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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungskabel mit wenigstens zwei elektrisch isoliert gegenüber einander angeordneten elektrischen Leitungen, und jeweils an einem jeweiligen Kabelende des elektrischen Verbindungskabel ausgebildeten Kabelanschluss zum Anschließen des elektrischen Verbindungskabels an ein jeweiliges Gleichspannungsnetz. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ladestation für ein Kraftfahrzeug mit einem Ladeanschluss zum Anschließen des Kraftfahrzeuges, wobei der Ladeanschluss ein Ladekabel aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, einer Fahrzeugbatterie sowie einer Ladeeinheit mit einem Ladekabel.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Zuführen von elektrischer Energie von einer fahrzeugexternen elektrischen Ladestation zu einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, welches eine elektrische Bordnetzspannung bereitstellt. Die Ladestation wird mittels eines Ladekabels mit dem Bordnetz, insbesondere lösbar, elektrisch gekoppelt. Mittels des Ladekabels kann somit dem Bordnetz, insbesondere einer Fahrzeugbatterie des Bordnetzes elektrische Energie von der Ladestation zugeführt werden.
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Elektrische Verbindungskabel, insbesondere Ladekabel, sowie Kraftfahrzeuge und Ladestationen sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt. Das elektrische Verbindungskabel dient dazu, zwei elektrische Einrichtungen elektrisch miteinander zu koppeln, sodass zwischen den elektrischen Einrichtungen über das elektrische Verbindungskabel elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Der Energieaustausch kann unidirektional oder auch bidirektional sein.
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Das elektrische Verbindungskabel weist an jedem seiner Kabelenden jeweils einen Kabelanschluss auf, mittels dem das jeweilige Kabelende an die jeweilige elektrische Einrichtung, vorzugsweise lösbar, angeschlossen werden kann. Darüber hinaus kann mittels des Kabelanschlusses auch eine mechanische Verbindung erreicht werden.
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Das Bordnetz des Kraftfahrzeuges dient der Verteilung von elektrischer Energie innerhalb des Kraftfahrzeuges. Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist es darüber hinaus erforderlich, zumindest in bestimmten Zeitabschnitten dem Kraftfahrzeug elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb zuführen zu können. Zu diesem Zweck ist das Bordnetz mittels eines Ladekabels mit der Ladestation elektrisch koppelbar, um eine leitungsgebundene elektrische Verbindung zwischen dem Bordnetz und der Ladestation herzustellen. Gerade elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge verfügen in der Regel über eine elektrische Antriebseinrichtung, die zumindest teilweise dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges dient. Damit das Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann, umfasst das Bordnetz in der Regel die Fahrzeugbatterie als elektrischen Energiespeicher, die vorzugsweise nach Art eines Akkumulators, beispielsweise als Hochvoltbatterie oder dergleichen, ausgebildet ist. Während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs reduziert sich der Energieinhalt der Fahrzeugbatterie mit der Zeit, wodurch bei Erreichen eines vorgebbaren unteren Ladungszustands ein Aufladen der Fahrzeugbatterie erforderlich ist. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird von der Ladestation bereitgestellt, zu welchem Zweck das Kraftfahrzeug während des Zuführens von elektrischer Energie an der Ladestation abgestellt und mit dieser elektrisch gekoppelt wird.
