DE102017004468A1

DE102017004468A1 - Cooling of electrical charging power lines

Info

Publication number: DE102017004468A1
Application number: DE102017004468.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Koch; Sebastian Schmitt; Ottmar Schmid; Juergen Benecke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Leitungsvorrichtung (10) für Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Leiter (1) und einer Kühlleitung (2). Der elektrische Leiter (1) kann in dieser Erfindung insbesondere als Hochvoltleitung (9) ausgebildet sein. In Elektrofahrzeugen (11) befinden sich meistens Hochvoltleitungen (9), welche hohe elektrische Leistungsdichten aufweisen. Dies macht in vielen Fällen eine Kühlung dieser Hochvoltleitungen (9) nötig. Erfindungsgemäß wird eine im Querschnitt sichelförmige Kühlleitung (2) vorgeschlagen, welche die Mantelfläche des elektrischen Leiters (1) zu einem Anteil umfasst. Alternativ können die Kühlleitung (2) und der elektrische Leiter (1) konzentrisch ausgeführt sein. Die Kombination der Kühlleitung (2) mit dem elektrischen Leiter (1) ergibt die erfindungsgemäße Leitungsvorrichtung (10). Damit kann sich beispielsweise der Vorteil ergeben, dass Hochvoltleitungen (9) mit größerem Durchmesser nicht nötig werden, was konstruktive Vorteile mit sich bringen kann. Auch eine Erhöhung der Ladeleistung bei Hochvoltleitungen (9) zur Verkürzung der Ladezeiten von Batterien (4) in Elektrofahrzeugen (11) ist als positiver Effekt denkbar.The present invention describes a line device (10) for motor vehicles with an electrical conductor (1) and a cooling line (2). The electrical conductor (1) can be formed in this invention in particular as a high-voltage line (9). In electric vehicles (11) are usually high-voltage cables (9), which have high electrical power densities. This makes cooling of these high-voltage lines (9) necessary in many cases. According to the invention, a cooling line (2) which is crescent-shaped in cross section is proposed, which comprises the outer surface of the electrical conductor (1) to a certain extent. Alternatively, the cooling line (2) and the electrical conductor (1) can be made concentric. The combination of the cooling line (2) with the electrical conductor (1) results in the line device (10) according to the invention. This may, for example, give the advantage that high-voltage lines (9) with a larger diameter are not necessary, which can bring constructive advantages. An increase in the charging power in high-voltage lines (9) to shorten the charging time of batteries (4) in electric vehicles (11) is conceivable as a positive effect.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Leiter und einer Kühlleitung.The present invention relates to a line device for a motor vehicle with an electrical conductor and a cooling line.

Bei heutigen PKW-Verbrennerfahrzeugen ist es der Kunde gewohnt, in wenigen Minuten eine Vollbetankung durchzuführen. Batteriefahrzeuge mit ausreichender Reichweite benötigen eine Batterie mit einem Energiegehalt bis über ca. 100 kWh. Von Tesla ist eine DC-Ladeleistung von ca. 120 kW bekannt. Diese Ladeleistung von 120 kW ist jedoch nicht als Dauerleistung wegen der Wechselwirkungen mit der Batterie möglich. Mit dieser Ladeleistung und einem angenommenen Energiegehalt der Batterie von 100 kWh ergibt sich eine Ladezeit von mehr als 50 Minuten. Wünschenswert hingegen sind jedoch deutlich geringere Ladezeiten als 50 Minuten. Dazu ist unter anderem eine Erhöhung der Ladeleistung notwendig. Um die Ladeleistung deutlich zu erhöhen, muss in der Regel sowohl die Ladespannung als auch der Ladestrom erhöht werden. Eine Erhöhung des Ladestroms verursacht jedoch eine erhöhte elektrische Verlustleistung, welche in Wärme umgesetzt wird und zur Vermeidung von Überhitzung der Bauteile abgeführt werden muss.In today's car combustion vehicles, the customer is accustomed to carry out a full refueling in a few minutes. Battery vehicles with sufficient range require a battery with an energy content of more than approx. 100 kWh. Tesla has announced a DC charging capacity of approx. 120 kW. However, this charging power of 120 kW is not possible as a continuous power because of the interactions with the battery. With this charging power and an assumed energy content of the battery of 100 kWh results in a charging time of more than 50 minutes. Desirable, however, are significantly less charging times than 50 minutes. Among other things, this requires an increase in the charging power. In order to increase the charging power significantly, both the charging voltage and the charging current must be increased as a rule. However, an increase in the charging current causes an increased electrical power loss, which is converted into heat and must be dissipated to avoid overheating of the components.

