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Die Erfindung betrifft ein HV-Bordnetzsystem eines Fahrzeuges, eine Verwendung des HV-Bordnetzsystems sowie eine Fahrzeug mit HV-Bordnetzsystem.
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Die Hochvolt (HV)-Bordnetze von Fahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieb arbeiten mit hohen Gleichspannungen, häufig in einem Bereich zwischen 60 V und einigen kV. Da die elektrische Leistung der HV-Komponenten im Bereich mehrerer Kilowatt liegen kann, werden hohe Ströme auf den HV-Leitungen zwischen den elektrischen Energiespeichern und den Komponenten geführt. Diese Ströme verursachen ein Magnetfeld, das direkt proportional zur Stromstärke ist. Weiterhin ist für die Stärke und Ausprägung dieser Magnetfelder die aufgespannte Fläche zwischen Hin- und Rückleiter ausschlaggebend.
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Die Emissionen dieser Magnetfelder müssen zur Einhaltung von Personenschutzanforderungen geschirmt oder anderweitig vermindert werden. Aus Personenschutzgründen ist eine Verlegung der Leitungen eines HV-Bordnetzes im Innenraum von Fahrzeugen zu vermeiden. Eine Einzelschirmung der Leitungen ist nachteilig nur eine bedingt wirksame Methode gegenüber niederfrequenten Magnetfeldern, die aufwendig ist und zudem hohe Kosten verursacht. In diesem Zusammenhang weiterhin nachteilig ist der Umstand, dass bei der Verlegung der Einzelleitungen teils ein undefinierter Abstand zwischen Hin- und Rückleiter entsteht, was eine Verstärkung der Magnetfeldemissionen mit sich bringen kann.
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Dies ist unter anderem darauf zurück zu führen, dass Hochstromleitungen nach dem Stand der Technik aus zusammengefügten Filamenten bestehen oder Vollleitungen aus elektrisch leitfähigem Material sind, jeweils gegebenenfalls mit einer Kabelschirmung als Ummantelung. Diese flexiblen Leitungen können kaum automatisiert im Fahrzeug verlegt werden, aufgrund des internen Aufbaus, des Verhältnisses von Gewicht zu Geometrie sowie der Biegeschlaffheit der Leitungen. Daher müssen diese herkömmlichen flexiblen Hochstromleitungen aufwendig und kostenintensiv mit einer hohen Anzahl von Befestigungsmitteln verlegt werden.
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In der
DE 10 2015 118 921 A1 wird ein Mehrspannungsbordnetzsystem eines Kraftfahrzeuges vorgestellt, bei dem mehrere Bordnetze, darunter auch ein HV-Bordnetz, mittels mehrerer Flachleitungen verbunden sind. Erfindungsgemäß sind dabei die Flachleitungen derart übereinander angeordnet, dass mittig ein gemeinsamer Rückleiter zwischen mindestens zwei Hinleitern zweier verschiedener Bordnetze angeordnet ist. Nachteilig kann diese Anordnung die Emissionen elektromagnetischer Felder nur unzureichend kompensieren, da die Hinleiter unterschiedliche Stromstärken führen.
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WO 2010 / 003 438 A1 und
DE 10 2012 200 979 A1 offenbaren jeweils Bordnetzsysteme für Fahrzeuge mit aus Flachleitungen bestehenden Leitersystemen. Hierbei sind Flachleitungen von einem ersten Leitungstyp und Flachleitungen von einem zweiten Leitungstyp vorgesehen, die derart übereinander angeordnet sind, dass die Flachleitungen vom ersten Leitungstyp und vom zweiten Leitungstyp abwechselnd übereinander angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein HV-Bordnetzsystem eines Fahrzeuges vorzuschlagen, dessen Leiteranordnung nur sehr geringe Emissionen elektromagnetischer Strahlung verursacht, einen sehr geringen Induktivitätsbelag besitzt und zudem einfach, sicher und kostengünstig zu verlegen ist.
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Das erfindungsgemäße HV-Bordnetzsystem weist mindestens (2n+1) Flachleitungen auf. n ist dabei eine natürliche Zahl größer/gleich 1 (n={1, 2, 3...}). Von den (2n+1) Flachleitungen sind n-Flachleitungen von einem ersten Leitungstyp und n+1 Flachleitungen von einem zweiten Leitungstyp vorgesehen.
