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Die Erfindung betrifft eine Energieaufnahmevorrichtung für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Induktionsspule, welche zum Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs ausgestaltet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Energieaufnahmevorrichtung für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug.
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Bei einer derartigen Energieaufnahmevorrichtung wird eine Induktionsspule (Sekundärspule) mittels einer externen Induktionsspule (Primärspule) mit einem elektromagnetischen Feld beaufschlagt. Bei dieser Beaufschlagung wird ein fahrzeuginterner Energiespeicher mittels eines sich ändernden Magnetfelds der externen Induktionsspule aufgeladen. Der Energiespeicher kann beispielsweise als sogenannte Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Im Gegensatz zum Betanken mit fossilen Brennstoffen (zum Beispiel LPG, CNG, Benzin oder Dieselöl) erfolgt die Energiespeicherung, beim induktiven Laden berührungslos, wobei eine Überwachung durch den Fahrer beziehungsweise die den Tankvorgang durchführende Person nicht erforderlich ist. Da beim induktiven Laden, anders als beim Betanken mit fossilen Brennstoffen, keine Einfüllöffnung zum Einfüllen von Kraftstoff geöffnet werden muss, besteht beim induktiven Laden im Gegensatz zum Betanken mit fossilem Kraftstoff keine Gefahr der Emission von zum Beispiel austretenden Kraftstoffdämpfen. Dementsprechend besteht auch keine Explosionsgefahr, weshalb das induktive Laden als besonders sicher gilt. Die Primärspule, bzw. die Primärspulen (externe Induktionsspulen) können zum Beispiel an öffentlichen Parkplätzen installiert sein, wobei ein mit einer Induktionsspule ausgestattetes Kraftfahrzeug während der Parkdauer an einem derartigen Parkplatz betankt beziehungsweise der Energiespeicher (Hochvoltbatterie) während des Parkens geladen wird.
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Allerdings treten beim Ladevorgang in der Sekundärseite des Spulensystems, also in der Induktionsspule sowie bei der Gleichrichtung der induzierten Wechselspannung Verluste beziehungsweise Verlustleistungen auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher besonders geringe Verluste beim induktiven Laden auftreten und anfallende Verlustleistung besonders effizient abgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energieaufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Energieaufnahmevorrichtung umfasst eine Schirmvorrichtung, mittels welcher die Induktionsspule zum Kraftfahrzeug hin abschirmbar ist, wobei die Schirmvorrichtung mindestens ein, die Induktionsspule in Fahrzeugquerrichtung und/oder in Fahrzeuglängsrichtung von dem Kraftfahrzeug beabstandendes erstes Schirmbauteil sowie mindestens ein die Induktionsspule in Fahrzeughochrichtung nach oben hin von dem Kraftfahrzeug beabstandendes zweites Schirmbauteil aufweist, welches mit dem ersten Schirmbauteil verbunden ist.
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Die Energieaufnahmevorrichtung ist sowohl zur Aufnahme von elektrischer Energie, also zum Laden der Induktionsspule des Kraftfahrzeugs, als auch z.B. zum Rückspeisen von elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz geeignet. Beim Rückspeisen wird der fahrzeuginterne Energiespeicher (z.B. Hochvoltbatterie) zumindest teilweise entladen. Ein derartiges Einspeisen und Rückspeisen ist beispielsweise sinnvoll, wenn der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs als Netzpuffer für ein Stromnetz („vehicle-to-grid“-Anwendung) eingesetzt wird. Mit anderen Worten ist die Energieaufnahmevorrichtung bidirektional betreibbar, wobei sowohl Energie aufgenommen, als auch abgegeben werden kann. Die Induktionsspule (Sekundärspule) ist vorzugsweise am Fahrzeugunterboden des Kraftwagens angeordnet, wobei mittels der Schirmvorrichtung sogar während des induktiven Ladens auftretende elektromagnetische Strahlung besonders lokal begrenzt wird und somit fahrzeuginterne Komponenten wie beispielsweise Entertainmentsysteme in besonderem Maße von dem induktiven Ladeprozess unbeeinflusst bleiben und somit nicht durch elektromagnetische Strahlung gestört werden. Somit wird mittels der Schirmvorrichtung eine besonders hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sichergestellt. Beim induktiven Laden wird üblicherweise eine externe Induktionsspule an die Induktionsspule herangeführt beziehungsweise relativ zu der Induktionsspule ausgerichtet, um einen besonders hohen Ladewirkungsgrad und dementsprechend besonders geringe Verluste beziehungsweise eine besonders geringe Verlustleistung zu erzielen. Um dies zu erreichen, werden mittels der Schirmvorrichtung die Komponenten des Kraftfahrzeugs beziehungsweise die metallischen und ferromagnetischen Bauteile von dem magnetischen Feld (der Induktionsspule) zur Energieübertragung abgeschirmt.
