu laden; und
Fig. 2 eine Schnittansicht des Stromkabels gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein induktives Ladesystem 10 zeigt, das ein Stromkabel 20 für Hochfrequenz und Hochspannung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet und dazu verwendet wird, Vortriebsbatterien 11 eines Elektrofahrzeuges 12 zu laden. Das induktive Ladesystem 10 besteht aus einer Energiequelle 13, die über das Stromkabel 20 mit einer Ladesonde 14 gekoppelt ist. Die Ladesonde 14 ist so ausgebildet, um in einen Ladeanschluss 15 eingesetzt werden zu können, der in dem Elektrofahrzeug 12 (durch den gestrichelten Pfeil gezeigt) angeordnet ist. Die Ladesonde 14 bildet eine Primärwicklung eines Transformators, während der Ladeanschluss 15 deren Sekundärwicklung bildet. Sobald die Ladesonde 14 in den Ladeanschluss 15 eingesetzt ist, wird Energie von der Energiequelle 13 an die Vortriebsbatterien 11 des Elektrofahrzeuges 12 übertragen. Die Energie wird von der Energiequelle 13 gesteuert durch eine Steuerung 16 übertragen.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung des Stromkabels 20 für Hochfrequenz und Hochspannung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Das Stromkabel 20 kann bevorzugt als Teil des induktiven Ladesystems verwendet werden, das die Vortriebsbatterien 11 des Elektrofahrzeuges 12 induktiv lädt. Es sei jedoch zu verstehen, dass das vorliegende Stromkabel 20 auch bei anderen Anwendungen verwendet werden kann, bei denen es erforderlich ist, dass hochfrequente Energie und Kommunikationssignale übertragen werden müssen. Somit sollte die vorliegende Beschreibung für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung als nicht beschränkend angesehen werden.
Das Stromkabel 20 umfasst mehrere verdrillte Paare 21 von separat isoliertem Litzendraht 22, die in einer Pseudo-Litzendraht-Architektur angeordnet sind. Jeder der Litzendrähte 22 weist einen äußeren Silikonmantel 22a auf, der um diesen herum angeordnet ist. Bei einer konkreten Ausführungsform des Stromkabels 20, die in Fig. 2 gezeigt ist, wurden zwei verdrillte Paare 21 von Litzendraht 22 verwendet, und es wurde ein Litzendraht 22 mit einem Durchmesser von 2,00 mm (12 AWG (American Wire Gauge Standard)) verwendet. Bei der konkreten Ausführungsform des Stromkabels 20 umfassen Leiter jedes verdrillten Paares 21 aus Drähten 22 665 Stränge aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,08 mm (fourty Gauge), um eine Flexibilität vorzusehen. Gröbere Stränge aus 65 Strängen aus Draht mit einem Durchmesser von 0,12 - 0,13 mm (36 Gauge) können durch Erhöhung der Flexibilität durch Verwendung einer rohrförmigen Extrusion gegenüber einer Extrusion für den Außenmantel 26 verwendet werden.
Die mehreren verdrillten Paare 21 des Litzendrahtes 22 umgeben ein Koaxialkabel 23, das dazu verwendet wird, zwischen dem Fahrzeug 12 und der Energiequelle 13 des Ladesystems 10 bidirektionale HF- Kommunikationssignale zu leiten. Das Koaxialkabel 23 ist ähnlich zu einem RG 178-Koaxialkabel, verwendet aber einen feiner verlitzten Mittelleiter 23b mit einem Draht mit einem Durchmesser von 0,05 mm (44 Gauge), um Flexibilitäts- und Lebensdaueranforderungen zum Gebrauch in einem Rückziehmechanismus (nicht gezeigt) des Ladesystems 10 zu erfüllen. Das Kabel 20 weist eine äußere EMI-Abschirmung 24 auf, die aus einem verzinntem Kupfergeflecht 24a mit hoher Bedeckung benachbart einer Lage 24b aus metallisiertem Mylar besteht. Die mehreren verdrillten Drahtpaare 21 und das Koaxialkabel 23 sind in einem Füllmaterial 25 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) eingebettet, das diese umgibt und das von der metallisierten Mylarlage 24b und der geflochtenen (24a) äußeren EMI-Abschirmung 24 umgeben ist. Eine äußere Abdeckung 26, die beispielsweise aus Polyurethan bestehen kann, ist um die Außenseite des Kabels 20 angeordnet.
Das Kabel 20 wurde so ausgebildet, um AC-Energie bei Hochfrequenz typischerweise bei 100 KHz bis 400 KHz bei Hochspannungspegeln in der Größenordnung von 230 Volt bis 430 Volt effizient zu übertragen. Das Kabel 20 ist so ausgebildet, um bidirektionale Kommunikationssignale unter Verwendung einer Trägerfrequenz von 91,5 MHz zu leiten. Das Kabel 20 ist unempfindlich ausgebildet und dazu in der Lage, eine Außenbetriebsumgebung auszuhalten, während es seine Flexibilität beibehält. Die äußere EMI-Abschirmung 24 des Kabels 20 ist auch so ausgebildet, um eine ausreichende Abschirmung vorzusehen und eine EMI- Kompatibilität mit anderen Verbraucherprodukten beizubehalten.
Die Kapazität zwischen den mehreren verdrillten Paaren 21 aus Litzendraht 22 und der äußeren EMI-Abschirmung 24 ist kleiner als 278,87 pF/m (85 Picofarad pro Fuß), um ein Schwingen zu verhindern. Dies wurde durch die Verwendung des Füllmaterials 25 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) erreicht, das zwischen den mehreren verdrillten Paaren 21 aus Litzendraht 22 und der äußeren EMI-Abschirmung 24 angeordnet ist. Die Wirksamkeit der äußeren EMI-Abschirmung 24 wurde dadurch erhöht, dass eine dünne Lage 24b aus metallisiertem Mylarband um das Füllmaterial 25 gewickelt wurde, wobei dessen metallisierte Oberfläche zu dem verzinnten Kupfergeflecht 24a der EMI-Abschirmung 24 weist. Die Induktivität des Kabels 20 wurde auch durch paralleles Verdrillen der Leiter minimiert, um eine Reiheninduktivität zu verringern.
Somit ist ein Stromkabel für Hochfrequenz und Hochspannung offenbart worden, das mit einem induktiven Ladesystem verwendet werden kann, das Elektrofahrzeuge lädt. Es sei zu verstehen, dass die oben beschriebene Ausführungsform lediglich beispielhaft für einige der vielen spezifischen Ausführungsformen ist, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.