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In erfindungsgemäßer Ausgestaltung des HV-Bordnetzsystems sind die äußeren Flachleitungen vom zweiten Leitungstyp breiter als die dazwischen angeordneten Flachleitungen vom ersten Leitungstyp. Die äußeren Flachleiter, also der oberste und unterste Flachleiter, haben dabei bevorzugt eine Breite von 105 % bis 120 % der Breite der dazwischen liegenden Flachleitungen. Vorteilhaft kann so die Emission von elektromagnetischer Strahlung weiter minimiert werden und auch der Berührschutz wird verbessert, da innenliegende Leiter besser gekapselt sind und so kaum unbeabsichtigt berührt werden können.
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Erfindungsgemäß ist die Summe der Leitungsquerschnittsflächen aller Flachleitungen vom ersten Leitungstyp gleich der Summe aller Leitungsquerschnittsflächen aller Flachleitungen vom zweiten Leitungstyp. Vorteilhaft wird so eine Auslöschung der Magnetfelder beider Leitungstypen begünstigt und so die Emission elektromagnetischer Strahlung weiter verringert.
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Die (2n+1) Flachleitungen sind dabei derart übereinander angeordnet, dass die Flachleitungen vom ersten Leitungstyp und vom zweiten Leitungstyp abwechselnd übereinander liegen. Dabei ist jeweils außen eine Flachleitung vom zweiten Leitungstyp angeordnet. Somit liegt jede Flachleitung vom ersten Leitungstyp zwischen zwei Flachleitungen vom zweiten Leitungstyp.
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Der Begriff Leitungstyp bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung eine Leitung die entweder mit dem Plus- oder mit dem Minuspol einer elektrischen HV-Energiequelle (z. B. eine HV-Batterie, eine Brennstoffzelle oder ein Pufferspeicher) des Fahrzeuges verbunden ist, wobei entweder der erste Leitungstyp mit dem Pluspol und der zweite Leitungstyp mit dem Minuspol einer HV-Energiequelle des HV-Bordnetzsystems verbunden ist oder der erste Leitungstyp mit dem Minuspol und der zweite Leitungstyp mit dem Pluspol einer HV-Energiequelle des HV-Bordnetzsystems verbunden ist. Zur Klarstellung wird angemerkt, dass der Begriff Leitungstyp sich nicht auf die geometrische Ausgestaltung oder da Material der Leitung bezieht sondern wie erwähnt lediglich auf die den Umstand ob die Leitung mit dem Plus- oder Minuspol der HV-Energiequelle verbunden ist.
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Die gestapelt angeordneten Flachleitungen bilden somit ein Leitungspaket mit weitestgehend rechteckiger Querschnittsfläche. Eine Flachleitung bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung eine elektrische Leitung mit weitestgehend rechteckigem Querschnitt. Das Verhältnis von Höhe zu Breite liegt dabei bevorzugt in einem Bereich zwischen 1:1 bis 1:20, weiter bevorzugt zwischen 1:3 und 1:20 und besonders bevorzugt zwischen 1:5 und 1:15. Das konkrete Verhältnis von Höhe zu Breite ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, insbesondere der Anzahl der Flachleitungen in der Leiteranordnung.
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Dabei liegen die gestapelt angeordneten Flachleitungen mit ihren elektrisch isolierenden Ummantelungen direkt übereinander. Es können aber auch noch zusätzlich Abstandsschichten eingebracht sein, die bevorzugt ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
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Die Erfindung ist für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere mit einem Hybrid- oder Elektroantrieb geeignet, kann aber auch in anderen Fahrzeugen, wie beispielsweise Lastkraftwagen, Flugzeugen, Schiffen oder Schienenfahrzeugen Einsatz finden. In Fahrzeugen oder Bordnetzsystemen, bei denen die Karosserie den Rückstrompfad bildet, ist die Erfindung nicht anwendbar.
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Vorteilhaft können durch das erfindungsgemäße HV-Bordnetzsystem mit einfachen Mitteln die Emissionen elektromagnetischer Strahlung erheblich reduziert werden, so dass eine aufwendige Schirmung der Leitungen entfallen kann.
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Weiterhin vorteilhaft wirken die Flachleitungen unterschiedlicher Polung wie ein Plattenkondensator und können somit elektrische Energie speichern. Vorteilhaft kann so das HV-Bordnetzsystem (zusätzlich) stabilisiert werden, da die Leiteranordnung einen definierbaren Energiepuffer bildet.
