DE102019217607B4

DE102019217607B4 - Batterieladegerät sowie elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019217607B4
Application number: DE102019217607.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Peck; Jens Reiter; Thomas Schmid
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: WO2021094337A1; DE102019217607A1

Abstract

Batterieladegerät (1) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, aufweisend- ein Gehäuse (3) zur Aufnahme von Komponenten (13) einer Ladeelektronik, wobei das Gehäuse (3) durch eine innerhalb des Gehäuses (3) angeordnete Kühlvorrichtung (5) in einen ersten Innenraum (7) und einen zweiten Innenraum (9) geteilt ist,-wobei die Komponenten (13) der Ladeelektronik innerhalb des ersten Innenraums (7) angeordnet sind und- innerhalb des zweiten Innenraums (9) ein Heizelement (21) einer Batterieheizung angeordnet ist,-wobei die Komponenten (13) der Ladeelektronik zumindest einen Gleichrichter und zumindest einen Spannungswandler umfassen,- wobei der zumindest eine Gleichrichter und der zumindest eine Spannungswandler auf einem gemeinsamen Verdrahtungssubstrat (11) angeordnet sind und gemeinsam genutzte Komponenten (13) aufweisen und- wobei auf dem Verdrahtungssubstrat (11) zudem eine Steuereinrichtung des Heizelements (21) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladegerät für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, beispielsweise ein reines Elektrofahrzeug oder ein sogenanntes plug in-Hybrid-Fahrzeug.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen Ladegeräte für ihre elektrischen Energiespeicher auf, die im Folgenden als Batterien bezeichnet werden. Derartige Batterieladegeräte umfassen insbesondere eine Ladeelektronik sowie AC/DC-Wandler, die den Ladevorgang steuern. Leistungskomponenten dieser Ladeelektronik haben einen erhöhten Kühlbedarf, sodass Batterieladegeräte teilweise mit einer Flüssigkeitskühlung versehen sind.
In dem Dokument gemäß § 3 Abs. 2 PatG DE 10 2018 208 628 A1 ist eine Induktionsladevorrichtung für ein teil- oder vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug offenbart. Die Induktionsladevorrichtung weist dabei eine flächige Temperierungsanordnung mit wenigstens einem durch ein Kühlfluid durchströmbaren Kanal und eine flächige Ladeanordnung mit wenigstens einer Ladespule auf.
Das Dokument DE 10 2019 106 456 A1 offenbart eine Leistungsversorgungsvorrichtung. Diese beinhaltet einen Wechselrichter, einen Wandler und ein Kühlsystem. Der Wechselrichter ist dazu konfiguriert, elektrischen Gleichstrom in elektrischen Wechselstrom umzuwandeln. Der Wandler weist einen Induktor auf und ist dazu konfiguriert, Spannung zu verstärken. Das Kühlsystem weist eine obere, untere und Zwischenkühlplatte auf. Das Kühlsystem ist derart angeordnet, dass der Wechselrichter und der Induktor mit den Platten verschachtelt sind und derart, dass der Wechselrichter und der Induktor an entgegengesetzten Seiten der Zwischenkühlplatte angeordnet sind.
Das Dokument US 2018 / 0 272 869 A1 offenbart ein Hochspannungseinheitsgehäuse, das in einem Fahrzeug verwendet werden kann und einen Unterteilungsabschnitt aufweist, wobei Vorrichtungen oberhalb und unterhalb des Unterteilungsabschnitts angeordnet werden können.
Das Dokument US 2015 / 0 313 040 A1 offenbart einen Leistungswandler, der in der Lage ist, ein Ausmaß zu minimieren, in dem die Leistungswandlerkomponenten, die nicht das Halbleitermodul sind, durch die von dem Halbleitermodul ausgehende Wärme thermisch beeinflusst werden. Ein Gehäuse beherbergt unter anderem das Halbleitermodul, wobei in dem Gehäuse zusätzlich eine Kühlkammer mit einem Kühlmittelkanal ausgebildet.
Das Dokument DE 10 2018 104 914 A1 offenbart eine Leistungsanordnung für ein Fahrzeug mit einem AC-Lader zum Verbinden mit einer externen AC-Spannungsversorgung und Bereitstellen einer HV-Gleichspannung für das Fahrzeug sowie einer HV-Temperiereinrichtung zur Temperierung eines HV-Batteriespeichers des Fahrzeugs.
