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Die Erfindung betrifft ein Starkstromkabel, bei dem eine Mehrzahl von elektrischen Starkstromleitern um zumindest einen Kühlmittelkanal herum 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. Allerdings kann durch den Schlauch eine Flüssigkeit oder ein Gas nur in eine Richtung transportiert werden.
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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 um einen ersten Kühlmittelkanal herum angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei elektrischen Starkstromleitern jeweils zumindest ein zweiter Kühlmittelkanal angeordnet ist, und wobei diese Anordnung aus einem zentralen ersten Kühlmittelkanal und um ihn herum angeordneten elektrischen Starkstromleitern und weiteren zweiten Kühlmittelkanälen innerhalb einer Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet ist.
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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 Kühlmittelleitungen integriert.
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In diesen so zusätzlich eingefügten Kühlmittelkanälen kann ein Kühlmedium (z.B. Kühlwasser, Öl, Luft) zur Bodenplatte hin- und wieder zurückgeleitet werden, um die Bodenplatte und das Versorgungskabel zu kühlen. 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 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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Alternativ kann das Versorgungskabel auch nur in einer Richtung benutzt werden, nämlich für einen Lufttransport von der Versorgungseinheit hin zur Bodenplatte. Diese Luft würde 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 Ausbildung des erfindungsgemäßen Kabels sind der erste Kühlmittelkanal und die weiteren zweiten Kühlmittelkanäle als Schläuche ausgebildet, die geeignet sind, ein Kühlmittel zu führen. Hierdurch kann ein besonders einfaches Kabel realisiert werden. Dabei kann das Kühlmittel sowohl flüssig als auch gasförmig sein.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Anordnung aus einem zentralen ersten Kühlmittelkanal und den um ihn herum angeordneten elektrischen Starkstromleitern und den weiteren zweiten Kühlmittelkanälen in einem Stützmaterial eingebettet.
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Damit kann dem Kabel eine größere Stabilität gegeben werden und die Abstände der Starkstromleitungen zueinander können genauer eingehalten werden.
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Das Stützmaterial kann durch in der Umhüllung angeordnete, kreuz- oder sternförmige Stege realisiert sein, die entlang des Kabels beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die elektrischen Leiter jeweils zwischen zwei Schenkeln eines Steges angeordnet sind.
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Die Stege können dabei mittige Ausnehmungen aufweisen, durch die hindurch sich der zentrale erste Kühlmittelkanal erstreckt.
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Die Stege können zweiteilig ausgebildet sein und an ihrer Außenkontur Einbuchtungen aufweisen, wobei die Starkstromleiter und die weiteren zweiten Kühlmittelkanäle jeweils zwischen zwei Schenkeln eines Steges und in den jeweiligen Einbuchtungen und der zentrale erste Kühlmittelkanal in Einbuchtungen in der Mitte eines Steges angeordnet sind. Die Einbuchtungen können auch bei einstückigen Stegen vorhanden sein.
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In einer Weiterbildung sind die Einbuchtungen in den Schenkeln oder Zacken der Stege derart ausgebildet, dass die elektrischen Leiter und/oder die Kühlmittelkanäle darin eingeklemmt werden können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausbildung eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels sind der zentrale erste Kühlmittelkanal und die weiteren zweiten Kühlmittelkanäle ausgebildet, kühles Kühlmittel in die eine Richtung und erwärmtes Kühlmittel in die andere Richtung zu transportieren. Es könnte also das kühle Kühlmittel im zentralen ersten Kühlmittelkanal und das erwärmte Kühlmittel in den weiteren zweiten Kühlmittelkanälen geführt werden, oder umgekehrt.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Starkstromkabel gelöst, bei dem eine Mehrzahl von elektrischen Starkstromleitern um zumindest zwei Kühlmittelkanäle herum angeordnet sind, wobei die Anordnung aus den zumindest zwei Kühlmittelkanälen und den um ihn herum angeordneten elektrischen Starkstromleitern innerhalb einer Umhüllung aus elektrisch isolierendem Material und in einem Stützmaterial ausgebildet ist, wobei zumindest einer der Kühlmittelkanäle ausgebildet ist, kühles Kühlmittel in die eine Richtung und zumindest ein anderer der Kühlmittelkanäle ausgebildet ist, erwärmtes Kühlmittel in die andere Richtung zu transportieren.