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Ein weiterhin wesentlicher Vorteil besteht in dem Umstand, dass Filterelemente zur Gewährleistung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aufgrund der Speicherfähigkeit der Flachleitungen reduziert werden können. Mittels der Flachleiter werden hinreichend genau definierbare Kapazitäten geschaffen. Diese Kapazitäten können gegen Differential-Mode und Common-Mode-Störungen helfen und bei der Auslegung von EMV-Filtern berücksichtig werden. Vorteilhaft können so Kosten und Bauraum für die Filterelemente eingespart werden.
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Ebenso vorteilhaft kann mittels flacher und parallel ausgerichteter Leiter Energie eingespart werden, da die Leitungsverluste geringer sind.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in dem Umstand, dass an den Außenseiten der Leiteranordnung Leiter mit dem gleichen Potential angeordnet sind. Dadurch kann das Risiko minimiert werden, dass eine Person unbeabsichtigt Leiter unterschiedlichen Potentials berührt, was einem Kurzschluss gleichkommt und in einem HV-Bordnetz lebensgefährlich sein kann.
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Aber auch an der Fahrzeugkarosserie oder einem anderen elektrisch leitfähigen Bauteil kann ein Kurzschluss entstehen, wenn Leitungen unterschiedlichen Potentials mit einem Isolationsschaden diese berühren. Auch dieses Risiko kann durch die Anordnung von Flachleitern mit gleichem Potential an den Außenseiten der Leiteranordnung minimiert werden. Vorteilhaft kann so der Personenschutz ebenso wie der Gegenstandsschutz (Anlagenschutz) verbessert werden.
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Auch ist das Leitungspaket bestehend aus übereinander angeordneten Flachleitungen deutlich starrer und eigenstabiler als nach dem Stand der Technik verwendete (flexible) Rundkabel, wodurch der Automatisierungsgrad bei der Verlegung der Kabel deutlich erhöht werden kann.
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Zudem sind deutlich weniger Befestigungsmittel für die Fixierung des Kabelpaketes notwendig. Vorteilhaft können so Produktionskosten reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Leiteranordnung noch mindestens eine Flachleitung von einem dritten Leitungstyp auf. Der dritte Leitungstyp kann dabei die Masse, das Karosseriepotential oder auch eine Potentialausgleichsleitung sein. Dabei versteht sich, dass auch mehrere Flachleitungen ausgewählt aus Masse, Karosseriepotential oder Potentialausgleichsleitung in der gestapelten Leiteranordnung vorhanden sein können.
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Bevorzugt ist dabei eine Flachleitung vom dritten Leitungstyp innerhalb der gestapelten Leiteranordnung zwischen einem Hin- und einem Rückleiter angeordnet. Vorteilhaft kann durch die Integration von mindestens einer Flachleitung eines dritten Leitungstyps in der Leiteranordnung eine gezielte Rückführung von Common-Mode-Strömen erreicht oder zusätzliche definierte Common-Mode-Kapazitäten geschaffen werden. Nicht zuletzt kann der Automatisierungsgrad bei der Verlegung der Leitungen gesteigert werden, indem die Masse-, die Karosseriepotential- und/oder die Potentialausgleichsleitung nicht gesondert zu verlegen sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiteranordnung symmetrisch aufgebaut bezogen auf eine Symmetrielinie, die parallel zur Langseite der Flachleitungen und in der Mitte der mittleren Flachleitung angeordnet bei einer ungeraden Anzahl von Flachleitungen in der Leiteranordnung oder mittig zwischen den beiden mittleren Flachleitungen bei einer geraden Anzahl von Flachleitungen in der Leiteranordnung ist. Vorteilhaft an dieser homogenen Anordnung ist eine sehr gute Auslöschung der Magnetfelder der Flachleitungen.
