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Die Erfindung betrifft eine Stromschiene für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verbinden von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes. Die Stromschiene weist einen elektrischen Flachleiter zum Führen eines Stroms zwischen den Hochvoltkomponenten auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine Baugruppe sowie ein Hochvoltbordnetz.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Stromschienen für Hochvoltbordnetze elektrifizierter Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, welche Hochvoltkomponenten der Hochvoltbordnetze, beispielsweise eine elektrische Maschine, einen Hochvoltenergiespeicher, einen Inverter, ein Ladegerät, etc., elektrisch verbinden. Solche Stromschienen bestehen üblicherweise aus einem im Querschnitt rechteckigen Flachleiter aus Vollmaterial, beispielweise Kupfer oder Aluminium. Innerhalb der Stromschienen und an Kontaktstellen zu den Hochvoltkomponenten fallen durch ohmsche Widerstände thermische Verluste an. Beispielsweise führt ein erhöhter Übergangswiderstand an den Kontaktstelle zwischen der Stromschiene und den angebundenen Hochvoltkomponenten zu lokalen thermischen Verlusten, welche sogenannte Hotspots, also lokale Heißpunkte, erzeugen können. Darüber hinaus steigen der ohmsche Widerstand und damit Leitungsverluste der Stromschiene mit der Temperatur.
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Eine Kühlung der Stromschienen erfolgt dabei üblicherweise durch lokal an die Stromschienen angebundene Wärmesenken in Form von Kühleinrichtungen und gegebenenfalls durch Konvektion bzw. Wärmestrahlung an eine Umgebung. Der Wärmetransport innerhalb der Stromschienen wird dabei durch eine Wärmeleitfähigkeit des Vollmaterials beschränkt, welche insbesondere bei hohen Lastfällen nicht ausreicht, um die Abwärme bzw. Verlustwärme abzutransportieren. Die daraus resultierenden Temperaturerhöhungen der Stromschienen können aufgrund der höheren ohmschen Verluste zu einer Verringerung der elektrischen Reichweite des Kraftfahrzeugs sowie zu hohen thermomechanischen Belastungen an den Kontaktstellen führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente, einfache und kostengünstige Lösung zum Kühlen von Stromschienen für Hochvoltbordnetze von Kraftfahrzeugen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromschiene, eine Baugruppe sowie ein Hochvoltbordnetz mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Stromschiene für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verbinden von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes weist einen elektrischen Flachleiter zum Führen eines Stroms zwischen den Hochvoltkomponenten auf. Darüber hinaus weist die Stromschiene zumindest ein, in den elektrischen Flachleiter integriertes, pulsierendes Wärmerohr auf. Dazu umfasst der Flachleiter zumindest eine Kapillare mit einem in Segmenten aus Flüssigkeit und Dampf vorliegenden Arbeitsmedium, wobei die Segmente durch einen abwärmebedingten Temperaturgradienten zum Pulsieren und dadurch zum Transportieren der Abwärme entlang des Temperaturgradienten anregbar sind.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Baugruppe für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweisend zumindest eine erfindungsgemäße Stromschiene sowie eine mit der zumindest einen Stromschiene thermisch gekoppelte Kühleinrichtung. Ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz umfasst zumindest zwei Hochvoltkomponenten sowie zumindest eine erfindungsgemäße Baugruppe, wobei die zumindest eine Stromschiene der zumindest einen Baugruppe die zumindest zwei Hochvoltkomponenten elektrisch verbindet und wobei die Kühleinrichtung in eine der Hochvoltkomponenten integriert ist. Die Hochvoltkomponenten können beispielsweise eine Traktionsbatterie, ein Inverter, eine elektrische Antriebsmaschine, ein Ladegerät oder dergleichen sein. Beispielsweise sind der Inverter und die elektrische Antriebsmaschine über zumindest drei Stromschienen elektrisch miteinander verbunden, wobei jeweils eine Stromschiene mit einer Phasenwicklung eines Stators der elektrischen Antriebsmaschine und mit einer Schaltbrücke des Inverters verbunden ist.
