-
Technischer Bereich
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Fahrzeugsysteme. Spezieller ausgedrückt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf elektrische Fahrzeugsysteme mit einer geteilten Abschirmungskabelanordnung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
In jüngsten Jahren haben Fortschritte in der Technologie ebenso wie immer sich weiterentwickelnde Geschmacksrichtungen bezüglich des Stils zu wesentlichen Veränderungen in dem Design bzw. der Gestaltung von Automobilen geführt. Eine der Veränderungen beinhaltet die Komplexität der elektrischen Systeme innerhalb der Automobile, speziell bei Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff (oder Antrieb), welche Spannungsversorgungen nutzen, wie z. B. Hybrid- und batterieelektrische getriebene Fahrzeuge. Derartige Fahrzeuge mit alternativem Antrieb benützen typischerweise einen oder mehrere elektrische Motoren, welche häufig durch Batterien mit Energie versorgt werden, vielleicht in Kombination mit einem anderen Aktuator, um die Räder anzutreiben.
-
Derartige Fahrzeuge (z. B. Brennstoffzellen-Fahrzeuge) benutzen oft zwei getrennte Spannungsquellen, wie z. B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle, um die elektrischen Motoren mit Leistung zu versorgen, welche die Räder antreiben. Leistungselektronik (oder Leistungselektronik-Einrichtungen oder -systeme), wie z. B. Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC/DC-)Wandler werden typischerweise benutzt, um die DC-Leistung von den beiden Spannungsquellen zu steuern und zu übertragen. Auch aufgrund der Tatsache, dass Automobile mit alternativem Antrieb typischerweise Gleichstrom-(DC-)Leistungsversorgungen beinhalten, werden auch Gleichstrom-zu-Wechselstrom-(DC/AC-)Wechselrichter (oder Leistungswechselrichter) geliefert bzw. vorgesehen, um die DC-Leistung in Wechselstrom-(AC-)Leistung zu wandeln, welche im Allgemeinen von den Motoren verlangt wird.
-
Die elektrischen Verbindungen, welche zwischen verschiedenen Einrichtungen (z. B. Wechselrichter, Wandler, Batterien, Motoren, etc.) hergestellt sind, sind typischerweise hergestellt, indem eine koaxiale Hochspannungsverkabelung benutzt wird, welche einen zentralen Leiter für den Primärstrom und eine umgebende leitende Abschirmung (z. B. ein Drahtgewebe) zur Unterdrückung des elektrischen Feldes beinhaltet. Das magnetische Feld, welches durch den Strom erzeugt wird, welcher durch den zentralen Leiter fließt, kann zu einem wesentlichen Stromfluss über die leitende Abschirmung führen. Dieser Strom kann zu einem erheblichen Leistungsverlust führen, aufgrund der Impedanz in der Abschirmung und des Stromes entlang der Abschirmung, welcher von den doppel-endenden galvanischen Verbindungen an beiden Enden des Kabels erzeugt wird.
-
Die
DE 10 2008 039 284 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes.
-
Die
DE 10 2004 040 247 A1 beschreibt eine Energieübertragungseinrichtung mit einem Phasenleiter und einem Mantelleiter.
-
-
Die
US 2010/0000780 A1 beschreibt eine weitere Kabelanordnung.
-
Die
US 2007/0037419 A1 beschreibt eine weitere Kabelanordnung.
-
Die
US 4 464 583 A beschreibt eine Vorrichtung zum Kontaktieren von Kabelabschirmungen.
-
Die
WO 2010/003215 A1 beschreibt eine weitere Kabelanordnung.
