DE102018005456A1 - DC electrical system for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Gleichstrombordnetze (1), insbesondere Hochvolt-Gleichstrombordnetze, für ein Fahrzeug, umfassend eine Mehrzahl mittels eines elektrisch leitfähigen Leitungssatzes zur elektrischen Energieübertragung miteinander verbundener Komponenten (K0 bis Kn).
Erfindungsgemäß sind Kabel (3) des Leitungssatzes zwischen mindestens zwei Komponenten (K0 bis Kn) derart ausgebildet, dass sie einen verstärkten Skin-Effekt aufweisen.
The invention relates to DC electrical systems (1), in particular high-voltage DC electrical systems, for a vehicle, comprising a plurality of components (K0 to Kn) which are connected to one another by means of an electrically conductive line set for electrical energy transmission.
According to the invention, cables (3) of the line set are designed between at least two components (K0 to Kn) in such a way that they have an enhanced skin effect.
Description
Die Erfindung betrifft ein Gleichstrombordnetz für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a DC electrical system for a vehicle according to the features of the preamble of
Aus dem Stand der Technik sind Gleichstrombordnetze für Fahrzeuge allgemein bekannt. Derartige Gleichstrombordnetze umfassen eine Mehrzahl mittels eines elektrisch leitfähigen Leitungssatzes zur elektrischen Energieübertragung miteinander verbundener Komponenten. Solche Gleichstrombordnetze sind beispielsweise als Hochvolt-Gleichstrombordnetze für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und/oder Brennstoffzellenfahrzeuge ausgebildet und umfassen mindestens eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs, auch als Traktionsmotor bezeichnet, und mindestens eine Batterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur elektrischen Energieversorgung der mindestens einen elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs.Direct current electrical systems for vehicles are generally known from the prior art. Such DC electrical systems comprise a plurality of components which are connected to one another by means of an electrically conductive wiring harness for the electrical energy transmission. Such direct current electrical systems are designed, for example, as high-voltage direct current electrical systems for electric vehicles, hybrid vehicles and / or fuel cell vehicles and comprise at least one electrical machine for driving the vehicle, also referred to as a traction motor, and at least one battery, i. H. an electrochemical energy store, also referred to as a traction battery, for the electrical energy supply of the at least one electrical machine for driving the vehicle.
In der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Gleichstrombordnetz für ein Fahrzeug anzugeben.The invention is based on the object of specifying a DC electrical system for a vehicle which is improved compared to the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gleichstrombordnetz für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a DC electrical system for a vehicle with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein Gleichstrombordnetz, insbesondere Hochvolt-Gleichstrombordnetz, für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug und/oder Brennstoffzellenfahrzeug, umfasst eine Mehrzahl mittels eines elektrisch leitfähigen Leitungssatzes zur elektrischen Energieübertragung miteinander verbundener Komponenten. Beispielsweise umfasst das Gleichstrombordnetz als elektrische Komponenten mindestens eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs, auch als Traktionsmotor bezeichnet, und mindestens eine Batterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur elektrischen Energieversorgung der mindestens einen elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich zur Batterie kann die elektrische Energieversorgung beispielsweise über eine andere Energiequelle, insbesondere über eine andere elektrochemische Energiequelle, zum Beispiel über mindestens eine Brennstoffzelle, erfolgen.A DC electrical system, in particular a high-voltage DC electrical system, for a vehicle, in particular for an electric vehicle, hybrid vehicle and / or fuel cell vehicle, comprises a plurality of components which are connected to one another by means of an electrically conductive line set for electrical energy transmission. For example, the DC electrical system comprises as electrical components at least one electrical machine for driving the vehicle, also referred to as a traction motor, and at least one battery, i. H. an electrochemical energy store, also referred to as a traction battery, for the electrical energy supply of the at least one electrical machine for driving the vehicle. As an alternative or in addition to the battery, the electrical energy supply can take place, for example, via another energy source, in particular via another electrochemical energy source, for example via at least one fuel cell.
