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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieübertragung mit einem Latentwärmespeicher.
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Eine herkömmliche induktive Ladevorrichtung als eine Vorrichtung zur Energieübertragung hat ein Bodenmodul, ein Fahrzeugmodul und eine Wandbox. Die an einer Wand angebrachte Wandbox speist über eine Hochspannungsleitung einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul befindliche Senderspule ein, die dadurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil der Energie des in der Senderspule erzeugten elektromagnetischen Felds wird in eine sich im Fahrzeugmodul befindliche Empfängerspule übertragen, die dadurch wiederum ein elektromagnetisches Feld mit einem entsprechenden Ausgangswechselstrom erzeugt. Im Fahrzeug ist ein Gleichrichter angeordnet, der den Ausgangswechselstrom gleichrichtet und einer Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie zuführt.
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Die Senderspule und die Empfängerspule werden als Resonatorspulen bezeichnet, die in so genannte Resonatoren angeordnet sind. Die Resonatorspulen sind stromführende Leitungen, die üblicherweise als Litzen ausgebildet sind. Die Litzen sind auf einem Kunststoff träger angeordnet. Auf einer der Resonatorspule entgegengesetzten Seite des Kunststoffträgers sind Ferritelemente angeordnet. Die Ferritelemente sind mit einem Wärmeleiter thermisch gekoppelt, so dass eine passive Kühlung der Litzen bewirkt wird. Dabei wird die in der Litze erzeugte Wärme über den Kunststoffträger, die Ferritelemente und den Wärmeleiter zu einem Gehäuse des Resonators abgeführt.
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Falls der Leistungsverlust im Resonator zu hoch wird, kann die passive Kühlung nicht genug Wärme abführen. Dadurch kann sich die Litze übermäßig erhitzen, so dass der Wirkungsgrad des Resonators abfällt oder die Litze überhitzt und beschädigt wird. Davon abgesehen kann sich die Temperatur des Gehäuses des Resonators auf mehr als 85°C erhöhen. Bei einer Temperatur, die geringer ist als 85°C, verringert sich die Verletzungsgefahr für Benutzer, die mit dem Gehäuse in Kontakt kommen können.
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Beim Ladevorgang wird aufgrund unterschiedlicher Einflüsse, wie zum Beispiel eine Ladestromstärke oder ein räumlicher Versatz zwischen Fahrzeugmodul und Bodenmodul eine Verlustleistung erzeugt, die den Resonator erhitzt. Die Erhitzung kann dazu führen, dass Bauteile zerstört werden, was wiederum einen Totalausfall der Vorrichtung verursachen kann. Ferner kann der Ladevorgang gedrosselt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Dies führt jedoch zu einer längeren Ladezeit.
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Um einen Totalausfall oder längere Ladezeiten zu vermeiden, muss die Verlustleistung bzw. die hohe Wärmeenergie vom Resonator weg transportiert werden. Dies wird durch herkömmliche Hitzesenken verwirklicht. In besonderen Fällen können derartige Hitzesenken jedoch keine ausreichende Kühlung bewirken, da beispielsweise große Strecken vom Resonator zu einer Gehäuseoberfläche für die Wärmeleitung zurückgelegt werden müssen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Gehäuseoberfläche aus verschiedenen Gründen aus Kunststoff bestehen muss. Kunststoff hat einen relativ großen thermischen Widerstand. In bestimmten Anwendungen kann das Gehäuse auf einer thermisch schlecht leitenden Oberfläche aufliegen, wodurch der Wärmetransport weiter beeinträchtigt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieübertragung, insbesondere eine induktive Ladevorrichtung oder einen Resonator einer induktiven Ladevorrichtung vorzusehen, bei der eine Überhitzung vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieübertragung. Die Vorrichtung hat eine stromführende Leitung, zumindest ein Ferritelement aus einem Ferritmaterial und einen Wärmespeicher, der mit der stromführenden Leitung und/oder dem zumindest einen Ferritelement thermisch gekoppelt ist. Vorzugsweise ist der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher, der Wärme von der stromführenden Leitung und/oder dem Ferritelement aufnimmt und in sich zwischenspeichert. Weiter bevorzugt weist der Latentwärmespeicher Natriumacetat, weiter bevorzugt Natriumacetat-Trihydrat auf.