-
-
-
-
Es ist wünschenswert, ein verbessertes elektrisches Fahrzeugsystem zu liefern, welches einen derartigen Stromfluss durch die Abschirmung reduziert. Außerdem werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den anhängten Ansprüchen offensichtlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorausgegangenen technischen Bereich und Hintergrund gegeben werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
In einer Ausführungsform, nur als Beispiel, wird ein elektrisches Fahrzeugsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 geliefert. Das elektrische Fahrzeugsystem beinhaltet eine Quelleneinrichtung, welche ein elektrisches Bauteil beinhaltet, eine Lasteinrichtung und eine Kabelanordnung, welche die Quelleneinrichtung und die Lasteinrichtung miteinander verbindet. Die Kabelanordnung beinhaltet: einen leitenden Kern, welcher das elektrische Bauteil und die Lasteinrichtung miteinander verbindet, eine leitende Abschirmung, welche diesen umgibt und welche elektrisch von dem leitenden Kern isoliert ist, wobei die leitende Abschirmung einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt, und ein isolierendes Teil, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der leitenden Abschirmung positioniert ist, so dass der erste und zweite Bereich der leitenden Abschirmung elektrisch getrennt sind und jeweils die Hälfte der Länge der Kabelanordnung abzüglich einer Länge des isolierenden Teils aufweisen, einen leitenden Rahmen, welcher die Quelleneinrichtung und die Lasteinrichtung miteinander verbindet, wobei die Quelleneinrichtung einen Gleichstrom-zu-Wechselstrom-Leistungswechselrichter aufweist, welcher ein elektrisch mit dem leitenden Rahmen gekoppeltes Gehäuse aufweist, wobei die Lasteinrichtung einen elektrischen Motor aufweist, welcher ein elektrisch mit dem leitenden Rahmen gekoppeltes Gehäuse aufweist, wobei der erste Bereich elektrisch mit dem Gehäuse des Gleichstrom-zu-Wechselstrom-Leistungswechselrichters gekoppelt ist und wobei der zweite Bereich elektrisch mit dem Gehäuse des Motors gekoppelt ist.
-
In einer anderen Ausführungsform, nur als Beispiel, wird ein elektrisches Automobilsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 geliefert.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
Die vorliegende Erfindung wird hier nachfolgend in Verbindung mit den folgenden gezeichneten Figuren beschrieben, wobei ähnliche Ziffern ähnliche Elemente bezeichnen, und
-
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils entsprechend einer Ausführungsform ist;
-
2 ein Blockdiagramm eines Wechselrichter-Steuersystems innerhalb des Automobils der 1 entsprechend einer Ausführungsform ist;
-
3 ein Schema eines Leistungswandlers, einer Spannungsversorgung und eines elektrischen Motors innerhalb des Automobils der 1 ist, entsprechend einer Ausführungsform;
-
4 eine Seitenansicht des Leistungswechselrichters und des elektrischen Motors der 3 ist, entsprechend einer Ausführungsform;
-
5 eine Querschnittsansicht einer Kabelanordnung in 4 ist, welche entlang der Linie 5-5 aufgenommen ist, entsprechend einer Ausführungsform;
-
6 eine Querschnittsansicht der Kabelanordnung der 4 ist, welche entlang der Linie 6-6 aufgenommen ist, entsprechend einer Ausführungsform;
-
7 eine Querschnittsansicht der Kabelanordnung der 6 ist, welche entlang der Linie 7-7 aufgenommen ist, entsprechend einer Ausführungsform; und
-
8 eine schematische Ansicht der Kabelanordnung, des Leistungswechselrichters und des elektrischen Motors der 4 ist, entsprechend einer Ausführungsform.
-
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
-
Die folgende detaillierte Beschreibung ist von ihrer Art her nur beispielhaft, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendung und das Gebrauchen der Erfindung einzugrenzen. Außerdem gibt es keine Absicht, durch irgendeine ausgedrückte oder beinhaltete Theorie gebunden zu sein, welche in dem vorausgegangenen technischen Bereich, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden Beschreibung präsentiert wird. Zusätzlich können, obwohl die schematischen Zeichnungen, welche hier gezeigt werden, beispielhafte Anordnungen der Elemente darstellen, zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Bauteile in einer aktuellen Ausführungsform vorhanden sein. Es sollte auch davon ausgegangen werden, dass die 1–7 nur erläuternd und nicht maßstäblich gezeichnet sind.