Die elektrische Verlustleistung berechnet sich unter Berücksichtigung des ohmschen Gesetzes mit P = I²·R. P ist in diesem Fall die Verlustleistung, I die Stromstärke und R der elektrische Widerstand. Gemäß dieser Formel steigt die Verlustleistung mit der Stromstärke quadratisch an. Dies bedeutet beispielsweise, dass eine Erhöhung der Stromstärke von 200 Ampere auf 350 Ampere in etwa eine dreifache Verlustleistung bei gleichem Widerstand ergibt. Da Verlustleistung sich als Wärmeentwicklung äußert, verdreifacht sich in etwa in diesem Fall die Wärmeentwicklung des elektrischen Leiters. Der elektrische Leiter wird oft auch als Hochvoltleitung oder Ladestromleitung bezeichnet.The electrical power dissipation is calculated taking into account Ohm's law with P = I ² · R. In this case, P is the power loss, I the current and R the electrical resistance. According to this formula, the power loss increases quadratically with the current. This means, for example, that increasing the current from 200 amperes to 350 amps will yield about three times the power dissipation with the same resistance. Since power loss manifests itself as heat development, the heat development of the electrical conductor approximately triples in this case. The electrical conductor is often referred to as a high-voltage line or charging power line.

Mit einer Erhöhung der Leitungsquerschnitte könnte zum Beispiel die Temperaturerhöhung des elektrischen Leiters für die Ladestromführung physikalisch betrachtet in Grenzen gehalten werden. Denn mit der Zunahme des Leistungsquerschnitts der Ladestromleitung sinkt der ohmsche Widerstand und damit die elektrische Verlustleistung bzw. die Wärmeentwicklung der Ladestromleitung. Der Widerstand eines elektrischen Leiters kann durch deren spezifischen elektrischen Widerstand mit folgender Formel beschrieben werden:

With an increase in the cable cross-sections, for example, the temperature increase of the electrical conductor for the charging current control could be kept physically limited. Because with the increase in the power cross section of the charging power line, the ohmic resistance and thus the electrical power loss or the heat development of the charging power line decreases. The resistance of an electrical conductor can be described by its specific electrical resistance with the following formula:

R ist der spezifische elektrische Widerstand eines Leiters, der sich über den spezifischen Widerstand des Leitermaterials, L die Länge des Leiters sowie A_q die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters. Das heißt mit größeren Leitungsquerschnitten könnte die Verlustleistung reduziert werden. Nachteilig hierbei sind jedoch der Anstieg des Gewichts der Hochvoltleitungen und auch der zusätzlich benötigte Bauraum für die elektrischen Leiter. Zudem sind bei Ladestromleitungen mit erhöhtem Durchmesser auch größere Biegeradien nötig, was zu konstruktiven Problemen führen kann.R is the specific electrical resistance of a conductor, which is determined by the resistivity of the conductor material, L the length of the conductor and A _q the cross-sectional area of the electrical conductor. This means that the power loss could be reduced with larger cable cross-sections. The disadvantage here, however, are the increase in the weight of the high-voltage cables and also the additional space required for the electrical conductors. In addition, with charging lines with increased diameter and larger bending radii necessary, which can lead to design problems.

In der Druckschrift US 2015/0217654 A1 wird ein Ladesystem für ein Elektrofahrzeug beschrieben, dass eine Stromquelle und ein Kabel mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist. Dieses Kabel beinhaltet eine Ladeleitung und eine Kühlleitung. Die Kühlleitung erstreckt sich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende. Am zweiten Ende des Kabels ist eine Steckverbindung angeordnet, womit das Kabel mit dem Elektrofahrzeug verbunden werden kann. Die Kühlleitung ist dazu ausgebildet, ein Fluid zum Kühlen der Ladeleitung zu transportieren. In dieser Druckschrift werden verschiedene geometrische Formen der Kühlleitung präsentiert.In the publication US 2015/0217654 A1 For example, a charging system for an electric vehicle having a power source and a cable having first and second ends is described. This cable includes a charging line and a cooling line. The cooling line extends from the first end to the second end. At the second end of the cable, a connector is arranged, so that the cable can be connected to the electric vehicle. The cooling line is configured to transport a fluid for cooling the charging line. In this document, various geometric shapes of the cooling line are presented.

Die Veröffentlichung DE 11 2012 003 099 T5 offenbart eine Ladestation für Elektrofahrzeuge. Die Fahrzeugladestation umfasst eine Ladequelle, eine Kühlmittelquelle und einen Anschluss, der sowohl einen Abschnitt für die elektrische Speisung zur Zuführung der elektrischen Ladung und einen Abschnitt für die Kühlmittelspeisung zur Zuführung des Kühlmittels umfasst. Der Anschluss kann mit einem Fahrzeug verbunden und angeschlossen werden. Ein Anschluss für eine Fahrzeugladestation und ein Elektrofahrzeug werden ebenfalls bereitgestellt.The publication DE 11 2012 003 099 T5 discloses a charging station for electric vehicles. The vehicle charging station includes a charging source, a coolant source, and a terminal that includes both a portion for the electric power supply for supplying the electric charge and a portion for supplying coolant for supplying the coolant. The connection can be connected to a vehicle and connected. A connection for a vehicle charging station and an electric vehicle are also provided.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die elektrische Leistungsdichte von elektrischen Leitern, insbesondere bei Hochvoltleitungen in Elektrofahrzeugen, unter Berücksichtigung der entstehenden Abwärme zu erhöhen.The object of the present invention is to increase the electrical power density of electrical conductors, in particular in high-voltage cables in electric vehicles, taking into account the resulting waste heat.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the present invention according to claim 1. Advantageous developments of this invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung demnach eine Leitungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Leiter und einer Kühlleitung vor. Diese Leitungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlleitung im Querschnitt sichelförmig ausgebildet ist und eine Mantelfläche des elektrischen Leiters zu einem Anteil umfasst, oder die Kühlleitung und der elektrische Leiter konzentrisch ausgebildet sind. Dadurch kann dauerhaft eine Kühlung des elektrischen Leiters bereitgestellt werden, was zum Beispiel die Gefahr von Leitungsbränden reduzieren kann. Ferner kann durch diese passive Kühlungsmaßnahme die Ladeleistung des elektrischen Leiters erhöht werden und somit die Ladezeiten zum Aufladen der Batterie reduziert werden. Auch kann es möglich sein, eventuell elektrische Ladeleitungen mit geringeren Leitungsquerschnitten zu verwenden, was zusätzlichen Bauraum in dem Kraftfahrzeug schaffen kann. To solve this problem, the present invention therefore provides a conduit device for a motor vehicle with an electrical conductor and a cooling line. This line device is characterized in that the cooling line is formed sickle-shaped in cross-section and comprises a lateral surface of the electrical conductor to a proportion, or the cooling line and the electrical conductor are formed concentrically. As a result, a cooling of the electrical conductor can be permanently provided, which, for example, can reduce the risk of cable fires. Furthermore, by this passive cooling measure, the charging power of the electrical conductor can be increased and thus the charging times for charging the battery can be reduced. It may also be possible to possibly use electrical charging lines with smaller cross-sections, which can create additional space in the motor vehicle.

