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Die Erfindung betrifft eine Stromführungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Führen von Strom, wobei die Stromführungseinrichtung mindestens einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leiter und einen den elektrischen Leiter in einer zur Längsrichtung senkrechten Umfangsrichtung umgebenden, sich in der Längsrichtung erstreckenden, elektrisch isolierenden Isoliermantel zur Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes für eine Berührung des elektrischen Leiters aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Stromführungseinrichtung.
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Um Personen gegen Stromschlag zu schützen, werden Stromleiter oft mit Isolationsmaterialien ummantelt. Die gängigsten elektrischen Isolationsmaterialien leiten die Wärme jedoch sehr schlecht. Daher ist die Kühlung von Stromleitern eine große Herausforderung in der Elektromobilität. Denn gerade dort gibt es, vor allem im Zusammenhang mit Hochvoltkomponenten und einer Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs, viele Stromkabel oder andere Stromführungseinrichtungen, die sehr hohe Ströme führen müssen, wodurch es auch zu einer starken Hitzeentwicklung dieser Leiter kommt.
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Die
WO 85/01611 A1 beschreibt ein Hochstromseekabel zur Minensuche. Dieses weist einen Außenmantel mit Öffnungen, die es Meerwasser erlauben, in radialer Richtung in den Außenmantel einzudringen. Zur Gewährleistung der elektrischen Isolierung sind die einzelnen Leiter innerhalb des Außenmantels mit jeweils einem separaten Isoliermantel umhüllt. Der Außenmantel fungiert damit lediglich noch als Halterung zum Zusammenhalten der einzelnen Leiter und nicht mehr als Isolierung, und insbesondere nicht mehr zur Bereitstellung eines Berührschutzes. Dies wird entsprechend von den einzelnen Isoliermänteln der einzelnen Leiter übernommen. Somit verschiebt sich jedoch das Problem des schlechten Wärmeabtransports vom Außenmantel auf die einzelnen Isolierhüllen der Leiter.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromführungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine verbesserte Wärmeabfuhr von Wärme aus dem elektrischen Leiter ohne Beeinträchtigung des durch den Isoliermantel bereitgestellten Berührschutzes ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromführungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Stromführungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Führen von Strom weist mindestens einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden elektrischen Leiter und einen den elektrischen Leiter in einer zur Längsrichtung senkrechten Umfangsrichtung umgebenden, sich in der Längsrichtung erstreckenden, elektrisch isolierenden Isoliermantel zur Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes vor einer Berührung des elektrischen Leiters auf. Dabei weist der Isoliermantel mindestens eine den Isoliermantel durchdringende Öffnung zur Kühlung des elektrischen Leiters auf.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass zur Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes, im Fahrzeug oftmals ein Berührschutz gemäß der Schutzklasse IP2 nach ISO 20653, keine vollständige Ummantelung des Stromleiters, das heißt des elektrischen Leiters, erforderlich ist. Eine solche den Isoliermantel durchdringende Öffnung kann entsprechend auf einfache Weise so dimensioniert werden, dass der gewünschte, bestimmte Berührschutz dennoch durch den Isoliermantel gewährleistet ist. Durch das Vorsehen mindestens eines solchen den Isoliermantel durchdringenden Lochs oder Öffnung kann nun vorteilhafterweise eine deutlich verbesserte Kühlung des elektrischen Leiters bereitgestellt werden. Gleichzeitig kann auch die Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes noch auf einfache Weise gewährleistet werden. Dies ist vor allem bei der Verwendung der Stromführungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug von großem Vorteil, da dort der vorhandene Bauraum äußerst stark limitiert ist, sodass es bauraumbedingt nicht möglich ist, aufwendige Kühlmaßnahmen zur Kühlung von Stromführungseinrichtungen umzusetzen. Durch das Vorsehen mindestens einer den Isoliermantel durchdringenden Öffnung kann auf äußerst bauraumsparende Weise eine Möglichkeit zur Kühlung des elektrischen Leiters bereitgestellt werden. Wärme kann damit vom elektrischen Leiter deutlich einfacher durch die bereitgestellte mindestens eine Öffnung nach außen in die Umgebung abgeführt werden, insbesondere an ein optionales Kühlfluid, zum Beispiel Luft oder ein flüssiges Kühlmittel.
