DE102019216970A1 - Stationäre Induktionsladestation - Google Patents

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Christopher Lämmle
Holger Schroth
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Mahle International GmbH
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Abstract

Stationäre Induktionsladestation (1) für ein Fahrzeug (2) mit einer Induktionsladevorrichtung (3), mit einem Energieübertragungsmodul (4) zur kontaktlosen Energieübertragung, mit einer Elektronikeinheit (5), wobei das Energieübertragungsmodul (4) und die Elektronikeinheit (5) räumlich zusammengefasst sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine stationäre Induktionsladestation für ein Fahrzeug mit einer Induktionsladevorrichtung.
  • Um die Akzeptanz elektrisch angetriebener Fahrzeuge bei Endabnehmern zu steigern, kann es von Vorteil sein, wenn die Energieübertragung zwischen einer stationären Energiequelle und einem Energiespeicher des Fahrzeuges kontaktlos erfolgt. Eine kontaktlose Energieübertragung ist für Endabnehmer vorteilhaft, da beispielsweise keine Ladekabel mitgeführt bzw. eingesteckt werden müssen. Zudem können stationäre Induktionsladestationen teilweise im Bodenbereich eingegraben sein, sodass eine bessere Integration in ein Stadtbild oder Landschaftsbild möglich ist. Ferner sind eingegrabene Induktionsladestationen besonders gut gegen Vandalismusschäden geschützt.
  • Eine stationäre Induktionsladestation, die mit einer stationären Energiequelle verbunden ist, kann über eine primärseitige Induktionsspule ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugen. Das elektrisch betriebene Fahrzeug weist eine Induktionsladevorrichtung auf, die eine sekundärseitige Induktionsspule umfasst. Ist die Induktionsladevorrichtung im Bereich des Magnetfeldes der stationären Induktionsladestation positioniert, induziert das zeitlich variierende Magnetfeld einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung in der Induktionsspule der Induktionsladevorrichtung. Dieser induzierte Wechselstrom bzw. diese induzierte Wechselspannung kann zur Aufladung des Energiespeichers des Fahrzeuges genutzt werden.
  • Die Effizienz der induktiven Energieübertragung steigt mit erhöhter Frequenz der an der Primärspule anliegenden Wechselspannung. Daher umfassen stationäre Induktionsladestation des Standes der Technik ein Energieübertragungsmodul, in dem wenigstens eine primärseitige Induktionsspule angeordnet ist, und eine Elektronikeinheit, die die Wechselspannung, die dem Energieübertragungsmodul zugeführt wird, in geeigneter Weise transformiert. Hierfür kann die Elektronikeinheit eine Leistungselektronikeinheit umfassen, die die Netzfrequenz der Wechselspannung von typischerweise 50 Hz oder 60 Hz in einen Frequenzbereich von wenigstens 10 kHz bis 200 kHz transformiert, um eine verlustarme induktive Energieübertragung zu gewährleisten.
  • Während des Betriebes der Elektronikeinheit entsteht Wärmeenergie, die abgeführt werden muss, um eine Beschädigung der Elektronikeinheit zu verhindern. Hierfür wird die Elektronikeinheit räumlich getrennt vom Energieübertragungsmodul angeordnet, sodass die Wärmeenergie der Elektronikeinheit mittels Luftkühlung an die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Durch die räumliche Trennung, die typischerweise in der Größenordnung von 5 m oder mehr liegen kann, muss die hochfrequente Wechselspannung über geeignete elektrische Leitungen an das Energieübertragungsmodul übertragen werden. Aufgrund der hohen Frequenz der anliegenden Wechselspannung müssen diese elektrischen Leitungen eine geeignete elektromagnetische Abschirmung aufweisen, um die Umgebung der stationären Induktionsladestation vor unerwünschten Störemissionen zu schützen.
  • Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist, dass die elektromagnetische Abschirmung kostenintensiv ist und dass die Elektronikeinheit durch die Luftkühlung eine akustische Störquelle darstellt. Ferner ist nachteilig, dass die Elektronikeinheit aufgrund der Luftkühlung außerhalb des Fahrbodens installiert werden muss, sodass eine optische Integration der stationären Induktionsladestation in das Landschaftsbild bzw. Stadtbild nicht möglich ist. Außerdem ist die zugängliche Elektronikeinheit möglichen Vandalismusschäden ausgesetzt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine stationäre Induktionsladestation der eingangs genannten Art anzugeben, die einfacher und kostengünstiger herstellbar ist, wobei zusätzlich eine bessere Integration der stationären Induktionsladestation in das Landschaftsbild bzw. Stadtbild ermöglicht wird.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Energieübertragungsmodul und die Elektronikeinheit räumlich zusammenzufassen.
