WO2000027672A1 - Funktionsgruppe in einem kraftfahrzeug mit einem elektrischen energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven last - Google Patents

Funktionsgruppe in einem kraftfahrzeug mit einem elektrischen energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven last Download PDF

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Reinhard Rasch
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Definitions

  • the present invention relates to an inductive load connected to an electrical energy store in a motor vehicle.
  • the invention relates to an electrical energy store in the form of a (rechargeable) vehicle battery which is connected to an inverter or another electronic power module which switches at high frequency, the inverter in turn feeding an AC motor which forms the inductive load.
  • cables are known in which the individual conductors (plus, minus) are formed by conductor elements arranged in a cross-section in a checkerboard pattern.
  • this arrangement is complex to manufacture and to connect.
  • the insulation of the individual conductor elements from the adjacent conductor elements is complex and causes a considerable increase in the overall cross section.
  • this arrangement is not based on the problem of the high inductance of the feed line, but rather on the lowest possible total magnetic radiation.
  • the three-phase coaxial cables described there are used to transmit high powers in the range between 100 and 1850 MVA instead of conventional cables, since the three-phase coaxial cables can transmit higher currents at the voltages in question here between 110 kV and 400 kV. Statements about the reduction in the inductance of such three-phase coaxial cables cannot be found in this article. This is due to the fact that the three-phase coaxial cables are used here only for the unidirectional transmission of energy between an energy store and a load. The use of high-frequency switching electronic power modules, in whose operation the inductance of the energy supply and discharge cables play a major role, is not described.
  • the invention is based on the problem of providing a connecting line between an electrical energy store and an inductive load in the motor vehicle connected to it via a fast-switching circuit breaker.
  • a feed line is provided between an electrical energy store and an inductive load connected to it via an electronic power module that switches at high frequency in a motor vehicle, which feed line connects a first terminating pole of the electrical energy storage connected core conductor and a surrounding this, connected to a second connection pole of the electrical energy storage sheathed conductor.
  • This arrangement has the advantage that the feed line is extremely low-inductance. Comparative measurements have shown that the inductance of a feed line according to the invention is approximately 15 times less than the inductance of a two-wire strand with a corresponding cross-sectional area. Furthermore, this arrangement allows small bending radii for the feed line in any direction, as are required for installation in motor vehicles.
  • the electrical energy store is a rechargeable battery, preferably a lead / acid accumulator, and the high-frequency switching electronic power module is an inverter.
  • the inductive load is preferably an AC motor, preferably an asynchronous motor, which is arranged in the drive train of the motor vehicle as a starter, generator (alternator) and vibration absorber.
  • the core conductor has a cylindrical cross-sectional shape and the sheathed conductor surrounding it has a corresponding cross-sectional shape with essentially the same cross-sectional area.
  • the cross-sectional shape of the core conductor and the sheathed conductor are circular.
  • the core conductor is separated from the sheathed conductor by a first insulation layer and the sheathed conductor is surrounded by a second insulation layer.
  • the sheathed conductor separated by a further insulation layer, can be surrounded by at least one further sheathed conductor.
  • the outermost sheathed conductor can be surrounded by an additional shielding sheath, preferably made of wire mesh.
  • the core conductor and / or the or each sheathed conductor are preferably formed from stranded wire strands. This ensures particularly good flexibility, even with larger cross sections.
  • the invention also relates to the feed line itself with a core conductor and the concentrically surrounding one another
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a functional group according to the invention with an energy store, a feed line, an inverter and an inductive load.
  • Fig. 2 shows a partially sectioned side view of a feed line according to the invention in a first embodiment.
  • FIG. 3 shows an end view of the feed line according to the invention from FIG. 2.
  • Fig. 4 shows a partially sectioned side view of a feed line according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 1 shows the functional group according to the invention, which has an electronic power module 14 and an electronic power module 14 connected to the battery 10 by means of a feed line 12 with two conductors 12 inductive load 16.
  • the electronic power module 14 is only indicated schematically by two power switches 14a, 14b and two free-wheeling diodes 14c, 14d, with the control circuit for the two high-frequency switching (semiconductor) switches 14a, 14b in particular no longer being indicated Details of such an electronic power module 14 are described, for example, in the applicant's German patent specification 42 30 510 C1
  • the inductive load 16 is preferably a phase (n winding) of an asynchronous motor (not illustrated further) of the asynchronous motor sin d equally connected to the feed line 12 via corresponding electronic power modules 14.
  • the one (drawn with greater line width) conductor 12 'of the feed line 12 with a first Connection pole 10a of the electrical energy store 10 is connected and configured as a core conductor, while the second conductor 12 ′′ of the feed line 12 (drawn with a larger line width) is a sheathed conductor 12 ′′ surrounding the core conductor 12 ′ and connected to a second connection pole 10b of the electrical energy store 10.
  • the sheathed conductor 12 ′′ is preferably connected to the ground connection and the core conductor 12 * to the positive pole of the battery 10.
  • the core conductor 12 * has a cylindrical cross-sectional shape and the sheathed conductor 12 ′′ surrounding it has a corresponding cross-sectional shape with essentially the same cross-sectional area.
  • a first insulation layer 18 * made of plastic is arranged between the core conductor 12 'and the sheathed conductor 12 ".
  • the sheathed conductor 12" is also surrounded by a second insulation layer 18 "made of plastic.
  • the core conductor 12 ′ and the sheathed conductor 12 ′′ each have a circular-cylindrical or circular-cylindrical cross-sectional shape.
  • the feed line can 12 in the manner shown in Fig. 2 gradually stripped so that (not shown) connection clamps can be put on.
  • a feed line for a three-phase connection is shown.
  • the principle of concentrically surrounding conductors can also be continued with an even larger number of conductors.
  • a common ground conductor can be provided for several phase conductors, in which
  • cross-sectional area of the ground conductor should be the sum of all cross-sectional areas of the individual phase conductors.
  • a ground line can also be provided for an adjacent, internal phase conductor.
  • Both the core conductor and each of the sheathed conductors are formed from bare copper wires by stranding.
  • the outermost sheathed conductor is surrounded by an additional shielding sleeve 20 (see FIG. 3) made of wire mesh, which may be electrically insulated from the outside.