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Ein Latentwärmespeicher nutzt zum Beispiel Energie von Phasenübergängen, d.h. so genannte latente Wärme (lat. „lateo“ bedeutet „verborgen“). Hierfür können Phasenübergangsmaterialen (PCM) verwendet werden, die üblicherweise relativ hohe Schmelz-, Lösungs- oder Verdampfungsenthalpien haben. Darüber hinaus haben sie auch eine große spezifische Wärmekapazität, da auch die sensible Wärme zur Speicherung verwendet wird. Es gibt im Wesentlichen drei PCM-Arten: eutektische Wasser-Salzlösungen, organische PCM's und Salzhydrate einschließlich Natriumacetat.
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Der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Latentwärmespeicher hat vorzugsweise eine spezifische Wärmekapazität von mehr als 1,5 kJ/(kg·K), weiter bevorzugt von mehr als 2,0 kJ/ (kg·K), besonders bevorzugt von mehr als 2, 5 kJ/ (kg·K). Er hat ferner vorzugsweise eine spezifische innere Energie des Phasenübergangs von mehr als 150 J/g, weiter bevorzugt von mehr als 200 J/g, besonders bevorzugt von mehr als 250 J/g.
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Das Natriumacetat hat bei 58 °C einen Phasenübergang. Die spezifische Wärmekapazität ist 2,9 kJ/(kg·K), die Dichte 1,53 kg/l und die spezifische innere Energie des Phasenübergangs 260 J/g. Das Material kann von etwa 40 °C auf etwa 120 °C erwärmt werden.
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Bei einer Erwärmung der Umgebung bzw. bei einer Erwärmung der Vorrichtung, insbesondere eines Resonators, kann das Natriumacetat die Wärmeenergie aufnehmen und somit den Resonator kühlen. In vorteilhafter Weise wird überschüssige Energie, die nicht zur Außenseite der Vorrichtung abgeführt werden kann, im Wärmespeicher zwischengespeichert. Der Wärmespeicher wirkt somit als ein Puffer. Nach dem induktiven Ladevorgang, wenn keine Verlustleistung im Resonator mehr erzeugt wird, kann die im Wärmespeicher gespeicherte Energie langsam an die Umgebung beispielsweise über einen als Hitzesenke dienenden Wärmeleiter wieder abgegeben werden.
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Vorzugsweise ist die stromführende Leitung und/oder das Ferritelement in dem Wärmespeicher eingebettet. Weiter bevorzugt hat die Vorrichtung des Weiteren ein Gehäuse, in dem die in dem Wärmespeicher eingebettete, stromführende Leitung und/oder das in dem Wärmespeicher eingebettete Ferritelement untergebracht ist.
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Vorzugsweise ist die stromführende Leitung und/oder das Ferritelement über einen Wärmeleiter mit dem Wärmespeicher thermisch gekoppelt. Der Wärmeleiter dient als eine Hitzesenke, indem er Wärmeenergie absorbiert und weiterleitet. Weiter bevorzugt hat die Vorrichtung des Weiteren ein erstes Gehäuse, in dem die stromführende Leitung und das Ferritelement untergebracht sind, und ein zweites Gehäuse, in dem das erste Gehäuse, der Wärmespeicher und der Wärmeleiter untergebracht sind.
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Insbesondere würden sich das Gehäuse, das erste Gehäuse und/oder das zweite Gehäuse ohne den Wärmespeicher im Betrieb der Vorrichtung auf wenigstens 80°C, und sie erwärmen sich vorzugsweise mit dem Wärmespeicher im Betrieb der Vorrichtung auf nicht mehr als 90°C, vorzugsweise auf nicht mehr als 85°C.
