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Die Erfindung betrifft ein Starkstromkabel für ein vollelektrisches Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die zu übertragenden Ladeströme in vollelektrischen Kraftfahrzeugen steigen kontinuierlich an. Insbesondere werden die Ladeströme zukünftig die 1000-A-Grenze erreichen und voraussichtlich überschreiten. Die derart hohen Ladeströme erfordern bei konventionellen ungekühlten Rundleitern Leitungsquerschnitte, die sich praktisch nicht mehr verarbeiten lassen. Ein weiteres Problem bei den derart hohen Ladeströmen ist die negative gesundheitliche Auswirkung des magnetischen Felds auf Menschen. Die gesetzlichen Vorgaben begrenzen die zulässige Höhe des magnetischen Felds in der Nähe von Menschen und das magnetische Feld ist entsprechend gering zu halten. Dabei ist das magnetische Feld insbesondere bei parallel geführten konventionellen Rundleitern hoch. Dadurch sollen die Rundleiter im Kraftfahrzeug mit einem großen Abstand zum Kunden verlegt werden, was jedoch problematisch ist. Bei flachen Stromschienen ist das magnetische Feld im Vergleich zu den parallel geführten konventionellen Rundleitern geringfügig reduziert. Bei koaxial geführten Leitern kompensieren sich die magnetischen Felder nahe vollständig. Die koaxial geführten Leiter weisen jedoch für die oben genannten Ladeströme unakzeptabel hohe Leitungsquerschnitte auf. Um Leitungsquerschnitte zu reduzieren, können die koaxial geführten Leiter gekühlt sein.
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Ein Starkstromkabel mit den koaxial geführten gekühlten Leitern ist beispielweise aus
DE 1 540 546 A1 bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Starkstromkabel der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Starkstromkabel koaxial geführte Leiter zum Reduzieren des magnetischen Felds und eine Kühlung zum Reduzieren der Leitungsquerschnitte zu nutzen.
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Ein Starkstromkabel ist für ein vollelektrisches Kraftfahrzeug vorgesehen. Dabei weist das Starkstromkabel einen elektrisch leitenden Außenleiter und einen elektrisch leitenden Innenleiter auf. Der Außenleiter weist einen ringförmigen Querschnitt und der Innenleiter weist einen runden Querschnitt auf. Der Innenleiter ist dabei koaxial in dem Außenleiter angeordnet. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kühlkanal ausgebildet.
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Das Starkstromkabel ist länglich und weist eine Längsmittelachse auf. Entsprechend sind der Außenleiter, der Innenleiter und der Kühlkanal länglich und bezüglich der Längsmittelachse koaxial zueinander angeordnet. Im Folgenden werden die Begriffe „radial“ und „axial“ und „koaxial“ stets auf die Längsmittelachse des Starkstromkabels bezogen. In dem Starkstromkabel können der Außenleiter und der Innenleiter stromführend sein. Der Außenleiter und der Innenleiter können insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, geformt sein. Der Kühlkanal ist von einem Kühlfluid durchströmbar und die in dem Außenleiter und in dem Innenleiter erzeugte Wärme kann über das Kühlfluid abgeführt werden. Das Kühlfluid ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, die beispielsweise Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch oder Öl ist.
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Das Starkstromkabel weist einen koaxialen Aufbau auf und dadurch kompensieren sich das magnetische Feld des Außenleiters und das magnetische Feld des Innenleiters nahezu vollständig. Zudem sind der Innenleiter und der Außenleiter über den dazwischenliegenden Kühlkanal gekühlt und die Leitungsquerschnitte des Innenleiters und des Außenleiters sind reduziert. Insgesamt können dadurch Kosten, Gewicht und Bauraum reduziert werden. Zudem kann die Montierbarkeit des Starkstromkabels durch seine erhöhte Flexibilität aufgrund der reduzierten Leitungsquerschnitte verbessert werden.
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Das Starkstromkabel kann eine dielektrische Außenbeschichtung aufweisen, die den Außenleiter außenseitig anliegend ummantelt bzw. umgibt. Die Außenbeschichtung kann durch eine Schlauchisolation gebildet sein und die mit dem Starkstromkabel handelnde Personen schützen. Die Außenbeschichtung kann beispielweise durch eine Extrusion hergestellt bzw. an dem Außenleiter geformt sein.