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Dass der Isoliermantel zur Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes vor einer Berührung des elektrischen Leiters ausgelegt ist, soll dabei insbesondere so verstanden werden, dass dieser bestimmte Berührschutz nicht mehr gewährleistet wäre, würde auf den Isoliermantel als Ganzes verzichtet werden. Mit anderen Worten ist die Stromführungseinrichtung bevorzugt so ausgebildet, dass der Isoliermantel erforderlich ist, um den bestimmten Berührschutz für eine Berührung des elektrischen Leiters bereitzustellen. Der Isoliermantel dient also nicht lediglich zur Halterung von innerhalb des Isoliermantels angeordneten Komponenten, wie dem mindestens einen elektrischen Leiter.
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Der mindestens eine elektrische Leiter ist dabei bevorzugt aus einem metallischen Material gebildet. Der Isoliermantel ist bevorzugt aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffverbundwerkstoff, zum Beispiel mit Verstärkungsfasern, oder auch einem natürlichen, elektrisch isolierenden Material gebildet. Der elektrische Leiter kann weiterhin als Draht oder Schiene ausgebildet sein oder es können auch vielzählige elektrische Leiter vorgesehen sein, insbesondere in Form von Litzen, die dann entsprechend alle innerhalb des Isoliermantels in der Längsrichtung verlaufen. Bevorzugt verläuft innerhalb des Isoliermantels nur ein einzelner elektrischer Leiter. Gerade für Hochstromanwendungen ist dies vorteilhaft. Denkbar ist es auch, dass der mindestens eine elektrische Leiter noch von einer oder mehreren Zwischenschichten ummantelt ist, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Mit anderen Worten kann die Stromführungseinrichtung auch so ausgebildet sein, dass sich zwischen dem Isoliermantel und dem elektrischen Leiter keine weitere Schicht der Stromführungseinrichtung befindet und der Isoliermantel gleichzeitig die äußerte Schicht der Stromführungseinrichtung darstellt.
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Im Allgemeinen kann die Stromführungseinrichtung als ein Stromkabel ausgebildet sein oder auch als eine Stromschiene. Eine Stromschiene ist dabei im Vergleich zu einem Stromkabel deutlich weniger flexibel, insbesondere starr. Dies gilt sowohl für den elektrischen Leiter als auch optional für den Isoliermantel und weitere optionale Schichten. Ist die Stromführungseinrichtung beispielsweise als Stromschiene ausgebildet, so umfasst diese bevorzugt nur einen einzelnen elektrischen Leiter. Der Isoliermantel kann in diesem Fall zum Beispiel als Kunststoffgehäuse, z.B. auch starres oder relativ starres Kunststoffgehäuse oder auch als Isoliermantel aus einem flexiblen Material, um den elektrischen Leiter ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Isoliermantel zur Bereitstellung eines Berührschutzes gemäß der Schutzklasse IP1 oder IP2 oder IP3 oder IP4 nach ISO 20653 ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist die Bereitstellung eines Berührschutzes gemäß IP2. Dies stellt den häufigsten Anwendungsfall im Kraftfahrzeugbereich dar. Ein Berührschutz gemäß IP2 bedeutet dabei ein Schutz gegen den Zugang mit einem Finger, insbesondere einem Normfinger. Außerdem ist hierunter auch ein Schutz gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser größer gleich 12,5 Millimeter zu verstehen. Die mindestens eine Öffnung kann folglich so dimensioniert sein, dass derartig große Fremdkörper nicht durch die Öffnung hindurch in Kontakt mit dem elektrischen Leiter treten können. Ein Berührschutz gemäß IP1 bedeutet geschützt gegen den Zugang mit dem Handrücken und insbesondere auch Schutz gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser größer als 50 Millimeter, ein Schutz gemäß IP3 bedeutet geschützt gegen den Zugang mit einem Werkzeug und insbesondere auch einen Schutz gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser größer gleich 2,5 Millimeter, und IP4 bedeutet geschützt gegen den Zugang mit einem Draht und insbesondere auch gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser größer gleich 1 Millimeter. Um die einzelnen Schutzklassen zu erfüllen, kann also folglich die betreffende mindestens eine Öffnung einfach entsprechend dimensioniert werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Öffnung als kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser ausgebildet sein, der kleiner ist als die oben genannten minimalen Durchmesser der Fremdkörper. Die mindestens eine Öffnung kann zum Beispiel auch länglich als Schlitz ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Länge des Schlitzes auch größer sein kann als die minimale Abmessung der oben genannten Fremdkörper, solange die Schlitzbreite kleiner ist als diese genannten Durchmesser. Um also beispielsweise für eine möglichst gute Kühlung entlang der Längsrichtung der Stromführungseinrichtung zu sorgen, ist es folglich nicht erforderlich, mehrere Öffnungen in Längsrichtung vorzusehen, sondern es könnte auch eine einzelne Öffnung in Form eines sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitzes vorgesehen sein. Mehrere einzelne Öffnungen erhöhen jedoch die Stabilität der Gesamtanordnung und Vereinfachen die Fertigung.