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Die Induktionsspule wird mittels des ersten Schirmbauteils seitlich beziehungsweise zu den Seiten der Induktionsspule hin abgeschirmt. Mit anderen Worten ist das erste Schirmbauteil zwischen dem Kraftfahrzeug und der Induktionsspule des Kraftfahrzeugs angeordnet. Je nachdem, wie abzuschirmende Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Entertainmentsysteme oder strahlungsempfindliche Steuergeräte, relativ zu der Induktionsspule angeordnet sind, kann das erste Schirmbauteil also einen Rahmen um die Induktionsspule bilden und diese dementsprechend in Fahrzeugquerrichtung, in Fahrzeuglängsrichtung und zumindest bereichsweise zusätzlich in Fahrzeughochrichtung umgeben. Es ist klar, dass z.B. auch mehreren Bauteilen, also mehrere erste Schirmbauteile diesen, (gegebenenfalls geschlossenen) Rahmen bilden können. Ist die Induktionsspule jedoch beispielsweise an einem Ende des Kraftfahrzeugs (zum Beispiel in unmittelbarer Nähe zur Stoßstange) angeordnet, so könnte gegebenenfalls eine Abschirmung in Richtung des Kraftfahrzeugendes (zum Beispiel zur Stoßstange hin) unterbleiben, wobei dann beispielsweise das erste Schirmbauteil die Induktionsspule lediglich U-förmig umgeben kann. Dementsprechend könnte dann auf eine Beabstandung beziehungsweise Abschirmung zumindest bereichsweise verzichtet werden, sofern dadurch keine elektromagnetischen Störungen zu erwarten sind. Das erste Schirmbauteil kann also besonders flexibel hinsichtlich der Erfordernisse der elektromagnetischen Verträglichkeit ausgebildet sein und dementsprechend die Induktionsspule auch lediglich bereichsweise umranden beziehungsweise von dem Kraftfahrzeug beabstanden und von übrigen Komponenten des Kraftfahrzeugs abschirmen.
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Das zweite Schirmbauteil ist zwischen der Induktionsspule und dem Kraftfahrzeug angeordnet und kann ebenso wie das erste Schirmbauteil als Bestandteil des Fahrzeugunterbodens beziehungsweise des Unterbodenschutzes des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Dementsprechend kann das erste Schirmbauteil mit dem zweiten Schirmbauteil verbunden sein und zusammen mit diesem eine Mulde beziehungsweise eine Aussparung bilden, in welcher die Induktionsspule eingelegt wird, wobei die Induktionsspule dabei bündig zum restlichen Fahrzeugunterboden, also beispielsweise zu einem an das erste Schirmbauteil angrenzenden Crashrahmen des Kraftfahrzeugs, bündig ausgerichtet sein kann. Die Induktionsspule ist dementsprechend dann in Fahrzeughochrichtung nach oben hin abgesenkt und ragt nicht in Fahrzeughochrichtung nach unten von dem Fahrzeugunterboden hervor. Dementsprechend ist die Induktionsspule besonders gut vor mechanischer Beschädigung zum Beispiel durch hochgewirbelte Steine oder Äste beziehungsweise gegenüber einem Abreißen der Induktionsspule infolge eines Aufliegens des Kraftfahrzeugunterbodens auf der Fahrbahnoberfläche oder auf einem auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Gegenstand geschützt.
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Um eine optimale Feldführung zu erreichen, bilden das erste Schirmbauteil und das zweite Schirmbauteil zusammen ein Schirmblech, mittels welchem die Feldlinien beim induktiven Laden trichterförmig auf die Querschnittsfläche (welche sich in Fahrzeughoch- beziehungsweise Fahrzeugquerrichtung erstreckt) des (sekundärseitigen) Solenoids der Induktionsspule zugeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine erste Schirmbauteil in Fahrzeughochrichtung nach oben hin V-förmig zulaufende Seitenteile auf.
