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EINFÜHRUNG
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Die in diesem Abschnitt bereitgestellten Informationen dienen dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder sind in dem Ausmaß, in dem sie in diesem Abschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die sich möglicherweise nicht anderweitig als Stand der Technik zum Zeitpunkt des Einreichens qualifizieren, weder ausdrücklich noch impliziert als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zugelassen.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Kühlen für einen Fahrzeug-Ladeanschluss.
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Ladestationen überwachen die Ladeanschluss-Stifttemperatur während eines Gleichstrom-Schnellladebetriebs, während Elektrofahrzeuge geladen werden. Wenn die Ladeanschluss-Stifttemperatur höher als eine bestimmte Temperatur ist (beispielsweise 70° C), dann werden die Ladesysteme von dem vollem maximalen Laden auf eine sehr niedrige Laderate (z.B. 1/5 Rate) heruntergesetzt. Wenn sogar höhere Stifttemperaturen auftreten, die größer als die Grenze (z.B. 90° C) sind, wird sich das Laden abschalten. Es ist bekannt, die Ladestifte mit einer Flüssigkeitskühlschleife zu kühlen, die verpackungstechnische Einschränkungen erzeugt und Rohrleitungen und Wärmetauscher zum Kühlen der Flüssigkeit erfordert. Demgemäß ist es wünschenswert, höhere Ladestiftemperaturen zu verhindern und ebenfalls die Ausgestaltung sehr zu vereinfachen, ohne komplexe Kühlschleifen zu verwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung dar und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
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Ein Elektrofahrzeug-Ladeanschluss umfasst ein Paar von Ladestiften, die jeweils mit einem jeweiligen Ladekabel durch eine Basis verbunden sind. Ein Paar von porösen Metallkäfigen umgibt die Basis des Paars von Ladestiften. Ein Phasenwechselmaterial ist in dem Paar von porösen Metallkäfigen angeordnet. Das Paar von porösen Metallkäfigen ist aus einem Metallschaum oder einem Metallgeflecht hergestellt. Eine Dampfkammer ist zwischen der Basis des Paars von Ladestiften und dem Paar von porösen Käfigen angeordnet.
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Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung werden aus der ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offensichtlich werden. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele sind lediglich zur Veranschaulichung gedacht und sind nicht bestimmt, den Umfang der Offenbarung einzuschränken.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sind nicht bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
- 1 ist eine beispielhafte Perspektivansicht eines Gleichstrom-Schnellladeanschlusses gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Draufsicht des Gleichstrom-Schnellladeanschlusses;
- 3 ist eine schematische Ansicht eines Metallschaums und eines Phasenwechselmaterials, das eine Basis eines Ladestifts umgibt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist eine schematische Ansicht eines Metallgitters und eines Phasenwechselmaterials, das eine Basis eines Ladestifts umgibt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist eine schematische Ansicht eines Metallschaums und eines Phasenwechselmaterials, das in dem Metallschaum eingehüllt ist, der eine Basis eines Ladestifts umgibt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 6 ist eine schematische Ansicht eines Metallschaums und eines Phasenwechselmaterials, der darin angeordneten Wärmerohren aufweist und eine Basis eines Ladestifts umgibt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 7 ist eine schematische Ansicht eines Metallschaums und eines Phasenwechselmaterial mit Kühlluftdurchgängen, die darin angeordnet sind und eine Basis eines Ladestifts umgeben und zu einem Äußeren des Fahrzeugs entlüftet werden, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 8 ist eine schematische Ansicht, die ein alternatives passives Luftströmungssystem durch ein Druckdifferential zeigt; und
- 9 ist eine schematische Ansicht, die ein alternatives aktives Luftströmungssystem zeigt.