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Die elektrische Energie wird vorliegend mittels der Ladestation zur Verfügung gestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, vorzugsweise an ein öffentliches Energieversorgungsnetz oder alternativ oder ergänzend auch an einen elektrischen Generator, eine Solaranlage eine Windkraftanlage und/oder dergleichen angeschlossen sein kann. Über das Ladekabel, das die elektrische Verbindung zwischen der Ladestation und dem Bordnetz lösbar herstellen kann, wird die elektrische Energie dem Bordnetz zugeführt, die in dem elektrischen Energiespeicher bzw. der Fahrzeugbatterie gespeichert wird.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist ein schienenungebundenes Fahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug in einem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zumindest teilweise angetrieben werden kann. Die elektrische Antriebseinrichtung weist hierfür üblicherweise eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen auf, die mittels eines geeignet ausgebildeten Energiewandlers in vorgebbarer Weise gesteuert werden können. Ein derartiger Energiewandler kann zum Beispiel ein Wechselrichter, ein Gleichspannungswandler, insbesondere ein DC/DC-Wandler, und/oder dergleichen sein.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei einem Elektrofahrzeug ist die elektrische Antriebseinrichtung in der Regel die einzige Antriebseinrichtung, die dem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges dient. Bei einem Hybridfahrzeug ist dagegen üblicherweise eine weitere Antriebseinrichtung vorhanden, die in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine kann ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb genutzt werden, wie die elektrische Antriebseinrichtung. Es können auch beide Antriebseinrichtungen kombiniert miteinander betrieben werden. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
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Ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug und ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit dem Energieversorgungssystem offenbart zum Beispiel die
DE 11 2009 005 181 T5 . Eine fest integrierte Ladestation mit Ladekabel für Elektrogeräte ist darüber hinaus aus der
DE 20 2012 009 032 U1 bekannt. Schließlich offenbart die
DE 10 2012 109 869 B3 eine Montageanordnung mit einem Stromwandler und eine Messanordnung.
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Nicht nur, aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist eine möglichst schnelle Aufladung der Fahrzeugbatterie gewünscht. Mittels geeigneter Schnellladeanschlüsse können leitungsgebunden geeignete kurze Ladezeiten erreicht werden. Ein gängiger Wert für eine Zeitdauer für einen Schnellladevorgang kann zum Beispiel etwa 30 min sein. Dabei erfolgt das Aufladen der Fahrzeugbatterie im Schnelllademodus jedoch in der Regel nicht bis zu einem maximalen Ladungszustand von etwa 100% sondern in der Regel nur bis zu etwa 80%.
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Darüber hinaus ist beim Schnellladen in der Regel ein Aufladen mittels eines Gleichstroms vorgesehen. Bei europäischen Herstellern kommt hierfür zum Beispiel das combined charging system (CCS) mit einem Combostecker zum Einsatz. Dies baut in seiner Form auf einem Typ-2-Stecker auf, der jedoch zusätzlich über zwei Anschlusskontakte zum Schnellladen verfügt. Damit können Ladeleistungen von bis zu etwa 170 kW und Ladeströme bis zu 200 A erreicht werden. Fahrzeugseitig ist bezüglich des CCS vorgesehen, dass eine kombiniert nutzbare Steckdose ausgebildet ist. Sie kann somit nicht nur mit dem Combostecker sondern auch mit einem Typ-2-Stecker kompatibel sein. Es sind daher für das gewöhnliche Aufladen und das Schnellladen keine separaten Steckdosen erforderlich.
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Darüber hinaus ist ein zweites Schnellladesystem bekannt, welches als CHAdeMO bezeichnet wird. Dieses Schnellladesystem ist von einem japanischen Konsortium entwickelt worden und wie der Combostecker kommunikationsfähig. Auch hier erfolgt ein Schnellladen mittels Gleichstrom. Jedoch lässt dieses Schnellladesystem, welches von japanischen und amerikanischen Autoherstellern genutzt wird, nur Ladeleistungen von etwa 62,5 kW zu. Die übertragbare Stromstärke beträgt jedoch ebenfalls 200 A.