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Durch ein V-förmiges Anordnen der Seitenteile des ersten Schirmbauteils beziehungsweise der jeweiligen einander gegenüberliegenden Seitenteile, welche Bestandteil des ersten Schirmbauteils sind, bzw. in einem stumpfen Winkel zu dem zweiten Schirmbauteil an dieses anschließen, ist es möglich, die Sekundärseite des Spulensystems, also die Induktionsspule derart in dem Fahrzeugunterboden zu integrieren, dass die Induktionsspule im Fahrzeugunterboden komplett versenkt ist. Durch das V-förmig Zulaufen schließen die Seitenteile einen stumpfen Winkel mit dem zweiten Schirmbauteil ein.
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Andererseits erfolgt durch diese V-Form eine optimale Feldführung unter besonders geringen Verlusten beziehungsweise besonders geringer Verlustleistung beim induktiven Laden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine zweite Schirmbauteil zumindest bereichsweise eine größere Wandstärke auf, als das mindestens eine erste Schirmbauteil.
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Die Induktionsspule bedeckt (in Fahrzeughochrichtung nach oben) einen besonders großen Bereich des zweiten Schirmbauteils, wobei die Induktionsspule entweder an dem zweiten Schirmbauteil anliegt oder durch einen Spalt von diesem beabstandet ist. Durch das Ausbilden des zweiten Schirmbauteils als bereichsweise dickeres Schirmblech, welches beispielsweise aus Kupfer gebildet ist, bilden sich beim induktiven Ladevorgang Wirbelströme aus, die dem Erregerfeld entgegenwirken, dieses dadurch formen und damit eine Erwärmung umliegender Bauteile verhindern.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das zweite Schirmbauteil einen Kühlbereich zum Abführen von Wärme von der Induktionsspule aufweist.
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Um auftretende Verlustleistung in Form von Wärme an der Sekundärspule abzuführen, weist das zweite Schirmbauteil einen Kühlbereich an dem partiell dickeren Schirmblech auf. An diesem Kühlbereich findet eine Wärmespreizung statt. Die aus der Wärmespreizung resultierende Oberflächenvergrößerung ermöglicht eine dementsprechend bessere Verlustabfuhr. Die Oberflächenvergrößerung kann durch eine Behandlung der Schirmoberfläche (zum Beispiel durch Sandstrahlen) ausgeweitet werden. Wird auf die Behandlung der Schirmoberfläche verzichtet, so kann der Kühlbereich, beziehungsweise der Bereich des verdickten Schirmblechs, beziehungsweise das zweite Schirmbauteil, direkt an ein thermisch gut leitendes Medium zur Wärmeabfuhr kontaktiert werden. Mit anderen Worten kann also der Kühlbereich, beziehungsweise das verdickte Schirmblech beispielsweise an eine mit Kühlrippen versehene Kühlkomponente angrenzen, dessen Werkstoff, beziehungsweise Medium beispielsweise einem Metall mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit entspricht. Dadurch wird eine besonders effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet. Dieses thermisch gut leitende Medium könnte beispielsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben hin an das zweite Schirmbauteil angrenzen und zur verbesserten Wärmeabfuhr von Fahrtwind umströmt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn der Kühlbereich zumindest bereichsweise von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
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Um eine besonders hohe Kühlleistung zu erzielen, kann zusätzlich oder alternativ zur Wärmeabfuhr an die Umgebung mittels erzwungener oder freier Konvektion auch ein Kühlmedium durch den Kühlbereich gefördert werden und somit der Kühlbereich beispielsweise als wassergekühlter Wärmetauscher ausgebildet sein.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Schirmvorrichtung zumindest teilweise aus Aluminium gebildet ist.
