DE102018216435A1

DE102018216435A1 - Induktive Ladevorrichtung mit Kühlung

Info

Publication number: DE102018216435A1
Application number: DE102018216435.5A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Kerner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladevorrichtung mit einem Resonatormodul (2), das ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Resonator (3) aufweist, und einem externen Modul (1), das den Resonator (3) über eine elektrische Leitung (4) mit Strom versorgt. In dem externen Modul (1) ist eine Pumpe (9) angeordnet, die dazu konfiguriert ist, dem Resonatormodul (2) ein Kühlmedium (17, 18) über eine Eingangsleitung (16) zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive Ladevorrichtung, die insbesondere dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung aufzuladen.
Eine herkömmliche induktive Ladevorrichtung hat ein Bodenmodul, ein Fahrzeugmodul („Car Pad Module“) und ein externes Modul („Ground Module“) . Das an einer Wand angebrachte, externe Modul speist über eine Hochspannungsleitung einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul befindliche primäre 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, sekundäre 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.
Die Senderspule (Primärspule) und die Empfängerspule (Sekundärspule) werden als Resonatorspulen bezeichnet, die in so genannte Resonatoren angeordnet sind.
Induktive Ladesysteme produzieren aufgrund der internen elektrischen Verluste große Mengen an Verlustleistung und Abwärme. Diese Verlustleistung muss effektiv aus den Komponenten abgeleitet werden, um ein Überhitzen und damit einen Funktionsausfall zu verhindern. Falls der Leistungsverlust im Resonator zu hoch wird, kann die passive Kühlung nicht genug Wärme abführen. Dadurch können sich die Spulen übermäßig erhitzen, so dass der Wirkungsgrad des Resonators abfällt oder die Spule 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.
Während sekundärseitig im Fahrzeug die Kühlung des Sekundärresonators relativ einfach über den ohnehin vorhandenen Kühlkreislauf im Fahrzeug erfolgen kann, ist primärseitig im Primärresonator (Bodenmodul) eine Kühlung nur mit hohem zusätzlichen Aufwand bzw. mit funktionalen Einschränkungen möglich. Bekannte Konzepte können sowohl als offenes System mit Luft als auch als geschlossenes System mit Flüssigkeit ausgeführt sein.
Offene Kühlsysteme nur im Bodenmodul haben den Nachteil, dass bei einer potentiell möglichen Überflutung Wasser in das Modul eindringen kann. Bei geschlossenen Systemen ist das nicht der Fall, allerdings sind Wärmetauseher (Kühler) in den sehr begrenzten Bauraum effektiv nur in Metallbauweise zu integrieren. Metallbauteile im Magnetfeld jedoch erzeugen durch die in ihnen verursachten Wirbelströme zusätzliche Verluste.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine induktive Ladevorrichtung vorzusehen, die für eine ausreichende Entwärmung bzw. Kühlung der funktionalwichtigen Komponenten sorgen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine induktive Ladevorrichtung mit einem Resonatormodul, das ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Resonator aufweist, und einem externen Modul, das den Resonator über eine elektrische Leitung mit Strom versorgt. In dem externen Modul ist eine Pumpe angeordnet, die dazu konfiguriert ist, dem Resonatormodul ein Kühlmedium über eine Eingangsleitung zuzuführen.
Das externe Modul, welches metallische Bauteile oder Aggregate wie zum Beispiel die Pumpe aufweisen kann, ist vorzugsweise an einem Ort angeordnet, an dem es das Magnetfeld zwischen Primär- und Sekundärspule nicht nachteilig beeinflusst. In dem Resonatormodul wird der zu kühlende Resonator direkt oder indirekt über das Kühlmedium gekühlt. Hierfür sind in dem Resonatormodul keine metallischen Aggregate wie zum Beispiel die Pumpe, ein Wärmetauscher oder ein Kühler angeordnet, die für die Kühlung erforderlich sind. Stattdessen befinden sich diese Aggregate außerhalb des Resonatormoduls und außerhalb des Magnetfelds, wie zum Beispiel in dem externen Modul.
Es kann im einfachsten Fall mit Luftkühlung gearbeitet werden. Vorzugsweise ist das Kühlmedium Umgebungsluft, die der Pumpe durch einen Lufteinlass zugeführt wird.
Vorzugsweise hat die induktive Ladevorrichtung des Weiteren ein Rückschlagventil im Resonatormodul, das dazu konfiguriert ist, das Kühlmedium aus dem Resonatormodul zur Außenseite auszulassen, wenn das Kühlmedium im Resonatormodul einen vorbestimmten Druck überschreitet. Das Rückschlagventil sorgt dafür, dass keine Umgebungsluft oder andere Stoffe von außen in das Gehäuse eintreten.
Vorzugsweise hat die induktive Ladevorrichtung des Weiteren eine Ausgangsleitung, die das vom Resonatormodul ausgelassene Kühlmedium aufnimmt und der Pumpe wieder zuführt, so dass ein Kühlkreislauf des Kühlmediums gebildet ist. Vorzugsweise wird diese Variante für ein flüssiges Kühlmedium verwendet.
Vorzugsweise ist ein Kühler oder ein Wärmetauscher in dem externen Modul angeordnet, der dazu konfiguriert ist, dem vom Resonatormodul aufgenommenen Kühlmedium Wärme zu entziehen, das dann dem Resonatormodul wieder zuzuführen ist. Weiter bevorzugt hat der Wärmetauscher einen Einlassanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Wärmeaustauschmedium für einen Wärmetausch mit dem Kühlmedium in den Wärmetauscher einzulassen, und einen Auslassanschluss, der dazu konfiguriert ist, das Wärmeaustauschmedium aus dem Wärmetauscher auszulassen.
Bei der Platzierung des Wärmetauschers oder des Kühlers in dem externen Modul besteht die Option, über Wärmerückgewinnung einen Teil der Verlustleistung in eine Hausinstallation rückzuspeisen.
Vorzugsweise ist das Gehäuse des Resonatormoduls ein geschlossenes Gehäuse. Beispielsweise kann das Gehäuse wasserdicht sein, weiter bevorzugt spritzwassergeschützt. Zum Beispiel kann das Gehäuse die Schutzklasse IP54 oder höher gemäß DIN EN 60529 und DIN 40 050 Teil 9 erfüllen.
Vorzugsweise ist die induktive Ladevorrichtung dazu konfiguriert, ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung aufzuladen.
Vorzugsweise ist das Resonatormodul ein Bodenmodul und/oder das externe Modul ist ein Wandmodul.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.