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Die Stromschienen weisen dabei jeweils einen Flachleiter auf, welcher beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen kann. Der Flachleiter kann dabei biegbar oder starr sein. Der Flachleiter kann entlang seiner Längsrichtung, welche einer Erstreckungsrichtung des Flachleiters zwischen den zwei Hochvoltkomponenten entspricht, geradlinig oder gebogen sein. Beispielsweise können zwei in Längsrichtung gegenüberliegende Endabschnitte des Flachleiters, welche auch Kontaktstellen der Stromschiene zum elektrischen und mechanischen Verbinden mit Anschlussstellen der Hochvoltkomponenten aufweisen können, fluchtend zueinander oder in Querrichtung versetzt zueinander angeordnet sein.
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Der Flachleiter ist dabei nicht massiv aus Vollmaterial ausgebildet, sondern weist eine Hohlraumstruktur in Form von zumindest einer Kapillare auf. Die Kapillare, welche ein dünnes, rohrförmiges Gefäß ausbildet, weist dabei einen Durchmesser, beispielsweise im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich, auf, durch welchen ein in der Kapillare angeordnetes Arbeitsmedium dem Kapillareffekt unterliegt. Die Kapillare erstreckt sich insbesondere mäanderförmig zwischen dem ersten Endabschnitt des Flachleiters und dem zweiten Endabschnitt des Flachleiters. Die Kapillare ist also mehrfach geschlungen, wobei geradlinige, parallel zueinander angeordnete Kapillarabschnitte der Kapillare entlang der Erstreckungsrichtung des Flachleiters orientiert sind und U-förmige, zwei benachbarte geradlinige Kapillarabschnitte verbindende Windungen der Kapillare abwechselnd in dem ersten und dem zweiten Endabschnitt des Flachleiters angeordnet sind. Die mäanderförmige Kapillare ist insbesondere geschlossen ausgebildet.
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Die zumindest eine Kapillare bildet gemeinsam mit dem darin angeordneten Arbeitsmedium ein pulsierendes Wärmerohr bzw. eine Pulsating Heatpipe (PHP), welches bzw. welche als ein Wärmeübertrager fungiert und dazu ausgelegt ist, Abwärme von einer Heißseite der Stromschiene zu einer Kaltseite der Stromschiene zu transportieren. Die Abwärme kann beispielsweise durch eine der an die Stromschiene angebundenen Hochvoltkomponenten in die Stromschiene eingetragen werden und/oder, beispielsweise durch einen hohen thermischen Übergangswiderstand an einer der Kontaktstellen, an der Stromschiene selbst abfallen. Der Ort des Abwärmeeintrags bzw. der Abwärmeentstehung ist dabei die Heißseite der Stromschiene. Die Stromschiene ist thermisch an eine Wärmesenke, insbesondere an die Kühleinrichtung einer der Hochvoltkomponenten, angebunden. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein passiver oder ein von Kühlmittel durchströmter Kühlkörper sein, welcher zum Kühlen von Bauelementen der Hochvoltkomponente ausgelegt ist. Der Ort der Anbindung der Stromschiene an die Wärmesenke ist die Kaltseite der Stromschiene.
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Das Arbeitsmedium, mit welchem die evakuierte Kapillare partiell befüllt ist, bildet aufgrund der Oberflächenspannung in der Kapillare Segmente aus Flüssigkeit und Dampf aus. Die Dampfsegmente sind dabei durch Dampfblasen und die Flüssigsegmente durch Flüssigkeitstropfen gebildet, wobei sich das jeweilige Segment über den gesamten Querschnitt der Kapillare erstreckt. Ein einen bestimmten Schwellwert überschreitender, abwärmebedingter Temperaturgradient bzw. Temperaturunterschied zwischen der Heißseite und der Kaltseite führt zu einem Druckgradienten, welcher wiederum die Segmente pulsieren lässt. Durch eine hohe Temperatur auf der Heißseite, welche einen Verdampfungsbereich ausbildet, verdampft das Arbeitsmedium lokal, wodurch sich die Dampfsegmente ausdehnen und der Druck lokal erhöht wird. Eine niedrige Temperatur auf der Kaltseite, welche einen Kondensationsbereich ausbildet, führt lokal zur Kondensation und damit zum Schrumpfen der Dampfsegmente sowie zum Druckabfall. Diese Druckunterschiede regen das Arbeitsmedium zum Pulsieren an, wodurch ein sich selbst erhaltender und den Wärmetransport steigernder Fluss des Arbeitsmediums entsteht.