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Bei den bekannten Ladesystemen erweist es sich als nachteilig, dass die Ladeleistung durch die Ladespannung sowie den Ladestrom begrenzt ist. Bei dem CCS kann zum Beispiel maximal eine Ladeleistung von etwa 200 kW erreicht werden. Als Begrenzung für die Ladeleistung hat sich dabei insbesondere das Ladekabel selbst herausgestellt. So erweist sich insbesondere die thermische Beanspruchung des Kabels als Begrenzung. Bei einer weiteren Erhöhung der Ladeleistung wäre es nämlich erforderlich, eine Querschnittsfläche der elektrischen Leitungen des Ladekabels entsprechend zu vergrößern. Dies würde jedoch deutlich höhere Kosten sowie ein deutlich höheres Gewicht zur Folge haben. Darüber hinaus würde das Kabel, welches lösbar zwischen der Ladestation und dem Kraftfahrzeug verbunden werden muss, auch deutlich steifer werden, sodass ein Handhabung des Ladekabels erheblich erschwert wäre. Dies wäre für Kunden nicht komfortabel.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Nutzung des Ladekabels zu verbessern.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein elektrisches Verbindungskabel, eine Ladestation sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Bezüglich eines gattungsgemäßen elektrischen Verbindungskabels wird insbesondere vorgeschlagen, dass jeder der Kabelanschlüsse einen jeweiligen DC/DC-Wandler aufweist, der an die elektrischen Leitungen angeschlossen ist, wobei die DC/DC-Wandler ausgebildet sind, die elektrischen Leitungen mit einer größeren Gleichspannung als den durch die Gleichspannungsnetze bereitgestellten Gleichspannungen zu beaufschlagen.
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Bezüglich einer gattungsgemäßen Ladestation wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Ladekabel ein elektrisches Verbindungskabel der Erfindung ist.
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Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeuges wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Ladekabel ein elektrisches Verbindungskabel gemäß der Erfindung ist.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass das elektrische Verbindungskabel im bestimmungsgemäßen Betrieb in der Regel hinsichtlich seiner Spannungsbelastbarkeit in Bezug auf eine elektrische Gleichspannung nicht voll beansprucht wird. Dadurch steht bezüglich der Spannungsbelastbarkeit mittels einer elektrischen Spannung eine Reserve zur Verfügung, die genutzt werden kann, um die übertragbare Leistung des elektrischen Verbindungskabels zu erhöhen.
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Die Belastbarkeit des elektrischen Verbindungskabels mit einer elektrischen Spannung ist unter anderem auch davon abhängig, dass das Verbindungskabel vorgegebene mechanische Eigenschaften erreichen können muss. Würde das elektrische Verbindungskabel lediglich eine geeignete elektrische Isolation bereitstellen müssen, könnte eine elektrische Isolation des elektrischen Verbindungskabels in der Regel deutlich geringer ausfallen. Bei der praktischen Anwendung, insbesondere als Ladekabel, ist jedoch auch die mechanische Beanspruchung entsprechend zu berücksichtigen, die zu einer entsprechenden Spannungsreserve führen kann.
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So ist es beim Schnellladen beispielsweise bisher üblich, eine Ladespannung in einem Bereich von etwa 450 V vorzusehen. Aufgrund weiterer Anforderungen kann das Ladekabel jedoch häufig mit einer deutlich höheren elektrischen Spannung, beispielsweise 800 V oder mehr, beaufschlagt werden. Wird mittels des elektrischen Verbindungskabels als Ladekabel die Ladestation an das Bordnetz des elektrischen Kraftfahrzeugs angeschlossen, wird das elektrische Verbindungskabel lediglich mit einer Ladespannung von 450 V beaufschlagt. Da die elektrischen Leitungen aufgrund des vorgegebenen Leitungsquerschnitts die maximale Strombeanspruchung bestimmen, kann eine Erhöhung der Leistungsübertragung somit lediglich durch entsprechende Erhöhung der Spannung, mit der die elektrischen Leitungen des elektrischen Verbindungskabels beaufschlagt sind, erreicht werden.
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Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, dass kabelendseitig die jeweiligen Kabelanschlüsse mit entsprechend ausgebildeten DC/DC-Wandlern ausgerüstet sind. Dadurch ist es möglich, die elektrische Spannung zwischen den elektrischen Leitungen des elektrischen Verbindungskabels mit einer deutlich höheren elektrischen Spannung als durch die Gleichspannungsnetze bereitgestellt, zu beaufschlagen. Das Ladekabel kann somit, ohne an den elektrischen Leitungen oder der elektrischen Isolation Änderungen vornehmen zu müssen, eine deutlich höhere Leistung übertragen.