  • Die erfindungsgemäße stationäre Induktionsladestation für ein Fahrzeug mit einer Induktionsladevorrichtung umfasst ein Energieübertragungsmodul zur kontaktlosen Energieübertragung und eine Elektronikeinheit, wobei das Energieübertragungsmodul und die Elektronikeinheit räumlich zusammengefasst sind. Das Energieübertragungsmodul kann mit der Elektronikeinheit elektrisch leitend verbunden sein. Die Elektronikeinheit kann mit einer elektrischen Energiequelle, wie zum Beispiel einem Stromversorgungsnetz, elektrisch leitend verbunden sein.
  • Die Elektronikeinheit kann ein Leistungselektronikmodul aufweisen, welches zum Beispiel Wechselrichter und/oder Schwingkreise und/oder Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Compensation, abgekürzt PFC) umfassen kann. Die Elektronikeinheit kann auch wenigstens ein Kommunikationsmodul und/oder ein Ortungsmodul und/oder ein sicherheitstechnisches Modul aufweisen.
  • Das Energieübertragungsmodul und die Elektronikeinheit können in einem Gehäuse zusammengefasst sein. Unter räumlich zusammengefasst kann zu verstehen sein, dass der kürzeste räumliche Abstand zwischen der Elektronikeinheit und dem Energieübertragungsmodul kleiner als 2 m, insbesondere 1 m, ist. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der kürzeste räumliche Abstand zwischen der Elektronikeinheit und dem Energieübertragungsmodul kleiner ist als die Summe der größten Abmessung der Elektronikeinheit und der größten Abmessung des Energieübertragungsmoduls. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der kürzeste räumliche Abstand zwischen der Elektronikeinheit und dem Energieübertragungsmodul kleiner ist als die größte Abmessung der Elektronikeinheit oder des Energ ieübertragungsm odu ls.
  • Das Energieübertragungsmodul kann wenigstens eine Induktionsspule umfassen, die beispielsweise als Spiralflachspule oder auch als Doppel-D-Spule ausgebildet sein kann. Die Induktionsspule kann über die Elektronikeinheit mit elektrischer Energie, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 200 kHz, versorgt werden.
  • Die stationäre Induktionsladestation kann wenigstens einen Magnetfeldleiter aufweisen, der zur Führung des Magnetfeldes ausgebildet ist und die Effizienz der Energieübertragung erhöht. Der Magnetfeldleiter weist im Vergleich zu Luft eine höhere magnetische Permeabilität auf und kann wenigstens teilweise aus ferrimagnetischen und/oder ferromagnetischen Werkstoffen ausgebildet sein. Der Magnetfeldleiter kann aus einem Plattenelement oder auch aus mehreren Plattenelementen ausgebildet sein.
  • Zwischen dem Energieübertragungsmodul und der Elektronikeinheit kann ein Abschirmelement vorgesehen sein, um die Elektronikeinheit vor einer Zerstörung durch die elektromagnetischen Felder zu schützen. Das Abschirmelement, welches als Abschirmblech ausgebildet sein kann, kann aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, wobei die Dicke des Abschirmelementes wenigstens einer Skintiefe entsprechen kann, die die magnetischen und elektrischen Felder bei einer gegebenen Frequenz der Energieübertragung für das elektrisch leitende Material des Abschirmelementes aufweisen können. Das Abschirmelement kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der stationären Induktionsladestation kann auf den Einsatz elektrischer Leitungen mit kostenintensiven elektromagnetischen Abschirmungen verzichtet werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Energieübertragungsmodul und/oder die Elektronikeinheit über wenigstens eine Wärmeleitereinheit mit einem fluiddurchströmbaren Kühlkörper thermisch verbunden sind. Bei dem fluiddurchströmbaren Kühlkörper kann es sich um eine fluiddurchströmbare Kühlplatte handeln. Eine solche Kühlplatte kann eine quaderförmige und/oder plattenförmige Ausgestaltung aufweisen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper als flüssigkeitsdurchströmter Kühlkörper ausgebildet ist, durch den eine Kühlflüssigkeit strömt.