-
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, welche miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Wie es hier benutzt wird, kann sich ”verbunden” auf ein Element/Merkmal beziehen, welches mechanisch mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (oder direkt mit ihm kommuniziert). In ähnlicher Weise, kann sich ”gekoppelt” auf ein Element/Merkmal beziehen, welches direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit ihm kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise auf mechanische Weise. Jedoch sollte davon ausgegangen werden, dass obwohl zwei Elemente nachfolgend beschrieben werden können, dass sie in einer Ausführungsform „verbunden” sind, in einer alternativen Ausführungsform ähnliche Elemente „gekoppelt” sein können. Demnach, obwohl die schematischen Diagramme, welche hier gezeigt werden beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Bauteile in einer aktuellen Ausführungsform vorhanden sein.
-
1 bis 8 stellen ein elektrisches Fahrzeugsystem dar. Das elektrische Fahrzeugsystem beinhaltet eine Quelleneinrichtung (z. B. eine Wechselrichter oder einen Wandler), welche ein elektrisches Bauteil (z. B. einen Schalter) beinhalten, eine Lasteinrichtung (z. B. einen Motor oder eine Batterie) und eine Kabelanordnung, welche die Quelleneinrichtung und die Lasteinrichtung miteinander verbinden. Die Kabelanordnung beinhaltet einen leitenden Kern, welcher elektrisch das elektrische Bauteil und die Lasteinrichtung miteinander verbindet, eine leitende Abschirmung, welche den leitenden Kern umgibt und von diesem elektrisch isoliert ist, wobei die leitende Abschirmung einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt, und ein isolierendes Teil, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der leitenden Abschirmung positioniert ist, so dass der erste und der zweite Bereich der leitenden Abschirmung elektrisch getrennt sind. In einer Ausführungsform ist das System ein Automobilantriebssystem.
-
1 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs (oder ”Automobils” oder Automobilantriebssystems) 10, entsprechend einer Ausführungsform. Das Automobil 10 beinhaltet ein Chassis 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuersystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis 12 angeordnet und umschließt hauptsächlich die anderen Bauteile des Automobils 10. Die Karosserie 14 und das Chassis 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils an das Chassis 12 in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 gekoppelt.
-
Das Automobil 10 kann eines aus einer Anzahl von unterschiedlichen Typen von Automobilen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Wagen, ein Lastwagen oder ein Fahrzeug für sportliche Verwendung (SUV) und kann ein Fahrzeug mit Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), mit Vierradantrieb (4WD) oder mit Allradantrieb (AWD), oder irgend eine andere Art von Fahrzeug sein. Das Automobil 10 kann auch eine von, oder eine Kombination von einer Anzahl von unterschiedlichen Arten von Maschinen eingebaut haben, wie z. B. eine Benzin- oder Dieselkraftstoff-Verbrennungsmaschine, eine ”flex fuel vehicle”- bzw. ”Fahrzeug mit flexiblem Brennstoff”-(FFV-)Maschine (d. h. wobei eine Mischung von Benzin und Alkohol benutzt wird), eine mit einem Gasbestandteil (z. B. Wasserstoff und/oder Naturgas) betriebene Maschine, eine Verbrennungs-/Elektromotor-Hybridmaschine (d. h. wie z. B. in einem elektrischen Hybridfahrzeug) (HEV) und einen elektrischen Motor.
-
Das Automobil 10 in 1 ist ein HEV und beinhaltet ferner eine Aktuatoranordnung 20, eine Batterie (oder eine DC-Stromversorgung) 22, eine Leistungswandleranordnung (z. B. einen Wechselrichter oder eine Wechselrichteranordnung) 24 und einen Kühler 26. Die Aktuatoranordnung 20 beinhaltet eine Verbrennungsmaschine 28 und einen elektrischen Motor/Generator (oder Motor) 30.