Eine besonders vorteilhafte Variante dieser Erfindung sieht eine Leitungsvorrichtung vor, wobei der elektrische Leiter und die Kühlleitung von einer Ummantelung zu einem Gesamtkabel umschlossen sind. In dieser Variante kann durch die Ummantelung die Kontaktierung von der Kühlleitung und dem elektrischen Leiter zusätzlich verstärkt werden. Die Kühlleitung sowie der elektrische Leiter bilden damit eine Einheit und sind dadurch besser miteinander verbunden. Damit kann eine Kühlung des elektrischen Leiters besser sichergestellt werden, weil durch die Ummantelung die Kühlleitung und die elektrische Leitung ein Gesamtkabel bilden und beim Verlegen des Gesamtkabels die Kühlleitung nicht vergessen werden kann.A particularly advantageous variant of this invention provides a line device, wherein the electrical conductor and the cooling line are enclosed by a sheath to a total cable. In this variant, the contacting of the cooling line and the electrical conductor can be additionally reinforced by the sheath. The cooling line and the electrical conductor thus form a unit and are thus better connected to each other. In order for a cooling of the electrical conductor can be better ensured because the cooling line and the electrical line form a total cable through the jacket and the cooling line can not be forgotten when laying the entire cable.

Eine weitere Option der vorliegenden Erfindung sieht eine Leitungsvorrichtung vor, wobei der elektrische Leiter als Hochvoltleitung oder als Ladestromleitung ausgeführt ist. Bei Hochvoltleitungen beziehungsweise Ladestromleitungen treten häufig hohe Spannungen und/oder hohe Stromstärken auf. Dies bedeutet auch eine erhöhte Wärmeentwicklung aufgrund der höheren Verlustleistung. Daher macht die erfindungsgemäße passive Kühlung bei Hochvoltleitungen oder Ladestromleitungen besonders viel Sinn.A further option of the present invention provides a line device, wherein the electrical conductor is designed as a high-voltage line or as a charging power line. In high-voltage lines or charging lines often high voltages and / or high currents occur. This also means increased heat development due to the higher power loss. Therefore, the passive cooling according to the invention makes a lot of sense in high-voltage lines or charging power lines.

Eine weitere vorteilhafte Variante der vorliegenden Erfindung sieht eine Leitungsvorrichtung vor, wobei in der Kühlleitung Wasser als Kühlmittel enthalten ist. Wasser ist umwelttechnisch gesehen meistens unbedenklich und kann daher fast immer ohne Weiteres eingesetzt werden. Außerdem weist Wasser im Vergleich zu vielen anderen Wärmeübertragungsflüssigkeiten eine relativ hohe Wärmekapazität auf. Dies bedeutet, dass Wasser bei gleicher Temperaturerhöhung mehr Energie aufnimmt als beispielsweise ein Thermo-Öl mit geringerer Wärmekapazität. Zudem ist Wasser leicht verfügbar und hat sich bereits in vielen Fällen erfolgreich als Wärmeübertragungsmedium bewährt.A further advantageous variant of the present invention provides a line device, wherein water is contained as coolant in the cooling line. From an environmental point of view, water is generally harmless and can therefore almost always be used without further ado. In addition, compared to many other heat transfer fluids, water has a relatively high heat capacity. This means that with the same increase in temperature, water absorbs more energy than, for example, a thermal oil with a lower heat capacity. In addition, water is readily available and has already proven successful in many cases as a heat transfer medium.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch einen elektrischen Leiter, der in etwa zur Hälfte von einer Kühlleitung sichelförmig umschlossen wird, 1 schematically an electrical conductor which is enclosed in about half of a cooling line crescent-shaped,

2 schematisch einen elektrischen Leiter sowie eine Kühlleitung, welche mit einer Ummantelung umschlossen sind und somit ein Gesamtkabel bilden, 2 schematically an electrical conductor and a cooling line, which are enclosed with a sheath and thus form a total cable,

3 ein Blockdiagramm eines Elektrofahrzeugs mit Hochvoltleitungen und Kühlleitungen in einem Elektrofahrzeugs mit einer Ladebox und 3 a block diagram of an electric vehicle with high-voltage cables and cooling lines in an electric vehicle with a charging box and

4 eine Skizze eines Mantelrohrsystems aus einer Hochvoltleitung und Kühlleitung im Inneren. 4 a sketch of a jacket pipe system from a high-voltage line and cooling line inside.