  • Die Wärmeleitereinheit kann im Vergleich zu Luft einen geringeren thermischen Widerstand aufweisen. Die Wärmeleitereinheit kann beispielsweise ein Klebstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sein. Die Wärmeleitereinheit kann eine Wärmeleitfolie und/oder eine Wärmeleitpaste und/oder eine wärmeleitende Vergussmasse sein.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der fluiddurchströmbare Kühlkörper mit einem Fluidkreislauf fluidisch verbunden ist, wobei eine Fluidfördereinrichtung ein Fluid durch den Fluidkreislauf fördert, wobei das Fluid beim Durchströmen des Kühlkörpers Abwärme der Induktionsladevorrichtung aufnimmt. Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist, insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit Wasser, ein Kühlmittel, ein Kältemittel und/oder Öl umfassen kann. Dies ermöglicht eine effektivere Kühlung der stationären Induktionsladestation, sodass das Energieübertragungsmodul und die Elektronikeinheit in räumlicher Nähe zueinander bzw. räumlich zusammengefasst angeordnet werden können.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der Fluideinlass mit den Fluidauslass durch Durchströmungskanäle fluidisch verbunden ist, wobei die Strömungskanäle den Kühlkörper durchsetzen.
  • Durch ein solches Thermomanagement kann eine ausreichende Kühlung aller Komponenten der stationären Induktionsladestation erreicht werden, sodass beispielsweise alle zum Betrieb der stationären Induktionsladestation benötigten Komponenten auch bei hohen Ladeleistungen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können, wobei die stationäre Induktionsladestation beispielsweise im Erdreich eingegraben oder auch auf der Erdoberfläche angeordnet sein kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Fluidkreislauf wenigstens einen Wärmeübertrager aufweist, um die vom Fluid aufgenommene Wärmeenergie abzuführen.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager in einem Nahwärmenetz und/oder Fernwärmenetz integriert ist. Hierdurch kann die entstehende Wärmeenergie beispielsweise als Heizwärme weiterverwendet werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager als Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist, um die vom Fluid aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft der Induktionsladestation zu übertragen.
  • Der Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager kann eine fluiddurchströmte Kühlplatte mit angeordneten Luftrippen aufweisen. Ferner kann der Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager eine Ventilatoreinheit aufweisen, um eine ausreichende Luftzirkulation am Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager bzw. an den Luftrippen sicherzustellen.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager die vom Fluid aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung der Induktionsladestation überträgt. Zur Umgebung der Induktionsladestation kann zum Beispiel das Erdreich oder auch ein Teilbereich einer Garage oder eines Stellplatzes zählen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager thermisch mit einem Wärmespeicher verbunden ist, um eine Speicherung der Wärmeenergie zu ermöglichen.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation ein Gehäuse aufweist, das wenigstens teilweise den Kühlkörper ausbildet, um eine besonders kompakte Bauweise der stationären Induktionsladestation zu ermöglichen. Es kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der Fluideinlass mit dem Fluidauslass durch Durchströmungskanäle fluidisch verbunden ist, wobei die Durchströmungskanäle das Gehäuse durchsetzen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der Fluideinlass mit dem Fluidauslass durch einen Gehäuseinnenraum fluidisch verbunden ist. In dem Gehäuseinnenraum können die Komponenten der stationären Induktionsladestation so angeordnet sein, dass zwar eine thermische Verbindung zu einem Fluid herstellbar ist, aber eine Beschädigung der Komponenten durch geeignete Schutzgehäuse verhindert wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Komponenten der stationären Induktionsladestation über einen thermischen Isolator thermisch vom Gehäuse entkoppelt sind, sodass eine Wärmeübertrag im Wesentlichen auf ein den Gehäuseinnenraum durchströmendes Fluid erfolgt. Ein thermischer Isolator kann vorliegen, wenn dieser eine Wärmeleitfähigkeit kleiner 10 W/(mK) aufweist.
  • Zu den Komponenten der stationären Induktionsladestation zählen alle Komponenten, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fluid im Fluidkreislauf elektrisch isolierend ist, um Kurzschlüsse bei einem unerwünschten Eintritt des Fluids in die Elektronikeinheit zu vermeiden. Es kann vorgesehen sein, dass als Fluid eine elektrisch isolierende Flüssigkeit genutzt wird.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation mittels Sprühkühlung gekühlt ist.