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Das elektrische Verbindungskabel ist somit eine elektrotechnische Einrichtung, die dem elektrischen Koppeln zweier elektrischer Einrichtungen dient. Vorzugsweise sind die elektrischen Einrichtungen ausgebildet, ein jeweiliges Gleichspannungsnetz bereitzustellen. Dem Grunde nach kann die Erfindung jedoch auch für Wechselspannungsnetze angewendet werden. Jedoch ist hier zu beachten, dass die elektrische Isolation für eine maximale Spannungsamplitude geeignet sein muss. Dadurch ist mit der Erfindung in der Regel bei Gleichspannung ein deutlich größerer Vorteil als bei Wechselspannung erreichbar.
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Das elektrische Verbindungskabel weist zwei elektrisch isoliert gegenüber einander angeordnete elektrische Leitungen auf. Die elektrischen Leitungen sind vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff wie Kupfer, Aluminium, Silber, Legierungen hiervon und/oder dergleichen gebildet. Darüber hinaus können natürlich geeignete Verbundwerkstoffe hierfür in Betracht kommen. Das elektrische Verbindungskabel ist vorzugsweise biegesteif ausgebildet.
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Das elektrische Verbindungskabel umfasst darüber hinaus eine elektrische Isolation, die in der Regel durch einen elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundwerkstoff, und/oder dergleichen umfasst. Die elektrischen Leitungen sind innerhalb des Isolationswerkstoffs angeordnet, das heißt, sie sind vorzugsweise von dem Werkstoff umgeben. Vorzugsweise stellt der Isolationswerkstoff auch zugleich einen Mantel des elektrischen Verbindungskabels bereit. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine äußere Oberfläche des elektrischen Verbindungskabels durch einen separaten Werkstoff oder auch durch ein separates Material gebildet ist.
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An jedem der Kabelenden des elektrischen Verbindungskabels ist ein jeweiliger Kabelanschluss ausgebildet. Der Kabelanschluss dient dem Anschließen des elektrischen Verbindungskabels an das jeweilige Gleichspannungsnetz. Vorzugsweise ist ein lösbares Anschließen vorgesehen. Dies ist insbesondere zumindest an einem der beiden Kabelenden vorgesehen, wenn das Ladekabel Bestandteil der Ladestation oder auch Bestandteil des Kraftfahrzeuges ist. Das Ladekabel kann in einem nicht benötigtem Zustand aufrollbar auf einer entsprechenden Speichervorrichtung für das elektrische Verbindungskabel gespeichert sein. Vorzugsweise ist in diesem Fall das Kabel ladestationsseitig beziehungsweise kraftfahrzeugseitig fest angeschlossen.
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An den Kabelanschlüssen ist ein jeweiliger DC/DC-Wandler vorgesehen. Dieser ist verbindungskabelseitig an die jeweiligen elektrischen Leitungen angeschlossen, sodass die elektrischen Leitungen mit der entsprechenden Gleichspannung beaufschlagt werden können. Dabei stellen die DC/DC-Wandler eine elektrische Spannung verbindungskabelseitig bereit, die größer als die durch die Gleichspannungsnetze bereitgestellten Gleichspannungen ist. Dadurch kann das elektrische Verbindungskabel mit einer großen Gleichspannung beaufschlagt werden, sodass bei einem vorgegebenen elektrischen Strom eine erhöhte Leistung mittels des elektrischen Verbindungskabels übertragen werden kann.
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Der DC/DC-Wandler kann nach Art eines getakteten Energiewandlers ausgebildet sein. Der DC/DC-Wandler kann zum Beispiel ein Hochsetzsteller (Booster) und/oder ein Tiefsetzsteller (Buck) sein. Natürlich kann auch eine Kombinationsfunktion hierfür vorgesehen sein.
