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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitung zur Versorgung von elektrischen Aggregaten mit einer Leistung von mehr als 3 kW bevorzugt mehr als 12 kW in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterieleitung zur Verbindung einer Hochvolt(HV)-Batterie mit einer Leistungselektronik des Elektroantriebs eines Elektrofahrzeugs bzw. eines Hybridfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung ist aber auch auf 48 V Bordnetzsysteme eines Kraftfahrzeuges unabhängig von dessen Antriebsart anwendbar.
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Bei Elektrofahrzeugen ist die HV-Batterie regelmäßig über zwei Rundleiter, die mit dem Plus- bzw. Minuspol der HV-Batterie verbunden sind, mit der Leistungselektronik (DC-Link) des Elektroantriebs verbunden. Bei der Leistungselektronik handelt es sich dabei um eine getaktet Last (einen Umrichter). Daher sind die Rundleiter aus Gründen der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) mit einer Schirmung versehen. Je nach Anordnung der HV-Batterie kann der Abstand zwischen dem Ausgang der Batterie und dem Anschluss der Leistungselektronik im Fahrzeug jedoch einige Meter betragen, so dass geschirmte Rundleiter mit großem Querschnitte zum Einsatz kommen müssen. Diese sind zum einen teuer und zum anderen beanspruchen sie viel Bauraum. Des Weiteren haben derartige Rundleiter eine hohe Feldausbreitung, sodass sie nur im Außenraum des Fahrzeugs verbaut werden können und daher einen mechanischen Schutz der Rundleiter erfordern, der vergleichsweise aufwendig ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden oder wenigstens zu vermindern, d.h. eine Leitung zu schaffen, die nach Möglichkeit im Außenraum und/oder Innenraum verbaut werden kann, kostengünstig ist und wenig Bauraum beansprucht sowie die Anforderungen an die EMV erfüllt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt wird statt der zwei Rundleiter eine Doppelschiene verwendet. Insbesondere kommen zwei parallel verlaufende, jeweils isolierte Schienen zum Einsatz. Der Vorteil der Doppelschiene liegt darin, dass eine deutlich geringere Feldausbreitung erzielt wird als bei bekannten Rundleitern. Damit können durch die magnetischen Felder der Rundleiter erzeugte Ausgleichsströme im Schirm reduziert und eine thermische Überlastung der Schirmanbindung vermieden werden. Des Weiteren können Wirbelstromverluste aufgrund der hohen magnetischen Wechselfelder im Karosserieblech verringert werden und auch Störeinkopplungen in andere Leitungen und Systeme werden reduziert. Schließlich können die durch die magnetischen Wechselfelder der Rundleiter generierten Probleme bei der Fahrzeugabnahme bezüglich verschiedener nationaler Vorgaben eliminiert werden. In dem die Feldwirkung der Doppelschienen deutlich geringer ausfällt als die der Rundleiter kann die Leitung kann sogar im Innenraum des Fahrzeugs eingesetzt werden, wodurch auf den mechanischen Schutz im Außenraum verzichtet werden kann.
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Ein Problem, dass bei der Verwendung von Schienen anstelle von Rundleiter auftritt ist jedoch die Kontaktierung sowohl an der HV-Batterie als auch an der Leistungselektronik. So setzen die verwendeten HV-Anschlüsse an der HV-Batterie sowie der Leistungselektronik geschirmte Rundleiter voraus. Auch ist zur Absorption von Vibrationen und für die Verbindung der Stecker an den Enden der Leitung mit den HV-Anschlüssen eine gewisse Flexibilität der Leitung notwendig. Gemäß einem Aspekt ist daher an entgegengesetzten Enden der Doppelschiene jeweils ein Rundleiterpaar verbunden, wobei das Rundleiterpaar den Stecker zur Verbindung mit dem HV-Anschluss der HV-Batterie bzw. Leistungselektronik aufweist.
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In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, einen Schirm (EMV-Schirm) der Doppelschiene an den Schirm der Rundleiter zu übergeben, ohne dass hinsichtlich der EMV ein „Leck“ entsteht. Ein durchgängiger Schirm von einem Ende der Leitung zum anderen Ende der Leitung ist auch für eine sogenannte ISO-Wächter Diagnose erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird daher eine Leitung zur Versorgung von elektrischen Aggregaten mit einer Leistung von mehr als 3 kW, bevorzugt mehr als 12 kW in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Beispiele von elektrischen Aggregaten mit einer Leistung von mehr als 3 kW sind zum Beispiel Start-Stopp-Funktion (Boost und Rekuperation), Klimakompressoren, elektrische Heizer, Pumpen, Lenkungsantriebe, etc.. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Leitung in einem 48 V Bordnetz eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt. Kommt die Leitung für elektrische Aggregate mit einer Leistung von mehr als 12 kW zum Einsatz wird von einer Hochvolt Anwendung gesprochen.