1 zeigt schematisch, wie eine Kühlleitung 2 um einen elektrischen Leiter 1 angeordnet sein kann. In diesem Beispiel umschließt die Kühlleitung 2 in etwa 50% der Mantelfläche des elektrischen Leiters 1 wie eine Sichel. Das Material der Kühlleitung 2 beinhaltet mechanisch beziehungsweise steife Komponenten, sodass die Kühlleitung 2 auch bei einem höheren Kühlwasserdruck in der gezeigten Form bleibt. Der elektrische Leiter 1 wird so besser umschlossen als wenn er mit der Kühlleitung punktuell kontaktiert wäre und damit steht eine größere Fläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung. Die Kombination von dem elektrischen Leiter 1 sowie der Kühlleitung 2 stellt eine beispielhafte Leitungsvorrichtung 10 dar. Dabei kann die Kontaktierung reversibel ausgestaltet sein. Das heißt es ist möglich, die Kühlleitung 2 vom elektrischen Leiter 1 zu trennen. Danach kann eine neue Kühlleitung 2 am elektrischen Leiter 1 angebracht werden. 1 schematically shows how a cooling line 2 around an electrical conductor 1 can be arranged. In this example, the cooling line encloses 2 in about 50% of the lateral surface of the electrical conductor 1 like a sickle. The material of the cooling line 2 Includes mechanical or rigid components, so that the cooling line 2 remains at a higher cooling water pressure in the form shown. The electrical conductor 1 is better enclosed than if it were contacted with the cooling line at certain points and thus there is a larger area available for heat transfer. The combination of the electrical conductor 1 and the cooling line 2 illustrates an exemplary conduit device 10 In this case, the contact can be reversible be designed. That means it is possible, the cooling line 2 from the electrical conductor 1 to separate. After that, a new cooling line 2 on the electrical conductor 1 be attached.

In 2 ist eine weitere vorteilhafte Variante dieser Erfindung gezeigt. Die der elektrische Leiter 1 sowie die Kühlleitung 2 werden durch eine Ummantelung 3 starr miteinander verbunden. Dabei wird der elektrische Leiter 1 in die Kühlleitung 2 eingedrückt und verformt diese. Das Material der Kühlleitung 2 ist in diesem Beispiel flexibel aber auch genügend stabil ausgeführt, um bei einem Fluiddruck des Kühlmittels in seiner Form zu bleiben. Beispielsweise ist als Material Kupfer denkbar, welches an der Außenfläche eine ausreichende Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung aufweist. Auch bei dieser Variante kann eine größere Fläche zur Wärmeübertragung bereitgestellt werden als dies bei einer punktförmigen Kontaktierung der beiden Leiter der Fall wäre. Mithilfe der Ummantelung 3 kann eine Leitungsvorrichtung 10 erzeugt werden, welche zwei Komponenten beinhaltet, nämlich den elektrischen Leiter 1 sowie die Kühlleitung 2. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kühlleitung 2 den elektrischen Leiter 1 soweit umschließt, dass beide Komponenten auch ohne die Ummantelung 3 eine stabile Einheit bilden können. Im Idealfall ergibt sich ein rundes Gesamtkonstrukt, welches den elektrischen Leiter 1 sowie die Kühlleitung 2 umfasst.In 2 a further advantageous variant of this invention is shown. The the electrical conductor 1 as well as the cooling line 2 be through a sheath 3 rigidly connected. This is the electrical conductor 1 in the cooling line 2 pressed in and deformed this. The material of the cooling line 2 In this example, it is flexible but also sufficiently stable to remain in shape at a fluid pressure of the coolant. For example, as a material copper is conceivable, which has a sufficient insulation layer for electrical insulation on the outer surface. Also in this variant, a larger area for heat transfer can be provided than would be the case with a point-like contacting of the two conductors. Using the sheath 3 can be a conduit device 10 be generated, which includes two components, namely the electrical conductor 1 as well as the cooling line 2 , However, it is also possible that the cooling line 2 the electrical conductor 1 so far encloses that both components without the sheathing 3 can form a stable unit. Ideally, this results in a round overall construct, which is the electrical conductor 1 as well as the cooling line 2 includes.