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Vorzugsweise weist der Kabelanschluss an wenigstens einem der Kabelenden ein Anschlussgehäuse auf, dass mit dem elektrischen Verbindungskabel mechanisch verbunden ist und in dem der jeweilige DC/DC-Wandler angeordnet ist. Durch das Anschlussgehäuse kann der DC/DC-Wandler geschützt angeordnet sein. Zugleich kann eine gute mechanische Verbindung mit dem Verbindungskabel hergestellt werden, sodass auch der Anschluss des jeweiligen DC/DC-Wandlers an die elektrischen Leitungen des elektrischen Verbindungskabel zuverlässig und geschützt ausgebildet sein kann. Darüber hinaus kann mittels des Gehäuses auch eine vorgegebene Kühlungsfunktion des DC-DC-Wandlers erreicht werden, wodurch Verlustwärme im bestimmungsgemäßen Betrieb abgeführt werden kann. Zu diesem Zweck kann das Anschlussgehäuse eine entsprechende Gehäusestruktur aufweisen.
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Ferner kann das Anschlussgehäuse einstückig mit dem elektrischen Verbindungskabel ausgebildet sein. Das Anschlussgehäuse kann zu diesem Zweck aus dem gleichen Werkstoff wie die elektrische Isolation des Verbindungskabels ausgebildet sein. So kann zum Beispiel der Kabelanschluss nach Art eines Vergießens hergestellt sein. Besonders vorteilhaft kann auch der DC/DC-Wandler in diesem Zusammenhang im Gehäuse angeordnet sein.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Kabelanschluss einen Steckverbinder zum lösbaren Verbinden des elektrischen Verbindungskabels mit dem jeweiligen Gleichspannungsnetz aufweist. Durch den Steckverbinder kann eine einfach lösbare Steckverbindung mit dem jeweiligen Gleichspannungsnetz hergestellt werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Steckverbinder lediglich einendseitig am elektrischen Verbindungskabel vorgesehen ist und das jeweilige andere Ende fest mit einem jeweiligen Gleichspannungsnetz verbunden ist. Diese Ausgestaltung eignet sich zum Beispiel bei Anwendung eines mit der Ladestation beziehungsweise mit dem Kraftfahrzeug festverbunden Ladekabels nach Art eines elektrischen Verbindungskabels. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das elektrische Verbindungskabel an beiden Enden einen jeweiligen Steckverbinder zum lösbaren Verbinden aufweist. Der Steckverbinder kann nach Art eines Steckers oder auch einer Steckdose ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft zeigt es sich, wenn das elektrische Verbindungskabel für eine unidirektionale Energieübertragung ausgebildet ist, wobei der DC/DC-Wandler an einem energiequellenseitigen Kabelanschluss als Hochsetzsteller und der DC/DC-Wandler an einem energiesenkenseitigen Kabelanschluss als Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass besonders einfache DC/DC-Wandler vorgesehen sein können. Ferner als vorteilhaft erweist es sich, wenn ein solches elektrisches Verbindungskabel als Ladekabel zum Schnellladen bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Ein solches elektrisches Verbindungskabel benötigt lediglich eine unidirektionale Energieübertragungseigenschaft, weil es lediglich zum Aufladen der Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeuges genutzt zu werden braucht.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die DC/DC-Wandler ausgebildet sind, gleichspannungsnetzseitig die gleiche elektrische Spannung bereitzustellen. Dies Ausgestaltung eignet sich insbesondere für die Anwendung als Ladekabel, wobei die Ladestation und das Bordnetz des Kraftfahrzeuges im Wesentlichen die gleiche elektrische Gleichspannung bereitstellen. Das elektrische Verbindungskabel der Erfindung kann somit unmittelbar ein vorhandenes elektrisches Verbindungskabel des Stands der Technik ersetzen, ohne dass weitere Maßnahmen zur Anpassung erforderlich wären. Dies Ausgestaltung eignet sich somit insbesondere auch für die Nachrüstung.
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Vorzugsweise weist jeder DC/DC-Wandler wenigstens ein Schaltelement auf, welches nach Art eines Wide-Bandgap-Halbleiters ausgebildet ist. Durch ein derart ausgebildetes Schaltelement kann eine besonders günstige Schaltfunktion des DC/DC-Wandler erreicht werden. Das Schaltelement zeichnet sich insbesondere durch geringe Schaltverluste aus und kann deshalb dazu dienen, dass der DC/DC-Wandler einen hohen Wandlungswirkungsgrad erreichen kann. Ein solcher Halbleiter kann zum Beispiel Silizumkarbid, Galliumnitrit oder dergleichen sein. Insgesamt kann auch eine Baugröße des DC/DC-Wandlers reduziert werden.
