DE102017113964A1

DE102017113964A1 - Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen

Info

Publication number: DE102017113964A1
Application number: DE102017113964.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Manuel Groß; Pavel Houdek
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US10906418B2; CN109121358A; US20180370375A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen, wobei die Vorrichtung ein Lademodul aufweist, wobei das Lademodul mit einer Kühlkomponente wirkverbunden ist, wobei die Kühlkomponente derart ausgebildet ist, dass zum Abführen der Abwärme des Lademoduls ein die Abwärme mitführendes Medium durch eine im Erdreich geführte Leitung transportiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen, wobei die Vorrichtung ein Lademodul aufweist, wobei das Lademodul mit einer Kühlkomponente wirkverbunden ist.
Vorrichtungen zum Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein wesentlicher Parameter des Ladevorgangs ist dabei die Zeit, die nötig ist um elektrische Energie auf das Fahrzeug zu übertragen. Eine Verkürzung dieser Zeit ist in der Regel mit höheren Stromdichten verbunden, die zum Beispiel aufgrund ohmscher Verluste in den stromführenden Teilen oder der Reaktionswärme der elektrochemischen Prozesse in der Batterie zu einer Erhitzung der entsprechenden Komponenten führen und unter Umständen einen Kühlmechanismus nötig machen. Aus dem Stand der Technik sind dazu Kühlsysteme bekannt, bei denen eine strömende Flüssigkeit durch thermische Kopplung an die erhitzten Komponenten Wärme aufnimmt und abtransportiert. Anschließend ist es nötig, die so von der Ladestation abgeführte Wärme entweder an ein Reservoir niedrigerer Temperatur abzugeben oder der Flüssigkeit durch einen zyklischen Kühlprozess zu entziehen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch die dieser Kühlprozess effizient und wirtschaftlich realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen gelöst, wobei die Vorrichtung ein Lademodul aufweist, wobei das Lademodul mit einer Kühlkomponente wirkverbunden ist, wobei die Kühlkomponente derart ausgebildet ist, dass zum Abführen der Abwärme des Lademoduls ein die Abwärme mitführendes Medium durch eine im Erdreich geführte Leitung transportiert wird.
Durch diese Vorrichtung ist es möglich, das Erdreich als natürlich vorhandenes Temperaturreservoir zu nutzen, um die Abwärme entweder vollständig abzuleiten oder durch eine Vorkühlung die Energiekosten einer nachgeschalteten Kühlanlage zu verringern. Die Erfindung lässt sich als eine einfache Modifikation in bestehende Bauweisen integrieren. Hierzu genügt es bereits, die Rücklaufleitung des Kühlmittels zumindest teilweise im Erdreich zu verlegen.
Die grundsätzliche Voraussetzung für diese Nutzung, nämlich dass das Erdreich eine geringere Temperatur aufweist als das zu kühlende Medium, ist dabei in der Regel erfüllt, wobei das Temperaturgefälle auch dadurch erreicht oder vergrößert werden kann, dass die Leitungen in tieferen Schichten des Erdreichs verlegt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für die Leitung des die Abwärme transportierenden Mediums ein Metallrohr verwendet. Die hohe thermische Leitfähigkeit metallischer Materialien begünstigt dabei einen schnellen Wärmetransport zwischen dem Medium und dem