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Hierdurch ist ein einfacher Aufbau eines Starkstromkabels für ein induktives Ladesystem möglich, durch den eine effektive Kühlung der Bodenplatte ermöglicht wird.
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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 ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels,
- 2 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels,
- 3 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels, und
- 4 eine schematische Darstellung eines induktiven Ladesystems mit einem zumindest einen zentralen Kühlmittelkanal aufweisenden Starkstromkabel.
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Ein erstes 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 der Mitte des Starkstromkabels 1 ist in erfindungsgemäßer Weise ein erster Kühlmittelkanal 4 angeordnet, um den herum die vier Starkstromleiter 3a, 3b angeordnet sind. Zwischen den Starkstromleitern 3a, 3b sind vier weitere zweite Kühlmittelkanäle 5 angeordnet, die in erfindungsgemäßer Weise ansonsten nötiges Füllmittel als Stützmaterial 8 ersetzen, um die Starkstromleiter 3a, 3b in ihrer Lage zueinander zu halten und dabei den Vorteil des zusätzlichen Kühlmitteltransportes haben.
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Die Kühlmittelkanäle 4 und 5 können in einfacher Weise als Schläuche ausgebildet sein, aber auch als Rohre. Sie weisen einen Schlauchmantel 6 auf, in dem das Kühlmittel 7 fließen kann. 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 den Kühlmittelkanälen 4 und 5 nur von einer Versorgungseinheit 16 (4) 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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Es ist jedoch in vorteilhafter Weise auch möglich, die Kühlmittelkanäle 4 und 5 sowohl zur Hinleitung von Kühlmittel 7 zur Bodenplatte 17 als auch zur Zurückleitung des erwärmten Kühlmittels 7 zur Versorgungseinheit 16 zu verwenden. Das heißt, dass in nur einem Starkstromkabel 1 sowohl die Energie als auch das Kühlmittel von der Versorgungseinheit 16 zur Bodenplatte 17 transportiert werden.
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Die 1 zeigt ein Starkstromkabel 1, bei dem die Starkstromleiter 3a, 3b und die Kühlmittelkanäle 4, 5, die Umhüllung 2 des Kabels 1 nahezu vollständig ausfüllen und sich daher gegenseitig in ihrer Position zueinander halten.
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Falls dies nicht gewünscht oder möglich ist, können in einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Starkstromkabels auch stützende Stege 9 verwendet werden, wie dies in 2 dargestellt ist. Ein dortiger Steg 9 ist teilbar und aus zwei Stegteilen 12a, 12b gebildet. Die beiden Stegteile 12a, 12b weisen in der Mitte ihrer einander zugewandten Kante jeweils eine Einbuchtung 13 auf, die bei zusammengefügten Stegteilen 12a, 12b in der Mitte des Steges 9 zu liegen kommt, wobei in dem dann gebildeten Loch der mittige erste Kühlmittelkanal 4 gehalten und geführt wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der (zusammengefügte) sternförmige Steg 9 acht Schenkel oder Zacken 10, zwischen denen die vier Starkstrom leiter 3a, 3b und die vier jeweils dazwischen angeordneten zweiten Kühlmittelkanäle 5 liegen. Die Schenkel oder Zacken 10 weisen ebenfalls Einbuchtungen 13 auf, in die die Starkstromleiter 3a, 3b und zweiten Kühlmittelkanäle 5 eingelegt oder eingeklemmt sind. Dies ergibt sich je nach Ausbildung der Einbuchtungen 13.
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Statt der dargestellten vier Starkstromleiter 3a, 3b und vier jeweils dazwischen angeordneten zweiten Kühlmittelkanäle 5 können auch mehr oder weniger Leiter oder Kanäle vorgesehen werden, es wäre auch möglich, mehr als einen zweiten Kühlmittelkanal 5 zwischen zwei Starkstromleitern 3a, 3b anzuordnen.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels 1 dargestellt. Hier sind nur zwei mittige Kühlmittelkanäle 14a und 14b vorgesehen, wodurch die Starkstromleiter 3a, 3b weiterhin in einem Stützmaterial 8 eingebettet sind, um in ihrer Position zueinander gehalten werden zu können. Trotzdem können in erfindungsgemäßer Weise ein gekühltes Kühlmittel 7 von einer Versorgungseinheit 16 zu einer Bodenplatte 17 und ein in der Bodenplatte 17 erwärmtes Kühlmittel 7 wieder zurück zur Versorgungseinheit 16 geleitet werden.
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In der 4 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]