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In den Zeichnungen können Bezugszeichen wederverwendet werden, um ähnliche und/oder identische Elemente zu kennzeichnen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Mit Bezugnahme auf 1 wird ein Fahrzeug 10 gezeigt, das einen Fahrzeugladeanschluss 12 umfasst. Ein Gleichstrom-Schnellladestecker 14 einer Ladestation wird veranschaulicht, der in den Ladeanschluss 12 durch einen Benutzer eingesteckt wird. Der Ladeanschluss 12 umfasst typischerweise zwei Ladestifte 16 (in 2 am besten gezeigt), die jeweils angepasst sind, um durch den Gleichstrom-Schnellladestecker 14 in Eingriff genommen zu werden. Die Ladestifte 16 umfassen jeweils einen Basisbereich 18, der mit einem Ladekabel 20 verbunden ist, das durch einen Mantel 22 abgedeckt ist.
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Wie in
3 gezeigt, ist der Basisbereich 18 der Ladestifte von einem porösen Metall- oder Graphitkäfig 24a, 24b mit Phasenwechselmaterial 26 umgeben, das innerhalb der Poren des Metall- oder Graphitkäfigs 24a, 24b eingehüllt ist. Der poröse Metall- oder Graphitkäfig 24a, 24b kann einen Metall- oder Graphitschaum 24a, wie in
3 gezeigt, oder ein metallisches Geflecht 24b, wie in
4 gezeigt, umfassen. Für Zwecke dieser Offenbarung werden der poröse Metall- oder Graphitkäfig 24a, 24b oder das metallische Geflecht 24b als ein Käfig mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24 bezeichnet. Eine Dampfkammer 28 kann optional zwischen dem Käfig mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24 und dem Basisbereich 18 des Ladestifts 16 angeordnet sein. Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials; PCMs) sind Substanzen, welche die großen Mengen sogenannter „latenter“ Wärme absorbieren oder freigeben, wenn sie durch eine Änderung in ihrem physikalischen Zustand, d.h. von fest zu flüssig, gehen. Beispielhafte Phasenwechselmaterialien können Paraffinwachse und Salzhydrate umfassen. Das Phasenwechselmaterial 26 ist in der Lage, eine große Menge von Wärme zu absorbieren und in Kombination mit dem Metall oder Graphitschaum 24a oder Metallgitter 24b die Kühlleistung des Phasenwechselmaterial 26 sehr zu verbessern. Insbesondere ist die Kühlleistung des Phasenwechselmaterials 26 definiert durch die Gleichung der (Figure of Merit; FOM):
wobei k = Wärmeleitfähigkeit; p = Dichte; und L = latente Wärme ist. Weil das Phasenwechselmaterial, wie beispielsweise Paraffinwachs, eine relativ kleine Wärmeleitfähigkeit von k=0,15 w/m/k aufweist, wird der Käfig mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24 überall in dem Phasenwechselmaterial 26 dispergiert, um die Gesamtwärmeleitfähigkeit zu verstärken. Die Verwendung einer optionalen Dampfkammer 28 kann ebenfalls benutzt werden, um die Wärmeabsorption zu verstärken. Die Dampfkammer 28 kann eine eingeschlossene Kammer umfassen, die 5-10% eines Fluids, wie beispielsweise Methanol, Ammoniak, Wasser und Azeton, umfassen kann, das sich in einen Dampf ändern kann, wenn erhitzt. Demgemäß integriert die vorliegende Offenbarung das Phasenwechselmaterial 26 mit einer optionalen Dampfkammer 28 und Schaum oder Geflecht hoher Wärmeleitfähigkeit (Metall oder Graphit) 24, um eine schnellere Reaktion auf eine transiente Wärmeerzeugung bereitzustellen.
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Eine Beispielrechnung für ein erforderliches Phasenwechselmaterialvolumen für ein Phasenwechselmaterial mit einer Dichte von p=820 kg/m3, einer latenten Wärme von 240kJ/KG und CP=2,85kJ/kg-K (wobei „CP“ eine spezifische Wärmekapazität des Materials ist), wobei für eine 30 W Wärmeerzeugung während 20-minütiger Ladung bei 500 A etwa 36 KJ Wärme erzeugt wird. Das Zulassen eines Temperaturanstiegs von 20 Grad des Phasenwechselmaterials führt zu einem erforderlichen Phasenwechselmaterialvolumen von 148ml.
