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Die Erfindung betrifft ein Starkstromkabel, bei dem eine Mehrzahl von elektrischen Starkstromleitern innerhalb einer Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.
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Ein solches Starkstromkabel ist aus der
DE 33 12 119 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Starkstromkabel sind eine erste Anzahl von nicht isolierten Starkstromleitungen um die eine Hälfte des Umfangs eines für Gase und Flüssigkeiten leitfähigen Schlauches und eine zweite Anzahl von nicht isolierten Starkstromleitungen um die andere Hälfte des Umfangs des Schlauches angeordnet, wobei zwischen der ersten und der zweiten Anzahl von nicht isolierten Starkstromleitungen an gegenüberliegenden Punkten des Umfangs des Schlauches jeweils eine isolierte Signalleitung angeordnet ist, so dass hierdurch die erste und die zweite Anzahl von nicht isolierten Starkstromleitungen gegeneinander isoliert sind und als Hin- und Rückleiter eines Starkstromes dienen können. Für den Transport des Kühlmittels ist jedoch eine zusätzlicher Schlauch erforderlich.
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Bei induktiven Ladesystemen zum Laden der Batterie von teilelektrisch oder elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird Energie von einer Versorgungseinheit, oft Supply Box oder Wallbox genannt, über eine Bodenplatte des Systems, die eine Primärspule enthält, kontaktlos mittels magnetischer Kopplung zu einer Fahrzeugplatte, die eine Sekundärspule enthält, übertragen. Die Versorgungseinheit und die Bodenplatte sind mit einem Versorgungskabel verbunden, das die ins Fahrzeug zu ladende Energie zur Bodenplatte überträgt, wobei höhere Spannungen anliegen und auch hohe Ströme fließen, so dass Starkstrom- oder Hochvoltkabel erforderlich sind. Ein solches induktives Ladesystem ist beispielsweise aus der
US 2016/0 178 740 A1 bekannt.
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Bezüglich des Leistungsübertragungsstrangs sind verschiedene Aufbauarten möglich: in einer ersten Variante befindet sich in der Bodenplatte nur die Primärspule oder ein Primärresonator. Sonstige elektronische Schaltungen in der Bodenplatte dienen nur der Überwachung des Ladevorgangs und der Überwachung des Luftspalts zwischen der Primärspule in der Bodenplatte und der Sekundärspule in der Fahrzeugplatte eines über der Bodenplatte stehenden Fahrzeugs.
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Über das Versorgungskabel wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz von derzeit etwa 85 kHz übertragen, wobei für die einzelnen Leiter HF-Litzen verwendet werden, um insbesondere den Skin-Effekt zu minimieren. Die Erzeugung der erforderlichen Wechselspannung mit der Frequenz von 85 kHz erfolgt in der Versorgungseinheit. Die elektrischen Leiter für die Leistungsübertragung im Versorgungskabel müssen aus verschiedenen Gründen (Skin-Effekt, Proximity-Effekt, Kühlung, Abschirmung von E- und H- Feld, etc.) gewisse Mindestabstände zueinander haben. Deswegen enthält das Versorgungskabel, je nach Ausführung, reichlich Füllmasse.
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In einer zweiten Variante befinden sich in der Bodenplatte zusätzlich zur Primärspule oder dem Primärresonator auch weitere elektrische und elektronische Komponenten wie z.B. ein Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in die genannte 85-kHz-Wechselspannung. Über das Versorgungskabel wird ein Gleichstrom zwischen der Versorgungseinheit und dem Fahrzeug übertragen, wobei hier eine normale Litze verwendet werden kann, ähnlich wie bei einer DC-Ladestation.
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In den drei beteiligten Komponenten eines induktiven Ladesystems nämlich Versorgungseinheit, Versorgungskabel und Bodenplatte entsteht Verlustwärme. Bei einem 11-kW-Ladesystem ergeben sich ungefähr folgende Verlustleistungen:
- • in der Versorgungseinheit je nach Aufbau bis zu ca. 600 W bei der ersten Variante, bei der zweiten Variante weniger,
- • im Versorgungskabel bei der ersten Variante etwa 100 W, je nach Länge, bei der zweiten Variante ebenfalls weniger,
- • in der Bodenplatte bei der ersten Variante bis zu 600 W, bei der zweiten Variante mehr.