Batterien elektrisch angetriebener Fahrzeuge haben zeitweise jedoch auch einen Heizbedarf, insbesondere bei tiefen Außentemperaturen. Es werden deshalb teilweise Heizelemente, beispielsweise Widerstandsheizer, vorgesehen, die bei Bedarf den Kühlkreislauf in einen Heizkreislauf umstellen. Teilweise werden die dafür notwendigen Heizelemente im Gehäuse des Batterieladegeräts untergebracht und speisen ihre Wärme in den Kreislauf ein, der auch für eine Kühlung der Ladeelektronik verwendet wird. Grundsätzlich ist dies möglich, da typischerweise nicht gleichzeitig der Bedarf besteht, die Batterie zu heizen und die Ladeelektronik zu kühlen.
Allerdings kann insbesondere über die Platine, aber auch über die umgebende Luft und über das Gehäuse Wärme von dem Heizelement auf die Ladeelektronik übertragen werden. Da die Heizleistung derartiger Heizelemente typischerweise hoch ist, beispielsweise 6 kW, kann die von ihnen freigesetzte Hitze die Ladeelektronik beschädigen bzw. ihre Lebensdauer herabsetzen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterieladegerät für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug anzugeben, das diesen Nachteil nicht aufweist, jedoch kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Batterieladegerät für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug angegeben, aufweisend ein Gehäuse zur Aufnahme von Komponenten einer Ladeelektronik, wobei das Gehäuse durch eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Kühlvorrichtung in einen ersten Innenraum und einen zweiten Innenraum geteilt ist. Somit ist der erste Innenraum auf einer Seite der Kühlvorrichtung gebildet und der zweite Innenraum auf einer anderen Seite der Kühlvorrichtung, derart, dass der erste Innenraum von dem zweiten Innenraum durch die Kühlvorrichtung baulich getrennt und thermisch isoliert ist.
Die Komponenten der Ladeelektronik sind innerhalb des ersten Innenraums angeordnet, und innerhalb des zweiten Innenraums ist ein Heizelement einer Batterieheizung angeordnet.
Der Kühlkanal ist dabei mit einem übergreifenden Kühlsystem des Fahrzeugs verbindbar. Das übergreifende Kühlysystem ist insbesondere zur Heizung und/oder Kühlung der Batterie ausgebildet.
Das Batterieladegerät weist den Vorteil auf, dass durch die Anordnung der Ladeelektronik und des Heizelements auf unterschiedlichen Seiten der Kühlvorrichtung die Kühlvorrichtung die Ladeelektronik gegenüber dem Heizelement thermisch isoliert. Somit wird allein durch die Anordnung dieser Komponenten zueinander erreicht, dass das Heizelement die Komponenten der Ladeelektronik nicht in unerwünschter Weise aufheizt.
Zudem hat das Batterieladegerät den Vorteil, dass die Kühlfläche, die für den Wärmeübergang zwischen der Ladeelektronik und dem Kühlmittel bzw. dem Heizelement und dem Kühlmittel größer ist, weil ein Wärmeeintrag von beiden Seiten der Kühlvorrichtung erfolgen kann.
Erfindungsgemäß umfassen die Komponenten der Ladeelektronik zumindest einen Gleichrichter und zumindest einen Spannungswandler. Ein derartiges Batterieladegerät erlaubt demnach auch das Laden einer Fahrzeugbatterie mithilfe von Netzspannung.
Ferner sind der zumindest eine Gleichrichter und der zumindest eine Spannungswandler auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und weisen gemeinsam genutzte Komponenten auf. Eine derartige Kombination des zumindest einen Gleichrichters und des zumindest einen Spannungswandlers eines Ladegeräts auf einer gemeinsamen Platine, wobei bestimmte Komponenten wie beispielsweise ein Ausgangsfilter sowohl durch den Gleichrichter als auch durch den Spannungswandler genutzt werden, kann auch unabhängig von dem bisher beschriebenen Prinzip der thermischen Isolation der Ladeelektronik von einem Heizelement mittels einer Kühlvorrichtung genutzt werden. Auf diese Weise wird ein besonders kompaktes Batterieladegerät zur Verfügung gestellt, das sowohl den vorhandenen Bauraum optimal ausnutzt als auch aufgrund einer Verringerung der Anzahl der benötigten Komponenten eine Kostenersparnis erlaubt.