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Durch die ständige pulsierende Bewegung des Arbeitsmediums benötigt ein solches pulsierendes Wärmerohr in vorteilhafter Weise keine externe Pumpe oder elektrische Anregung und ist somit besonders einfach und energiesparend ausgebildet. Außerdem erhöht die pulsierende Heatpipe die Wärmeleitfähigkeit der Stromschiene enorm, beispielsweise um das Fünffache im Vergleich zu einer Stromschiene aus Vollmaterial. Durch die mittels der PHP erzielte Temperaturverringerung werden ohmsche Verluste in der Stromschiene reduziert, wodurch eine Effizienzsteigerung im elektrischen Antrieb und damit eine erhöhte Reichweite des elektrifizierten Kraftfahrzeugs erzielt werden können. Die effiziente Wärmeabfuhr homogenisiert außerdem die Temperaturverteilung in der Stromschiene, sodass Hotspots vermieden werden und thermische Spannungen an den Kontaktstellen reduziert werden können. Dadurch werden eine Zuverlässigkeit und eine Lebensdauer der durch die Stromschiene bereitgestellten elektrischen Verbindung gesteigert.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Flachleiter zweischichtig ausgebildet ist, wobei eine erste Flachleiterschicht durch ein Flachleiterelement mit einem in eine Oberfläche des Flachleiterelementes eingebrachten Kanal ausgebildet ist und eine zweite Flachleiterschicht durch ein Flachleiterelement aus Vollmaterial ausgebildet ist, welches an der Oberfläche des ersten Flachleiterelementes angeordnet ist und zum Abschließen des Kanals unter Ausbildung der Kapillare mechanisch mit dem ersten Flachleiterelement verbunden ist. Die Flachleiterelemente können als Bleche ausgebildet sein, welche senkrecht zur Erstreckungsrichtung gestapelt und mechanisch verbunden sind. Eines der Flachleiterelemente weist den zumindest einen Kanal auf, welcher als eine nutartige Vertiefung in der Oberfläche des Flachleiterelementes ausgebildet ist. Der zumindest eine Kanal kann beispielsweise durch Fräsen oder Prägen, aber auch durch andere Verfahren, in die Oberfläche des Flachleiterelementes eingebracht sein. Zum Ausbilden der Kapillare werden die Flachleiterelemente mechanisch verbunden, beispielsweise verlötet, wobei dadurch der Kanal abgeschlossen wird. Die Pulsating Heatpipe ist somit als eine Flat-Plate Pulsating Heatpipe (FPPHP) ausgebildet. Eines der Flachleiterelemente, beispielsweise das Flachleiterelement aus dem Vollmaterial, kann eine mit der Kapillare gekoppelte Öffnung aufweisen, über welche die Kapillare nach dem mechanischen Verbinden der Flachleiterelement mit dem Arbeitsmedium befüllt und evakuiert werden kann. Ein solches pulsierendes Wärmerohr ist besonders einfach herzustellen. Außerdem kann durch die Kanalstruktur in vorteilhafter Weise das Gewicht der Stromschiene verringert werden.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Stromschiene vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Baugruppe sowie für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Perspektivdarstellung einer Baugruppe für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs; und
- 2 eine Schnittdarstellung der Baugruppe.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Perspektivdarstellung einer Baugruppe 1 für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die Baugruppe 1 weist hier drei Stromschienen 2 auf, welche zum elektrischen Verbinden zweier Hochvoltkomponenten ausgebildet sind. Die hier gezeigte Hochvoltkomponente ist als ein Inverter 3 ausgebildet, welcher mit einer Hochvoltkomponente in Form von einer elektrischen Antriebsmaschine elektrisch verbunden ist. Die Baugruppe 1 weist außerdem eine Kühleinrichtung 4 auf, welche hier in eine der Hochvoltkomponenten integriert ist und welche hier als eine Kühlplatte zum Kühlen von Bauelementen der Hochvoltkomponente, beispielsweise von Schaltelementen des Inverters 3, ausgebildet ist.