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Diese Verlustwärme muss durch Kühlung abgeleitet werden, um ein Überhitzen der einzelnen Komponenten zu vermeiden.
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Bei der Versorgungseinheit kann die Verlustwärme verhältnismäßig einfach an die Umgebungsluft abgegeben werden, was durch Lüftungsschlitze mit Hilfe von Lüftern möglich ist.
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Beim Versorgungskabel kann die Verlustwärme zwar ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben werden, was jedoch je nach Montage, an der Wand oder am oder im Boden, nur eingeschränkt möglich ist.
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Das Kabel muss daher so konstruiert werden, dass keine unzulässig hohen Temperaturen erreicht werden, was beispielsweise durch Erhöhung des Kupferanteils zur Reduktion der Verlustleistung erfolgen kann.
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Bei der Bodenplatte kann derzeit die Verlustwärme passiv über die Gehäuseoberfläche an die Umgebungsluft, oder - bei versenktem Einbau - an die Umgebungsluft und den Boden abgegeben werden, was aber nicht ausreicht, um ausreichend Verlustwärme abzuführen. Außerdem muss die Bodenplatte dicht sein, um gegen Schmutz und Wasser unempfindlich zu sein. Eine Luftkühlung durch Luftschlitze ist somit nicht möglich. Es gibt auch keine garantierte Luftanströmung. Lösungsansätze in Form von Lüftern, die extern an der Bodenplatte befestigt werden, um eine Luftanströmung zu erreichen, scheiden aus, da die Bodenplatte keine bewegten Teile haben soll. Ein interner Lüfter in der Bodenplatte könnte eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Bodenplatte bewirken, so dass die gesamte Oberfläche der Bodenplatte zur Wärmeabfuhr genutzt werden könnte. Dadurch würde die Kühlleistung zwar ansteigen, sie würde aber immer noch nicht ausreichen, um die Bodenplatte wirksam zu kühlen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine wirksame Kühlung der Bodenplatte eines induktiven Ladesystems zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch ein Starkstromkabel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Starkstromkabels sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß sind bei einem erfindungsgemäßen Starkstromkabel eine Mehrzahl von elektrischen Starkstromleitern innerhalb einer Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind, wobei in der Umhüllung kreuz- oder sternförmige Stege entlang des Kabels beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die elektrischen Starkstromleiter jeweils zwischen zwei Schenkeln eines Steges angeordnet sind und wobei das Starkstromkabel ausgebildet ist, in den Zwischenräumen zwischen einem Steg und den Starkstromleitern ein Kühlmittel zu führen.
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Es wird also eine Kühlung der Bodenplatte und des Kabels über die Versorgungseinheit durch das Versorgungskabel hindurch vorgeschlagen. Anstelle von Füllmasse werden hierzu in erfindungsgemäßer Weise Stege im Kabel ausgebildet, die einerseits dessen Form aufrechterhalten und dabei die Starkstromleiter in vorgegebenen Abständen zueinander positioniert halten, andererseits jedoch in der Umhüllung ausreichend Platz lassen, um darin ein Kühlmittel von einer Versorgungseinheit zur Bodenplatte zu transportieren.
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Das Kühlmedium kann dabei z.B. Kühlwasser, Öl oder Luft sein. Betrieb und Steuerung dieses Kühlsystems würde dabei die Versorgungseinheit übernehmen, die beispielsweise eine Pumpe, einen Kompressor, Kühlkörper, Lüfter etc. aufweist. Bei Benutzung eines elektrisch leitfähigen Kühlmediums müssen die Starkstromleiter isoliert sein und es sollten in der Versorgungseinheit ggf. isolierende Maßnahmen vorgenommen sein, um die Sicherheit bei einem beschädigten Versorgungskabel oder bei einer schutzisolierten Bodenplatte zu gewährleisten.