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Dabei kann es sich bei dem Aggregat um einen Elektroantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Dabei können Batteriespannungen von bis zu 1000 V zum Einsatz kommen. Die Leitung umfasste zwei elektrisch leitende, längliche Schienen. Unter „länglich“ ist diesbezüglich zu verstehen, dass die Schienen länger als breit und hoch sind und eine Längsrichtung aufweisen. Dementsprechend weisen die Schienen zwei entgegengesetzte Enden in Längsrichtung auf. Die Schienen weisen einen flachen Querschnitt auf, d.h. sie sind breiter als hoch. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Höhe der Schienen weniger als 20 mm, bevorzugt weniger als 15 mm und weiter bevorzugt kleiner gleich 10 mm. Die Breite der Schienen beträgt in einer beispielhaften Ausführungsform weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 80 mm und weiter bevorzugt weniger als 65 mm. Gemäß einem konkreten Beispiel beträgt die Breite der Schienen 60 mm und die Höhe der Schienen 10 mm. Die Schienen verlaufen parallel zueinander, wobei sie bevorzugt und zur Minimierung des Bauraumes übereinander angeordnet sind, d.h. die durch die Breite und Länge definierten Flächen der Schienen sind einander zugewandt und die bevorzugt fluchten die Längskanten. Des Weiteren sind die Schienen jeweils elektrisch isoliert, wobei die Isolation eine Stärke von 0,3–2 mm, bevorzugt 0,5–1 mm aufweisen kann. Als bevorzugtes Material für die Schienen kommt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zum Einsatz. Da die Schienen eine deutlich geringere Feldausbreitung aufweisen und deshalb auch wesentlich geringere Schirmausgleichströme auftreten, kann als Schirm für die Schienen eine Schirmfolie bzw. ein Folienschirm zum Einsatz kommen. Ein Folienschirm ist auch Hochfrequenzdicht. Ein Folienschirm besteht zum Beispiel aus einer dünnen, um die Isolation der Schienen gelegten mit einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Aluminium, beschichteten Folie. Ferner weist die Leitung eine Beilauflitze auf, die zwischen den Schienen bzw. der Isolation der Schienen und dem Folienschirm in Längsrichtung der Schienen von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der Schienen verläuft. Eine Beilauflitze kann eine blanke, unisolierte Ader sein, die direkt auf Masse gelegt sein kann und die mit dem Folienschirm in elektrischer Verbindung steht. Bevorzugt kann die Beilauflitze parallel zur Längsrichtung verlaufen und entlang der Längsrichtung mit dem Folienschirm in Kontakt stehen, um die elektrische Verbindung herzustellen. Die Beilauflitze kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Darüber hinaus ist wenigstens ein Paar flexibler elektrischer Leiter an einem der Enden der Schienen vorgesehen. Mit anderen Worten existiert ein erster elektrischer Leiter und ein zweiter elektrischer Leiter. Der erste elektrische Leiter ist mit einer ersten der Schienen und der zweite elektrische Leiter ist mit einer zweiten der Schienen elektrisch verbunden. Hierfür ist bevorzugt an den Schienen jeweils eine Anschlusslasche vorgesehen, die bevorzugt stoffschlüssig (verschweißt) mit der Schiene verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform können hierfür Bimetall-Anschlusslaschen mit einem Übergang von Kupfer bzw. einer Kupferlegierung zu Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung zum Einsatz kommen wenn die Schienen aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung gebildet sind, während die Leiter aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung gebildet sind. Alternativ ist auch denkbar die Leiter aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung zu bilden und direkt mit den Schienen zu kontaktieren. Die elektrischen Leiter sind jeweils von einem Schirm (EMV-Schirm) umgeben. Der Schirm der Leiter ist an der Beilauflitze angebunden, wodurch der Folienschirm der Schienen mit dem Schirm der Leiter elektrisch verbunden ist. Die Beilauflitze hat den Vorteil, dass Ausgleichströme aufgrund von Masseversatz durch die Beilauflitzen getragen werden können. Des Weiteren bietet die Beilauflitze eine konstruktiv einfache Übergabe bzw. Verbindung des Folienschirms mit dem Schirm der Leiter. Durch die Leitung gemäß dieses Aspekts ist es möglich die oben erläuterten Nachteile von geschirmten Rundleitern zu vermeiden und dadurch eine Leitung zu schaffen, die deutlich kostengünstiger ist, im Innenraum des Fahrzeugs verlegt werden kann und dennoch die Anforderungen an die EMV-Schirmung erfüllt, sowie eine ISO-Wächter Diagnose erlaubt.