Erdreich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für die Leitung des die Abwärme transportierenden Mediums ein Kunststoffrohr verwendet. Kunststoffrohre zeichnen sich hier aufgrund von geringen Kosten, geringem Gewicht, hoher Beständigkeit und guter Bearbeitbarkeit aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Leitung Rippen auf, durch die die Kontaktfläche mit dem Erdreich vergrößert wird. Da der Wärmeübertrag zwischen Leitung und Erdreich an der Kontaktfläche stattfindet, wird durch diese Ausgestaltung das Ableiten der Wärme gefördert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Leitung mäanderförmig im Erdreich verlegt, zum einen, um durch die größere Länge der Leitung eine damit einhergehende größere Kontaktfläche zwischen Leitung und Erdreich zu schaffen und zum anderen, um einen größeren Bereich des Erdreichs zur Kühlung zu nutzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Leitung vollständig oder teilweise mit einer Ummantelung, zum Beispiel in Form von Manschetten oder Schellen versehen. Dies hat den Vorteil, dass sich dadurch der Wärmefluss zwischen Kühlmittelleitung und Erdreich unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung der Leitung vergrößern lässt. Die Ummantelung sollte zu diesem Zweck eine höhere thermische Leitfähigkeit als das Erdreich aufweisen, so dass die Wärme durch den Mantel effizient zum gegenüber dem Leitungsumfang größeren Außenumfang des Mantels abgeleitet wird und dort aufgrund der größeren Kontaktfläche einen erhöhten Abtransport ins Erdreich erfährt.
Wird die Leitung nur teilweise von einer Ummantelung umgeben, erlaubt dies einen wirtschaftlicheren Einsatz von Material und ermöglicht darüber hinaus eine einfache und vorteilhafte Ergänzung bestehender Leitungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Leitung nur teilweise ummantelt, etwa in der Form von Manschetten oder Schellen. Dabei sind die ummantelten Teilstücke in regelmäßigen Abständen angeordnet, um eine gleichmäßige Kühlung über die gesamte Rohrlänge zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ummantelten Teilstücke so angebracht, dass sich ihre Abstände mit wachsender Entfernung vom Lademodul vergrößern oder nur der Anfangsabschnitt der Leitung mit Ummantelungen versehen ist. Da die Temperatur des Mediums beim Transport durch das Erdreich stetig abnimmt, ist so gewährleistet, dass der Wärmeübertrag ans Erdreich dort gefördert wird, wo die höchste Temperatur vorherrscht. So kann zum Beispiel eine unerwünscht hohe Temperatur im Anfangsabschnitt effektiv heruntergekühlt werden. Wird eine bestehende Leitung nachträglich mit einer Ummantelung ausgestattet, ist es durch die Beschränkung auf den Anfangsabschnitt außerdem möglich, den technischen Aufwand zu reduzieren und dabei gezielt den Wärmeabfluss an der Stelle mit der höchsten Temperatur zu verbessern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ummantelten Teilstücke so angebracht, dass sich ihre Abstände mit wachsender Entfernung vom Lademodul verringern. Da der Wärmfluss zwischen Leitung und Erdreich immer schwächer wird, je geringer der Temperaturunterschied zwischen beiden ist, kann so die Wärmeabfuhr gezielt in dem Bereich verbessert werden, in dem der Temperaturunterschied bereits beträchtlich abgesunken ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