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Abstract

Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit einer Speiseleitung (12), die vorgesehen ist zwischen einem elektrischen Energiespeicher (10) und einer induktiven Last (16), mit der der elektrische Energiespeicher (10) über eine mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe (14) verbunden ist, wobei die Speiseleitung (12) einen mit einem ersten Anschlußpol (10a) des elektrischen Energiespeichers verbundenen Kernleiter (12') und einen diesen umgebenden, mit einem zweiten Anschlußpol (10b) des elektrischen Energiespeichers (10) verbundenen Mantelleiter (12'') aufweist.

Description

Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven Last
1. Beschreibung
1.1. Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem elektrischen Energiespeicher verbundene induktive Last in einem Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher in Form einer (wiederauflad- baren) Fahrzeugbatterie, der mit einem Wechselrichter oder einer anderen mit hoher Frequenz schaltenden elektronischen Leistungsbaugruppe verbunden ist, wobei der Wechselrichter seinerseits einen Wechselstrommotor speist, der die induktive Last bildet.
Insbesondere in Kraftfahrzeugen, in denen ein Wechselstrommotor im Antriebsstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist um als Anlasser, Lichtmaschine und als Schwingungstilger zu wirken, besteht das Problem, dem den Wechselstrommotor an- steuernden Wechselrichter eine hohe Gleichstromleistung aus der Autobatterie zuzuführen. Derartige Autobatterien sind in der Regel Blei/Säure-Akkumulatoren und für maximale Umgebungstemperaturen von etwa 60° Celsius bis etwa 70° Celsius ausgelegt. Allerdings können im Motorraum eines modernen Kraftfahrzeuges, wo sich auch der Wechselstrommotor und der zugehörige Wechselrichter befinden, auch über längere Betriebszeiträume Temperaturen von 150 "Celsius und mehr auftreten. Um temperaturbedingte Beeinträchtigungen der Autobatterie zu vermeiden, aber auch aus Platz- und Gewichtsvertei- lungsgründen wird diese üblicherweise im Heck des Fahrzeuges (zum Beispiel im Kofferraum) angeordnet. Daher besteht das Problem, eine Verbindungsleitung von der Autobatterie im Heck zu dem Wechselrichter im Frontbereich des Fahrzeuges zu verlegen. Diese relativ lange Verbindungsleitung muß aufgrund der erforderlichen hohen Ströme sehr niederohmig dimensioniert sein, was entsprechend große Leitungsquerschnitte bedingt. Übliche einadrige oder zweiadrige Kabel mit diesen Querschnitten können zwar in den baulichen Gegebenheiten eines Kraftfahrzeuges verlegt werden. Allerdings haftet ihnen der erhebliche Nachteil einer zu hohen In- duktivität an. Dies hat zur Folge, daß bei Schaltvorgängen mit hoher Frequenz bei den hohen Strömen in der Verbindungsleitung elektrische Energie gespeichert ist, die nicht abfließen kann und zu unkontrollierten Entladungen und zur Zerstörung einzelner Bauteile führen kann.
1.2. Stand der Technik
Im Stand der Technik sind zur Speisung von Elektromotoren in Anwendungsbereichen, bei denen es auf minimale magnetische
Abstrahlung ankommt, Leitungen bekannt, bei denen die einzelnen Leiter (Plus, Minus) durch im Querschnitt schachbrettartig verteilt angeordnete Leiterelemente gebildet werden. Diese Anordnung ist jedoch aufwendig in der Herstellung und in der Anschlußtechnik. Außerdem ist die Isolierung der einzelnen Leiterelemente gegen die benachbarten Leiterelemente aufwendig und bewirkt eine erhebliche Zunahme des Gesamtquerschnitts. Im übrigen liegt dieser Anordnung nicht das Problem der hohen Induktivität der Speiseleitung, sondern das einer möglichst geringen magnetischen Gesamtabstrahlung zugrunde.