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Die Verlustwärme von Bodenplatte, Versorgungskabel und Versorgungseinheit wird dann von der Versorgungseinheit an die Umgebungsluft oder an ein Kühlsystem, insofern vorhanden und angeschlossen, abgegeben.
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Das hier vorgeschlagene Versorgungskabel kann nur in einer Richtung benutzt werden, nämlich für einen Kühlmittel- insbesondere Lufttransport von der Versorgungseinheit hin zur Bodenplatte. Die Luft wurde dann die Bodenplatte durchströmen und kühlen, und dort dann über ein Überdruckventil an die Umgebungsluft abgeblasen werden. Ein solches Überdruckventil muss dabei so positioniert und gestaltet werden, dass kein Schmutz und kein Wasser in die Bodenplatte eindringen kann, eine ggf. verwendete Schutzisolierung nicht beeinträchtigt wird und sich keine störenden Geräusche ergeben. Es könnte auch eine Kühlflüssigkeit verwendet werden, die dann aber mittels eines weiteren Kabels oder auch nur eines Kühlmittelschlauches wieder zur Versorgungseinheit zurückgeführt werden müsste.
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In einer vorteilhaften Ausbildung eines vorgeschlagenen Versorgungskabels können die Stege zumindest eine Ausnehmung aufweisen, durch die hindurch das Kühlmittel fließen kann.
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Auf diese Weise wird der Kabelquerschnittsanteil, durch den das Kühlmittel fließen kann, vergrößert. Die Anzahl und die Größe der Ausnehmungen werden dabei nur durch die Stabilität eines Steges bestimmt.
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Die Stege können an ihrer Außenkontur Einbuchtungen aufweisen, wobei die Starkstromleiter jeweils zwischen zwei Schenkeln eines Steges und in den jeweiligen Einbuchtungen angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung sind die Einbuchtungen in den Schenkeln oder Zacken der Stege derart ausgebildet, dass die elektrischen Leiter darin eingeklemmt werden können.
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Durch das erfindungsgemäße Starkstromkabel wird in vorteilhafter Weise ein Transport der Verlustwärme in der Bodenplatte hin zur Versorgungseinheit durch das Versorgungskabel hindurch ermöglicht. Außerdem erfolgt hierdurch eine Vereinigung der Kühlung von Bodenplatte, Versorgungskabel und Versorgungseinheit in ein gemeinsames Kühlsystem.
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Es wird also auch das Problem der eingeschränkten Kühlung des Versorgungskabels gelöst, wodurch sich eine größere Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion des Versorgungskabels ergibt insofern, dass auf die Verlustwärme kaum mehr Rücksicht genommen werden muss.
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Es ergibt sich eine größere Wahlfreiheit beim Entwurf eines stationären induktiven Ladesystems hinsichtlich der Entscheidung zwischen den oben genannten Varianten. Durch die verbesserte Kühlung der Bodenplatte kann der Wechselrichter zum Ansteuern des Primärresonanzkreises in die Bodenplatte verlagert werden. Da das Versorgungskabel dann nur noch Gleichstrom transportieren muss, kann im Kabel auf eine teure HF-Litze verzichtet werden, außerdem entspannt sich die EMV-Problematik.
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Da die Wärmeabfuhr im Wesentlichen in der Versorgungseinheit erfolgt, ergibt sich eine Erleichterung des Anschlusses des Systems an ein möglicherweise vorhandenes Kühlsystem, da für den Befestigungsort der Versorgungseinheit eine gewisse Wahlfreiheit besteht. Die Verlustwärme könnte auch gezielt zum Aufheizen von Brauchwasser verwendet werden. Ein Anschluss der Bodenplatte selber an ein Kühlsystem wäre aufwändig, da die Kühlleitungen üblicherweise unter der Decke eines Raumes verlaufen und nun hierfür bis in den Boden verlegt werden müssten; außerdem widerspräche der Anschluss von Kühlleitungen mit möglicherweise elektrisch leitfähigem Kühlmedium einer evtl. verwendeten Schutzisolierung der Bodenplatte.