Dieses Gesamtkonstrukt kann in einem weiteren Beispiel als Mantelrohrsystem, wie in 4 gezeigt, ausgeführt sein. In 4 verläuft die Kühlleitung 2 innerhalb des elektrischen Leiters 1. Die Kühlleitung 2 ist im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse ein Kreis und diese wird konzentrisch vom elektrischen Leiter 1 umfasst. Mit anderen Worten verläuft die Kühlleitung 2 durch den elektrischen Leiter 1 beziehungsweise durch ein Hochvoltkabel 9 hindurch. In diesem Fall findet an der Innenseite des elektrischen Leiters 1 die Wärmeübertragung statt. Es ist dabei auch möglich, dass die beiden Leitungen vertauscht werden und die Leitungsvorrichtung 10 mit dem elektrischen Leiter 1 im Inneren und mit der Kühlleitung 2 von außen ausgeführt ist. In diesem Fall würde die Kühlleitung 2 den elektrischen Leiter 1 konzentrisch umfassen. Mit einer solchen Anordnung könnte eine maximale Fläche zur Wärmeübertragung genutzt werden.This overall construct may be used in a further example as a jacket tube system, as in 4 shown to be executed. In 4 runs the cooling line 2 inside the electrical conductor 1 , The cooling line 2 is a circle in cross section perpendicular to the main axis and this is concentric with the electrical conductor 1 includes. In other words, the cooling line runs 2 through the electrical conductor 1 or by a high-voltage cable 9 therethrough. In this case takes place on the inside of the electrical conductor 1 the heat transfer takes place. It is also possible that the two lines are reversed and the line device 10 with the electrical conductor 1 inside and with the cooling line 2 is executed from the outside. In this case, the cooling line would 2 the electrical conductor 1 concentrically. With such an arrangement, a maximum area could be used for heat transfer.

Elektrische Hochvoltleitungen 9, die nicht ohne weiteres durch Personen berührt werden können, dürfen gemäß einer Vorschrift nur eine maximal zulässige Oberflächentemperatur von 430 Kelvin aufweisen. In der Regel erfolgt die Auslegung von Hochvoltleitungen 9 unter dieser zulässigen Oberflächentemperatur. Dies ist nötig aufgrund von Temperaturlimitierungen in Steckern, welche mit den Hochvoltleitungen 9 verbunden werden können, sowie eines nötigen Sicherheitspuffers zum zulässigen Temperaturlimit. Ungünstige Umstände können schnell zu sogenannten Überschwingern führen und auch dabei soll die maximal zulässige Oberflächentemperatur nicht überschritten werden. Um den Effekt der Kühlleitung 2 auf die sich auszubildende Oberflächentemperatur der Hochvoltleitung 9 einschätzen zu können, wurden Simulationen durchgeführt. Diese Simulationen sehen als Randbedingung einen im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse kreisrunden elektrischen Leiter 1 sowie eine im Querschnitt senkrecht zur Hauptachse kreisrunde Kühlleitung 2 vor, welche nebeneinander angeordnet sind und sich berühren. Diese Geometrie weicht von denen, welche in der 1, 2 und 4 gezeigt werden ab. Dadurch wird der Kühleffekt durch die Kühlleitung 2 vermutlich geringer ausfallen, was bedeutet, dass die Ergebnisse der Simulationen eine konservative Abschätzung darstellen.Electric high-voltage cables 9 persons who can not be easily touched by persons must only have a maximum permissible surface temperature of 430 Kelvin. As a rule, the design of high-voltage cables takes place 9 below this permissible surface temperature. This is necessary due to temperature limitations in plugs, which with the high-voltage cables 9 can be connected, as well as a necessary safety buffer to the permissible temperature limit. Unfavorable circumstances can quickly lead to so-called overshoots and also the maximum permissible surface temperature should not be exceeded. To the effect of the cooling line 2 on the trainee surface temperature of the high-voltage line 9 to be able to assess, simulations were performed. These simulations see as a boundary condition a circular in cross-section perpendicular to the main axis electrical conductor 1 and a circular in cross-section perpendicular to the main axis cooling line 2 which are arranged side by side and touching each other. This geometry differs from those in the 1 . 2 and 4 be shown off. This will cause the cooling effect through the cooling line 2 probably lower, which means that the results of the simulations represent a conservative estimate.

Für die Simulationen wurden folgende Annahmen getroffen. Eine Temperaturänderung in der Kühlleitung 2 wird vernachlässigt und es wird eine konstante Temperatur von 65°C des Kühlmittels angenommen. Als Kühlmittel ist Wasser vorgesehen. Die Verlustleistung in einer Kupferlitze des elektrischen Leiters 1 wird mit der Formel P = α·L·I² / Aq berechnet und entsprechend angepasst. Innerhalb der Kühlleitung 2 wird eine laminare Strömung unter Vernachlässigung von jeglichen Turbulenzen angenommen. Es befinden sich gemäß den Annahmen keine Wände in der näheren Umgebung des elektrischen Leiters 1 beziehungsweise der Kühlleitung 2. Die Temperatur der Umgebungsluft zu Beginn beträgt 20°C als Anfangsbedingung. Auch die Anfangstemperatur der Kupferlitze sowie des Isolationsmaterials beträgt zu Beginn 20°C für die Simulationen. Das Isolationsmaterial der Kühlleitung 2 ist das gleiche wie bei dem elektrischen Leiter 1. Die Haftbedingungen der Luft an dem elektrischen Leiter 1 werden als schlupffrei angenommen. Mit anderen Worten die Relativgeschwindigkeit des elektrischen Leiters 1 zur umgebenden Luft beträgt null. In den Simulationen wird also keine erzwungene Konvektion berücksichtigt.The following assumptions were made for the simulations. A temperature change in the cooling line 2 is neglected and it is assumed a constant temperature of 65 ° C of the coolant. As a coolant water is provided. The power loss in a copper strand of the electrical conductor 1 is given the formula P = α · L · I² / Aq calculated and adjusted accordingly. Inside the cooling line 2 a laminar flow is assumed, neglecting any turbulence. According to the assumptions, there are no walls in the vicinity of the electrical conductor 1 or the cooling line 2 , The temperature of the ambient air at the beginning is 20 ° C as the initial condition. The initial temperature of the copper strand and the insulation material is initially 20 ° C for the simulations. The insulation material of the cooling line 2 is the same as the electrical conductor 1 , The conditions of adhesion of the air to the electrical conductor 1 are assumed to be slip-free. In other words, the relative speed of the electrical conductor 1 to the surrounding air is zero. In the simulations, therefore, no forced convection is considered.