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Ist das Kühlfluid nicht dielektrisch - beispielweise Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch - so muss zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter eine dielektrische Beschichtung vorgesehen sein. Ist das Kühlfluid dielektrisch - beispielweise Öl - so kann dennoch eine dielektrische Beschichtung zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter angeordnet sein.
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So kann das Starkstromkabel eine dielektrische Innenleiter-Beschichtung aufweisen, die radial zwischen dem Innenleiter und dem Kühlkanal angeordnet ist und den Innenleiter außenseitig anliegend ummantelt bzw. umgibt. Der Innenleiter mit der Innenleiter-Beschichtung kann beispielweise durch ein konventionelles Kabel abgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Starkstromkabel eine dielektrische Außenleiter-Beschichtung aufweisen, die radial zwischen dem Außenleiter und dem Kühlkanal angeordnet ist und den Außenleiter innenseitig anliegend ummantelt bzw. umgibt. Die Außenleiter-Beschichtung kann beispielweise durch einen umgekehrten Schrumpfschlauch-Prozess hergestellt sein. Dabei wird ein Schmelz-Kleber im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Schrumpfschlauch außen auf den Schlauch aufgetragen und nach Einführen in das Rohr mittels Luft- oder Flüssigkeitsdruck expandiert, so dass der Schrumpfschlauch innenliegend an dem Außenleiter anliegt und mit diesem verklebt ist. Die Temperatur zum Schrumpfen des Schrumpfschlauchs sollte höher als die auftretende bzw. mögliche Kühlfluidtemperatur liegen, um ein Kollabieren der geformten Isolationsschicht im Betrieb auszuschließen.
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Vorteilhafterweise kann das Starkstromkabel die Innenleiter-Beschichtung und die Außenleiter-Beschichtung aufweisen. Dadurch ist der Kühlkanal zu dem Außenleiter und zu dem Innenleiter elektrisch isoliert und das Kühlfluid kann sowohl dielektrisch als auch nicht dielektrisch sein. Insgesamt ist dadurch auch die Sicherheit des Starkstromkabels besonders hoch.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eine radial in den Kühlkanal gerichtete Ausformung an der Innenleiter-Beschichtung und/oder an der Außenleiter-Beschichtung ausgebildet sein. Eine radiale Höhe des Kühlkanals kann dabei durch eine radiale Höhe der wenigstens einen Ausformung vorgegeben sein. Die wenigstens eine Ausformung kann demnach den radialen Abstand zwischen dem Außenleiter bzw. Außenleiter-Beschichtung und dem Innenleiter bzw. der Innenleiter-Beschichtung wahren bzw. sichern, so dass der Kühlkanal gleichmäßig durchströmbar und der Außenleiter und der Innenleiter gleichmäßig kühlbar sind.
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An der Innenleiter-Beschichtung und/oder an der Außenleiter-Beschichtung können insbesondere wenigstens zwei Ausformungen ausgebildet sein. Die wenigstens zwei Ausformungen können dabei um eine Längsmittelachse des Starkstromkabels gleichmäßig verteilt angeordnet sein. Durch die wenigstens zwei Ausformungen kann die Form des Kühlkanals besonders sicher gewahrt bzw. besonders effektiv gesichert werden. Die wenigstens eine Ausformung kann eine Rippe sein, wobei die Rippe entlang einer Längsmittelachse des Starkstromkabels ausgerichtet ist. Vorzugsweise kann die Rippe den Innenleiter spiralartig umlaufen. Alternativ kann die wenigstens eine Ausformung eine Pingruppe aus mehreren nebeneinander angeordnet Pins sein. Ein weiterer Vorteil der Ausformungen besteht in einem verbesserten Wärmeübergang von dem Innenleiter in das Kühlfluid durch die größere Oberfläche des Innenleiters sowie der gezielten Anregung von turbulenter Strömung des Kühlfluids.
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Der Außenleiter kann durch ein starres metallisches Rohr abgebildet sein. Wie oben bereits erläutert, kann das starre Rohr bzw. der Außenleiter aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, geformt sein. Insbesondere kann das starre Rohr bzw. der Außenleiter per Innenhochdruckumformung bzw. Hydroforming geformt sein. Alternativ kann der Außenleiter durch einen Litzenleiter mit wenigstens zwei Einzelleitern abgebildet sein. Wie oben bereits erläutert, kann der Litzenleiter aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, geformt sein. Der Litzenleiter bzw. der Außenleiter kann durch eine Verseilung auf einen Schlauch, beispielweise einen Silikon-Schlauch, geformt sein. Der Litzenleiter bzw. der Außenleiter und dadurch das Starkstromkabel können dadurch eine besonders hohe Flexibilität aufweisen.