  • Hierbei wird ein Fluid, insbesondere ein Kühlmedium und/oder Kältemedium, auf die zu kühlenden Bereiche der stationären Induktionsladevorrichtung gesprüht, wobei das Fluid durch die Energieaufnahme verdampft und anschließend in einer Kondensatoreinheit und/oder einer Wärmesenke (beispielsweise eine Kühlplatte oder das Erdreich) unter Abgabe der Wärmeenergie kondensiert. Anschließend kann das kondensierte Fluid der stationären Induktionsladevorrichtung wieder zugeführt werden. Das erwärmte Fluid bzw. Kühlmedium kann wieder an einer thermischen Senke im Gehäuse kondensieren und erneut als Sprühkühlung verwendet werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation eine Bedienungsvorrichtung aufweist. Die Bedienungsvorrichtung kann zur Steuerung und/oder Bedienung der stationären Induktionsladestation ausgebildet sein, wobei die Bedienungsvorrichtung hierfür von dem Energieübertragungsmodul und der Elektronikeinheit beabstandet angeordnet sein kann. Die Bedienungsvorrichtung kann kommunizierend mit der Elektronikeinheit verbunden sein. Die Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertragereinheit kann mit der Bedienungsvorrichtung kombiniert sein und kann einen Teil der Elektronikeinheit enthalten.
  • Unter einer kommunizierenden Verbindung ist hier zu verstehen, dass zwischen zwei miteinander kommunizierend verbundenen Komponenten eine bidirektionale oder unidirektionale Datenverbindung vorgesehen sein kann, mit der elektrische Steuer-, Regel-, und/oder Messsignale in analoger oder digitaler Form übertragbar sind. Die Kommunikation kann mit einem Bussystem realisiert sein. Die kommunizierende Verbindung kann über elektrische Leitungen bei der typischen Netzfrequenz unter Verzicht von elektromagnetischen Abschirmungen erfolgen. Eine solche elektrische Leitung kann eine Gleichspannungs- oder auch eine Wechselspannungsleitung sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass in und/oder an der Bedienungsvorrichtung ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager, vorgesehen ist, der mit dem Fluidkreislauf der stationären Induktionsladestation fluidisch verbunden ist.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation wenigstens teilweise in einem Fahrboden eingelassen ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die stationäre Induktionsladestation vollständig im Fahrboden eingegraben ist. Hierdurch lässt sich die stationäre Induktionsladestation optimal in das Landschaftsbild bzw. Stadtbild integrieren, wobei die Induktionsladestation zusätzlich besonders gut vor Vandalismusschäden geschützt ist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation auf einem Fahrboden aufliegt und somit eine möglichst einfache Installation ermöglicht, die beispielsweise für Stellplätze oder in Garagen verwendet werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die stationäre Induktionsladestation aeroakustisch optimiert ist, sodass die Geräuschemissionen auf ein Minimum reduziert werden.
  • Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Erfindung in analoger Weise auf der Fahrzeugseite vollständig oder wenigstens teilweise umgesetzt bzw. integriert ist.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist. insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit Wasser, ein Kühlmittel, ein Kältemittel und/oder Öl umfassen kann. Dies ermöglicht eine effektivere Kühlung der stationären Induktionsladestation, sodass das Energieübertragungsmodul und die Elektronikeinheit in räumlicher Nähe zueinander bzw. räumlich zusammengefasst angeordnet werden können.
  • Ein Kühlvorgang kann beispielsweise in drei Teile zerlegt werden: 1) das Einsammeln der Wärme und Übertragung in ein Kühlmedium, 2) das Weitertransportieren der Wärme zu einem Wärmetauscher mit der Umgebung 3) die Wärmeabgabe aus dem Kühlmedium an die Umgebung.
  • Im Schritt 2) bietet eine Flüssigkühlung beispielhaft den Vorteil, dass aufgrund der höheren Wärmekapazität wesentlich weniger Volumen pro Watt Kühlleistung benötigt wird. Hierdurch kann beispielweise der erforderliche Bauraum für Kühlkanäle reduziert werden, insbesondere auf deutlich unterhalb 10% im Vergleich zu einer Luftkühlung reduziert werden. Durch eine Flüssigkühlung können die hohen Wärmedichten in einzelnen elektrischen Bauteilenauch auch bei sehr eingeschränktem verfügbarem Bauraum für Kühlkomponenten realisiert werden. Somit kann ein kompakter Aufbau der stationäre Induktionsladestation ermöglicht werden.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fluid gegenüber einer Umgebung des Fluidkreislaufes im Fluidkreislauf gekapselt ist und/oder das Fluid im Fluidkreislauf von einer Umgebung des Fluidkreislaufes fluidisch getrennt ist. Der Fluidkreislauf kann Fluidleitungen umfassen. Der Fluidkreislauf kann als geschlossener Fluidkreislauf, insbesondere als geschlossener Kühlkreislauf, ausgebildet sein. Der Fluidkreislauf kann wenigstens einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Luft-Flüssigkeit-Wärmeübertrager und/oder einen Luft-Flüssigkühlmittel-Wärmeübertrager, aufweisen. Der Wärmeübertrager kann fluidisch in den Fluidkreislauf eingebunden sein.