In DE 37 43 317 AI wird ein Fahrzeugbordnetzsystem mit einer Batterie und einer mit dieser über einen Pulswechselrichter verbundenen Asynchron-/Synchronmaschine beschrieben. Hierbei wird Leistung zwischen der Batterie und der Maschine bzw. dem Pulswechselrichter über herkömmliche zweiadrige Kabel übertragen. In dem Artikel "Entwurf von Drehstrom-Koaxialkabeln" von H. Brakelmann in der Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft", Jahrgang 81 (1982), Heft 26, Seiten 942-947, werden die Vor- teile von Drehstrom-Koaxialkabeln gegenüber Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungskabeln erläutert. Die dort beschriebenen Drehstrom-Koaxialkabel werden zur Übertragung hoher Leistungen im Bereich zwischen 100 und 1850 MVA anstelle herkömmlicher Kabel verwendet, da die Drehstrom-Koaxialkabel bei den hier infrage kommenden Spannungen zwischen 110 kV und 400 kV höhere Ströme übertragen können. Aussagen über die Verringerung der Induktivität derartiger Drehstrom-Koaxialkabel sind in diesem Artikel nicht zu finden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Drehstrom-Koaxialkabel hier nur zur unidirektionalen Übertragung von Energie zwischen einem Energiespeicher und einer Last verwendet werden. Die Verwendung von mit hoher Frequenz schaltender elektronischer Leistungsbaugruppen, bei deren Betrieb die Induktivität der Energie zu- und abführenden Kabel eine große Rolle spielen, wird nicht beschrieben.
1.3. Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem über einen schnellschaltenden Leistungsschalter verbundenen induktiven Last im Kraftfahrzeug eine Verbindungsleitung bereitzustellen.
1.4. Erfindungsgemäße Lösung
Zur Lösung dieser Aufgabe- ist erfindungsgemäß zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einer mit diesem über eine mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe verbundenen induktiven Last in einem Kraftfahrzeug eine Speiseleitung vorgesehen, die einen mit einem ersten An- schlußpol des elektrischen Energiespeichers verbundenen Kernleiter und einen diesen umgebenden, mit einem zweiten Anschlußpol des elektrischen Energiespeichers verbundenen Mantelleiter aufweist.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Speiseleitung extrem niederinduktiv ist. Vergleichsmessungen haben ergeben, daß die Induktivität einer erfindungsgemäßen Speiseleitung etwa 15 mal geringer ist als die Induktivität einer zweiadrigen Litze mit entsprechender Querschnittsfläche. Des weiteren läßt diese Anordnung kleine Biegeradien für die Speiseleitung in jeder beliebigen Richtung zu, wie sie beim Einbau in Kraftfahrzeuge erforderlich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Energiespeicher eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise ein Blei/Säure-Akkumulator, und die mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe ist ein Wechselrichter. Schließlich ist die induktive Last bevorzugt ein Wechselstrommotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor, der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges als Anlasser, Generator (Lichtmaschine) und Schwingungstilger angeordnet ist.
Dabei hat der Kernleiter eine zylindrische Querschnittsge- stalt und der diesen umgebende Mantelleiter eine entsprechende Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche. Insbesondere zur einfachen Handhabung der Speiseleitung beim Verlegen bzw. Einbau in das Kraftfahrzeug um die im hinteren Bereich des Fahrzeuges angeordnete Batte- rie mit dem Wechselrichter bzw. dem Asysnchron otor zu verbinden ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsgestalt des Kernleiters und des Mantelleiters kreisrund sind. Es sind jedoch je nach spezifischen' Anforderungen auch davon abweichende Querschnittsgestalten (quadratisch, rechteckig, mehreckig, elliptisch) möglich. Weiterhin ist der Kernleiter von dem Mantelleiter durch eine erste Isolationsschicht getrennt und der Mantelleiter von einer zweiten Isolationsschicht umgeben ist.
Insbesondere für mehrphasige Speiseleitungen kann der Mantelleiter, durch eine weitere Isolationsschicht getrennt, von wenigstens einem weiteren Mantelleiter umgeben sein.
Zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) kann der äußerste Mantelleiter von einer zusätzlichen Abschirmungshülle, vorzugsweise aus Drahtgeflecht umgeben sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Kernleiter und/oder der oder jeder Mantelleiter aus vorzugs- weise verseilter Drahtlitze gebildet. Damit wird eine besonders gute Flexibilität, auch bei größeren Querschnitten sichergestellt.
Die Erfindung betrifft auch die Speiseleitung an sich mit ei- nem Kernleiter und den einander konzentrisch umbegebenden