Erfindungsgemäß sind Kabel des Leitungssatzes zwischen mindestens zwei Komponenten derart ausgebildet, dass sie aus einer Kombination aus einem paramagnetischen Material und einem ferromagnetischen Material ausgebildet sind, sodass sie einen verstärkten Skin-Effekt aufweisen.According to the invention, cables of the line set are designed between at least two components in such a way that they are formed from a combination of a paramagnetic material and a ferromagnetic material, so that they have an enhanced skin effect.
Die erfindungsgemäße Lösung löst das Problem, welches dadurch entsteht, dass die Komponenten sehr unterschiedliche Leistungsanforderungen aufweisen. Dadurch können hohe Belastungsszenarien einer Komponente andere im elektrischen Verbund betriebene Komponenten belasten und/oder stören. Insbesondere kann das Leistungsspektrum der Antriebskomponente, d. h. insbesondere des elektrischen Traktionsmotors des Fahrzeugs, andere Komponenten durch hohe Wechselstromanteile in Mitleidenschaft ziehen. Hohe Wechselstrombelastungen haben im Allgemeinen hohe Spannungsschwankungen, so genannte Spannungs-Rippel, zur Folge.The solution according to the invention solves the problem which arises from the fact that the components have very different performance requirements. As a result, high load scenarios of one component can stress and / or disrupt other components operated in the electrical network. In particular, the performance spectrum of the drive component, i. H. especially the electric traction motor of the vehicle, other components are affected by high AC components. High AC loads generally result in high voltage fluctuations, so-called voltage ripples.
Generell wird versucht, durch ein niederohmiges Gleichstrombordnetz die Verluste im Gleichstrombordnetz klein zu halten. Allerdings müssen so bei bisher bekannten Lösungen alle beteiligten Komponenten, insbesondere die Batterie, des elektrischen Verbunds, d. h. des Gleichstrombordnetzes, Wechselspannungsanteile ertragen und Wechselstromanteile mittragen, die zum Beispiel nur durch eine einzelne leistungsstarke Hauptkomponente, insbesondere durch die Antriebskomponente, d. h. durch den Traktionsmotor, verursacht werden. Die hohen Wechselstromanteile belasten elektrische Verbindungsleitungen, d. h. die Kabel des Leitungssatzes, zusätzlich und können darüber hinaus Eingänge, beispielsweise Kontakte und/oder Sicherungen, und/oder Eingangsfilter, beispielsweise Drosseln und/oder Kondensatoren, anderer Komponenten belasten. Dies kann beispielsweise zu einer zusätzlichen Alterung führen.In general, attempts are made to keep the losses in the DC on-board network small by using a low-resistance DC on-board network. However, all the components involved, in particular the battery, of the electrical connection, ie. H. of the DC electrical system, endure AC components and carry AC components that, for example, only by a single powerful main component, in particular by the drive component, d. H. caused by the traction motor. The high AC components burden electrical connection lines, i. H. the cables of the wiring harness, in addition and can also load inputs, for example contacts and / or fuses, and / or input filters, for example chokes and / or capacitors, of other components. This can lead to additional aging, for example.