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Die Stromführungseinrichtung muss, vor allem wenn diese als Stromschiene ausgebildet ist, in der Längsrichtung nicht notwendigerweise eine größere Abmessung aufweisen, als in Richtungen senkrecht dazu. Nichtsdestoweniger ist dies dennoch bevorzugt, gerade wenn die Stromführungseinrichtung als Stromkabel ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromführungseinrichtung so ausgebildet, dass die den Isoliermantel durchdringende Öffnung den elektrischen Leiter fluidisch mit einer Umgebung der Stromführungseinrichtung verbindet. Mit anderen Worten befindet sich also zwischen der Umgebung und dem elektrischen Leiter kein weiteres Element oder Schicht. Weist die Stromführungseinrichtung zum Beispiel noch weitere Zwischenschichten zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isoliermantel auf, so kann sich die den Isoliermantel durchdringende Öffnung auch durch diese weiteren Schichten hindurch erstrecken, um so den elektrischen Leiter fluidisch mit der Umgebung der Stromführungseinrichtung zu verbinden. Dies erlaubt eine besonders effiziente Kühlung des elektrischen Leiters. Weitere Zwischenschichten würden dabei lediglich die Wärmeabfuhr vom elektrischen Leiter beeinträchtigen. Dies ist vor allem bei Kraftfahrzeuganwendungen besonders vorteilhaft, insbesondere bei der Verwendung der Stromführungseinrichtung in einer Hochvoltbatterie, da diese typischerweise hermetisch nach außen durch ein Batteriegehäuse entsprechend abgeriegelt ist. Demnach ist die Stromführungseinrichtung durch das Batteriegehäuse vor Umwelteinflüssen sehr gut geschützt. Es besteht also auch nicht die Gefahr, dass der elektrische Leiter eventuell mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in Kontakt gerät. Gerade hier lässt sich dann eine besonders effiziente Kühlung des elektrischen Leiters bereitstellen.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Isoliermantel mehrere der mindestens einen Öffnung auf, wobei die mehreren Öffnungen in Umfangsrichtung und/oder Längsrichtung der Stromführungseinrichtung verteilt angeordnet sind. Wie oben bereits erwähnt, hat dies den großen Vorteil, dass sich hierdurch eine besonders homogene Kühlung über den elektrischen Leiter hinweg, sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung, bereitstellen lässt, als auch eine hohe Stabilität der Gesamtanordnung bereitstellen lässt, zum Beispiel im Gegensatz zum Vorsehen sehr langer Schlitze im Falle eines flexiblen Stromkabels als Stromführungseinrichtung. Grundsätzlich können die Öffnungen auch mit jeder beliebigen Querschnittsgeometrie ausgebildet sein. Runde Öffnungen sind jedoch fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren und können zudem an die geforderte Schutzklasse besonders einfach angepasst werden.