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Mit Bezugnahme auf 5 kann das poröse Metallgehäuse 24a, 24b mit extra porösem Metallmaterial 30, wie beispielsweise Metallschaum oder Metallgitter, eingehüllt werden, um die Wärmeübertragung von Stiften zu dem Phasenwechselmaterial abzuleiten und die Zeit zur Regenerierung während eines Aus-Zyklus zu verringern.
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Als eine weitere Option können Wärmerohre 32 innerhalb des porösen Käfigs mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24a, 24b angeordnet sein, um die Wärmeübertragung von der Wärmequelle nach außen zusammen mit dem Phasenwechselmaterial 26 und dem porösen Gehäuse mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24a, 24b weiter zu verstärken.
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Wie in 7 gezeigt, können die Basisbereiche 18 und die porösen Käfige mit hoher Wärmeleitfähigkeit 24a, 24b der Ladestifte 16 mit einer Abdeckung 34 umgeben sein, die Luftströmungsdurchgänge 36 dahindurch umfasst. Ein Abgabeluftkanal 38 kann mit dem Inneren der Abdeckung 34 verbunden und in Kommunikation mit einer Außenoberfläche 40 des Fahrzeugs 10 sein. Demgemäß kann die Luftströmung über die Außenoberfläche des Fahrzeugs ferner das Kühlen der Ladestifte unterstützen, während das Fahrzeug nach dem Ladeereignis gefahren wird. Gemäß weiteren Aspekten kann, wie in 8 gezeigt, der Luftkanal 38 mit einem Strömungsseparator 42 in einem Ort der Luftströmung versehen sein, so dass ein Druckdifferential in dem Luftkanal 38 erzeugt wird, um Luft passiv durch die Abdeckung 34 zu ziehen. Schließlich kann, wie in 9 gezeigt, der Luftkanal 38 mit einem Gebläse 44 versehen sein, um eine aktive Luftströmung durch die Abdeckung 34 bereitzustellen, die während und nach einem Ladeereignis aktiviert werden kann.
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Die vorstehende Beschreibung weist lediglich veranschaulichenden Charakter auf und ist in keiner Weise bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen einzuschränken. Die weit gefassten Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Daher sollte, obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, der wahre Umfang der Offenbarung nicht so begrenzt sein, da andere Modifikationen nach einer Studie der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offenbar werden. Es sei zu verstehen, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in unterschiedlicher Reihenfolge (oder nebenläufig) ausgeführt werden können, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obwohl jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben wird, bestimmte Merkmale aufzuweisen, kann jedes oder mehrere dieser beschriebenen Merkmale in Bezug auf eine Ausführungsform der Offenbarung in Merkmale einer der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder mit diesen kombiniert werden, sogar wenn diese Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist. Mit anderen Worten schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und die Permutationen einer oder mehrerer Ausführungsformen untereinander bleiben im Rahmen dieser Offenbarung.
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Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z.B. zwischen Modulen, Schaltelementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung verschiedener Begriffe beschrieben, darunter „verbunden“, „in Eingriff genommen“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben“, „auf“, „unten“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann diese Beziehung, wenn eine Beziehung zwischen ersten und zweiten Elementen in der obigen Offenbarung beschrieben wird, eine direkte Beziehung sein, bei der keine anderen intervenierenden Elemente zwischen den ersten und zweiten Elementen vorhanden sind, sondern kann ebenfalls eine indirekte Beziehung sein, bei der ein oder mehrere intervenierende Elemente (entweder räumlich oder funktional) zwischen den ersten und zweiten Elementen vorhanden sind. Wie hier verwendet, sollte die Phrase mindestens eines von A, B und C so ausgelegt werden, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen ODERs bedeutet, und nicht ausgelegt werden, dass sie „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C“ bedeutet.