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Zum axialen Abschließen des Starkstromkabels kann ein Anschlussstutzen vorgesehen sein. In dem Anschlussstutzen können ein axialer oder radialer Kühlungsanschluss zum fluidischen Anschließen an den Kühlkanal und ein axialer oder radialer Innenanschluss zum elektrisch leitenden Anschließen an den Innenleiter geformt sein. Um ein Abknicken des Starkstromkabels zu verhindern, kann für das Starkstromkabel ein Kabelkanal vorgesehen sein. Der Kabelkanal kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut bzw. geformt sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Starkstromkabels in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Starkstromkabels in einer zweiten Ausführungsform.
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Entsprechend der 1 weist das Starkstromkabel 1 dabei einen elektrisch leitenden Innenleiter 2 und eine dielektrische Innenleiter-Beschichtung 3 auf. Der Innenleiter 2 weist einen runden Querschnitt auf und ist von der Innenleiter-Beschichtung 3 außenseitig ummantelt bzw. umgeben. Der Innenleiter 2 mit der Innenleiter-Beschichtung 3 kann durch ein konventionelles Kabel abgebildet sein. Der Innenleiter 2 ist aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, geformt. Die Innenleiter-Beschichtung 3 kann aus Kunststoff geformt sein.
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Ferner weist das Starkstromkabel 1 einen elektrisch leitenden Außenleiter 4 und eine dielektrische Außenleiter-Beschichtung 5 auf. Der Außenleiter 4 weist einen ringförmigen Querschnitt auf und ist von der Außenleiter-Beschichtung 5 innenseitig ummantelt bzw. umgeben. Der Außenleiter 4 kann beispielweise ein starres Rohr oder ein Litzenleiter sein. Der Außenleiter 4 ist aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, geformt. Die Außenleiter-Beschichtung 5 kann aus Kunststoff geformt sein.
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Zwischen dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 4 bzw. zwischen der Innenleiter-Beschichtung 3 und der Außenleiter-Beschichtung 5 ist ein Kühlkanal 6 geformt. Der Kühlkanal 6 ist von einem Kühlfluid durchströmbar. Das Kühlfluid kann insbesondere eine Kühlflüssigkeit - beispielweise Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch oder Öl - sein. Da hier der Kühlkanal 6 von dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 4 elektrisch isoliert ist, kann das Kühlfluid dielektrisch oder nicht dielektrisch sein.
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Zudem weist das Starkstromkabel 1 eine dielektrische Außenbeschichtung 7 auf, die den Außenleiter 4 außenseitig ummantelt.
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Das Starkstromkabel 1 weist eine Längsmittelachse LA auf und ist koaxial aufgebaut. Die einzelnen Elemente des Starkstromkabel 1 sind also bezüglich der Längsmittelachse LA koaxial zueinander angeordnet. Durch den koaxialen Aufbau des Starkstromkabels 1 können sich die magnetischen Felder des Innenleiters 2 und des Außenleiters 4 kompensieren. Durch den Kühlkanal 6 kann das Starkstromkabel 1 effektiv gekühlt werden und die Leitungsquerschnitte des Innenleiters 2 und des Außenleiters 4 reduziert werden.
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2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Starkstromkabels 1 in einer zweiten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform sind an der Innenleiter-Beschichtung 3 mehrere - hier zwölf - Ausformungen 8 ausgebildet. Die jeweiligen Ausformungen 8 sind radial in den Kühlkanal 6 bzw. dreiecksförmig in den Kühlkanal 6 gerichtet und überbrücken den Kühlkanal 6 bis zu der Außenleiter-Beschichtung 5. Die jeweiligen Ausformungen 8 sind dabei um die Längsmittelachse LA gleichmäßig verteilt angeordnet und dadurch kann eine radiale Höhe des Kühlkanals 6 gewahrt werden. Im Übrigen entspricht die zweite Ausführungsform des Starkstromkabels 1 der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des Starkstromkabels 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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