Mantelleitern, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den anderen Komponenten der Kraftfahrzeug-Funktionsgruppe beschrieben ist.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und Abwandlungen werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
1.5. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Funktionsgruppe mit einem Energiespeicher, einer Speiseleitung, einem Wechselrichter und einer induktiven Last. Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Darstellung einer Speiseleitung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform.
Fig. 3 zeigt eine stirnseitige Darstellung der erfindungsgemäßen Speiseleitung aus Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Darstellung einer Speiseleitung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
1.6. Detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Funktionsgruppe gezeigt, die durch einen elektrischen Energiespeicher in Form einer wiederaufladbaren Batterie 10 und eine mit der Batterie 10 durch eine Speiseleitung 12 mit zwei Leitern 12 • , 12" verbun- dene elektronische Leistungsbaugruppe 14 und eine mit dieser verbundene induktive Last 16 gebildet ist. Der Übersichtlichkeit ist die elektronische Leistungsbaugruppe 14 lediglich schematisch durch zwei Leistungsschalter 14a, 14b und zwei Freilaufdioden 14c, 14d angedeutet, wobei insbesondere die AnsteuerSchaltung für die beiden mit hoher Frequenz schaltenden Leistungs(halbleiter) Schalter 14a, 14b nicht weiter veranschaulicht sind. Details einer derartigen elektronischen Leistungsbaugruppe 14 sind zum Beispiel in der Deutschen Patentschrift 42 30 510 Cl der Anmelderin beschrieben. Die in- duktive Last 16 ist vorzugweise eine Phase (n-Wicklung) eines (nicht weiter veranschaulichten) Asynchronmotors. Die übrigen Phasen des Asynchronmotors sind gleichermaßen über entsprechende elektronische Leistungsbaugruppen 14 mit der Speiseleitung 12 verbunden.
Erfindungsgemäß ist der eine (mit größerer Strichstärke gezeichnete) Leiter 12 ' der Speiseleitung 12 mit einem ersten Anschlußpol 10a des elektrischen Energiespeichers 10 verbunden und als Kernleiter ausgestaltet, während der zweite (mit größerer Strichstärke gezeichnete) Leiter 12" der Speiseleitung 12 ein den Kernleiter 12' umgebender, mit einem zweiten Anschlußpol 10b des elektrischen Energiespeichers 10 verbundener Mantelleiter 12" ist. Vorzugsweise ist der Mantelleiter 12" mit dem Masseanschluß und der Kernleiter 12* mit dem Pluspol der Batterie 10 verbunden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der Kernleiter 12* eine zylindrische Querschnittsgestalt und der diesen umgebende Mantelleiter 12" weist eine entsprechende Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche auf.
Zwischen dem Kernleiter 12' und dem Mantelleiter 12" ist eine erste Isolationsschicht 18* aus Kunststoff angeordnet. Der Mantelleiter 12" ebenfalls ist von einer zweiten Isolationsschicht 18" aus Kunststoff umgeben.
Wie in Fig. 3 gezeigt, haben der Kernleiter 12' und der Mantelleiter 12" jeweils eine kreiszylindrische bzw. kreisring- zylindrische Querschnittsgestalt. Zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Enden der Speiseleitung 12 mit der Batterie 12 bzw der Leistungsbaugruppe 14 kann die Speiselei- tung 12 in der in Fig. 2 gezeigten Weise stufenweise abisoliert sein, so daß (nicht gezeigte) Verbindungsschellen angelegt werden können.
In Fig. 4 ist eine Speiseleitung für einen Drehstromanschluß gezeigt. Allerdings läßt sich das Prinzip der einander konzentrisch umgebenden Leiter auch mit einer noch größeren Anzahl von Leitern fortsetzen.
Je nach Einsatzzweck kann dabei ein gemeinsamer Masse-Leiter für mehrere Phasenleiter vorgesehen sein, wobei in diesem
Fall die Querschnittsfläche des Masse-Leiters der Summe aller Querschnittsflächen der einzelen Phasenleiter sein sollte. Alternativ dazu kann auch jeweils eine Masseleitung für einen benachbarten, innenliegenden Phasenleiter vorgesehen sein.
Sowohl der Kernleiter als auch jeder der Mantelleiter sind aus blanken Kupferdrähten durch Verseilen gebildet. Zur Erhöhung der Abschirmung ist der äußerste Mantelleiter von einer ggf. nach außen elektrisch isolierten zusätzlichen Abschirmungshülle 20 (siehe Fig. 3) aus Drahtgeflecht umgeben.