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Vorteilhaft kann wenigstens einer der DC/DC-Wandler ausgebildet sein, mit einer Taktfrequenz von mindestens 1 MHz betrieben zu werden. Die Wahl einer hohen Taktfrequenz erlaubt es, geometrische Abmessungen des DC/DC-Wandlers weiter zu reduzieren. In Verbindung mit einem Wide-Band-Gap-Halbleiter kann darüber hinaus auch bei einer derart hohen Taktfrequenz. insbesondere auch bei großer Leistung, ein guter Wirkungsgrad erreicht werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Ladekabel des Stands der Technik;
- 2 in einer schematischen Darstellung ein Ladekabel gemäß der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines energiequellenseitigen DC/DC-Wandlers;
- 4 eine schematische Schaltbilddarstellung des DC/DC-Wandlers gemäß 3;
- 5 eine schematische Darstellung eines energiesenkenseitigen DC/DC-Wandlers; und
- 6 eine schematische Schaltbilddarstellung des DC/DC-Wandlers gemäß 5.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ladekabel 10 als elektrisches Verbindungskabel, welches zwei voneinander isoliert angeordnete elektrische Leitungen 12, 14 aufweist. Nicht dargestellt ist eine elektrische Isolierung, die aus einem geeigneten Kunststoff als Werkstoff besteht und die elektrischen Leitungen 12, 14 umgibt. Die elektrischen Leitungen 12, 14 sind vorliegend aus einer Kupferlegierung gebildet und haben einen litzenartigen Aufbau, um eine gute Flexibilität des Ladekabels 10 erreichen zu können. Eine Querschnittsfläche der beiden elektrischen Leitungen 12, 14 beträgt etwa 50 mm2.
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An einem jeweiligen Kabelende des elektrischen Verbindungskabels 10 ist jeweils ein Kabelanschluss 36, 38 zum Anschließen des elektrischen Verbindungskabels 10 an ein jeweiliges Gleichspannungsnetz 24, 26 ausgebildet. Jeder der Kabelanschlüsse 36, 38 weist ein Anschlussgehäuse auf, dass mit dem elektrischen Verbindungskabel 10 mechanisch verbunden ist. Das Anschlussgehäuse ist vorliegend einstückig mit dem Ladekabel 10 ausgebildet.
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Ferner umfasst jedes der beiden Anschlussgehäuse einen Steckverbinder 16, 18 zum lösbaren Verbinden des Ladekabels 10 mit dem jeweiligen Gleichspannungsnetz 24, 26.
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Das Ladekabel 10 dient vorliegend dazu, eine Ladestation 40 elektrisch mit einem Elektrofahrzeug 42 zu koppeln. Zu diesem Zweck weist die Ladestation 40 einen nicht bezeichneten Ladeanschluss zum Anschließen an das Kraftfahrzeug 42 auf. Der Ladeanschluss weist einen Steckverbinder 20 auf, der mit dem energiequellenseitigen Steckverbinder 16 des Ladekabels 10 verbindbar ist. Die Ladestation 40 weist ferner das Gleichspannungsnetz 24 auf, welches elektrische Energie aus einem nicht weiter dargestellten öffentlichen Energieversorgungsnetz bezieht. Vorliegend beträgt die mittels der Ladestation 40 bereitgestellte elektrische Gleichspannung etwa 450 V.
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Energiesenkenseitig ist das Elektrofahrzeug 42 vorgesehen, welches ein Bordnetz 26 als Gleichspannungsnetz aufweist. Das Bordnetz 26 ist ferner an eine Fahrzeugbatterie 28 angeschlossen, die vorliegend als Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Das Bordnetz 26 ist ferner an einen Steckverbinder 22 des Elektrofahrzeugs 42 angeschlossen, mittels dem eine lösbare elektrische Verbindung mit dem Steckverbinder 18 des Ladekabels 10 hergestellt werden kann. Das Bordnetz 26 ist ebenfalls für eine Gleichspannung von etwa 450 V ausgelegt.