Eine Auslegung des elektrischen Gleichstrombordnetzes ist dadurch bei bisher bekannten Lösungen sehr aufwändig und schwer zu dimensionieren, da in einer Phase der Auslegung die Eigenschaften aller mitwirkenden Komponenten nicht bekannt sind. Auch ist es nur schwer einzusehen, dass Störungen einer einzelnen Komponente von anderen Komponenten mitzutragen sind. Des Weiteren werden zumeist Komponenten für unterschiedliche Anwendungen und Projekte dimensioniert, so dass eine Abstimmung unter den beteiligten Komponenten für alle Anwendungen nicht möglich ist oder zu einer erheblichen Überdimensionierung einzelner, meist einfacher, Komponenten führen würde.An interpretation of the electrical DC electrical system is therefore very complex and difficult to achieve in previously known solutions dimension because the properties of all components involved are not known in a design phase. It is also difficult to see that faults in a single component must be borne by other components. Furthermore, components are usually dimensioned for different applications and projects, so that a coordination among the components involved is not possible for all applications or would lead to considerable oversizing of individual, usually simpler, components.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dieses Problem, dass in einem solchen niederohmigen Gleichstrombordnetz, welches mehrere elektrische Komponenten, insbesondere eine Batterie und einen Traktionsmotor, umfasst, Rippelströme und Rippel-Spannungen auftreten und einzelne Komponenten belasten und/oder stören, gelöst, denn durch die erfindungsgemäße Verwendung von Kabeln mit verstärktem Skin-Effekt in diesem Gleichstrombordnetz wird der Leitungssatz des Gleichstrombordnetzes, zumindest zwischen einigen der Komponenten des Gleichstrombordnetzes, derart ausgelegt, dass er hauptsächlich Gleichströme leiten kann. Der Leitungssatz oder zumindest diese Kabel ist/sind als Filter, insbesondere als frequenzwirksame Filter, für Wechselstromanteile ausgebildet. D. h., der elektrische Widerstand dieser Kabel nimmt mit steigender Frequenz des Rippelstroms bzw. der Rippelspannung zu.The solution according to the invention solves this problem that ripple currents and ripple voltages occur and stress and / or disrupt individual components in such a low-impedance on-board electrical system, which comprises a plurality of electrical components, in particular a battery and a traction motor, because the inventive one The use of cables with an enhanced skin effect in this DC on-board network means that the wiring harness of the DC on-board network, at least between some of the components of the DC on-board network, is designed such that it can mainly conduct DC currents. The line set or at least these cables is / are designed as a filter, in particular as a frequency-effective filter, for AC components. This means that the electrical resistance of these cables increases with increasing frequency of the ripple current or the ripple voltage.
Als Ergebnis wird die Übertragung von Wechselstromanteilen gedämpft. Je höher die Frequenz, desto größer die Dämpfung. Dadurch wird verhindert, dass Störungen einer Komponente, insbesondere Wechselströme, sich bei anderen Komponenten des Gleichstrombordnetzes nachteilhaft auswirken können. Jede Komponente kann nun hinsichtlich der Wechselstromstörungen unabhängig oder zumindest unabhängiger von den restlichen Komponenten ausgelegt werden.As a result, the transmission of AC components is damped. The higher the frequency, the greater the damping. This prevents faults in one component, in particular alternating currents, from having a disadvantageous effect on other components of the direct current electrical system. Each component can now be designed independently or at least more independently of the other components with regard to the AC disturbances.
Um dies zu erreichen, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung, wie bereits erwähnt, der Skin-Effekt ausgenutzt. Hierfür werden wie erwähnt Kabel eingesetzt, die aus einer Kombination aus einem paramagnetischem Material und einem ferromagnetischem Material ausgebildet sind.To achieve this, the skin effect is used in the solution according to the invention, as already mentioned. As mentioned, cables are used for this purpose, which are formed from a combination of a paramagnetic material and a ferromagnetic material.
Insbesondere besteht ein Kern des Kabels, insbesondere gebildet durch eine oder mehrere elektrisch leitende Adern, aus einem paramagnetischen Material, zum Beispiel aus Kupfer oder Aluminium oder einer Legierung mit Kupfer und/oder Aluminium, während eine Oberfläche, insbesondere eine Oberflächenschicht auf dem Kern oder auf der einzelnen Ader, aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Eisen oder Nickel oder einer Legierung mit Eisen und/oder Nickel, ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch der Einsatz von Ferritbauelementen denkbar. Im Ergebnis wird ein Strom infolge des Skin-Effektes mit zunehmend höherer Frequenz mehr und mehr an die Oberfläche des jeweiligen Kabels gedrängt, die einen vergleichsweise hohen Widerstand hat, sodass die Übertragung von Wechselstromanteilen mehr und mehr blockiert wird.In particular, a core of the cable, in particular formed by one or more electrically conductive wires, consists of a paramagnetic material, for example of copper or aluminum or an alloy with copper and / or aluminum, while a surface, in particular a surface layer, is on or on the core of the individual wire, is formed from a ferromagnetic material, for example from iron or nickel or an alloy with iron and / or nickel. Alternatively or additionally, the use of ferrite components is also conceivable. As a result, a current due to the skin effect with an increasingly higher frequency is pushed more and more to the surface of the respective cable, which has a comparatively high resistance, so that the transmission of AC components is blocked more and more.