Mit diesen Annahmen wurden verschiedene Simulationen mit einer Simulationsdauer von 2 bis 3 Stunden durchgeführt. Dabei wurden unterschiedliche Hochvoltleitungen 9 untersucht. Es wurden drei unterschiedliche Hochvoltleitungen 9 untersucht, welche sich in ihren Durchmessern unterscheiden. Somit unterscheiden sich die untersuchten Hochvoltleitungen 9 in ihren Querschnittsflächen senkrecht zur Hauptachse. Jede Hochvoltleitung 9 wurde einmal mit Kontakt zur Kühlleitung 2 und einmal ohne Kontakt zur Kühlleitung 2 simuliert. Die folgende Tabelle zeigt das Resultat dieser Simulationen. Nr. Querschnitt HV Leitung/mit oder ohne Kontakt zur Kühlleitung Temperatur HV-Leitung@500 A [K] 1 50 mm²/ohne Kontakt zur Kühlleitung 660 2 50 mm² /mit Kontakt zur Kühlleitung 440 3 70 mm²/ohne Kontakt zur Kühlleitung 510 4 70 mm²/ mit Kontakt zur Kühlleitung 414 5 95 mm²/ohne Kontakt zur Kühlleitung 436 With these assumptions, various simulations with a simulation duration of 2 to 3 hours were carried out. There were different high-voltage cables 9 examined. There were three different high-voltage cables 9 examines which differ in their diameters. Thus, the investigated high-voltage cables differ 9 in their cross-sectional areas perpendicular to the main axis. Every high-voltage line 9 was once with contact to the cooling line 2 and once without contact to the cooling line 2 simulated. The following table shows the result of these simulations. No. Cross-section HV line / with or without contact to the cooling line Temperature HV line @ 500 A [K] 1 50 mm ² / without contact to the cooling line 660 2 50 mm ² / with contact to the cooling line 440 3 70 mm ² / without contact to the cooling line 510 4 70 mm ² / with contact to the cooling line 414 5 95 mm ² / without contact to the cooling line 436

Das Ergebnis der Simulationen gemäß vorstehender Tabelle zeigt, dass die Temperaturen an den Hochvoltleitungen 9 geringer ausfallen, wenn diese einen Kontakt zur Kühlleitung 2 haben. Die Kontaktfläche in den Simulationen wurde minimal gewählt.The result of the simulations according to the above table shows that the temperatures at the high-voltage lines 9 lower if they make contact with the cooling line 2 to have. The contact area in the simulations was chosen to be minimal.

Die Hochvoltleitung 9 und die Kühlleitung 2 berühren sich wie zwei Zylinder. In der Realität kann diese Kontaktfläche durch leichten Andruck erhöht werden. Im optimalen Fall kann anstatt einer Hochvoltleitung 9 mit 95 mm² Querschnitt eine Hochvoltleitung 9 mit einem Querschnitt von 50 mm² verwendet werden und somit bis zu 45% der Masse von der Hochvoltleitung 9 eingespart werden. Diese Simulationen können dabei helfen einzuschätzen, ob Hochvoltleitungen 9 mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten für hohe Ladeströme geeignet sind, wobei deren Oberflächentemperatur und deren Masse pro Leitungslänge ebenfalls berücksichtigt werden können. Da in einem Elektrofahrzeug 11 durchaus 10 Meter Hochvoltleitungen verbaut sein können, wäre eine mögliche Reduktion von Leitungsquerschnitten bei Hochvoltleitungen 9 ein nicht zu vernachlässigender Kostenvorteil.The high-voltage line 9 and the cooling line 2 touch like two cylinders. In reality, this contact surface can be increased by slight pressure. In the best case, instead of a high-voltage line 9 with 95 mm ² cross-section a high-voltage cable 9 be used with a cross section of 50 mm ² and thus up to 45% of the mass of the high-voltage line 9 be saved. These simulations can help estimate whether high-voltage lines 9 are suitable for high charging currents with different cable cross-sections, with their surface temperature and their mass per line length can also be considered. As in an electric vehicle 11 10 meters of high-voltage cables could be installed, would be a possible reduction of cable cross-sections in high-voltage cables 9 a non-negligible cost advantage.