  • Das Fluid, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, kann ein zirkulierendes Medium ausbilden, welches in einem geschlossenen Fluidkreislauf, insbesondere in einem geschlossenen Kühlkreislauf, innerhalb der Komponenten des Kreislaufes zirkulieren kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann es vorgesehen sein, dass während des Betriebes des Fluidkreislauf, insbesondere während des Betriebes des Kühlkreislaufes, ein Fluid, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, weder von extern (Umgebung) eingeleitet noch nach extern abgegeben wird.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit variiert, insbesondere dass der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit über die gesamte laterale Ausdehnung variiert. Der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit kann über die gesamte laterale Ausdehnung der Wärmeleitereinheit variieren.
  • Die laterale Ausdehnung der Wärmeleitereinheit kann senkrecht zur Hauptfunktionsrichtung der Wärmeleitereinheit ausgerichtet sein. Die Hauptfunktion der Wärmeleitereinheit kann eine einaxiale Wärmeleitung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke sein. Die laterale Ausdehnung kann die Fläche beschreiben, welche senkrecht zur Wärmeleitrichtung ausgerichtet ist. Vereinfacht ausgedrückt, kann die laterale Ausdehnung der Wärmeleitereinheit durch die der Wärmequelle zugewandten Oberfläche des Kühlkörpers definiert werden, da der lokale vektorielle Wärmestrom immer senkrecht zur Wärmesenke ausgerichtet ist.
  • Wenigstens abschnittsweise kann der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit eine lineare Variationen und/oder nichtlineare Variationen und/oder stufenförmige Variationen und/oder unstetige Variationen bezüglich der lateralen Ausdehnung der Wärmeleitereinheit ausbilden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Wärmeleitereinheit in Bereichen mit stärkeren Verlustwärmequellen (z.B. > 5 W/cm2 insbes. auf der Seite der Elektronikeinheit) einen besonders geringen thermischen Widerstand aufwiest, was die Kühlleistung dieser starken lokalen Verlustwärmequelle verbessert. Es kann auch vorgesehen sein, Materialien mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, insbes. Materialien mit besonders hoher lateraler Wärmeleitfähigkeit (z.B. Graphitfolie) in der Wärmeleitereinheit zu verwenden. Damit kann die Wärmestromdichte im thermischen Pfad bis zum fluiddurchströmbaren Kühlkörper verringert werden, was Vorteile beim technischen Design der Fluidführung bewirkt.
  • Ein besonders geringer thermischer Widerstand ist bei Werten <200 mm2·K/W gegeben. Bei besonders aufwendigen, keramikbasierten stoffschlüssigen Anbindungen (z.B. Silbersintern) können auch Werte <20 mm2·K/W erreicht werden.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Wärmeleitereinheit lokal an mindestens einer Position durch eine aktive Wärmepumpe ergänzt oder ersetzt ist.
  • In einer weiteren besonderen Ausführungsform kann es zudem vorgesehen sein, dass die Wärmeleitereinheit in einem oder mehreren Bereich mit extrem hohen Verlustwärmequellen (z.B. > 15 W/cm2) als aktive Wärmeleitereinheit, d.h. als aktive Wärmepumpe ausgebildet ist. Mögliche Ausführungsformen einer aktiven Wärmepumpeneinheit sind in Fachkreisen unter den Begriffen Heatpipe, Thermosiphon oder auch thermoelektrische Wärmepumpe bekannt. Die Wärmepumpeneinheit kann als Heatpipe, Thermosiphon oder auch thermoelektrische Wärmepumpe ausgebildet sein. Jede aktive Wärmepumpe kann aus einer oder mehreren Wärmepumpeneinheiten identischer oder unterschiedlicher Bauart ausgebildet sein. Ziel dieser aktiven Wärmeleitereinheiten kann sowohl die Verbesserung der Kühlung selbst (longitudinale Pumprichtung der Wärme) als auch die Verringerung der Wärmestromdichte (laterale Pumprichtung der Wärme) der extrem hohen Wärmeverlustquellen sein.