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Zudem ist es zur Bereitstellung einer möglichst homogenen Kühlung von Vorteil, wenn die Öffnungen auch möglichst homogen, zum Beispiel gemäß einem regelmäßigen Muster, sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Stromführungseinrichtung mindestens einen als Freiraum bereitgestellten Fluidkanal auf, der mindestens zwei der mehreren Öffnungen miteinander verbindet. Damit ist es also möglich, dass ein Fluid, wie zum Beispiel Luft, durch eine der Öffnungen in die Stromführungseinrichtung eindringt, den Fluidkanal durchströmt, und durch die andere der mindestens zwei Öffnungen wieder aus der Stromführungseinrichtung austritt. Durch diese Durchströmungsmöglichkeit der Stromführungseinrichtung kann die Kühlung der Stromführungseinrichtung noch deutlich gesteigert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft der mindestens eine Fluidkanal zumindest zum Teil und vorzugsweise vollständig zwischen dem Isoliermantel und dem elektrischen Leiter. Dies ist herstellungstechnisch besonders einfach zu realisieren, da somit der Fluidkanal zum Beispiel nicht in den Isoliermantel selbst integriert werden muss. Der Fluidkanal kann zum Beispiel auf einfache Weise durch eine geeignete Lücke oder einen geeigneten Abstandsbereich zwischen Isoliermantel und elektrischen Leiter bereitgestellt werden.
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Zudem ist es auch möglich, dass nicht immer nur zwei Öffnungen paarweise über einen solchen Fluidkanal fluidisch miteinander verbunden sind, sondern dass auch mehrere Öffnungen oder jeweilige Gruppen von Öffnungen über einen gemeinsamen Fluidkanal miteinander fluidisch verbunden sind. Ein solcher Fluidkanal kann insbesondere auch alle im Isoliermantel vorgesehenen Öffnungen miteinander fluidisch verbinden. Der Fluidkanal kann zum Beispiel auch flächig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der Fluidkanal als Freiraum, der den elektrischen Leiter umgibt und sich radial innerhalb des Isoliermantels befindet, ausgebildet sein, wobei dieser Freiraum auch stellenweise von Abstandshaltern, die zum Beispiel durch den Isoliermantel selbst bereitgestellt werden können, durchdrungen sein kann, um den Isoliermantel in einem definierten Abstand zum elektrischen Leiter zu halten und ein Zusammenfallen beziehungsweise ein lokales Kollabieren dieses Freiraums zu verhindern.
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Der mindestens eine Fluidkanal stellt also einen Luftspalt bereit, der zwischen dem Stromleiter, das heißt dem elektrischen Leiter, und der Isolation, das heißt dem Isolationsmantel, angeordnet ist. Dadurch entsteht auch ohne aktives Anströmen der Stromführungseinrichtung mit einem Kühlfluid eine lokale Luftzirkulation, da warme Luft automatisch nach oben steigt. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest zwei sich in Bezug auf den elektrischen Leiter gegenüberliegende Öffnungen im Isolationsmantel über den mindestens einen Fluidkanal fluidisch miteinander verbunden sind. Eine dieser Öffnungen kann entsprechend einer bestimmungsgemäßen Einbaulage der Stromführungseinrichtung unterhalb des elektrischen Leiters angeordnet sein und die andere entsprechend oberhalb. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise auch eine automatische Luftzirkulation durch den mindestens einen Fluidkanal bewerkstelligen. Nichtsdestoweniger kann die Luftzirkulation auch durch Ventilatoren oder ähnliches aktiv verstärkt werden. Gerade bei Anwendungen in einem Kraftfahrzeug kann zum Beispiel auch Fahrtwind zum Durchströmen des mindestens einen Fluidkanals genutzt werden. Es ist auch denkbar, die Stromführungseinrichtung mit einer Kühlflüssigkeit zu durchströmen. Diese ist dann bevorzugt elektrisch nicht leitfähig, wie beispielsweise ein Öl.