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Die Stromschienen 2, von welchen auch eine Stromschiene 2 in einer Schnittdarstellung in 2 gezeigt ist, weist einen Flachleiter 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium auf. Der Flachleiter 5 kann, wie in 1 gezeigt, einen beliebigen, beispielsweise eindimensionalen oder zweidimensionalen, Verlauf aufweisen. Die Flachleiter 5 weisen jeweils zwei sich gegenüberliegende Endabschnitte 6, 7 sowie einen Zwischenabschnitt 8 auf. Die Endabschnitte 6, 7 weisen Kontaktstellen 9 zum elektrischen und mechanischen Verbinden mit der jeweiligen Hochvoltkomponente auf. Dazu weisen die Endabschnitte 6, 7 hier Durchgangsöffnungen 10 zum Verschrauben mit einem Anschlussfeld 11 der jeweiligen Hochvoltkomponente auf.
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Die Stromschienen 2 weisen jeweils ein integriertes, passiv arbeitendes, pulsierendes Wärmerohr 12 auf, welches zum Transportieren von Abwärme zu der Kühleinrichtung 4 ausgebildet ist. Die Abwärme kann beispielsweise an dem hier linksseitig dargestellten ersten Endabschnitt 6 im Bereich der Kontaktstelle 9 entstehen bzw. in die Stromschiene 2 eingeleitet werden. Zum Ausbilden des pulsierenden Wärmerohrs 12 einer Stromschiene 2 weist der zugehörige Flachleiter 5 hier eine geschlossen kurvige Kapillare 13 auf, in welcher sich ein Arbeitsmedium im Zweiphasengebiet befindet. Dies bedeutet, dass das Arbeitsmedium abwechselnd in Dampfsegmenten und Flüssigsegmenten entlang des Verlaufs der Kapillare 13 vorliegt. Diese Dampfsegmente und Flüssigsegmente werden durch einen lokalen Abwärmeeintrag, beispielweise am ersten Endabschnitt 6, zum Pulsieren angeregt, wobei durch die Pulsationsbewegung die Abwärme zu dem hier rechtsseitig dargestellten zweiten Endabschnitt 7 und der dort angebundenen Kühleinrichtung 4 transportiert wird. Die Abwärme bzw. Verlustwärme treibt also eine Strömung des Arbeitsmediums in der Kapillare 13 an, sodass das pulsierende Wärmerohr 12 keine externe Energiezufuhr benötigt.
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Die Kapillare 13 ist beispielsweise durch einen kapillaren Kanal, welcher in eine erste Flachleiterschicht des Flachleiters 5 eingeprägt und durch eine zweite Flachleiterschicht des Flachleiters 5 abgedeckt ist, gebildet. Der Flachleiter 5 ist also nicht aus Vollmaterial, sondern teilweise hohl ausgebildet. Die entstehende Kapillare 13 wird evakuiert und partiell mit dem Arbeitsmedium befüllt. Eine solche Kapillare 13 erfordert aufgrund des geringen Durchmessers nicht zwangsläufig eine Aufdickung der Stromschiene 2. Die Kapillare 13 ist hier mäanderförmig ausgebildet, wobei sich Windungen 14 der Kapillare 13 abwechselnd im ersten Endabschnitt 6 im Bereich der Wärmequelle und im zweiten Endabschnitt 7 im Bereich der Wärmesenke befinden. Die Windungen 14 sind somit abwechselnd im Bereich der Wärmequelle und im Bereich der Wärmesenke angeordnet.