-
Noch mit Bezug auf 1 sind die Verbrennungsmaschine 28 und/oder der elektrische Motor 30 so integriert, dass einer oder beide mechanisch an wenigstens eines der Räder 16 über einen oder mehrere Antriebswellen 32 gekoppelt ist bzw. sind. In einer Ausführungsform ist das Automobil 10 ein ”Serien- bzw. Reihen-HEV”, wobei die Verbrennungsmaschine 28 nicht direkt an das Getriebe gekoppelt ist, sondern an einen Generator (nicht gezeigt) gekoppelt ist, welcher benutzt wird, um den elektrischen Motor 30 anzutreiben. In einer anderen Ausführungsform ist das Fahrzeug 10 ein ”Parallel-HEV”, wobei die Verbrennungsmaschine 28 direkt an das Getriebe gekoppelt ist, z. B. dadurch, dass es einen Rotor des elektrischen Motors besitzt, welcher drehend an die Antriebswelle der Verbrennungsmaschine 28 gekoppelt ist.
-
Der Kühler 26 ist mit dem Rahmen in einem äußeren Bereich desselben verbunden, und obwohl im Detail nicht dargestellt, beinhaltet er viele Kühlkanäle darin, welche eine Kühlflüssigkeit (z. B. ein Kühlmittel), wie z. B. Wasser und/oder Ethylenglycol (d. h. ”Antigefriermittel”), enthalten, und ist an die Maschine 28 und den Wechselrichter 24 gekoppelt.
-
Wiederum mit Bezug auf 1 empfängt in der dargestellten Ausführungsform der Wechselrichter 24 das Kühlmittel und teilt es sich mit dem elektrischen Motor 30. Jedoch können andere Ausführungsformen getrennte Kühlmittel für den Wechselrichter 24 und den elektrischen Motor 30 besitzen. Der Kühler 26 kann in ähnlicher Weise an den Wechselrichter 24 und/oder den elektrischen Motor 30 angeschlossen sein.
-
Das elektrische Steuersystem 18 ist in betrieblicher Verbindung mit der Aktuatoranordnung 20, der Hochspannungsbatterie 22 und dem Wechselrichter 24. Obwohl nicht im Detail gezeigt, beinhaltet das elektronische Steuersystem 18 verschiedene Sensoren und Automobil-Steuermodule oder elektronische Steuereinheiten (ECUs), wie z. B. ein Wechselrichter-Steuermodul, ein Motorsteuerglied und ein Fahrzeug-Steuerglied und wenigstens einen Prozessor (oder ein Verarbeitungssystem) und/oder einen Speicher, welcher Instruktionen besitzt, welche darauf (oder in einem anderen von einem Computer lesbaren Medium) gespeichert sind, um die Prozesse und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben, durchzuführen.
-
Mit Bezug auf 2 wird ein Wechselrichtersteuersystem (oder ein elektrisches Antriebssystem) 34 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Wechselrichtersteuersystem 34 beinhaltet ein Steuerglied (oder einen Prozessor) 36 in betrieblicher Kommunikation mit einem Pulsbreitenmodulations-(PWM-)Modulationsglied 38 (oder einem Pulsbreitenmodulator) und den Wechselrichter 24 (an einem Ausgang desselben). Der PWM-Modulator 38 ist an einen Gate-Treiber 39 gekoppelt, welcher umgekehrt einen Ausgang besitzt, welcher an einen Eingang des Wechselrichters 24 gekoppelt ist. Der Wechselrichter 24 besitzt einen zweiten Ausgang, welcher an den Motor 30 gekoppelt ist. Das Steuerglied 36 und der PWM-Modulator 38 können integral mit dem elektrischen Steuersystem 18 sein, welches in 1 gezeigt wird.
-
3 stellt schematisch die Batterie (und/oder DC-Spannungsquelle) 22, den Wechselrichter 24 (oder Leistungswandler) und den Motor 30 der 1 und 2 in größerem Detail dar. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Wechselrichter 24 eine Dreiphasenschaltung, welche an den Motor 30 gekoppelt ist. Spezieller ausgedrückt, beinhaltet der Wechselrichter 24 ein Schaltnetzwerk, welches einen ersten Eingang besitzt, welcher an die Batterie 22 (d. h. eine Spannungsquelle (VDC)) gekoppelt ist, und einen Ausgang, welcher an den Motor 30 gekoppelt ist. Obwohl eine einzelne Spannungsquelle nicht gezeigt wird, kann eine verteilte DC-Verbindung mit zwei oder mehr Reihenquellen benutzt werden.