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Aluminium vereinbart den Vorteil einer besonders guten Wärmeleitfähigkeit mit einer besonders geringen Dichte. Dementsprechend eignet sich Aluminium nicht nur ausgezeichnet zum Abführen verlustleistungsbedingter Wärme, sondern trägt auch gleichzeitig zur Verringerung des Fahrzeuggewichts bei.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Energieaufnahmevorrichtung für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, welches eine Induktionsspule umfasst, welche dazu ausgelegt ist, einen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs zu laden, umfasst die Energieaufnahmevorrichtung eine Schirmvorrichtung, mittels welcher die Induktionsspule zum Kraftfahrzeug hin abgeschirmt wird, wobei die Schirmvorrichtung mindestens ein erstes Schirmbauteil umfasst, durch welches die Induktionsspule in Fahrzeugquerrichtung und/oder in Fahrzeuglängsrichtung von dem Kraftfahrzeug beabstandet und das Kraftfahrzeug vor einem elektromagnetischen Feld abgeschirmt wird, und wobei die Schirmvorrichtung mindestens ein mit dem ersten Schirmbauteil verbundenes, zweites Schirmbauteil umfasst, durch welches die Induktionsspule in Fahrzeughochrichtung nach oben hin von dem Kraftfahrzeug beabstandet und das Kraftfahrzeug vor dem elektromagnetischen Feld abgeschirmt wird.
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Durch dieses Verfahren treten besonders geringe Verluste beziehungsweise Verlustleistungen beim induktiven Laden auf, welche besonders effizient in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der FIG alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Die FIG zeigt eine Schnittansicht einer eine Induktionsspule (Sekundärspule) umfassenden Energieaufnahmevorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Die einzige FIG zeigt eine Energieaufnahmevorrichtung 1 für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 11, welches vorliegend lediglich schematisch durch eine gestrichelte Linie verdeutlich ist. Die Energieaufnahmevorrichtung 1 umfasst eine Induktionsspule 2, welche zum Aufladen eines Energiespeichers 4 des Kraftfahrzeugs 11 mit einer externen Induktionsspule 3 mit einem elektromagnetischen Feld beaufschlagbar ist. Der Energiespeicher 4 ist beispielsweise als sogenannte Hochvoltbatterie ausgebildet, welche mit der Induktionsspule 2 Energie übertragend gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen dem Energiespeicher 4 und der Induktionsspule 2 ist vorliegend nicht weiter dargestellt. Die Induktionsspule 2, welche auch als Sekundärspule bezeichnet wird, ist in einem Aufnahmebereich 10, welcher durch eine aus einem ersten Schirmbauteil 6 und einem zweiten Schirmbauteil 7 bestehenden Schirmvorrichtung 5 gebildet wird, an einem Fahrzeugunterboden 17 des Kraftfahrzeugs 11 angeordnet.
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Die aus dem ersten Schirmbauteil 6 und dem zweiten Schirmbauteil 7 bestehende Schirmvorrichtung 5 ist als Abschirmblech ausgebildet, in welcher die Induktionsspule 2 in Fahrzeughochrichtung 12 nach oben hin versenkt ist. Die Induktionsspule 2 ist somit wenigstens bündig zum Fahrzeugunterboden 17 beziehungsweise zu einem Crashrahmen 9 des Fahrzeugunterbodens 17 angeordnet. In vorteilhafter Weise liegt die Induktionsspule 2 jedoch in Fahrzeughochrichtung 12 nach oben hin tiefer als der Crashrahmen 9. Der Crashrahmen 9 ist besonders widerstandsfähig gegenüber einer mechanischen Deformation und kann sowohl die Schirmvorrichtung 5 als auch die in dem Aufnahmebereich 10 der Schirmvorrichtung 5 aufgenommene Induktionsspule 2 beispielsweise rechteckförmig umschließen, wodurch die Induktionsspule 2 gegenüber einer mechanischen Deformation beziehungsweise Beschädigung besonders gut geschützt ist.