  • Die longitudinale Pumprichtung kann die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Kühlkörpers sein. Die laterale Pumprichtung kann jede Richtung parallel zur Oberfläche des Kühlkörpers sein. Es kann vorgesehen sein, dass jede Form von Wärmepumpen auch beide Pumprichtungen kombinieren.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fluid im Fluidkreislauf elektrisch isolierend ist und einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses durchströmt, wobei das Fluid wenigstens teilweise das Gehäuses und wenigstens teilweise Komponenten der stationären Induktionsladestation benetzt und/oder unmittelbar umströmt und/oder unmittelbar anströmt. Das Gehäuse kann aus einem thermischen Isoliermaterial hergestellt sein. Das Gehäuse kann einen entsprechenden Fluideinlass und einen entsprechenden Fluidauslass aufweisen, sodass sich das Gehäuse fluidisch mit einem Fluidkreislauf verbinden lässt. Das Gehäuse bildet einen Gehäuseinnenraum aus, in dem die Komponenten der stationären Induktionsladestation 1 angeordnet sein können. Ein Fluid kann den Gehäuseinnenraum durchströmen, wobei das Fluid wenigstens teilweise Innenflächen des Gehäuseinnenraumes benetzt und/oder unmittelbar umströmt und/oder unmittelbar anströmt. Innenflächen können die Flächenabschnitte des Gehäuses sein, die den Gehäuseinnenraum begrenzen und/oder ausbilden.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fluid im Fluidkreislauf elektrisch isolierend ist und den Gehäuseinnenraum frei und ohne weitere abgeschlossene Fluidkanäle durchströmt. Unter dem Ausdruck „frei und ohne weitere abgeschlossene Fluidkanäle durchströmt“ kann zu verstehen sein, dass das Fluid wenigstens teilweise Innenflächen des Gehäuseinnenraumes benetzt und/oder unmittelbar umströmt und/oder unmittelbar anströmt. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass eine Führung des Fluids im Gehäuseinnenraum wenigstens teilweise durch Innenflächen des Gehäuseinnenraumes ausgebildet ist. Hierdurch kann beispielweise auf separat zum Gehäuse ausgebildete weitere abgeschlossene Fluidkanäle, insbesondere Fluidleitungen, verzichtet werden. Innenflächen können die Flächenabschnitte des Gehäuses sein, die den Gehäuseinnenraum begrenzen und/oder ausbilden. Das Gehäuse kann aus einem thermischen Isoliermaterial hergestellt sein. Das Gehäuse kann einen entsprechenden Fluideinlass und einen entsprechenden Fluidauslass aufweisen, sodass sich das Gehäuse fluidisch mit einem Fluidkreislauf verbinden lässt. Das Gehäuse kann einen Gehäuseinnenraum ausbilden, in dem die Komponenten der stationären Induktionsladestation 1 angeordnet sein können.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
    • 1 eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation,
    • 2 eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation mit einer Bedienungsvorrichtung,
    • 3 eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation,
    • 4 eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation, die auf einem Fahrboden angeordnet ist.
  • In der 1 ist eine stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation 1 dargestellt, die in einem Fahrboden 14 eingegraben ist. Ein Fahrzeug 2, welches beispielsweise als Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann, ist über der stationären Induktionsladestation 1 positioniert.
  • Das Fahrzeug 2 weist eine Induktionsladevorrichtung 3 auf, die wenigstens eine sekundäre Induktionsspule umfasst, sodass eine kontaktlose Energieübertragung zwischen der Induktionsladevorrichtung 3 und der stationären Induktionsladevorrichtung 1 erfolgen kann. Hierfür weist die stationäre Induktionsladestation 1 ein Energieübertragungsmodul 4 auf, das wenigstens eine primärseitige Induktionsladevorrichtung umfasst, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Das Energieübertragungsmodul 4 erzeugt ein zeitlich variierendes Magnetfeld, welches in der Induktionsladevorrichtung 3 eine Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom induziert, der einem Energiespeicher des Fahrzeuges 2 zugeführt werden kann.