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Das Ladekabel 10 gemäß 1 ist ausgelegt, maximal mit einem Gleichstrom von etwa 300 A beaufschlagt zu werden. Daraus ergibt sich eine übertragbare Leistung von etwa 135 kW.
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2 zeigt nun ein Ladekabel 34 als elektrisches Verbindungskabel gemäß der Erfindung, welches hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften dem Ladekabel 10 gemäß 1 entspricht, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Im Übrigen gilt dies auch für die Ladestation 40 und das Kraftfahrzeug 42.
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Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 ist bei der Ausgestaltung gemäß 2 vorgesehen, dass jeder der Kabelanschlüsse 36, 38 einen jeweiligen DC/DC-Wandler 30, 32 aufweist, der an die jeweiligen elektrischen Leitungen 12, 14 angeschlossen ist.
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Die DC/DC-Wandler 30, 32 sind ausgebildet, die elektrischen Leitungen 12, 14 mit einer größeren Gleichspannung als den durch die Gleichspannungsnetze 24, 26 bereitgestellten Gleichspannungen zu beaufschlagen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrischen Leitungen 12, 14 mit einer Gleichspannung von etwa 800 V beaufschlagt werden.
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Die DC/DC-Wandler 30, 32 sind in den Anschlussgehäusen des Ladekabels 34 angeordnet. Die Anschlussgehäuse stellen auch hier wieder Steckverbinder bereit, mittels denen das Ladekabel 34 an die Steckverbinder 20, 22 der Ladestation 40 und des Elektrofahrzeuges 42 angeschlossen werden kann. Die elektrischen Leiter 12, 14 entsprechen den elektrischen Leitern 12, 14 des Ladekabels 10 gemäß 1. Das gleiche gilt im Übrigen auch für die elektrische Isolation, die nicht dargestellt ist. Aufgrund bereits mechanischer Anforderungen beträgt die Isolationsfähigkeit des Werkstoffs des Ladekabels 34 ebenso wie beim Ladekabel 10 deutlich über etwa 800 V.
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Das Ladekabel 34 ist vorliegend für ein unidirektionale Energieübertragung vorgesehen. Zu diesem Zweck ist der DC/DC-Wandler 30, der in 3 separat schematisch dargestellt ist, als Hochsetzsteller ausgebildet, der lediglich von der Ladestation 40 zugeführte Energie zu wandeln vermag.
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In 4 ist eine schematische Schaltbildstellungdarstellung des DC/DC-Wandlers 30 dargestellt. Der DC/DC-Wandler 30 umfasst einen Anschluss 44, der zugleich auch an den Steckverbinder des Kabelanschlusses 36 angeschlossen ist. An den Anschluss 44 ist zunächst ein Kondensator 48 angeschlossen, der der Stabilisierung der zugeführten elektrischen Gleichspannung von der Ladestation 40 dient. An den Kondensator 48 ist eine Reihenschaltung aus einer Induktivität 50 als Energiespeicher sowie einem elektronischen Schaltelement 52 angeschlossen. Das elektronische Schaltelement 52 ist vorliegend durch einen nicht weiter bezeichneten Transistor gebildet, der mittels einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Steuerung in einem Taktbetrieb betrieben wird. An einem Mittelabgriff der vorgenannten Reihenschaltung ist eine Anode eine Diode 54 angeschlossen, deren Katode an einen Kondensator 56 angeschlossen ist. An dem Kondensator 56 ist zugleich auch ein Anschluss 46 angeschlossen, dessen Anschlüsse an die elektrischen Leitungen 12, 14 des Ladekabels 34 angeschlossen sind. In üblicher Weise wird mittels des Taktbetriebs des elektronischen Schaltelements 52 eine Spannungswandlung erreicht, sodass die am Anschluss 44 bereitgestellte Gleichspannung von etwa 450 V auf eine am Anschluss 46 bereitgestellte Gleichspannung von etwa 800 V gewandelt wird.