-
Wie von einem Fachmann gewürdigt werden wird, ist der elektrische Motor 30 in einer Ausführungsform ein elektrischer Permanentmagnetmotor und beinhaltet eine Statoranordnung 40 (welche leitende Spulen oder Wicklungen beinhaltet) und eine Rotoranordnung 42 (welche einen ferromagnetischen Kern und/oder Magneten), ebenso wie ein Getriebe und eine Kühlflüssigkeit (nicht gezeigt). Die Statoranordnung 40 beinhaltet eine Vielzahl (z. B. drei) leitende Spulen oder Wicklungen 44, 46 und 48, von welchen jede mit einer der drei Phasen des elektrischen Motors 30 verbunden ist, wie dies allgemein verstanden wird. Die Rotoranordnung 42 beinhaltet eine Vielzahl von Magneten 50 und ist drehbar an die Statoranordnung 40 gekoppelt, wie allgemein verstanden wird. Die Magnete 50 können viele (z. B. sechzehn) elektromagnetische Pole beinhalten, wie allgemein verstanden wird. Es sollte davon ausgegangen werden, dass die oben gelieferte Beschreibung nur als ein Beispiel eines Typs eines elektrischen Motors, welcher benutzt werden kann, gedacht ist.
-
Das Schaltnetzwerk weist drei Paare von Reihen-Leistungsschalteinrichtungen (oder Schalter oder Bauteile) mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter) auf, entsprechend zu jeder Phase des Motors 30. Jedes der Paare der Reihenschalter weist einen ersten Schalter oder Transistor (d. h. einen ”Hoch”-Schalter) 52, 54 und 56 auf, bei welchem ein erster Anschluss an eine positive Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter (d. h. einen ”Niedrig”-Schalter) 58, 60 und 62, bei welchem ein zweiter Anschluss an eine negative Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist und ein erster Anschluss an einen zweiten Anschluss des jeweiligen ersten Schalters 52, 54 und 56 gekoppelt ist.
-
Wie allgemein verstanden wird, kann jeder der Schalter 52-62 in der Form von individuellen Halbleitereinrichtungen sein, wie z. B. isolierte Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) innerhalb integrierter Schaltungen, welche aus Halbleiter-(z. B. Silicium-)Substraten (z. B. Chips) gebildet sind. Wie gezeigt wird, ist eine Diode 64 in einer antiparallelen Konfiguration (d. h. einer ”Sperr”- oder ”Freilauf”-Diode) mit jedem der Schalter 52–62 verbunden. Demnach kann davon ausgegangen werden, dass jeder der Schalter 52–62 und die jeweilige Diode 64 ein Schaltdiodenpaar oder -satz bilden, wobei sechs davon in der gezeigten Ausführungsform beinhaltet sind. Obwohl es nicht gezeigt wird, kann der Wechselrichter 24 auch Stromsensoren (z. B. Hall-Effekt-Sensoren) beinhalten, um den Stromfluss durch die Schalter 52–62 und/oder die Wicklungen 44, 46 und 48 zu detektieren.
-
Noch mit Bezug auf 3 sind die Wicklungen 44, 46 und 48 des elektrischen Motors 30 elektrisch mit dem Wechselrichter 24 über drei Kabel (oder Kabelanordnungen) 66 verbunden. Spezieller ausgedrückt, jedes der Kabel 66 verbindet eine der Wicklungen 44, 46 und 48, mit einem Knoten zwischen den Schaltern eines jeweiligen Paares von Schaltern 52–62 des Wechselrichters 24. D. h., in einer Ausführungsform entspricht jedes Kabel 66 einer Phase des elektrischen Motors 30. Ebenso sollte davon ausgegangen werden, dass eine unterschiedliche Anzahl von Kabeln 66 in anderen Ausführungsformen benutzt werden kann.