  • Die stationäre Induktionsladestation 1 umfasst ein Gehäuse 12, in dem das Energieübertragungsmodul 4, eine Elektronikeinheit 5, eine erste Wärmeleitereinheit 6, eine zweite Wärmeleitereinheit 6a sowie ein Kühlkörper 7 vorgesehen sind. Die erste Wärmeleitereinheit 6 ist zwischen dem Energieübertragungsmodul 4 und dem Kühlkörper 7 angeordnet. Die zweite Wärmeleitereinheit 6a ist zwischen dem Kühlkörper 7 und der Elektronikeinheit 5 angeordnet. Da die Komponenten der stationären Induktionsladestation 1 räumlich zusammengefasst sind, ergibt sich ein kompakter und kostengünstiger Aufbau, da auf geschirmte elektrische Leitung für hochfrequente Wechselspannungen verzichtet werden kann.
  • Die Elektronikeinheit 5 kann über nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitungen mit einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle verbunden sein. Die Elektronikeinheit 5 ist mit dem Energieübertragungsmodul 4 elektrisch leitend verbunden und transformiert die von der nicht dargestellten elektrischen Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie, bevor sie dem Energieübertragungsmodul 4 zugeführt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Elektronikeinheit 5 wenigstens ein Leistungselektronikmodul aufweist, um eine Frequenzerhöhung der bereitgestellten Wechselspannung zu erzielen. Der Kühlkörper 7 kann von einem Fluid durchströmt werden, wobei das Fluid in einem Fluidkreislauf 8, der Fluidleitungen 15 umfassen kann, mittels einer Fluidfördereinrichtung 9 gefördert wird. Der Fluidkreislauf 8 weist einen Wärmeübertrager 10 auf.
  • Über die Wärmeleitereinheit 6 kann die am Energieübertragungsmodul 4 vorliegende Wärmeenergie auf den Kühlkörper 7 übertragen werden. Über die Wärmeleitereinheit 6a kann die an der Elektronikeinheit 5 entstehende Wärmeenergie auf den Kühlkörper 7 übertragen werden. Der Kühlkörper 7 überträgt die ihm zugeführte Wärmeenergie an das Fluid, welches sich beim durchströmen des Kühlkörpers 7 erwärmt. Nachdem das Fluid aus den Kühlkörper 7 ausströmt, kann es in Wärmeübertrager 10 die aufgenommene Wärmeenergie wieder abgeben und somit abkühlen. Das abgekühlte Fluid kann wieder in den Kühlkörper 7 strömen, um einen kontinuierlichen Abtransport der anfallenden Wärmeenergie in der stationären Induktionsladestation 1 zu ermöglichen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.
  • Der Wärmeübertrager 10 kann einen Wärmeaustausch zwischen einer Umgebung der stationären Induktionsladestation 1 und dem Fluid ermöglichen, wobei die Umgebung beispielsweise das Erdreich oder auch die Umgebungsluft der stationären Induktionsladestation sein kann. Es ist auch denkbar, dass der Wärmetauscher thermisch an einem Nahwärmenetz und/oder einem Fernwärmenetz angebunden ist, sodass die von der stationären Induktionsladestation 1 erzeugte Wärmeenergie beispielsweise zum beheizten von Wohnräumen genutzt werden kann. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine besonders hohe Energieeffizienz, da nur wenig Energie ungenutzt bleibt.
  • Im Vergleich zu 1 weist die stationäre Induktionsladestation 1 in der 2 eine Bedienungsvorrichtung 13 auf, die von dem Energieübertragungsmodul 4 und der Elektronikeinheit 5 beabstandet angeordnet ist, wobei vorgesehen sein kann, dass diese Bedienungsvorrichtung 13 beispielsweise in einer Bedienungssäule oder in einer Wand einer Garage integriert ist. Die Bedienungsvorrichtung 13 kann über eine Kommunikationsleitung 16, die keine elektromagnetische Abschirmung aufweisen muss, mit der Elektronikeinheit 5 kommunizierend verbunden sein.
  • Der Wärmeübertrager 10 ist in der 2 thermisch an einen Wärmespeicher 11 angebunden, sodass die vom Fluid abgegebene Wärmeenergie zwischengespeichert werden kann. Alternativ kann der Luft-Wärmeübertrager 10 in die Bedienungsvorrichtung 13 integriert werden.