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Das erste Schirmbauteil 6 der Schirmvorrichtung 5 beabstandet die Induktionsspule 2 in Fahrzeugquerrichtung 13 und zusätzlich oder alternativ in Fahrzeuglängsrichtung 14 von dem Kraftfahrzeug 11. Wie in dieser Schnittansicht zu erkennen ist, bilden jeweilige zueinander gegenüberliegende Seitenteile 19 des ersten Schirmbauteils 6 eine V-Form. Mit anderen Worten schließen die jeweiligen Seitenteile 19 in ihrer gedachten Verlängerung in Fahrzeughochrichtung 12 nach oben hin einen Winkel miteinander ein und sind dementsprechend nicht parallel zueinander. Mit anderen Worten also die einzelnen Seitenteile 19 dementsprechend einen stumpfen Winkel mit dem zweiten Schirmbauteil 7
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Das erste Schirmbauteil 6 und das zweite Schirmbauteil 7 bilden wie bereits erwähnt die Schirmvorrichtung 5 den muldenförmigem Aufnahmebereich 10, in den die Induktionsspule 2 aufgenommen ist. Mittels der Schirmvorrichtung 5 ist die Induktionsspule 2 auf der der externen Induktionsspule 3 abgewandten Seite 16 des zweiten Schirmbauteils 7 zum Kraftfahrzeug 11 hin abschirmbar. Die Schirmvorrichtung 5, also das Schirmblech, ist dabei so geformt, dass etwaige Feldlinien beim induktiven Laden trichterförmig auf eine Querschnittsfläche 18 des sekundärseitigen Solenoids der Induktionsspule 2 zugeführt werden. Dadurch wird ein besonders hoher Wirkungsgrad beim induktiven Laden mittels der externen Induktionsspule 3 erreicht.
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Das zweite Schirmbauteil 7 weist vorliegend eine größere Wandstärke D auf als das erste Schirmbauteil 6, dessen Wandstärke d entspricht. Des Weiteren weist das zweite Schirmbauteil 7 einen Kühlbereich 8 zum Abführen von Wärme von der Induktionsspule 2 auf. Dadurch, dass das Schirmblech (Schirmvorrichtung 5) im Bereich des zweiten Schirmbauteils 7 eine besonders große Wandstärke D aufweist, können sich beim induktiven Laden Wirbelströme ausbilden, die dem Erregerfeld entgegenwirken, dieses dadurch formen und damit eine Erwärmung umliegender Bauteile beziehungsweise Komponenten des Kraftfahrzeugs 11 verhindern. Die Schirmvorrichtung 5 ist in bevorzugter Ausführungsform zumindest teilweise aus Aluminium gebildet, wodurch sich erhebliche Gewichtseinsparungen erreichen lassen. Das erste Schirmbauteil 6 beziehungsweise die V-förmig angeordneten Seitenteile 19 des ersten Schirmbauteils 6 haben vorwiegend die Aufgabe der trichterförmigen Führung des magnetischen Feldes sowie der Abschirmung jeweiliger Fahrzeugkomponenten, welche sich in Fahrzeughochrichtung 12 oberhalb des Fahrzeugunterbodens 17 beziehungsweise oberhalb der Schirmvorrichtung 5 befinden. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, reicht es aus, dass die Wandstärke d der Seitenteile 19 kleiner ist als die Wandstärke D des zweiten Schirmbauteils 7. Dadurch, dass die Wandstärke d der Seitenteile 19 dementsprechend besonders dünn ausgebildet sein kann, kann das Fahrzeuggewicht reduziert und somit Energie zum Bewegen des Kraftfahrzeugs 11 eingespart werden.
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Das zweite Schirmbauteil 7 bzw. dessen Kühlbereich 8 (Wandstärke D) hat sowohl die Aufgabe der Abschirmung der in der Umgebung des Fahrzeugunterbodens 17 befindlichen metallischen und ferromagnetischen Bauteile beziehungsweise Komponenten von dem magnetischen Feld beim induktiven Laden, als auch die Aufgabe des Abführens von Wärme, welche infolge von Verlusten beziehungsweise von Verlustleistungen beim induktiven Laden entsteht. Dadurch, dass die Wandstärke D dicker ist als die Wandstärke d, kann vor allem der Kühlbereich 8 des zweiten Schirmbauteils 7 zur Wärmespreizung herangezogen werden. Die aus der Wärmespreizung resultierende Oberflächenvergrößerung ermöglicht eine bessere Wärme- beziehungsweise Verlustabfuhr mittels des Kühlbereichs 8 des zweiten Schirmbauteils 7. Der Kühlbereich 8 kann dabei nicht nur vollständig aus Aluminium, welches als Kühlmedium 15 dient, gebildet sein, sondern auch von einem flüssigen Kühlmedium 15 durchströmbar sein. Dementsprechend könnte der Kühlbereich 8 beispielsweise als von Kühlwasser durchströmter Wärmetauscher ausgebildet sein.