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Energiesenkenseitig ist der DC/DC-Wandler 32 als Tiefsetzsteller ausgebildet, der separat in 5 gezeigt ist. 6 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung des DC/DC-Wandlers 32 gemäß 5.
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Der DC/DC-Wandler 32 weist einen Anschluss 58 auf, der an die elektrischen Leitungen 12, 14 des Ladekabels 34 angeschlossen ist. An den Anschluss 58 ist ein Kondensator 62 angeschlossen. An den Kondensator 62 ist ferner eine Reihenschaltung aus einem elektronischen Schaltelement 64 sowie einer Diode 66 angeschlossen. Die Diode 66 ist mit ihrer Katode an das elektronischen Schaltelement 64 angeschlossen. An einem Mittelabgriff 72 der aus dem elektronischen Schaltelement 64 und der Diode 66 gebildeten Reihenschaltung ist eine weitere Reihenschaltung aus einer Induktivität 68 und einem Kondensator 70 angeschlossen. Am Kondensator 70 ist ferner ein Anschluss 60 angeschlossen, der seinerseits den Steckverbinder des DC/DC-Wandlers 32 umfasst.
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Das elektronische Schaltelement 64 wird ebenso wie das elektronische Schaltelement 52 im Taktbetrieb betrieben, sodass eine Spannungswandlung erreicht werden kann. Am Anschluss 58 steht somit eine Gleichspannung von etwa 800 V bereit, die mittels des DC/DC-Wandlers 32 zu einer Gleichspannung von etwa 450 V gewandelt wird, die am Anschluss 60 bereitgestellt wird. An den Kabelanschlüssen 36, 38 steht somit - ebenso wie beim Ladekabel 10 - eine Gleichspannung von etwa 450 V bereit.
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Dadurch, dass die elektrischen Leitungen 12, 14 des Ladekabels 34 jedoch mit einer deutlich größeren Gleichspannung beaufschlagt sind, kann auch eine entsprechend höhere Leistung übertragen werden. So kann bei gleicher Strombeanspruchung der elektrischen Leiter 12, 14 des Ladekabels 34 nunmehr eine elektrische Leistung von etwa 240 kW übertragen werden. Daraus ist zu ersehen, dass die Nutzung des Ladekabels 34 erheblich verbessert werden kann. Ohne Änderungen am Ladekabel 34 selbst vornehmen zu müssen, kann durch Einsatz der DC/DC-Wandler 30, 32 erreicht werden, dass eine wesentlich größere Leistung übertragen werden kann. Dadurch kann gerade beim Schnelladen die Ladezeit deutlich verkürzt werden. Dabei erweist es sich ferner als vorteilhaft, dass beim Schnellladen in der Regel ohne dies lediglich unidirektionale Energieübertragung erforderlich ist. Deshalb können, wie vorliegend auch vorgesehen, die DC/DC-Wandler 30, 32 als unidirektionale Energiewandler ausgebildet sein. Bei Bedarf kann jedoch auch eine bidirektionale Ausgestaltung dieser DC/DC-Wandler 30, 32 vorgesehen sein.
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Werden die elektrischen Leiter 12, 14 mit einem Strom von 437 A beaufschlagt, kann sogar eine elektrische Leistung von etwa 350 kW übertragen werden.
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Vorliegend ist ferner vorgesehen, dass die elektronischen Schaltelemente 52, 64 als Wide-Band-Gap-Halbleiter ausgebildet sind und eine Taktrate etwa 1 MHz beträgt.
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Insgesamt zeigt das Ausführungsbeispiel, wie mit der Erfindung die übertragbare Leistung eines elektrischen Verbindungskabels, insbesondere des Ladekabels, deutlich erhöht werden kann. Das Ladekabel selbst, das heißt, seine elektrischen Leiter 12, 14 sowie auch die elektrische Isolation, brauchen nicht geändert zu werden.
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Schließlich ist anzumerken, dass die für das elektrische Verbindungskabel angegeben Vorteile und Wirkungen gleichermaßen für das Kraftfahrzeug und die Ladestation gelten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112009005181 T5 [0009]
- DE 202012009032 U1 [0009]
- DE 102012109869 B3 [0009]