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In den Figuren zeigt die Richtung eines Pfeils, wie durch die Pfeilspitze angegeben, im Allgemeinen den Informationsfluss (wie beispielsweise Daten oder Anweisungen), der für die Veranschaulichung von Interesse ist. Wenn beispielsweise Element A und Element B eine Vielfalt von Informationen austauschen, jedoch Informationen, die von Element A an Element B übertragen werden, für die Veranschaulichung relevant sind, kann der Pfeil von Element A zu Element B zeigen. Dieser unidirektionale Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von Element B an Element A übertragen werden. Außerdem kann Element B für Informationen, die von Element A an Element B gesendet werden, Anfragen oder Empfangsbestätigungen für die Informationen an Element A senden.
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In dieser Anmeldung kann, einschließlich der nachstehenden Definitionen, der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. „Der Begriff „Modul“ kann sich beziehen auf, Teil davon sein, oder zu umfassen: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit; ASIC); eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; eine feldprogrammierbare Gateanordnung (Field Programmable Gate Array; FPGA); eine Prozessorsteuerung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die einen Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die einen Code speichert, der von der Prozessorsteuerung ausgeführt wird; andere geeignete Hardwarekomponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination von einigen oder allen der oben genannten Komponenten, wie beispielsweise in einem System-on-Chip.
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Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen umfassen. In einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen drahtgebundene oder drahtlose Schnittstellen umfassen, die mit einem Lokalbereichsnetzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitbereichsnetzwerk (WAN) oder Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität eines bestimmten Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module verteilt werden, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind. So können beispielsweise mehrere Module einen Lastenausgleich ermöglichen. In einem weiteren Beispiel kann ein Server (auch als Remote- oder Cloud-Modul bezeichnet) eine bestimmte Funktionalität im Namen eines Client-Moduls ausführen.
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Der Begriff Code, wie oben verwendet, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil oder den gesamten Code aus mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die in Kombination mit zusätzlichen Prozessorschaltungen einen Teil oder den gesamten Code von einem oder mehreren Modulen ausführt. Verweise auf Mehrfachprozessorschaltungen umfassen Mehrfachprozessorschaltungen auf diskreten Dies, Mehrfachprozessorschaltungen auf einem einzelnen Die, Mehrfachkerne einer einzelnen Prozessorschaltung, Mehrfach-Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination aus den obigen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil oder den gesamten Code aus mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung umfasst eine Speicherschaltung, die in Kombination mit zusätzlichen Speichern einen Teil oder den gesamten Code aus einem oder mehreren Modulen speichert.
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Der Begriff Speicherschaltung ist eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der hier verwendete Begriff computerlesbares Medium umfasst nichtflüchtige elektrische oder elektromagnetische Signale, die sich durch ein Medium ausbreiten (wie beispielsweise auf einer Trägerwelle); der Begriff computerlesbares Medium kann daher als greifbar und nicht flüchtig angesehen werden. Nicht einschränkende Beispiele für ein nichtflüchtiges, greifbares, computerlesbares Medium sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie beispielsweise eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbare Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie beispielsweise eine statische Direktzugriffsspeicherschaltung oder eine dynamische Direktzugriffsspeicherschaltung), magnetische Speichermedien (wie beispielsweise ein analoges oder digitales Magnetband oder eine Festplatte) und optische Speichermedien (wie beispielsweise eine CD, eine DVD oder eine Blu-ray Disc).
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Die in dieser Anwendung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig von einem Spezialzweckcomputer implementiert werden, der durch Konfiguration eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen, die in Computerprogrammen enthalten sind, erzeugt wurde. Die oben beschriebenen Funktionsblöcke, Flussdiagrammkomponenten und andere oben beschriebene Elemente dienen als Softwarespezifikation, die durch die Routinearbeit eines sachkundigen Fachmanns oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