1 zeigt eine induktive Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung;
2 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine induktive Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung. Die induktive Ladevorrichtung hat ein auf einem Boden 7 angeordnetes Bodenmodul 2, ein Fahrzeugmodul 5 und ein Wandmodul 1. Das an einer Wand angebrachte Wandmodul 1 speist über eine Hochspannungsleitung 4 einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul 2 befindliche primäre Resonatorspule (Senderspule, Primärspule) ein, die dadurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil der Energie des in der Senderspule erzeugten elektromagnetischen Felds wird in eine sich im Fahrzeugmodul 5 befindliche sekundäre Resonatorspule (Empfängerspule, Sekundärspule) übertragen, die dadurch wiederum ein elektromagnetisches Feld mit einem entsprechenden Ausgangswechselstrom erzeugt. Im Fahrzeug 8 ist ein Gleichrichter angeordnet, der den Ausgangswechselstrom gleichrichtet und einer Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie zuführt.
Die Senderspule und die Empfängerspule werden jeweils als Resonatorspule bezeichnet und sind in entsprechende Resonatoren 3, 6 des Bodenmoduls 2 bzw. des Fahrzeugmoduls 5 angeordnet.
2 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die induktive Ladevorrichtung hat das Resonatormodul 2, das ein Gehäuse und den in dem Gehäuse angeordneten Resonator 3 aufweist, und das externe Modul 1, das den Resonator 3 über die elektrische Leitung 4 (nicht in der 2 dargestellt) mit Strom versorgt. Der Resonator 3 ist in einem geschlossenen Gehäuse des Resonatormoduls 2 angeordnet.
In dem externen Modul 1 ist eine Pumpe 9 angeordnet, die dazu konfiguriert ist, dem Resonatormodul 2 ein Kühlmedium 18 über eine Eingangsleitung 16 zuzuführen. Das Kühlmedium 18 kann grundsätzlich gasförmig oder flüssig sein.
Das Kühlmedium 18 ist vorzugsweise Umgebungsluft, die der Pumpe 9 durch einen Lufteinlass 19 zugeführt wird. Die induktive Ladevorrichtung hat des Weiteren ein Rückschlagventil 20 im Resonatormodul 2, durch das das Kühlmedium 18 aus dem Resonatormodul 2 zur Außenseite ausgelassen wird, wenn das Kühlmedium 18 im Resonatormodul 2 einen vorbestimmten Druck überschreitet.
3 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Folgenden die Unterschiede beschrieben werden.
Die induktive Ladevorrichtung hat des Weiteren eine Ausgangsleitung 15, die das vom Resonatormodul 2 ausgelassene Kühlmedium 17 aufnimmt und der Pumpe 9 wieder zuführt, so dass ein Kühlkreislauf des Kühlmediums 17 gebildet ist.
Die induktive Ladevorrichtung hat ferner einen Kühler 13, der in dem externen Modul 1 angeordnet und dazu konfiguriert ist, dem vom Resonatormodul 2 aufgenommenen Kühlmedium 17 Wärme zu entziehen, wobei das so gekühlte Kühlmedium 17 dann dem Resonatormodul 2 wieder zugeführt wird. Der Kühler 13 kann ein Passivkühler sein, der zum Beispiel als ein Aluminiumkörper mit Kühlrippen ausgebildet ist und Wärme durch Wärmekonvektion an die Umgebung abgibt.
4 zeigt eine induktive Ladevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Folgenden die Unterschiede beschrieben werden.
Anstelle des Kühlers 13 hat die induktive Ladevorrichtung einen Wärmetauscher 21, der in dem externen Modul 1 angeordnet und dazu konfiguriert ist, dem vom Resonatormodul 2 aufgenommenen Kühlmedium 17 Wärme zu entziehen, das dann dem Resonatormodul 2 wieder zuzuführen ist. Der Wärmetauscher 21 hat einen Einlassanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Wärmeaustauschmedium für einen Wärmetausch mit dem Kühlmedium 17 in den Wärmetauscher 21 einzulassen, und einen Auslassanschluss, der dazu konfiguriert ist, das Wärmeaustauschmedium aus dem Wärmetauscher 21 auszulassen.
Mit dem Bezugszeichen 22 sind Leitungen bezeichnet, die mit dem Einlassanschluss bzw. Auslassanschluss verbunden sind, um das Wärmeaustauschmedium vorzugsweise mit einer in einem Kreislauf angeordneten Pumpe (nicht gezeigt) zu- und abzuführen.
Weitere mögliche Anwendungsfälle sind elektrische Komponenten, die gekühlt werden müssen, aber aufgrund des Systems/Konzeptes kein ausschließlich internes Kühlsystem verwenden können.
Bezugszeichenliste