  • In der 3 ist eine Ausführungsform der stationären Induktionsladestation 1 gezeigt, in der das Gehäuse 12 einen Kühlkörper ausbildet. In diesem Fall ist das Energieübertragungsmodul 4 über einen ersten thermischen Isolator 17 vom Gehäuse 12 im Wesentlichen thermisch entkoppelt. Ferner ist die Elektronikeinheit 5 über einen zweiten thermischen Isolator 17a vom Gehäuse 12 im Wesentlichen thermisch entkoppelt. Das Gehäuse 12 kann aus einem thermischen Isoliermaterial hergestellt sein. Das Gehäuse 12 kann einen entsprechenden Fluideinlass und einen entsprechenden Fluidauslass aufweisen, sodass sich das Gehäuse 12 fluidisch mit den Fluidkreislauf 8 verbinden lässt. Das Gehäuse 12 bildet einen Gehäuseinnenraum 18 aus, in dem die Komponenten der stationären Induktionsladestation 1 angeordnet sind. Ein Fluid kann den Gehäuseinnenraum 18 durchströmen, wobei in der 3 die Strömung symbolisch mit den Pfeilen 19 angedeutet ist. Hierdurch ist ein besonders kompakter Aufbau der stationären Induktionsladestation 1 möglich. Zusätzlich können hierdurch thermische Verluste an die Umgebung reduziert werden, sodass die Wärmeenergiemenge, die beispielweise in ein Fernwärmenetz eingespeist wird, maximiert werden kann.
  • In der 4 ist eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladestation 1, die auf einem Fahrboden 14 angeordnet ist. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Nachrüstung bestehender Fahrbahnen. Ein Fahrzeug 2, das eine Induktionsladevorrichtung 3 aufweist, kann über die Induktionsladestation 1 mit elektrischer Energie versorgt werden.

Claims (20)

  1. Stationäre Induktionsladestation (1) für ein Fahrzeug (2) mit einer Induktionsladevorrichtung (3), - mit einem Energieübertragungsmodul (4) zur kontaktlosen Energieübertragung, - mit einer Elektronikeinheit (5), - wobei das Energieübertragungsmodul (4) und die Elektronikeinheit (5) räumlich zusammengefasst sind.
  2. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungsmodul (4) und/oder die Elektronikeinheit (5) über wenigstens eine Wärmeleitereinheit (6) mit einem fluiddurchströmbaren Kühlkörper (7) thermisch verbunden sind.
  3. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass der fluiddurchströmbare Kühlkörper (7) mit einem Fluidkreislauf (8) fluidisch verbunden ist, - wobei eine Fluidfördereinrichtung (9) ein Fluid durch den Fluidkreislauf (8) fördert, - wobei das Fluid beim Durchströmen des Kühlkörpers (7) Abwärme der Induktionsladevorrichtung (1) aufnimmt.
  4. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkreislauf (8) wenigstens einen Wärmeübertrager (10) aufweist.
  5. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) in einem Nahwärmenetz und/oder Fernwärmenetz integriert ist.
  6. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) als Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist, um die vom Fluid aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft der Induktionsladestation (1) zu übertragen.
  7. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) die vom Fluid aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung, beispielsweise das Erdreich, der Induktionsladestation (1) überträgt.
  8. Stationäre Induktionsladestation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) thermisch mit einem Wärmespeicher (11) verbunden ist.
  9. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) ein Gehäuse (12) aufweist, das wenigstens teilweise den Kühlkörper (7) ausbildet.
  10. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Fluidkreislauf (8) elektrisch isolierend ist.
  11. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) mittels Sprühkühlung gekühlt ist.
  12. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) eine Bedienungsvorrichtung (13) aufweist.
  13. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) wenigstens teilweise in einem Fahrboden (14) eingelassen ist.
  14. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) auf einem Fahrboden (14) aufliegt.
  15. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Induktionsladestation (1) aeroakustisch optimiert ist.
  16. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.
  17. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid gegenüber einer Umgebung des Fluidkreislaufes (8) im Fluidkreislauf (8) gekapselt ist und/oder das Fluid im Fluidkreislauf (8) von einer Umgebung des Fluidkreislaufes (8) fluidisch getrennt ist.
  18. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit (6) variiert, insbesondere dass der lokale thermische Widerstand der Wärmeleitereinheit (6) über die gesamte laterale Ausdehnung variiert.
  19. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitereinheit (6) lokal an mindestens einer Position durch eine aktive Wärmepumpe ergänzt oder ersetzt ist.
  20. Stationäre Induktionsladestation (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Fluidkreislauf (8) elektrisch isolierend ist und einen Gehäuseinnenraum (18) des Gehäuses (12) durchströmt, wobei das Fluid wenigstens teilweise das Gehäuses (12) und wenigstens teilweise Komponenten der stationären Induktionsladestation (1) benetzt und/oder unmittelbar umströmt und/oder unmittelbar anströmt. ***
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