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Fluidkanal durch eine erste Kanalwandung begrenzt, die durch den elektrischen Leiter bereitgestellt ist, und insbesondere durch eine zweite Kanalwandung begrenzt, die durch eine Innenseite des Isoliermantels bereitgestellt ist. Der Fluidkanal kann somit also vorteilhafterweise direkt an den elektrischen Leiter angrenzen. Dadurch kann eine besonders effiziente Kühlung des elektrischen Leiters bereitgestellt werden. Der Fluidkanal kann selbst dann an den elektrischen Leiter direkt angrenzen, wenn die Stromführungseinrichtung noch weitere Mantelschichten zwischen dem elektrischen Leiter und dem Isoliermantel aufweist. In diesem Fall würde dann die zweite Kanalwandung des Fluidkanals, die der ersten Kanalwandung gegenüberliegt, nicht an den Isoliermantel selbst, sondern zum Beispiel an eine dieser weiteren Schichten angrenzen beziehungsweise durch diese bereitgestellt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Isoliermantel eine der Umgebung zugewandte Außenseite und eine dem Leiter zugewandte Innenseite auf, wobei der Isoliermantel als Teil der Innenseite Abstandselemente aufweist, die sich in Richtung des Leiters erstrecken, wobei zwischen den Abstandselementen mindestens ein Freiraum zur Bereitstellung des mindestens einen Fluidkanals gebildet ist. Durch die Abstandselementen kann nun, wie bereits oben beschrieben, vorteilhafterweise ein definierter Abstand zum Leiter gewährleistet werden. Die Ausgestaltung der Abstandselemente als Teil der Innenseite des Isoliermantels ist dabei besonders einfach und vorteilhaft. Nichtsdestoweniger können die Abstandselemente auch vom Isoliermantel separate Abstandselemente darstellen und/oder durch eine weitere Komponente der Stromführungseinrichtung bereitgestellt sein, zum Beispiel durch eine weitere Mantelschicht oder ähnliches. Die Abstandselemente können punktuell ausgeführt sein, ringförmig oder auch großflächig. Je kleiner die Gesamtquerschnittsfläche der Abstandselemente dabei ist, desto größer können entsprechend die Fluidkanäle oder der mindestens eine Fluidkanal gestaltet werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Stromführungseinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Stromführungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Das Kraftfahrzeug kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Fluidkühleinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, in zumindest einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs zumindest einen Abschnitt der Stromführungseinrichtung mit einem Fluid anzuströmen, insbesondere wobei die Fluidkühlungseinrichtung als eine Luftkühlung ausgebildet ist oder als eine Flüssigkeitskühlung. Die Ausbildung als Luftkühlung ist dabei jedoch bevorzugt, da sich diese deutlich einfacher bereitstellen lässt. Diese kann wie oben beschrieben zum Beispiel einen oder mehrere Ventilatoren nutzen oder im einfachsten Fall kann die Luftkühlung durch eine Fahrtwindeintrittsöffnung in einem Bereich des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein, sodass zur Luftkühlung der Fahrtwind genutzt werden kann. Dadurch lässt sich die Kühleffizienz weiter steigern. Diese Ausgestaltungen sind vor allem bei Verwendung der Stromführungseinrichtung außerhalb einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs vorteilhaft. Innerhalb einer Hochvoltbatterie kann eine passive Luftkühlung durch thermische Konvektion bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kraftfahrzeug eine Hochvoltbatterie mit einem Batteriegehäuse auf, wobei die Stromführungseinrichtung innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Im Batteriegehäuse können darüber hinaus eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet sein. Das Batteriegehäuse ist weiterhin bevorzugt luftdicht abgeschlossen ausgeführt. Damit ist das Innere des Batteriegehäuses besonders gut vor Umgebungseinflüssen und vor allem vor Feuchtigkeit geschützt. Damit muss durch den Isoliermantel vorteilhafterweise nicht zusätzlich noch ein Schutz vor Feuchtigkeit oder ähnlichem bereitgestellt werden. Damit können ohne weiteres die beschriebenen Öffnungen im Isoliermantel bereitgestellt werden. Aber auch außerhalb der Hochvoltbatterie in zum Beispiel gut vor Feuchtigkeitseintritt geschützten Bereichen des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel auch in Gehäusen von anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten, kann die Stromführungseinrichtung zum Einsatz kommen. Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn die Stromführungseinrichtung dabei für Hochvoltanwendungen beziehungsweise Hochstromanwendungen verwendet wird. Beispielsweise kann durch eine oder mehrere solcher Stromführungseinrichtungen zumindest ein Teil der Hochvoltkabel im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden. Auch kann die Stromführungseinrichtung als Verbindungselement zum Verbinden von Batteriezellen oder Zellmodulen verwendet werden. Zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten sind ebenfalls denkbar. Auch Anwendungen außerhalb des Kraftfahrzeugbereichs, zum Beispiel bei stationären Energiespeichern, sind ebenso denkbar.