Es wurden auch Simulationen mit Umgebungstemperaturen von mehr als 20°C durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die maximale Oberflächentemperatur der Hochvoltleitung 9 weitgehend linear mit der Umgebungstemperatur ansteigt.Simulations with ambient temperatures of more than 20 ° C were also performed. It showed that the maximum surface temperature of the high-voltage line 9 increases largely linearly with the ambient temperature.

Die Simulationen können somit dabei helfen, die Oberflächentemperatur des elektrischen Leiters 1 einzuschätzen, wenn die Kühlleitung 2 mehrere Hochvoltleitungen 9 zugleich kühlt. Beispielsweise können an der Kühlleitung 2 zwei, drei oder vier Hochvoltleitungen 9 angeordnet sein. Dabei kontaktiert in diesem Beispiel jede dieser Hochvoltleitung 9 die Kühlleitung 2. Auch kann mithilfe der Simulationen der Effekt der Kontaktierung der Kühlleitung 2 mit dem elektrischen Leiter 1 eingeschätzt werden. An den Kontaktstellen der Kühlleitung 2 mit dem elektrischen Leiter 1 beziehungsweise der Hochvoltleitung 9 kann somit ein Wärmeaustausch stattfinden. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik fließt dabei die Wärme stets von einem warmen Objekt zu einem kühleren Objekt. In diesem Fall fließt die Wärme von dem warmen elektrischen Leiter 1 zur kühleren Kühlleitung 2, welche die Wärme beziehungsweise Hitze des elektrischen Leiters 1 abtransportiert.The simulations can thus help to determine the surface temperature of the electrical conductor 1 estimate if the cooling line 2 several high-voltage cables 9 cools at the same time. For example, on the cooling line 2 two, three or four high-voltage cables 9 be arranged. In this case, each of these high-voltage line contacted 9 the cooling line 2 , Also, using the simulations, the effect of contacting the cooling line 2 with the electrical conductor 1 be estimated. At the contact points of the cooling line 2 with the electrical conductor 1 or the high-voltage line 9 Thus, a heat exchange can take place. According to the second law of thermodynamics, the heat always flows from a warm object to a cooler object. In this case, the heat flows from the warm electrical conductor 1 to the cooler cooling line 2 showing the heat or heat of the electrical conductor 1 removed.

In 3 ist schematisch in einem Blockdiagramm ein Elektrofahrzeug 11 mit einer Batterie 4 und Ladebox 5 gezeigt. Das Elektrofahrzeug 11 weist darüber hinaus zwei Elektromotoren 6, einen Verteiler 8 für die Hochvoltleitungen 9 sowie eine Kühlung 7 auf. Die Hochvoltleitungen 9 verlaufen vom Verteiler 8 aus in Richtung der Elektromotoren 6, zur Ladebox 5 sowie wieder zum Verteiler 8 zurück. Da die Hochvoltleitungen 9 deutlich höhere Leistungen bereitstellen können als beispielsweise die bei herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen oft eingesetzten 12 V Leitungen, treten bei diesen elektrischen Leitern 1, die in diesem Beispiel als Hochvoltleitungen 9 ausgebildet sind, auch entsprechend höhere Verlustleistungen auf. Diese Verlustleistungen äußern sich in Form von Wärme. Daher werden die Kühlleitungen 2 vorzugsweise entlang der Hochvoltleitungen 9 angeordnet. Diese Kühlleitungen 2 sind entsprechend an den Hochvoltleitungen 9 kontaktiert. Drei grundsätzlich mögliche Formen der Kontaktierung wurden in den 1, 2 und 4 gezeigt.In 3 schematically is a block diagram of an electric vehicle 11 with a battery 4 and loading box 5 shown. The electric vehicle 11 also has two electric motors 6 , a distributor 8th for the high-voltage cables 9 and cooling 7 on. The high-voltage cables 9 run from the distributor 8th out in the direction of the electric motors 6 , to the loading box 5 and again to the distributor 8th back. Because the high-voltage cables 9 can provide significantly higher performance than, for example, the 12 V lines often used in conventional gasoline vehicles occur with these electrical conductors 1 , in this example as high-voltage cables 9 are formed, also correspondingly higher power losses. These losses are expressed in the form of heat. Therefore, the cooling lines 2 preferably along the high-voltage lines 9 arranged. These cooling pipes 2 are corresponding to the high-voltage cables 9 contacted. Three basically possible forms of contacting were in the 1 . 2 and 4 shown.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn bereits vorhandene Kühlschläuche, wie zum Beispiel für den On Board Lader, verwendet werden. Das heißt es müssen keine separate Kühlleitungen 2 bereitgestellt werden, sondern es kann unter Umständen bereits eine vorhandene Infrastruktur des Elektrofahrzeugs 11 verwendet werden. Die vorhandenen Kühlschläuche fungieren in diesem Beispiel als Kühlleitungen 2. Auch ist es äußerst vorteilhaft, wenn die bereits vorhandene Kühlung 7 des On Board Laders als Wärmetauscher verwendet wird, der die von den Hochvoltleitungen 9 entstehende Wärme aufnehmen kann.It is particularly advantageous if already existing cooling hoses, such as for on-board loader used. That means there are no separate cooling pipes 2 but it may already be an existing infrastructure of the electric vehicle 11 be used. The existing cooling hoses act as cooling pipes in this example 2 , Also, it is extremely beneficial if the already existing cooling 7 The on-board charger is used as a heat exchanger, that of the high-voltage cables 9 can absorb the resulting heat.