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Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich der Folienschirm bis hinter die Schirmübergabe und sorgt dafür, dass kein „EMV-Leck“ entsteht. Mit anderen Worten erstreckt sich der Folienschirm in Längsrichtung über die mit den Schienen verbundenen Enden der Leiter hinaus und überlappt mit dem Schirm der Leiter. Sind die Anschlusslaschen vorgesehen erstreckt sich der Folienschirm über die Anschlussflaschen in Längsrichtung hinaus.
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Wie eingangs erwähnt ist es bevorzugt, dass zwei Paare der flexiblen, elektrischen Leiter an entgegengesetzten Enden der Schienen vorgesehen sind. D.h. es gibt einen dritten Leiter der mit der ersten Schiene verbunden ist und einen vierten Leiter, der mit der zweiten Schiene verbunden ist. Die Verbindung erfolgt auf die gleiche Art und Weise wie sie oben in Bezug auf den ersten und zweiten Leiter beschrieben wurde. Dadurch ist eine Steckverbindung (Ein Stecker kann an den Enden der Leiter angeordnet sein) an beiden Enden der Leitung zur Anbindung an beispielsweise die Leistungselektronik und die HV-Batterie gewährleistet und etwaige entstehende Vibrationen können durch die flexiblen Leiter an beiden Enden gedämpft werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die flexiblen Leiter an einem oder beiden Enden Rundleiter, so das herkömmliche Stecker zum Anschluss an die Leistungselektronik bzw. HV-Batterie zum Einsatz kommen können.
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Somit ist es bevorzugt, dass die flexiblen Leiter an einem ersten ihrer Enden elektrisch mit den Schienen verbunden sind wie es oben erläutert wurde und an einem zweiten ihrer Enden elektrisch mit einem Stecker verbunden sind. Der Stecker ist bevorzugt zum Verbinden mit einem Anschluss einer Leistungselektronik bzw. einer HV-Batterie geeignet.
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Wie es oben erläutert wurde ist eine Beilauflitze vorgesehen, die mit dem Schirm der Leiter elektrisch verbunden ist. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist eine Beilauflitze vorgesehen, die mit beiden Schirmen der beiden elektrischen Leiter des Paars kontaktiert ist. Diese Kontaktierung kann unmittelbar bzw. direkt erfolgen in dem die Beilauflitze direkt mit den beiden Schirmen kontaktiert wird. Sind an beiden Enden der Schienen Leiterpaare angeordnet so ist die Beilauflitze an entgegengesetzten Enden mit den Schirmen der beiden Leiterpaare elektrisch verbunden bzw. kontaktiert um die Schirme der Leiterpaare an beiden Enden miteinander zu verbinden.
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Sollte sich ergeben, dass die Stromtragfähigkeit einer Beilauflitze zur Aufnahme der Ausgleichsströme nicht ausreicht, kann eine zweite Beilauflitze vorgesehen werden. Gegebenenfalls können auch mehr als zwei Beilauflitzen angeordnet werden. Bei dieser Ausgestaltung können beide Beilauflitzen mit beiden Schirmen der beiden Leiter des Paars kontaktiert werden. Alternativ ist es jedoch denkbar, dass eine der Beilauflitzen mit dem Schirm des ersten Leiters kontaktiert ist, während die andere Beilauflitze mit dem Schirm des zweiten Leiters kontaktiert ist.
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Die oben erwähnte Leitung kann in Systemen zum Einsatz kommen um eine Leistungselektronik und eine für die Leistung zur Versorgung von elektrischen Aggregaten ausgelegte Batterie miteinander zu verbinden. Bevorzugt kommt die Leitung dabei in einem Fahrzeug mit einem Elektroantrieb, zum Beispiel einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug zum Einsatz, wobei die Leistungselektronik mit dem Elektroantrieb zum Beispiel an der Vorderachse und/oder Hinterachse verbunden ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Merkmale umgesetzt werden können, finden sich in der Beschreibung spezieller Ausführungsformen. Diese Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1: Linien gleicher Flussdichte im Fall der Verwendung von zwei Rundleitern mit –100 A und 100 A aus dem Stand der Technik,
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2: Linien gleicher Flussdichte im Fall der Verwendung zweier Schienen mit einem Querschnitt von 60 mm × 10 mm und einem Abstand von 1 mm sowie –100 A und 100 A,
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3: exemplarisch eine Anordnung der Leitung in einem Elektrofahrzeug,
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4: schematisch einen Abschnitt einer Leitung gemäß einem ersten Aspekt an einem ersten Ende, wobei a) eine schematische Aufsicht auf ein Ende der Leitung darstellt und b) einen Querschnitt entlang der Linie b-b in a) zeigt, und
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5: schematisch einen Abschnitt einer Leitung gemäß einem zweiten Aspekt an einem ersten Ende, wobei a) eine schematische Aufsicht auf ein Ende der Leitung darstellt und b) einen Querschnitt entlang der Linie b-b in a) zeigt.