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Stromleiteranordnung gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Stromführungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Stromführungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Stromleiteranordnung 10. Diese umfasst einen Stromleiter 12 aus einem elektrisch leitenden Material, sowie eine Ummantelung 14 aus einem elektrisch isolierenden Material, welches auch als Isolationsmaterial bezeichnet werden kann. Diese Ummantelung 14 dient dabei dazu, um Personen gegen Stromschlag zu schützen. Die gängigsten elektrischen Isolationsmaterialien leiten die Wärme sehr schlecht. Daher ist die Kühlung des Stromleiters 12 eine große Herausforderung in der Immobilität.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromführungseinrichtung 16 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Stromführungseinrichtung 16 kann zum Beispiel als Stromschiene ausgebildet sein. Denkbar ist auch eine Ausführung als Stromkabel. Auch in diesem Beispiel umfasst die Stromführungseinrichtung 16 einen elektrischen Leiter 18, der auch als Stromleiter 18 bezeichnet werden kann. Der Stromleiter 18 kann dabei, vor allem wenn die Stromführungseinrichtung 16 als Stromschiene ausgebildet ist, als relativ starre Leiterschiene ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch eine Ausbildung als biegbarer beziehungsweise flexibler Leiter 18, was vor allem im Falle der Ausbildung der Stromführungseinrichtung 16 als Stromkabel vorteilhaft ist. Weiterhin umfasst die Stromführungseinrichtung 16 einen Isoliermantel 20 zur Bereitstellung eines bestimmten Berührschutzes. Im vorliegenden Beispiel ist die Stromführungseinrichtung 16 in einem Querschnitt zur dargestellten z-Richtung illustriert, wobei die z-Richtung zu einer Längsrichtung korrespondiert, in welche sich sowohl der Leiter 18 als auch der Isoliermantel 20 erstrecken. Weiterhin umgibt der Isoliermantel 20 den Leiter 18 in einer Umfangsrichtung U, die senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung beziehungsweise Längsrichtung z ist. Der Leiter 18 kann eine im Querschnitt von einer kreisförmigen Geometrie verschiedene Geometrie aufweisen, wie vorliegend dargestellt zum Beispiel eine rechteckige Geometrie.
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In diesem Beispiel weist der Isoliermantel 20 nun vorteilhafterweise mehrere lokale Öffnungen 22 in der Isolation, das heißt den Isoliermantel 20 durchdringend, auf. Durch solche lokale Öffnungen in der Isolation 20 wird der Wärmetransfer in die Umgebung 24 verbessert. Die Wärmestrahlung ist vorliegend durch die Pfeile 26 veranschaulicht. Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass Stromleiter im Fahrzeug typischerweise eine Schutzklasse von IP2 nach ISO 20653 haben, jedoch eine vollständige Ummantelung um den Stromleiter 18 in diesem Fall nicht erforderlich ist, um diesen Berührschutz gemäß IP2 zu gewährleisten. Dies lässt sich nämlich einfach dadurch bereitstellen, indem die Öffnungen 22 geeignet dimensioniert werden. Beispielsweise können die Öffnungen 22 so ausgebildet sein, dass ihr minimaler Durchmesser d kleiner ist als der minimale für den Fremdkörperschutz definierte Durchmesser gemäß der zu erfüllenden Schutzklasse. Insbesondere lassen sich durch geeignete Dimensionierung der Öffnungen 22 die Schutzklassen IP1, IP2, IP3 und IP4 problemlos erfüllen.
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Weiterhin ist es grundsätzlich denkbar, dass die Stromführungseinrichtung 16 weitere Mantelschichten zwischen dem Leiter 18 und dem Isoliermantel 20 aufweist. Es kann aber auch sein, dass sich keine weiteren Schichten zwischen dem Leiter 18 und dem Isoliermantel 20 befinden, wie hier dargestellt. Unabhängig vom Vorhandensein weiterer Schichten ist es bevorzugt, dass die Öffnungen 22 so ausgestaltet sind, dass diese bis zum Leiter 18 reichen. Dadurch ist der Leiter 18 quasi fluidisch mit der Umgebung 24 verbunden. Weist die Stromführungseinrichtung 16 also noch weitere Schichten zwischen dem Isoliermantel 20 und dem Leiter 18 auf, so durchdringen die Öffnungen 22 vorzugsweise auch diese Schichten.