1: externes Modul, Wandmodul
2: Resonatormodul, Bodenmodul
3: primärer Resonator
4: Hochspannungsleitung
5: Fahrzeugmodul
6: sekundärer Resonator
7: Boden
8: Fahrzeug
9: Pumpe
13: Kühler
15: Ausgangsleitung
16: Eingangsleitung
17: Kühlmedium
18: Kühlmedium
19: Lufteinlass
20: Rückschlagventil
21: Wärmetauscher
22: Leitung

Claims

Induktive Ladevorrichtung mit: einem Resonatormodul (2), das ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Resonator (3) aufweist, und einem externen Modul (1), das den Resonator (3) über eine elektrische Leitung (4) mit Strom versorgt; wobei in dem externen Modul (1) eine Pumpe (9) angeordnet ist, die dazu konfiguriert ist, dem Resonatormodul (2) ein Kühlmedium (17, 18) über eine Eingangsleitung (16) zuzuführen.
Induktive Ladevorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Kühlmedium (17, 18) Umgebungsluft ist, die der Pumpe (9) durch einen Lufteinlass (19) zugeführt wird.
Induktive Ladevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einem Rückschlagventil (20) im Resonatormodul (2), das dazu konfiguriert ist, das Kühlmedium (17, 18) aus dem Resonatormodul (2) zur Außenseite auszulassen, wenn das Kühlmedium (17, 18) im Resonatormodul (2) einen vorbestimmten Druck überschreitet.
Induktive Ladevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einer Ausgangsleitung (15), die das vom Resonatormodul (2) ausgelassene Kühlmedium (17, 18) aufnimmt und der Pumpe (9) wieder zuführt, so dass ein Kühlkreislauf des Kühlmediums (17, 18) gebildet ist.
Induktive Ladevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Kühler (13) oder ein Wärmetauscher (21) in dem externen Modul (1) angeordnet ist, der dazu konfiguriert ist, dem vom Resonatormodul (2) aufgenommenen Kühlmedium (17, 18) Wärme zu entziehen, das dann dem Resonatormodul (2) wieder zuzuführen ist.
Induktive Ladevorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei der Wärmetauscher (21) einen Einlassanschluss, der dazu konfiguriert ist, ein Wärmeaustauschmedium für einen Wärmetausch mit dem Kühlmedium (17, 18) in den Wärmetauscher (21) einzulassen, und einen Auslassanschluss aufweist, der dazu konfiguriert ist, das Wärmeaustauschmedium aus dem Wärmetauscher (21) auszulassen.
Induktive Ladevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse des Resonatormoduls (2) ein geschlossenes Gehäuse ist.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die induktive Ladevorrichtung dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung aufzuladen.
Induktive Ladevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Resonatormodul (3) ein Bodenmodul ist und/oder das externe Modul (1) ein Wandmodul ist.