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In den verschiedenartigen Ansichten bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente und auf eine wiederholte Beschreibung wird in den unterschiedlichen Aspekten verzichtet.
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Aus den 1 und 2 wird ersichtlich, dass die Feldwirkung einer Doppelschiene, wie sie auch in den 4 und 5 gezeigt ist, im Frequenzbereich der quasistationären Magnetfelder 0 Hz bis 200 kHz etwa 20–40 dB geringer ist als bei zwei beabstandeten Rundleitern.
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Die deutlich größere Feldwirkung von Rundleitern hat die folgenden negativen Auswirkungen. Die magnetischen Wechselfelder der Rundleiter erzeugen einen Ausgleichsstrom im Schirm der Rundleiter, der so hoch sein kann, dass die Schirmanbindung thermisch überlastet wird. Des Weiteren erzeugen die magnetischen Wechselfelder erhebliche Wirbelstromverluste im Karosserieblech und führen zu Störeinkopplungen in andere Leitungen und Systeme. Schließlich machen die magnetischen Wechselfelder der Rundleiter Probleme bei der Fahrzeugabnahme hinsichtlich nationaler Vorgaben insbesondere der Vorgaben ICNIRP und der chinesischen Behörden.
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In dem die Feldwirkung der Doppelschiene wie oben erwähnt deutlich geringer ausfällt, fallen diese Nachteile weg. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Doppelschiene auch im Innenraum eines Fahrzeugs eingesetzt werden kann, wodurch ein mechanischer Schutz der Schiene überflüssig wird.
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3 zeigt schematisch einen Anwendungsfall für die Leitung gemäß einem Aspekt. Der Anwendungsfall betrifft ein Elektrofahrzeug mit einem Elektroantrieb an der Vorderachse sowie einem Elektroantrieb an der Hinterachse. Hierfür ist eine Leistungselektronik 1 für den vorderen Elektroantrieb sowie eine Leistungselektronik 2 für den hinteren Elektroantrieb vorgesehen. Ferner ist eine HV-Batterie 5 vorgesehen. Die HV-Batterie 5 ist über eine herkömmliche flexible Leitung 6 mit der Leistungselektronik 2 verbunden, wobei die flexible Leitung 6 über an beiden Enden der Leitung 6 angeordnete nicht dargestellte Stecker jeweils mit an der HV-Batterie 5 und der Leistungselektronik 2 vorgesehenen Anschlüssen 3 verbunden ist. Die Leistungselektronik 1 ist hingegen über eine Leitung 4 gemäß der Erfindung mit der HV-Batterie 5 verbunden. Aufgrund des Aufbaus der HV-Batterie 5 kann nur auf einer Seite der Leistungsausgang der Batterie, d.h. der Anschluss für die Leitung 4 und die Leitung 6 vorgesehen werden. Darüber hinaus ist die HV-Batterie regelmäßig im Heck des Fahrzeugs angeordnet. Dadurch muss eine relativ lange Leitung 4 vorgesehen werden mit den beschriebenen Problemen.
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Die Leitung 4 umfasst zwei isolierte Aluminiumschienen 7, 8 zum Beispiel mit einem Querschnitt von 60 mm × 1mm. An entgegengesetzten Enden 9, 10 sind ein erster bzw. zweiter flexibler Leiter 11 bzw. 12 und ein dritter bzw. vierter flexibler Leiter 13 bzw. 14 entsprechend mit den Schienen 7, 8 verbunden. Diese Verbindung wird später in Bezug auf die 4 und 5 näher erläutert. Des Weiteren weisen die flexiblen Leiter 11, 12, 13, 14 an ihrem den Schienen 7, 8 entgegengesetzten Ende jeweils einen nicht dargestellten Stecker zur Verbindung mit den Anschlüssen 3 der Leistungselektronik 1 bzw. der HV-Batterie 5 auf.