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Weiterhin können die Öffnungen 22 grundsätzlich mit einer beliebigen Querschnittsgeometrie ausgebildet sein. Zur Bereitstellung der Öffnungen 22 kann die Isolation 20 zum Beispiel lokal, zum Beispiel durch Bohrungen, durchbrochen werden. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bereitstellung der Öffnungen 22. Entsprechend ermöglicht eine kreisförmige Querschnittsgeometrie eine besonders einfache Ausgestaltung. Der Querschnitt bezieht sich hierbei insbesondere auf eine Richtung senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung, die vom Leiter 18 weg in Richtung Umgebung 24 weist. Diese Erstreckungsrichtung kann zur Richtung der durch die Pfeile 26 illustrierten Wärmestrahlung korrespondieren.
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Die Öffnungen 22 können zudem verteilt in Umfangsrichtung U im Isoliermantel 20 angeordnet sein, sowie auch in Längsrichtung z verteilt über den Isoliermantel 20. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Kühlung des Leiters 18 bereitgestellt werden. Durch solche lokale Öffnungen 22 kann also die Wärme aus dem Stromleiter 18 in die Umgebung 24 viel besser entweichen. Damit wird eine Reduktion der thermischen Belastung der Stromführungseinrichtung 16 sowie auch eine Reduzierung des Leitungsquerschnitts des Leiters 18 ermöglicht, wodurch wiederum Gewicht, CO2 und Kosten eingespart werden können.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromführungseinrichtung 16 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Stromführungseinrichtung 16 kann dabei wie zu 2 beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Zwischen dem Stromleiter 18 und der Isolation 20 können, wie hier dargestellt, Luftspalte 28 konstruiert werden beziehungsweise vorgesehen sein, die damit gleichzeitig als Fluidkanäle 28 fungieren. Ein solcher Fluidkanal 28 verbindet also mindestens zwei der mehreren Öffnungen 22 fluidisch miteinander. Dadurch kann vorteilhafterweise eine lokale Luftzirkulation bereitgestellt werden, da die warme Luft automatisch nach oben steigt. Die Luftzirkulation ist dabei durch die Pfeile 30 veranschaulicht. Eine solche Luftzirkulation 30 kann auch durch Ventilatoren aktiv verstärkt werden. Fahrtwind kann ebenfalls genutzt werden. Mit anderen Worten kann ein Luftstrom bereitgestellt werden, entweder durch den Fahrtwind oder durch Ventilatoren, der die Stromführungseinrichtung 16 zumindest in manchen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, in welchem diese Anwendung findet, anströmt. Theoretisch ist es auch denkbar, wenngleich weniger bevorzugt, den Stromleiter 18 beziehungsweise die Öffnungen 22 und die entsprechenden Fluidkanäle 28 mit einer Kühlflüssigkeit zu durchströmen. Außerdem können zwischen dem Isolationsmantel 20 und dem Leiter 18 noch Stützstellen 32 vorgesehen sein, um den Leiter 18 und die Innenseite 20a des Isolationsmantels 20, die einer Außenseite 20b des Isolationsmantels gegenüberliegt, in einem definierten Abstand zum Leiter 18 zu halten. Diese Stützstellen 32 können optional auch Teil des Isolationsmantels 20 selbst sein. Diese Stützstellen 32 müssen sich dabei nicht notwendigerweise über die Gesamtlänge des Leiters 18 in z-Richtung erstrecken, sondern können auch nur lokal in z-Richtung vorgesehen sein. Beispielsweise können diese als mehrere Ringe bereitgestellt sein, die in z-Richtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind und den Leiter 18 in Umfangsrichtung U vollständig oder nur partiell umlaufen. Auch hier sind prinzipiell den Ausgestaltungsmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Stromleiter mit verbesserter Kühlung bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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