Auf der Platine, auf der der zumindest eine Gleichrichter und der zumindest eine Spannungswandler gemeinsam angeordnet sind, ist zudem auch eine Steuereinrichtung des Heizelements angeordnet, wodurch das Batterieladegerät besonders kompakt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche, wobei die Kühlvorrichtung parallel zu der ersten und der zweiten Hauptoberfläche in dem Gehäuse ausgerichtet ist.
Insbesondere ist die Kühlvorrichtung durch einen innerhalb einer Zwischenwand angeordneten Kühlkanal gebildet.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum besonders günstig ausgenutzt wird und eine verhältnismäßig große Fläche für den Wärmeübergang zur Verfügung steht.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse aus Aluminiumdruckguss oder als Blechgehäuse ausgebildet. Unter einem Gehäuse aus Aluminiumdruckguss wird insbesondere ein Gehäuse verstanden, das einen - z.B. druckgegossenen - Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist. Zusätzlich kann das Aluminiumdruckgussgehäuse einen oder mehrere Gehäusedeckel aufweisen, bei denen es sich z.B. jeweils um Blechdeckel oder Kunststoffdeckel handeln kann. Zweckmäßigerweise ist/sind der erste und/oder zweite Innenraum beispielsweise gebildet, indem eine jeweilige Vertiefung des Grundkörpers durch einen jeweiligen Gehäusedeckel verschlossen ist.
Zwischen dem ersten Innenraum und dem zweiten Innenraum ist zweckmäßigerweise eine elektrische Verbindung zur Versorgung des Heizelements vorgesehen. Über diese elektrische Verbindung wird das Heizelement, das insbesondere als Widerstandsheizer ausgebildet sein kann, mit Strom versorgt und angesteuert. Die Verbindung ist beispielsweise als Durchgangsöffnung der Zwischenwand ausgebildet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zumindest einer elektrische Energie für den Antrieb zur Verfügung stellenden Batterie sowie dem beschriebenen Batterieladegerät angegeben.
Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann sowohl als reines Elektrofahrzeug als auch als sogenanntes plug in-Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es hat den Vorteil, dass es über eine besonders effiziente Batterieheizung verfügt, die wegen der thermischen Isolierung durch die Kühlvorrichtung die Komponenten der Ladesteuerung der Ladeelektronik nicht beschädigt.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

1 zeigt ein Batterieladegerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
2 zeigt eine Schnittansicht des Batterieladegeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Batterieladegeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Die 1 und 2 zeigen ein Batterieladegerät 1 für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Batterieladegerät 1 umfasst ein Gehäuse 3, das aus Aluminiumdruckguss ausgebildet ist. Ein Innenraum des Gehäuses 3 wird durch eine Kühlvorrichtung 5 in einen ersten Innenraum 7 und einen zweiten Innenraum 9 geteilt.
In dem ersten Innenraum 7 ist die Ladeelektronik des Batterieladegeräts 1 angeordnet. Dazu ist in dem ersten Innenraum 7 zumindest ein Verdrahtungssubstrat 11 angeordnet, auf dem verschiedene, hier lediglich symbolisch gezeigte Komponenten 13 insbesondere eines Gleichrichters und eines Spannungswandlers angeordnet sind. Zudem ist auf dem Verdrahtungssubstrat 11 die Steuerung eines Heizelements 21 angeordnet, die ebenfalls durch die Komponenten 13 angedeutet wird.
In den zweiten Innenraum 9 ist das Heizelement 21 einer Batterieheizung angeordnet. Es ist als Widerstandsheizer ausgebildet und über die als Durchgangsöffnung ausgebildete elektrische Verbindung 27 mit seiner im ersten Innenraum 7 angeordneten Steuerung verbunden.
Das Volumen des zweite Innenraums 9 ist von einer Vertiefung des Aluminiumdruckguss-Grundkörpers des Gehäuses 3 ausgebildet. An seiner der Kühlvorrichtung 5 gegenüberliegenden Seite ist der zweite Innenraum 9 mittels eines im wesentlichen ebenen Gehäusedeckels 4 aus Blech oder Kunststoff verschlossen (siehe 2). Entsprechend kann auch eine der Kühlvorrichtung 5 gegenüberliegende Wand oder eine Seitenwand des ersten Innenraums 7 des Gehäuses 3 von einem Gehäusedeckel gebildet sein (in den Figuren nicht dargestellt).
Die Kühlvorrichtung 5 ist als in einer Zwischenwand 15 angeordneter Kühlkanal 17 ausgebildet, der einen in den 1 und 2 nicht gezeigten Einlass sowie einen Auslass 19 aufweist und der von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmt ist. Das Gehäuse 3 ist annähernd quaderförmig ausgebildet und weist eine erste Hauptoberfläche 23 und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche 25 auf. Die Kühlvorrichtung 5 ist parallel zu den Hauptoberflächen 23, 25 ausgerichtet.