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Die Leitung 4 gemäß einem ersten Aspekt ist in 4 näher dargestellt. Die Schienen 7, 8 sind im Querschnitt (4b) übereinander angeordnet. Das heißt die sich aus der Breite X Länge ergebenden Flächen decken sich in einer Draufsicht (4a) bzw. sind zwei dieser Flächen einander zugewandt und die Längskanten der Schienen 7, 8 fluchten im Querschnitt. Auch ist in 4 die Isolation 15 der Schienen 7, 8 dargestellt. In 4 ist das Ende 9 der Schienen aus 3 näher gezeigt. Es ist ersichtlich dass die Schienen 7, 8 an diesem Ende 9 jeweils eine Anschlusslasche 16 aufweisen. Diese Anschlusslaschen 16 sind aus einem Bimetall bestehend aus einem Aluminiumabschnitt 17 und einem Kupferabschnitt 18 gebildet, die miteinander verbunden (hier verschweißt) sind. Der Aluminiumabschnitt 17 ist stoffschlüssig mit den Schienen 7, 8 (hier verschweißt) verbunden. Der Kupferabschnitt 18 ist jeweils mit den elektrischen Leitern 11, 12 die hier aus Kupfer bestehen ebenfalls stoffschlüssig (hier verschweißt) verbunden. Hierzu ist die Isolation 15 der Schienen 7, 8 bzw. eine Isolation 19 der Leiter 11, 12 am Ende entfernt um die Kontaktierung herstellen zu können.
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An den den Schienen 7, 8 abgewandten Enden der Leiter 11, 12 ist ein Stecker 20 zur Verbindung mit dem Anschluss 3 der HV-Batterie 5 angeschlossen.
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Die Leiter 11, 12 sind jeweils von einem Schirm umgeben, wie es bei herkömmlichen Rundleiter der Fall ist.
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Die Schienen 7, 8 mit ihrer Isolation 15 sind darüber hinaus von einem Folienschirm 22 umgeben, der sich von dem Ende 9 kontinuierlich bis zum Ende 10 erstreckt und die Leiter umgibt. Wie es am besten aus 4 ersichtlich ist, erstreckt sich der Folienschirm 22 in Längsrichtung dabei über die Kontaktierung der Leiter 11, 12 mit den Schienen 7, 8 hinaus und überlappt mit dem Schirm 21 der Leiter 11, 12.
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Darüber hinaus ist zwischen der Isolation 15 der Schienen 7, 8 und dem Folienschirm 22 in der Darstellung in 4 eine Beilauflitze 23 vorgesehen. Die Beilauflitze verläuft hier parallel zu den Schienen 7, 8 und erstreckt sich ebenfalls von dem Ende 9 bis zum Ende 10. Sie ist ferner am Ende 9 wie in 4a) ersichtlich unmittelbar mit den beiden Schirmen 21 der Leiter 11, 12 kontaktiert. Bei der Beilauflitze 23 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um eine blanke unisolierte Kupferlitze die bevorzugt über die gesamte Länge des Folienschirms 22 vom Ende 9 zum Ende 10 mit dem Folienschirm 22 in elektrischem Kontakt steht. Die Leitung 4 ist bevorzugterweise am Ende 10 identisch wie am Ende 9 ausgestaltet und auch dort mit einem Stecker 20 zur Verbindung mit dem Anschluss 3 der Leistungselektronik 1 verbunden. Dementsprechend bewerkstelligt die Beilauflitze 23 eine Anbindung der Schirme 21 am Ende 9 mit dem Folienschirm 22 sowie den Schirmen 21 am Ende 10.
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Sollten die Ausgleichströme aufgrund von Masseversatz zu hoch sein mit der Gefahr einer Beschädigung des Folienschirms 22 kann es wie in 5 dargestellt notwendig sein mehrere (hier zwei) Beilauflitzen 23 vorzusehen. Bei dieser Ausgestaltung sind die Beilauflitzen 23 jeweils mit dem Schirm 21 des ersten Leiters 11 bzw. dem Schirm 21 des zweiten Leiters 12 am Ende 9 verbunden bzw. dem Schirm 21 des dritten Leiters 13 sowie dem Schirm 21 des vierten Leiters 14 am Ende 10. Ansonsten unterscheidet sich die Ausgestaltung in 5 nicht von der Ausgestaltung in 4.
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Die beschriebenen Ausführungsformen führen auf vorteilhafter Weise dazu die in Bezug auf die Rundleiter beschriebenen Nachteile zu vermeiden und zugleich die Verwendung herkömmlicher Stecker zum Anschluss an Leistungselektronik und HV-Batterie zu ermöglichen sowie eine kontinuierliche EMV-Schirmung zu realisieren.