Claims

1. Stromkabel für Hochfrequenz und Hochspannung mit:

einem Koaxialkabel, um bidirektionale HF-Kommunikationssignale zu führen;

einer Vielzahl von verdrillten Paaren aus separat isoliertem Litzendraht, die das Koaxialkabel umgeben;

einer äußeren EMI-Abschirmung, die aus einer inneren Lage aus metallisiertem Mylar besteht, das von einer Lage verzinntem Kupfergeflecht umgeben ist;

Polytetrafluorethylen-Füllmaterial, das um das Koaxialkabel und die Vielzahl von verdrillten Paaren an Litzendraht und innerhalb der äußeren EMI-Abschirmung angeordnet ist; und

einer Außenabdeckung, die um die Außenseite des Kabels herum angeordnet ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, wobei jeder der Litzendrähte einen äußeren Silikonmantel aufweist, der um diese angeordnet ist.

3. Kabel nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von verdrillten Paaren an separat isoliertem Litzendraht zwei verdrillte Paare an Litzendraht umfasst.

4. Kabel nach Anspruch 1, wobei Leiter jedes verdrillten Paares an Drähten 665 Litzen eines Drahtes mit 0,08 mm (40 Gauge) Durchmesser umfassen.

5. Kabel nach Anspruch 1, wobei das Koaxialkabel einen Außenmantel und einen verlitzten Mittelleiter aufweist.

6. Kabel nach Anspruch 5, wobei der Außenmantel Silikon umfasst.

7. Kabel nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von verdrillten Paaren an Litzendraht in einer Pseudo-Litzendraht-Architektur angeordnet ist, die das Koaxialkabel umgibt.