Häufig ist die Kühlmitteltemperatur für Elektromotoren 6 deutlich höher als die Kühlmitteltemperatur die Batterie 4, was häufig separate Kühlmittelkreisläufe nötig macht. In der Regel werden die Ladebox 5, die Elektromotoren 6 sowie die Leistungselektronik mit einem Kühlmedium gekühlt, dessen Temperatur maximal bei 70°C liegt. In vielen Fällen ist das Kühlmedium Wasser. Das in 3 beispielhaft vorgeschlagene Kühlsystem zeigt ein Batteriefahrzeug mit Front- und Heckantrieb. Es ist dabei natürlich auch möglich, ein Fahrzeug mit diesem Kühlsystem auszurüsten, das ausschließlich einen Front- oder einen Heckantrieb aufweist. In vorteilhafter Weise ist die Ladebox 5 in das Kühlsystem eingegliedert. Hier können ebenfalls beim Aufladen der Batterie 4 hohe Stromflüsse und damit entsprechende Verlustleistungen entstehen. Die Kühlleitungen 2 sind in dem Beispiel von 3 auch an dem Verteiler 8 angeordnet, da dieser einen Knotenpunkt für die Hochvoltleitungen 9 darstellt. An dem Verteiler 8 kann daher eine Kühlung besonders notwendig sein. Aufgrund der starken Wärmeentwicklung bei den Hochvoltleitungen 9 wird in der Regel eine effiziente Kühlung benötigt, was durch eine Flüssigkühlung tendenziell eher realisierbar ist als mit einer Gaskühlung. In diesem Beispiel wird als Kühlmedium Wasser vorgeschlagen.Often the coolant temperature is for electric motors 6 significantly higher than the coolant temperature of the battery 4 , which often requires separate coolant circuits. In general, the loading box 5 , the electric motors 6 and the power electronics cooled with a cooling medium whose temperature is a maximum of 70 ° C. In many cases, the cooling medium is water. This in 3 suggested by way of example Cooling system shows a battery vehicle with front and rear wheel drive. It is of course also possible to equip a vehicle with this cooling system, which has only a front or a rear wheel drive. Advantageously, the loading box 5 integrated into the cooling system. Here you can also charge the battery 4 high current flows and thus corresponding power losses arise. The cooling pipes 2 are in the example of 3 also at the distributor 8th arranged, since this one node for the high-voltage lines 9 represents. At the distributor 8th Therefore, a cooling may be particularly necessary. Due to the strong heat development in the high-voltage cables 9 As a rule, efficient cooling is required, which tends to be more feasible with liquid cooling than with gas cooling. In this example, water is proposed as the cooling medium.

Aufgrund des Siedepunkts von Wasser, der unter Normalbedingungen bei 100°C liegt, kann es sinnvoll sein, ein anderes Kühlmittel als Wasser zu verwenden. Es kann sinnvoll sein, andere Kühlmittel einzusetzen, welche auch über 100°C noch flüssig sind. Wird eine Kühlflüssigkeit gewählt, deren Siedepunkt so hoch ist, dass eine Verdampfung nicht zu erwarten ist, so kann auch bei Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser eine effiziente Kühlung bereitgestellt werden. Nichtsdestotrotz bleibt Wasser bzw. Wasser-Glykolgemisch ein effizientes, umweltfreundliches und relativ günstiges Kühlmedium.Due to the boiling point of water, which is under normal conditions at 100 ° C, it may be useful to use a coolant other than water. It may be useful to use other coolants, which are still liquid above 100 ° C. If a cooling liquid is selected whose boiling point is so high that evaporation is not to be expected, efficient cooling can be provided even at temperatures above the boiling point of water. Nevertheless, water or water-glycol mixture remains an efficient, environmentally friendly and relatively inexpensive cooling medium.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: elektrischer Leiterelectrical conductor
22: Kühlleitungcooling line
33: Ummantelungjacket
44: Batteriebattery
55: Ladeboxloading box
66: Elektromotorelectric motor
77: Kühlungcooling
88th: Verteilerdistributor
99: HochvoltleitungHigh-voltage line
1010: Leitungsvorrichtungconducting device
1111: Elektrofahrzeugelectric vehicle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2015/0217654 A1 [0006]
DE 112012003099 T5 [0007]

Claims

Conduit device ( 10 ) for a motor vehicle with - an electrical conductor ( 1 ) and - a cooling line ( 2 ), characterized in that - the cooling line ( 2 ) is formed sickle-shaped in cross-section and a lateral surface of the electrical conductor ( 1 ), or - the cooling line ( 2 ) and the electrical conductor ( 1 ) are concentric.

Conduit device ( 10 ) according to claim 1, wherein the electrical conductor ( 1 ) and the cooling line ( 2 ) of a sheath ( 3 ) are enclosed to a total cable.

Conduit device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the electrical conductor ( 1 ) as a high-voltage line ( 9 ) or designed as a charging power line.

Conduit device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein in the cooling line ( 2 ) Water is included as a coolant.

Motor vehicle with a cooling system and a line device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the cooling line ( 2 ) is connected to the cooling system.