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Vorzugsweise ist die stromführende Leitung über oder auf dem zumindest einen Ferritelement angeordnet. Das Ferritelement kann neben seiner eigentlichen Funktion zur Beeinflussung des Magnetfeldes eine Funktion zum Stützen der stromführenden Leitung haben.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung eine induktive Ladevorrichtung oder ein Resonator einer induktiven Ladevorrichtung, und die stromführende Leitung bildet eine Spule der induktiven Ladevorrichtung oder des Resonators. Weiter bevorzugt ist die induktive Ladevorrichtung dazu konfiguriert, ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung aufzuladen.
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Weiter bevorzugt ist das zweite Gehäuse ein Gehäuse der induktiven Ladevorrichtung oder ein Gehäuse des Resonators der induktiven Ladevorrichtung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Gestalt einer induktiven Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung;
- 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Resonators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt eine Draufsicht des Resonators gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Resonators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 5 zeigt eine Draufsicht des Resonators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Gestalt einer induktiven Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung. Die induktive Ladevorrichtung hat ein Bodenmodul 101, ein Fahrzeugmodul 102 und eine Wandbox 105. Die an einer Wand angebrachte Wandbox 105 speist über eine Hochspannungsleitung 106 einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul 101 befindliche Resonatorspule (Senderspule) ein, die dadurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil der Energie des in der Senderspule erzeugten elektromagnetischen Felds wird in eine sich im Fahrzeugmodul 102 befindliche Resonatorspule (Empfängerspule) übertragen, die dadurch wiederum ein elektromagnetisches Feld mit einem entsprechenden Ausgangswechselstrom erzeugt. Im Fahrzeug ist ein Gleichrichter angeordnet, der den Ausgangswechselstrom gleichrichtet und einer Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie zuführt.
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Die Senderspule und die Empfängerspule werden jeweils als Resonatorspule bezeichnet und sind in entsprechende Resonatoren 103, 104 des Bodenmoduls 101 und des Fahrzeugmoduls 102 angeordnet. Die Resonatorspulen bilden jeweils eine stromführende Leitung im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Resonatorspulen sind üblicherweise durch Litzen ausgebildet.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Resonators 103a gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 3 zeigt eine Draufsicht des Resonators 103a gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung zur Energieübertragung, vorliegend der Resonator 103a, hat eine stromführende Leitung 1 in Gestalt einer Resonatorspule 1 des Resonators 103a. Die stromführende Leitung 1 ist auf acht rechteckigen Ferritelementen 6 aus einem Ferritmaterial angeordnet. Die stromführende Leitung 1, d.h. die Resonatorspule 1, ist zirkular. Die Vorrichtung zur Energieübertragung hat ferner einen Wärmespeicher 2, der mit der stromführenden Leitung 1 und den Ferritelementen 6 thermisch gekoppelt ist. Die stromführende Leitung 1 und die Ferritelemente 6 sind in dem Wärmespeicher 2 eingebettet. Der Wärmespeicher 2 ist ein Latentwärmespeicher und weist Natriumacetat auf. Ein großer bzw. der größte Teil der von der stromführenden Leitung 1 und den Ferritelementen 6 erzeugten Wärme wird von dem Latentwärmespeicher 2 aufgenommen. Die von der stromführenden Leitung 1 und den Ferritelementen 6 erzeugte Wärme wird zumindest überwiegend, d.h. zum größten Teil, in dem Latentwärmespeicher 2 zwischenspeichert und nicht unmittelbar zur Außenseite des Resonators 103a abgegeben.