-
4 ist eine Seitenansicht des Wechselrichters (d. h. einer Quelleneinrichtung) 24, des elektrischen Motors (d. h. einer Lasteinrichtung) 30 und der Kabel oder Kabelanordnungen 66. Wie gezeigt wird, sind der Wechselrichtung 24 und der elektrische Motor auf einem Chassis (oder Rahmen) 68 befestigt oder angeschlossen. In einer Ausführungsform ist das Chassis 68 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl oder einem anderen Metall. Es sollte auch beachtet werden, dass in wenigstens einer Ausführungsform der Wechselrichter 24 und der elektrische Motor 30 jeweils Teile oder Gehäuse 70 und 72 besitzen, welche auch aus einem leitenden Material (z. B. Aluminium, Stahl oder anderes Metall) hergestellt sind und elektrisch mit dem Chassis 68 verbunden sind.
-
Mit Bezug auf 5, 6 und 7 in Kombination mit 4 können alle Kabelanordnungen 66 im Wesentlichen identisch sein. Die Kabelanordnungen 66 beinhalten jeweils einen leitenden Kern 74, eine Isolierschicht 76, eine leitende Abschirmung 78, einen isolierenden Mantel 80 und ein isolierendes Teil 82. Der leitende Kern ist aus einem leitenden Metall, wie z. B. Kupfer, hergestellt und verbindet elektrisch die jeweilige Wicklung des Motors 30 mit den Schaltern 52–62, wie dies in 3 angezeigt wird, und erstreckt sich damit über die gesamte Länge 84 der Kabelanordnung 66. In einer Ausführungsform liegt die Länge 84 der Kabelanordnung 66 zwischen 10 Zentimetern (cm) und 50 cm. In einer Ausführungsform besitzt der leitende Kern 74 einen Durchmesser 85 von zwischen 1 Millimeter (mm) und 5 mm. Es sollte beachtet werden, dass in wenigstens einer Ausführungsform die Länge 84 der Kabelanordnung 66 kleiner als ¼ der Wellenlängen) ist, welche zu der Frequenz des Stromes (der Ströme) gehört, welcher bzw. welche von dem Wechselrichter 24 zu dem elektrischen Motor 30 über die Kabelanordnung 66 fließen, wie nachfolgend beschrieben wird.
-
Die isolierende Schicht 76 umgibt den leitenden Kern 74 und trennt (oder isoliert) ihn von den anderen Bereichen der Kabelanordnung 66. Die Isolierschicht 76 kann aus einem dielektrischen Material, wie z. B. aus einem Kunststoff- oder Verbundmaterial, hergestellt sein und besitzt eine Dicke 87 von zwischen 0,5 und 3 mm.
-
Die leitende Abschirmung 78 umgibt den leitenden Kern 74 und die Isolierschicht 76 und ist elektrisch von dem leitenden Kern 74 durch die Isolierschicht 76 isoliert. Wie in 4 gezeigt wird, beinhaltet die leitende Abschirmung 78 einen ersten Bereich 86 und einen zweiten Bereich 88, wovon beide ungefähr die Hälfte der Länge 84 der Kabelanordnung 66 haben. Der erste Bereich 86 der leitenden Abschirmung 78 ist benachbart zu dem Wechselrichter 24 und ist elektrisch mit dem Gehäuse 70 des Wechselrichters 24 verbunden und kann betrachtet werden, dass er einen ersten Bereich 90 des leitenden Kerns 74 umgibt oder bedeckt. Der zweite Bereich 88 ist benachbart zu dem elektrischen Motor 30 und elektrisch mit dem Gehäuse 72 des Motors 30 verbunden und kann betrachtet werden, dass er einen zweiten Bereich 92 des leitenden Kerns 74 umgibt. In einer Ausführungsform ist die leitende Abschirmung 78 aus einem leitenden Metall, wie z. B. Kupfer, hergestellt und besitzt eine Dicke 89 von zwischen 1 mm und 3 mm.