Das Heizelement 21 ist direkt an der Zwischenwand 15 angeordnet, um einen Wärmeübergang auf das Kühlmittel besonders wirksam zu gestalten. Im Betrieb wird das Heizelement 21 angesteuert, um bei Bedarf, beispielsweise bei sehr tiefen Außentemperaturen, das den Kühlkanal 17 durchströmende Kühlmittel aufzuheizen und der mit den Kühlkanal 17 in Verbindung stehenden Batterie dadurch Wärme zuzuführen.
Das Kühlmittel wird jedoch auch verwendet, um die Komponenten 13 der Ladeelektronik in dem ersten Innenraum 7 zu kühlen. Besonders kühlbedürftige Komponenten 13 stehen dafür ebenfalls mit der Zwischenwand 15 in Kontakt. Über die dem ersten Innenraum 7 zugewandte Zwischenwand 15 wird demnach Wärme aus dem ersten Innenraum 7 und den darin angeordneten Komponenten 13 der Ladeelektronik abgeführt. Durch das den Kühlkanal 17 durchströmende Kühlmittel ist das Heizelement 21 thermisch von der Ladeelektronik isoliert. Durch das Heizelement 21 abgegebene Wärme wird unmittelbar durch das Kühlmittel abgeführt und aus dem Gehäuse 3 entfernt, ohne dass es die Komponenten 13 der Ladeelektronik in unerwünschter Weise aufheizen kann.
In der gezeigten Ausführungsform sind alle Komponenten 13 der Ladeelektronik auf einem Verdrahtungssubstrat 11 (PCB) angeordnet, insbesondere Komponenten 13 eines Gleichrichters und eines Spannungswandlers sowie auch Komponenten 13 einer Steuerung des Heizelements 21.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses 3, in der neben dem Auslass 19 auch ein Einlass 20 des Kühlkanals 17 erkennbar ist.
Zudem ist in der Ansicht erkennbar, dass die dem ersten Zwischenraum 7 zugewandte Zwischenwand 15 als Kühlkanalabdeckung 29 ausgebildet ist und somit als separates Teil, das beispielsweise mittels Schweißen oder Schrauben mit dem übrigen Gehäuse 3 verbunden werden kann.

Claims

Batterieladegerät (1) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, aufweisend - ein Gehäuse (3) zur Aufnahme von Komponenten (13) einer Ladeelektronik, wobei das Gehäuse (3) durch eine innerhalb des Gehäuses (3) angeordnete Kühlvorrichtung (5) in einen ersten Innenraum (7) und einen zweiten Innenraum (9) geteilt ist, -wobei die Komponenten (13) der Ladeelektronik innerhalb des ersten Innenraums (7) angeordnet sind und - innerhalb des zweiten Innenraums (9) ein Heizelement (21) einer Batterieheizung angeordnet ist, -wobei die Komponenten (13) der Ladeelektronik zumindest einen Gleichrichter und zumindest einen Spannungswandler umfassen, - wobei der zumindest eine Gleichrichter und der zumindest eine Spannungswandler auf einem gemeinsamen Verdrahtungssubstrat (11) angeordnet sind und gemeinsam genutzte Komponenten (13) aufweisen und - wobei auf dem Verdrahtungssubstrat (11) zudem eine Steuereinrichtung des Heizelements (21) angeordnet ist.
Batterieladegerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (3) quaderförmig ausgebildet ist mit einer ersten Hauptoberfläche (23) und einer der ersten Hauptoberfläche (23) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (25), wobei die Kühlvorrichtung (5) parallel zu der ersten und der zweiten Hauptoberfläche (23, 25) in dem Gehäuse (3) ausgerichtet ist.
Batterieladegerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlvorrichtung (5) durch einen innerhalb einer Zwischenwand (15) angeordneten Kühlkanal (17) gebildet ist.
Batterieladegerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse (3) aus Aluminiumdruckguss oder als Blechgehäuse ausgebildet ist.
Batterieladegerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem ersten Innenraum (7) und dem zweiten Innenraum (9) eine elektrische Verbindung (27) zur Versorgung des Heizelements (21) vorgesehen ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Energie für den Antrieb zur Verfügung stellenden Batterie sowie einem Batterieladegerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.