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Bei Einhaltung der vorgeschlagenen Symmetrie und der gestapelten Bauweise wird aufgrund der sich kompensierenden Magnetfelder gleichermaßen der Induktivitätsbelag der Leitung gegenüber einfachen Flachleitern und Doppelleitungen deutlich verringert.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung bei einer Anzahl von fünf übereinander angeordneten Flachleitungen oder mehr, ist die Breite der Flachleitungen von innen nach außen gestuft. Das bedeutet, dass jeder Leiter in einem bevorzugten Bereich von 5 % bis 20 % breiter ist als die jeweils nach innen benachbarte Flachleitung. Auch mit dieser Maßnahme können vorteilhaft die Emission von elektromagnetischer Strahlung aufgrund der Leiteranordnung reduziert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Flachleitungen vom ersten Leitungstyp Hinleitungen (mit dem Pluspol einer HV-Energiequelle verbunden) und Flachleitungen vom zweiten Leitungstyp Rückleitungen (also mit dem Minuspol einer HV-Energiequelle verbunden). Vorteilhaft wird so ein Potential im Inneren der Leiteranordnung gekapselt mit erheblichen Vorteilen für die Sicherheit des HV-Bordnetzsystems.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens ein Stecker und/oder mindestens eine Kupplung einer Leitungsverbindung einen Berührschutz auf. Der Berührschutz ist eine isolierende Ummantelung im Stecker- beziehungsweise Kupplungsbereich der HV-Leitungen, die eine Berührung während des Herstellens oder Lösens der Steckverbindung verhindert. Besonders bevorzugt weisen eine Vielzahl oder alle Steckverbindungen des HV-Bordnetzsystems einen Berührschutz auf. Vorteilhaft kann so der Personenschutz wie auch der Gegenstandsschutz weiter verbessert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das HV-Bordnetzsystem mindestens eine Potentialausgleichsleitung auf, besonders bevorzugt weisen alle HV-Komponenten des HV-Bordnetzsystems eine Potentialausgleichsleitung auf. Die Potentialausgleichsleitungen schaffen dabei eine niederohmige Verbindung der HV-Komponenten. Auch mit dieser Maßnahme kann vorteilhaft die Sicherheit des HV-Bordnetzsystems weiter verbessert werden, da Potentialunterschiede zwischen den Komponenten verhindert werden und ein lebensgefährlicher Potentialausgleich bei Berührung dieser Komponenten ausgeschlossen werden kann.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine vollständige Potenzialtrennung der Gerätebereiche mit Hochvolt und mit Kleinspannung realisiert. In diesem Zusammenhang ist der Spannungswandler in der Leistungselektronik galvanisch getrennt. Vorteilhaft unterstützt auch diese Maßnahme Personen- und Gegenstandsschutz.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung hat das HV-Bordnetzsystem ein HV-Interlock. Dieser überwacht bei eingeschaltetem Hochvoltnetz, dass keine Steckverbindung gelöst wird. Von einem Lösen einer Steckverbindung im HV-Bordnetzsystem gehen erhebliche Gefahren aus. Daher schaltet der HV-Interlock bei Feststellung eines Lösens einer Hochvoltverbindung das HV-Bordnetzsystem spannungsfrei. Auch mit dieser Maßnahme können Personenschutz und Gegenstandsschutz weiter verbessert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das HV-Bordnetzsystem eine Hinleitung auf, die mittig zwischen zwei Rückleitungen angeordnet ist. Die Summe der Flächen der Leitungsquerschnitte der beiden Rückleitungen entspricht dabei der Fläche des Leitungsquerschnittes der Hinleitung. Die beiden Rückleitungen sind dabei bevorzugt zwischen 5 % und 20 % breiter als die Hinleitung ausgeführt, so dass beidseitig ein Überstand der Rückleitungen über die dazwischen liegende Hinleitung besteht. Diese Ausführung ist besonders gut für ein Personenkraftwagen mit elektrischem Antrieb geeignet und stellt vorteilhaft einen guten Kompromiss hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit, Energiedichte, Herstellungskosten und Verlegbarkeit im Fahrzeug dar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Leiteranordnung in Anlagen des elektrischen Energietransports, beispielsweise energietechnische Anlagen und Transportstrecken. In diesem Kontext kommen oben genannte Vorteile der Erfindung gleichfalls zum Tragen, insbesondere die hervorragende elektromagnetische Verträglichkeit.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in den Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Leiteranordnung eines erfindungsgemäßen HV-Bordnetzsystems und
- 2 - 8 verschiedene Darstellungen von Leitungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Leiteranordnung 1 mit drei Flachleitungen eines erfindungsgemäßen HV-Bordnetzsystems. Die Leiteranordnung 1 hat eine mittig angeordnete Hinleitung 31 und zwei Rückleitungen 21, 22 die unter und über der Hinleitung 31 angeordnet sind. In der Mitte der Hinleitung 31 verläuft parallel zur Langseite der Flachleitungen eine Symmetrielinie 4 der Leiteranordnung 1.