Claims

2 . Ansprüche
1. Funktionsgruppe in einem Kraftfahrzeug mit
— einer Speiseleitung (12) , die vorgesehen ist zwischen — einem elektrischen Energiespeicher (10) und
— einer induktiven Last (16) , mit der der elektrische Energiespeicher (10) über eine mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (12) — einen mit einem ersten Anschlußpol (10a) des elektrischen Energiespeichers verbundenen Kernleiter (12*) und
— einen diesen umgebenden, mit einem zweiten Anschlußpol (10b) des elektrischen Energiespeichers (10) verbundenen Mantelleiter (12") aufweist.
2. Funktionsgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- der elektrische Energiespeicher (10) eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise ein Blei/Säure-Akkumulator ist.
3. Funktionsgruppe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß
- die mit hoher Frequenz schaltende elektronische Leistungsbaugruppe (14) ein Wechselrichter ist.
4. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß
- die induktive Last (16) ein Wechselstrommotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor ist.
5. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Kernleiter (12') eine zylindrische Querschnittsgestalt und der diesen umgebende Mantelleiter (12") eine entsprechen- de Querschnittsgestalt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche aufweist.
6. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Kernleiter (12 ') von dem Mantelleiter (12") durch eine erste Isolationsschicht (18') getrennt und der Mantelleiter (12") von einer zweiten Isolationsschicht (18") umgeben ist.
7. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Mantelleiter, durch eine weitere Isolationsschicht ge- trennt, von wenigstens einem weiteren Mantelleiter umgeben ist.
8. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß - der äußerste Mantelleiter von einer zusätzlichen Abschirmungshülle, vorzugsweise aus Drahtgeflecht umgeben ist.
9. Funktionsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß - der Kernleiter und/oder der oder jeder Mantelleiter aus vorzugsweise verseilter Drahtlitze gebildet sind.
PCT/EP1999/008487 1998-11-06 1999-11-05 Funktionsgruppe in einem kraftfahrzeug mit einem elektrischen energiespeicher und einer mit diesem verbundenen induktiven last WO2000027672A1 (de)

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