-
Der isolierende Mantel (oder die zweite isolierende Schicht) 80 ist aus einem isolierenden Material hergestellt, wie z. B. Gummi, und umgibt beide Bereiche 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78.
-
Mit Bezug auf 4, 6 und 7 ist das isolierende Teil 82 ringförmig und umgibt den leitenden Kern 74 und die isolierende Schicht 76. In dem gezeigten Beispiel ist das isolierende Teil 82 in einem zentralen Bereich der Kabelanordnung 66 zwischen den ersten und zweiten Bereichen 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78 positioniert. Das isolierende Teil 82 ist aus einem dielektrischen Material, wie z. B. aus Kunststoff, einem Verbundmaterial oder aus Gummi, hergestellt, so dass die ersten und zweiten Bereiche 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78 elektrisch getrennt sind, so dass sie damit die leitende Abschirmung 78 ”aufteilen” (sowohl elektrisch als auch mechanisch). Das isolierende Teil 82 kann eine Breite 94 besitzen, welche sich nur auf einen schmalen Bereich der Länge 84 der Kabelanordnung 66 erstreckt, wie z. B. zwischen 1% und 10% der Gesamtlänge 84 (z. B. zwischen 0,1 cm und 5 cm). In einer Ausführungsform besitzt die isolierende Schicht eine Dicke 96 von zwischen 2 mm und 6 mm. In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich das isolierende Teil 82 über den gesamten Durchmesser der Kabelanordnung 66. Demnach ist der isolierende Mantel 80, ähnlich der leitenden Abschirmung 78, in zwei Bereiche getrennt (nicht explizit gezeigt).
-
8 stellt schematisch das Gehäuse 70 des Wechselrichters 24, das Gehäuse 72 des elektrischen Motors 30, die ersten und zweiten Bereich 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78 und das Chassis 68 dar. Wie gezeigt wird, sind die Gehäuse 70 und 72 mit dem Chassis 68 geerdet, ebenso wie die ersten und zweiten Bereiche 86 und 88 der leitenden Abdeckung 78. Dadurch dass das isolierende Teil 82 beinhaltet ist, sind die Gehäuse 70 und 72 nicht elektrisch über die leitende Abdeckung 78 miteinander verbunden, aufgrund der Unterbrechung zwischen den ersten und zweiten Bereichen 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78.
-
Mit Bezug auf 1 wird während des normalen Betriebes (d. h. Fahrens) das Automobil 10 betrieben, indem Leistung an die Räder 16 mit der Verbrennungsmaschine 28 und dem elektrischen Motor 30 in einer alternierenden Weise und/oder mit der Verbrennungsmaschine 28 und dem elektrischen Motor 30 zur gleichen Zeit geliefert wird. Um den elektrischen Motor 30 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der Batterie 22 (und, im Falle eines Brennstoffzellen-Automobils, von einer Brennstoffzelle) an den Wechselrichter 24 geliefert, welcher die DC-Leistung in AC-Leistung wandelt, bevor die Leistung zu dem elektrischen Motor 30 gesendet wird. Wie von einem Fachmann gewürdigt werden wird, wird die Wandlung der DC-Leistung in AC-Leistung im Wesentlichen durch das Betreiben (d. h. wiederholtes Schalten) der Transistoren innerhalb des Wechselrichters 24 bei einer Betriebs-(oder Schalt-)Frequenz durchgeführt, wie z. B. bei 12 Kilohertz (kHz).