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Die Querschnittsfläche der Hinleitung 31 ist dabei gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden Rückleitungen 21, 22. Gut erkennbar sind die beiden Rückleitungen 21, 22 bezogen auf die Gesamtbreite 10 % breiter als die Hinleitung 31 ausgeführt, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird.
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Durch die Anordnung der Rückleitungen 21, 22 an den Außenseiten der Leiteranordnung 1 in Verbindung mit der breiteren Ausführung der Rückleitungen 21, 22 kann der Personenschutz erheblich verbessert werden, da die Hinleitung 31 fast vollständig durch die Rückleitungen 21, 22 gekapselt ist und somit kaum berührbare Oberfläche aufweist.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Leiteranordnung 1 aus 1. Auch hier ist die gestapelte Anordnung von Hinleitung 31 und den beiden Rückleitungen 21, 22 gut erkennbar.
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3 zeigt Feldlinien 5 des elektrischen Feldes (E-Feld) der Leiteranordnung 1. Die als Flachleitung ausgebildeten Leitungen, Hinleitung 31 und Rückleitungen 21, 22, wirken dabei wie ein Plattenkondensator, was zu den gezeigten Feldlinien des E-Feldes führt.
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4 zeigt Feldlinien 6 des magnetischen Feldes (H-Feld) von stromdurchflossenen Hinleitung 31 und Rückleitern 21, 22. Durch die unterschiedlichen Stromrichtungen von Hinleitung 31 und Rückleitungen 21, 22 verstärkt sich das Magnetfeld zwischen Hinleitung 31 und Rückleitungen 21, 22. Nach Außen ist das magnetische Feld jedoch durch die gestapelte Anordnung deutlich reduziert.
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5 zeigt eine Seitenansicht einer Leiteranordnung 11 aufweisend sieben Flachleitungen. Drei Flachleitungen davon sind Hinleitungen 31, 32, 33 und vier sind Rückleitungen 21, 22, 23, 24. Auch in dieser Ausgestaltung sind Hinleitungen 31, 32, 33 und Rückleitungen 21, 22 und 23 jeweils abwechselnd angeordnet, so dass immer eine Hinleitung 31, 32,33 von jeweils zwei Rückleitungen 21, 22, 23, 24 benachbart ist. Den äußeren Abschluss bilden dabei zwei Rückleitungen 21, 24 die die dazwischen angeordneten Flachleitungen kapseln und einen hervorragenden Berührungsschutz darstellen.
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Auch in dieser Ausgestaltung sind die Emissionen elektromagnetischer Strahlung erheblich reduziert im Vergleich zu Leitungen nach dem Stand der Technik. Vorteil dieser Leitungsanordnung im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 4 ist unter anderem eine höhere Energiedichte.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung einer Leiteranordnung 12 aufweisen zwei Rückleitungen 21, 22 und eine Hinleitung 31. Zwischen der Rückleitung 21 und der Hinleitung 31 ist eine Potentialausgleichsleitung 7 angeordnet, die Komponenten des HV-Bordnetzsystems miteinander verbindet um einen Berührschutz zu gewährleisten. Durch die Integration der Potentialausgleichsleitung 7 in die Leiteranordnung 12 muss die Potentialausgleichsleitung 7 vorteilhaft nicht gesondert verlegt werden. In der gestapelten Leiteranordnung 12 weisen die Hinleitung 31, die Rückleitungen 21, 22 und die Potentialausgleichsleitung 7 die gleiche Breite auf.
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7 zeigt die Leiteranordnung 12 aus 6 in einer Seitenansicht.
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8 zeigt eine Seitenansicht einer Leiteranordnung 13, bestehend aus drei Rückleitungen 21, 22 23, zwei Hinleitungen 31, 32 und einer zwischen der Rückleitung 22 und der Hinleitung 31 angeordnete Masseleitung 8.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiteranordnung mit drei Flachleitungen
- 11
- Leiteranordnung mit sieben Flachleitungen
- 12
- Leiteranordnung mit einer Potenzialausgleichsleitung
- 13
- Leiteranordnung mit einer Masseleitung
- 21
- Rückleitung
- 22
- Rückleitung
- 23
- Rückleitung
- 24
- Rückleitung
- 31
- Hinleitung
- 32
- Hinleitung
- 33
- Hinleitung
- 4
- Symmetrielinie
- 5
- Feldlinien E-Feld
- 6
- Feldlinien H-Feld
- 7
- Potentialausgleichsleitung
- 8
- Masseleitung