1 illustriert schematisch eine Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 illustriert schematisch eine im Erdreich verlegte Leitung, durch die ein flüssiges Medium die Abwärme von der Ladestation abtransportiert.

In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Laden von Elektrofahrzeugen 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Lademodul 3, das elektrische Energie auf die Fahrzeuge überträgt, ist dabei mit einer Kühlkomponente 4 verbunden, das die Wärme auf ein flüssiges Medium überträgt, das dann durch die Leitung 5 abtransportiert wird.
In 2 ist eine Kühlmittelleitung 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Leitung 5 kann dabei vorzugsweise aus Metall bestehen, damit die Wärme durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Metalls effizient vom Innenradius zum Außenradius des Rohrs 5 transportiert wird. Dadurch ergibt sich ein flacher Temperaturverlauf im Rohrquerschnitt, so dass der Außenradius eine ähnliche Temperatur aufweist wie das strömende Medium selbst. Der sich dadurch ausbildende Temperaturunterschied zwischen der Außenfläche des Rohrs 5 und dem Erdreich erzeugt die den Wärmefluss treibende thermodynamische Kraft, so dass ein hoher Temperaturunterschied einen höheren Wärmefluss an der Kontaktfläche zwischen Rohr 5 und Erdreich hervorruft.
Ist das Rohr 5 dagegen aus einem Material geringer thermischer Leitfähigkeit gefertigt, weist der Außenradius eine gegenüber dem Medium niedrigere Temperatur und damit einen geringeren Temperaturunterschied zwischen Rohr 5 und Erdreich auf, wodurch der Wärmefluss verringert wird. Nichts desto weniger können andere Erwägungen ein nichtmetallisches Material nahe legen. Aus Kostengründen, Gründen der Bearbeitbarkeit oder wegen der hohen Beständigkeit gegenüber chemischer Einwirkung und Korrosion sind dabei insbesondere Kunststoffe zu nennen, bei denen die meist geringe Wärmeleitfähigkeit durch andere günstige Materialeigenschaften ausgeglichen werden kann.
Der beschriebene Effekt, dass ein Material hoher thermischer Leitfähigkeit den Wärmefluss zwischen der Kontaktfläche Medium-Rohr und der Kontaktfläche Rohr-Erdreich so beeinflusst, dass letztere Kontaktfläche eine möglichst hohe Temperatur aufweist, kann auch durch das Anbringen einer vollständigen oder teilweisen Ummantelung 6 ausgenutzt werden. Die Außenfläche des Mantels 6 stellt dabei effektiv eine Vergrößerung der Rohrfläche dar. Da der Wärmefluss an der Kontaktfläche zum Erdreich stattfindet, begünstigt eine solche Vergrößerung der Kontaktfläche den Wärmeübertrag an das Erdreich.
Dieser Vorteil kann mit geringerem Materialaufwand auch dadurch genutzt werden, dass statt einer vollständigen Ummantelung die Leitung 5 nur stückweise ummantelt ist, zum Beispiel in der Form von am Rohr 5 angebrachten Manschetten oder Schellen 6. Diese begünstigen den Wärmeabfluss ans Erdreich an bestimmten Stellen der Leitung 5, wobei sich die Wahl dieser Stellen an zusätzlichen Überlegungen orientieren kann. So können zum Beispiel die Manschetten 6 nur im Anfangsabschnitt der Kühlmittelleitung 5 angebracht werden, beziehungsweise in Abständen, die sich mit wachsender Entfernung zum Lademodul 3 vergrößern. Dadurch wird die Kühlung gezielt in dem Abschnitt verbessert, in dem das Kühlmittel die höchste Temperatur hat. Auf diese Weise können unerwünscht hohe Temperaturen der Leitung 5 abgefangen werden.
Umgekehrt können die Manschetten oder Schellen 6 so angebracht werden, dass sich deren Abstände mit wachsendem Abstand zum Lademodul 3 verringern. Der Wärmfluss zwischen Rohr 5 und Erdreich wird im Wesentlichen durch den Temperaturunterschied zwischen beiden bestimmt, so dass die kühleren Abschnitte der Leitung 5 einen verringerten Wärmeabfluss erfahren. Durch die dichtere Anbringung der Schellen 6 in diesen Abschnitten kann der Wärmeabfluss dort gezielt verbessert werden.

Claims

Vorrichtung (1) zum Laden einer Mehrzahl von Elektrofahrzeugen (2), wobei die Vorrichtung (1) ein Lademodul (3) aufweist, wobei das Lademodul (3) mit einer Kühlkomponente (4) wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkomponente (4) derart ausgebildet ist, dass zum Abführen der Abwärme des Lademoduls (3) ein die Abwärme mitführendes Medium durch eine im Erdreich geführte Leitung (5) transportiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das die Abwärme mitführende Medium durch ein Kunststoffrohr (5) transportiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das die Abwärme mitführende Medium durch ein Metallrohr (5) transportiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (5) Rippen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (5) mäanderförmig verlegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (5) vollständig oder teilweise von einer Ummantelung (6) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die teilweise die Leitung (5) umgebende Ummantelungen (6) in regelmäßigen Abständen angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Abstände der teilweise die Leitung (5) umgebende Ummantelungen (6) mit der Entfernung vom Lademodul zunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Abstände der teilweise die Leitung (5) umgebende Ummantelungen (6) mit der Entfernung vom Lademodul abnehmen.