Durch die erfindungsgemäße Lösung sind keine eigenen Wechselstromfilter für die einzelnen elektrischen Komponenten des Gleichstrombordnetzes erforderlich, so dass eine Kostenreduktion erreicht wird. Des Weiteren können die elektrischen Komponenten des Gleichstrombordnetzes unabhängig voneinander ausgelegt werden, da bei Einsatz dieses Leitungssatzes mit Filterwirkung für Wechselströme jede Komponente für die selbsterzeugten Störungen, insbesondere in Form von Wechselströmen, verantwortlich ist und andere beteiligte Komponenten des Gleichstrombordnetzes davon, je nach Auslegung, unbeeinflusst bleiben. Dadurch kann eine Auslegung einzelner Komponenten des Gleichstrombordnetzes unabhängig von der restlichen Beschaffenheit des Gleichstrombordnetzes erfolgen, da lediglich die Gleichströme und, je nach Auslegung der Filterwirkung der Kabel, niedrige Frequenzen der Wechselströme für die Auslegung des Gleichstrombordnetzes relevant sind. Es wird somit eine größere Designfreiheit für das Gleichstrombordnetz und dessen Komponenten erreicht. Zudem werden Ringströme verhindert.The solution according to the invention means that no separate AC filters are required for the individual electrical components of the DC electrical system, so that a cost reduction is achieved. Furthermore, the electrical components of the DC electrical system can be designed independently of each other, since when using this cable set with filter effect for AC currents, each component is responsible for the self-generated disturbances, in particular in the form of AC currents, and other components of the DC electrical system involved, unaffected, depending on the design stay. As a result, individual components of the DC electrical system can be designed independently of the remaining nature of the DC system, since only the direct currents and, depending on the design of the filter effect of the cables, low frequencies of the alternating currents are relevant for the design of the DC electrical system. This gives greater freedom of design for the DC electrical system and its components. Ring currents are also prevented.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Gleichstrombordnetzes für ein Fahrzeug, -
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gleichstrombordnetzes für ein Fahrzeug, -
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gleichstrombordnetzes für ein Fahrzeug, -
4 eine schematische Darstellung des Skin-Effekts, und -
5 eine schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten der Ausbildung eines Kabels eines Leitungssatzes eines Gleichstrombordnetzes für ein Fahrzeug.
-
1 1 shows a schematic representation of a DC electrical system for a vehicle known from the prior art, -
2 1 shows a schematic representation of an embodiment of a DC electrical system for a vehicle, -
3 1 shows a schematic illustration of a further embodiment of a DC electrical system for a vehicle, -
4 a schematic representation of the skin effect, and -
5 is a schematic representation of various ways of forming a cable of a wiring harness of a DC electrical system for a vehicle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Ein solches Gleichstrombordnetz
Die untereinander verbundenen elektrischen Komponenten
Ein dabei meist zusätzlich auftretender Wechselstromanteil dient dabei nicht zur Energieübertragung. Meist verursacht dieser Wechselstromanteil zusätzliche elektrische Verluste und führt bei Komponenten
Das Auftreten von Wechselströmen geht grundsätzlich mit entsprechenden Wechselspannungen einher. Auch mit dem im Folgenden beschriebenen Ansatz werden kleine Spannungsschwankungen, so genannte Ripple, nicht zu verhindern sein, jedoch können diese stark minimiert werden. Erhöhte Spannungsripple der Spannungsversorgung stellen eine Herausforderung an andere Komponenten
Typische Standards liegen zum Beispiel bei ±8V oder ±15V. Die Erfahrung zeigt, dass diese Spannungsripple stark von der betrachteten Frequenz