-
Mit Bezug auf 2 erzeugt das Steuerglied 36 ein Pulsbreitenmodulations-(PWM-)Signal, um die Schaltaktion des Wechselrichters 24 zu steuern. Der Wechselrichter 24 wandelt dann das PWM-Signal in eine modulierte Spannungswellenform um, um den Motor 30 zu betreiben. Das Wechselrichtersteuersystem 34 der 2 besteht aus vielen Operationen, wobei währenddessen eine normale, oder Vorwärts-, Operation beinhaltet ist, jedoch nicht darauf begrenzt ist, dem Empfangen eines Drehmomentbefehls, dem Wandeln des Drehmomentbefehls, dem Empfangen eines Drehmomentbefehls, dem Wandeln des Drehmomentbefehls in Strombefehle, basierend auf der gegenwärtigen Geschwindigkeit und der verfügbaren Spannung, und dem Durchführen einer Regelung an derartigen Strombefehlen. Das Ausgangssignal des Stromreglers (nicht gezeigt) ist die Ausgangsspannung, welche benötigt wird, um die angeforderten Ströme herzustellen. Der PWM-Modulator 38 und der Gate-Treiber 39 erzeugen die notwendigen Gate-Pulse (oder Tastgrade), welche zu dem Wechselrichter 24 gesendet werden, um den elektrischen Motor 30 auf die gewünschte Geschwindigkeit und/oder das gewünschte Drehmoment zu steuern.
-
Wie von einem Fachmann gewürdigt werden wird, veranlasst der Betrieb der Schalter 52–62 (3) den Strom, durch die Kabelanordnungen 66 (oder die leitenden Kerne 74 davon) und die Wicklungen 44, 46 und 48 in dem Motor 39 zu fließen. Die Wechselwirkung dieses Stromes mit den magnetischen Feldern, welche durch die Magneten 50 erzeugt werden, veranlasst, dass eine Lorentz-Kraft erzeugt wird, so dass der Rotor 42 veranlasst wird, sich relativ zu dem Stator 40 zu drehen.
-
Durch das elektrische ”Aufteilen” der leitenden Abschirmung 78 mit dem isolierenden Teil 82 (d. h. das isolierende Teil 82 trennt elektrisch den ersten und zweiten Bereich 86 und 88 der leitenden Abschirmung 78) wird im Wesentlichen aller Strom, welcher durch die leitende Abschirmung 78 fließt, eliminiert. D. h., das isolierende Teil 82 verhindert, dass magnetische Felder, welche durch den Strom, welcher durch den leitenden Kern 74 fließt, erzeugt werden, einen Stromfluss durch die leitende Abschirmung 78 induzieren. Als Ergebnis werden die Widerstandsverluste (d. h. Joule-Erwärmung) und gestrahlte Emissionen des Systems reduziert, und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird verbessert. Zusätzlich werden aufgrund der verhältnismäßig kleinen Abmessung des isolierenden Teils 82 die Abschirmvorteile, welche durch die leitende Abschirmung 78 geliefert werden, nur vernachlässigbar berührt, wenn überhaupt.
-
Andere Ausführungsformen können andere Quelleneinrichtungen als DC/AC-Wechselrichter benutzen, wie z. B. DC/DC-Leistungswandler, und andere Lasteinrichtungen als elektrische Motoren, wie z. B. Batterien (z. B. Lithium-Ionen-Batterien). Das oben beschriebene System kann in anderen Systemen als in Automobilen implementiert werden, wie z. B. in Wasserkraft- und Luftkraftmaschinen. Der elektrische Motor und der Leistungswechselrichter können unterschiedliche Anzahlen von Phasen, wie z. B. zwei oder vier, besitzen. Andere Formen von Leistungsquellen können benutzt werden, wie z. B. Stromquellen oder Lasten, wobei Diodengleichrichter, Thyristor-Wandler, Brennstoffzellen, Induktivitäten, Kondensatoren und/oder jegliche Kombination davon beinhaltet sind. Es sollte beachtet werden, dass die numerischen bzw. zahlenmäßigen Bereiche, welche oben geliefert sind, als Beispiele dienen sollen, und es ist nicht beabsichtigt, dass diese den Gebrauch des oben beschriebenen Systems eingrenzen.
-
Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise eingrenzen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleuten eine bequeme Anleitung für das Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen liefern. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Veränderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie in den angehängten Ansprüchen dargelegt sind, und den gesetzlichen Äquivalenten davon, abzuweichen.