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Im Versorgungskabel kann auf eine Interlock-Leitung, die das Abreißen des Kabels erkennen soll, verzichtet werden, da dies durch einen Druckabfall im Kühlsystem detektiert werden kann.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
- 1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels, und
- 2 eine schematische Darstellung eines induktiven Ladesystems mit einem erfindungsgemäßen Starkstromkabel.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Starkstromkabels 1 zeigt die 1. Dort sind in einer Umhüllung 2 vier Starkstromleiter 3a, 3b in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Zwei erste Starkstromleiter 3a dienen dabei als Hinleiter und zwei zweite Starkstromleiter 3b als Rückleiter. Es können selbstverständlich auch nur zwei oder drei oder mehr als vier Starkstromleiter verwendet werden. Der Abstand zwischen den Starkstromleitern 3a, 3b ist dabei prinzipiell nur bei einem höherfrequenten Wechselstrom nötig, wobei bei heute diskutierten induktiven Ladesystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge eine Frequenz von etwa 85 kHz vorgeschlagen ist. Hierzu müssen Hochvolt- bzw. Hochstromlitzen zum Energietransport verwendet werden.
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In erfindungsgemäßer Weise weist das Starkstromkabel in der Umhüllung 2 stützende Stege 9 auf, von denen in der Querschnittsdarstellung der 1 einer dargestellt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der kreuzförmige Steg 9 vier Schenkel oder Zacken 10, zwischen denen die vier Starkstromleiter 3a, 3b liegen. Die Schenkel oder Zacken 10 können auch Einbuchtungen aufweisen, in die die Starkstromleiter 3a, 3b eingelegt oder eingeklemmt werden können. Dies ergibt sich je nach Ausbildung der Einbuchtungen.
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Als Kühlmittel 7 kann jeder geeignete Stoff verwendet werden. Beispielsweise kann dies in einfacher Weise gekühlte Luft oder gekühltes Wasser sein, es können aber auch spezielle Kühlmittel verwendet werden.
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Das Kühlmittel 7 kann in dem Starkstromkabel 1 nur von einer Versorgungseinheit 16 (2) zu einer Bodenplatte 17 geführt werden, muss dann aber, bei Verwendung von Luft als Kühlmittel 7 aus der Bodenplatte 17 austreten können, wofür spezielle Ventile erforderlich sind, die ein Eindringen von Verunreinigungen in die Bodenplatte verhindern. Es ist aber auch möglich, das Kühlmittel 7 in einer Rückführleitung, die auch ohne Starkstromleitungen ausgebildet sein kann, zur Versorgungseinheit 16 zurückzuführen, um es dort in einer Kühlanlage 15 wieder zu kühlen, wobei die Abwärme von der Versorgungseinheit 16 an die Umgebungsluft oder z.B. ein Brauchwassersystem abgegeben werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, wie sie im Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt ist, weisen die Stege 9 zumindest eine Ausnehmung 7 auf, durch die hindurch das Kühlmittel 7 fließen kann. In der 1 sind neun etwa kreisförmige Ausnehmungen 7 dargestellt, die über die Schenkel 10 des Stegs 9 gleichmäßig verteilt sind, um einen homogenen Kühlmittelfluss zu ermöglichen. Die Ausnehmungen 7 können jede beliebige Form haben, sollten in vorteilhafter Weise so groß sein, dass eine maximale Menge an Kühlmittel transportiert werden kann, ohne jedoch die Stabilität der Stege 9 zu beeinträchtigen.
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In der 2 ist schließlich ein induktives Ladesystem schematisch dargestellt und es ist eine Versorgungseinheit 16 mit einer darin angeordneten Kühlanlage 15 und eine davon elektrisch zu versorgende Bodenplatte 17, in der die Primärspule des induktiven Ladesystems angeordnet ist, gezeigt. Die Bodenplatte 17 ist mit der Versorgungseinheit 16 über ein erfindungsgemäßes Starkstromkabel 1 verbunden, in dem auch ein die Bodenplatte 17 und das Starkstromkabel 1 kühlendes Kühlmittel 7 geleitet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3312119 A1 [0002]
- US 2016/0178740 A1 [0003]