Um solche Störungen von Komponenten
Durch diese Lösung müssen nur die zur elektrischen Versorgung nötigen Wechselstromanteile vom Leitungssatz übertragen werden, so dass kein zusätzlicher Filter in den jeweiligen Komponenten
Zur optimalen Auslegung einer jeweiligen Komponente
Des Weiteren werden Ringströme in parallel wirksamen Leiterschleifen (zum Beispiel Schirmung von Einzeladern) vermieden. Bei Leitungssätzen, deren Einzeladern (Hin- bzw. Rückleiter) einen nicht vernachlässigbaren Abstand aufweisen, werden durch Induktion aufgrund der auftretenden Wechselstromanteile erhebliche Ringströme hervorgerufen, zum Beispiel im Schirmgeflecht der Einzeladern, weswegen diese Ringströme auch Schirmströme bzw. Schirmstrom genannt werden. Da durch die hier beschriebene Lösung diese Wechselstromanteile unterdrückt werden, werden auch die Ringströme vermieden.In addition, ring currents in parallel active conductor loops (e.g. shielding of single wires) are avoided. In cable sets whose individual cores (outgoing and return conductors) have a non-negligible distance, induction causes considerable ring currents due to the AC components that occur, for example in the braided shield of the single cores, which is why these ring currents are also called shield currents or shield currents. Since these AC components are suppressed by the solution described here, the ring currents are also avoided.
Diese Vorteile der hier beschriebenen Lösung wiegen Nachteile, beispielsweise durch daraus resultierende zusätzliche Anforderung an den Leitungssatz, welche eine entsprechende Entwicklung erfordern, und durch Verluste in Form von Erwärmung, welche durch die durch Stromripple bzw. Spannungsripple erzeugten Wechselströme je nach Frequenzverhalten des Leitungssatzes verursacht werden, bei weitem auf.These advantages of the solution described here outweigh disadvantages, for example due to the resulting additional requirements for the wiring harness, which require a corresponding development, and losses in the form of heating, which are caused by the alternating currents generated by current ripples or voltage ripples depending on the frequency behavior of the wiring harness , by far.
In solchen Fällen, beispielhaft dargestellt in
Diese Filterwirkung der Kabel
Dieser Effekt ist für typischerweise eingesetzte Kupferleitungen erst ab merklich hohen Frequenzen
Der Einsatz von ferromagnetischen Materialien
Das Kabel
Beispielsweise ist, wie in
Alternativ kann, wie in
Alternativ können, wie in
Alternativ sind ein oder mehrere ferromagnetische Materialien
Auch eine Kombination von zwei oder mehr der genannten Varianten zur Ausbildung des Kabels
Ziel dieser Ausbildung des Kabels
Alternativ oder zusätzlich kann ein Einsatz von diskreten, zusätzlichen Ferritbauelementen zur Erhöhung der frequenzabhängigen Induktivität der Leitung vorgesehen sein.Alternatively or additionally, discrete, additional ferrite components can be used to increase the frequency-dependent inductance of the line.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- GleichstrombordnetzDC vehicle electrical system
- 22
- herkömmliches Kabelconventional cable
- 33
- Kabel electric wire
- CuCu
- Kupfercopper
- ff
- Frequenzfrequency
- FeFe
- Eiseniron
- FMFM
- ferromagnetisches Materialferromagnetic material
- K0 bis KnK0 to Kn
- Komponentecomponent
- PP
- Prognoseforecast
- PMPM
- paramagnetisches Materialparamagnetic material
- RAC R AC
- WechselstromwiderstandAC resistance
- RDC R DC
- GleichstromwiderstandDC resistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2005/045853 A1 [0003]WO 2005/045853 A1 [0003]
- DE 19963301 A1 [0004]DE 19963301 A1 [0004]
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-
2018
- 2018-07-10 DE DE102018005456.0A patent/DE102018005456A1/en not_active Withdrawn
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