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In vorteilhafter Weise wird überschüssige Energie, die nicht zur Außenseite des Resonators 103a abgeführt werden kann, im Wärmespeicher 2 zwischengespeichert. Der Wärmespeicher 2 wirkt somit als ein Puffer. Nach dem induktiven Ladevorgang, wenn keine Verlustleistung im Resonator 103a mehr erzeugt wird, kann die im Wärmespeicher 2 gespeicherte Energie langsam an die Umgebung beispielsweise über einen als Hitzesenke dienenden Wärmeleiter (siehe 4 und 5) abgegeben werden.
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Die Vorrichtung hat des Weiteren ein Gehäuse 3, in dem die in dem Wärmespeicher 2 eingebettete, stromführende Leitung 1 und die in dem Wärmespeicher 2 eingebetteten Ferritelemente 6 untergebracht sind. Das Gehäuse 3 ist nach oben offen. Alternativ kann das Gehäuse 3 geschlossen sein. Das Gehäuse 3 hat in der Draufsicht eine sechseckige Kontur.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Resonators 103b gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 5 zeigt eine Draufsicht des Resonators 103b gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 103b des zweiten Ausführungsbeispiels ist eine Abwandlung des Resonators 103a des ersten Ausführungsbeispiels.
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Die Vorrichtung, vorliegend der Resonator 103b, hat ein erstes Gehäuse 3, in dem die stromführende Leitung 1 und die Ferritelemente 6 untergebracht ist, und ein zweites Gehäuse 5, in dem das erste Gehäuse 3, der Wärmespeicher 2 und ein Wärmeleiter 4 untergebracht sind. Der Wärmespeicher 2 ist demnach nicht in dem ersten Gehäuse 3 angeordnet. Das zweite Gehäuse 5 ist zugleich ein Gehäuse des Resonators 103b des Resonatormoduls 103b.
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Die stromführende Leitung 2 und die Ferritelemente 6 sind unter anderem über den Wärmeleiter 4 mit dem Wärmespeicher 2 thermisch gekoppelt. Genauer gesagt ist der Wärmeleiter 4 an der Außenseite des ersten Gehäuses 3 an einer Stelle angeordnet, an der sich die Resonatorspule 1 bzw. die Ferritelemente 6 im Inneren des ersten Gehäuses 3 befinden.
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Die Gehäuse 3, 5 würden sich ohne den Wärmespeicher 2 im Betrieb der Vorrichtung auf wenigstens 80°C erwärmen. Die Gehäuse 3, 5 erwärmen sich mit dem Wärmespeicher 2 im Betrieb der Vorrichtung jedoch auf nicht mehr als 90°C, vorzugsweise auf nicht mehr als 85°C.
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In dem zweiten Gehäuse 5 und außerhalb des ersten Gehäuses 3 befinden sich weitere elektronische Komponenten wie zum Beispiel Sensoren 7 und eine Leiterplatte 8. Die elektronischen Komponenten 7, 8 müssen nicht zwingend in dem Wärmespeicher 2 eingebettet sein. Falls sie jedoch Wärme erzeugen, können sie dadurch gekühlt werden, dass sie in oder an dem Wärmespeicher 2 angeordnet werden.
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Die übrige Struktur des Resonators 103b des zweiten Ausführungsbeispiels ist ähnlich dem Resonators 103a des ersten Ausführungsbeispiels. Das erste und/oder das zweite Gehäuse 3, 5 können aus Kunststoff ausgebildet sein.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Resonatorspule 1 um eine Achse spulenförmig gewickelt. Die Resonatorspule 1 kann eine Planarspule sein, es sind aber auch andere Spulenformen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- stromführende Leitung
- 2
- Wärmespeicher
- 3
- Gehäuse, erstes Gehäuse
- 4
- Wärmeleiter
- 5
- zweites Gehäuse
- 6
- Ferritelement
- 7
- Sensor
- 8
- Leiterplatte
- 101
- Bodenmodul
- 102
- Fahrzeugmodul
- 103
- Resonator
- 103a
- Resonator
- 103b
- Resonator
- 104
- Resonator
- 105
- Wandbox
- 106
- Hochspannungsleitung
