DE69512183T2

DE69512183T2 - Thermische Verwaltung mit spiral/schraubengangförmiger Wicklung für induktives Ladegerät

Info

Publication number: DE69512183T2
Application number: DE69512183T
Authority: DE
Inventors: John T. Hall; Ray G. Radys; George R. Woody
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors Co
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2015-12-02
Also published as: EP0715392B1; DE69512183D1; EP0715392A1; US5600222A; JPH08280139A; ES2135647T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Ladesystem zur Verwendung beim Laden von Batterien eines elektrischen Fahrzeugs, wobei das induktive Ladesystem eine Leistungsquelle, eine Ladestation, die mit der Leistungsquelle gekoppelt ist, eine Ladesonde, die einen primären Kern und eine primäre Wicklung eines Transformators aufweist, und zwar gekoppelt mit der Ladestation mittels eines verlängerbaren Ladekabels, einen Ladeport, der in dem elektrischen Fahrzeugs angeordnet ist und einen sekundären Kern und sekundäre Wicklungen des Transformators umfaßt, und eine Ladesteuereinrichtung aufweist, die zwischen dem Ladeport und den Batterien des elektrischen Fahrzeugs angeschlossen ist, wobei die primäre Wicklung eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aufweist, die in einer vorbestimmten Anzahl von Schichten übereinander liegend angeordnet sind.
Ein solches induktives Ladesystem ist aus dem Aufsatz "An actively cooled 120 kW coaxial winding transformer for fast charging electric vehicles" von Klontz et al., in dem Conference Record der Industry Applications Conference 1994, 29. IAS Jahrestreffen, bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell induktive Ladesysteme für Batterien und betrifft insbesondere die Verwendung von spiral-/schraubenförmigen ("spiral/helical") Folienwicklungen in einer induktiven Ladesonde, wobei die äußeren Folienwicklungen der Sonde näher an eine Wärmesenke herangeführt sind, wodurch das Wärmemanagement verbessert wird.
Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung konstruiert, entwickelt und stellt her induktive Ladesysteme für Batterien zur Verwendung beim Aufladen der Antriebsbatterien von elektrischen Fahrzeugen. Das induktive Ladesystem wird dazu verwendet, um die Antriebsbatterien eines elektrischem Fahrzeugs aufzuladen. Eine Ladestation ist mit einer Leistungsquelle gekoppelt und weist ein verlängerbares Ladekabel auf, das mit einer Ladesonde gekoppelt ist. Die Ladesonde umfaßt einen primären Kern und eine primäre Wicklung eines Transformators und wird in einen Ladeport eingeführt, der in dem elektrischen Fahrzeug angeordnet ist und einen sekundären Kern und sekundäre Wicklungen des Transformators aufweist. Der Ladeport und die Ladesonde bilden einen induktiven Koppler. Der Ladeport ist mittels einer Ladesteuereinrichtung angeschlossen, die eine Schnittstelle bildet zu den Antriebsbatterien des elektrischen Fahrzeugs, um diesen Leistung zuzuführen.
Der nächstkommende, die vorliegende Erfindung betreffende Stand der Technik liegt in der Verwendung eines schraubenförmigen Folienstapels von Wicklungen in einem Planartransformator. Die Nachteile dieses Typs von Transformator bestehen darin, daß mit einer Zunahme der Dicke des Folienstapels von Wicklungen die Verluste in jeder der Folienwicklungen ansteigen, und zwar aufgrund der Wechselstromverluste des Stromverdrängungseffektes ("proximity effect").
Es besteht daher ein Bedarf, induktive Ladegeräte herzustellen, die eine induktive Kopplung bei sehr viel höheren Laderaten oder Ladeleistungspegeln gestatten, wie beispielsweise in der Größenordnung von 120 KW oder mehr. Es ist jedoch herausgefunden worden, daß bei Ladeleistungspegeln von 50 KW und höher eine übermäßige Erwärmung an der Schnittstelle zwischen dem induktiven Lader und dem elektrischen Fahrzeug zu einem einschränkenden Faktor wird. Es ist notwendig, das Wärmemanagement des induktiven Kopplers zu verbessern, um dann, wenn das angestrebte Ziel der Leistungsübertragung zu erfüllen ist, dazu beizutragen, diese Einschränkung zu überwinden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Ladesystem anzugeben, das spiral-/schraubenförmige Folienwicklungen in einer induktiven Ladesonde verwendet, wobei die äußeren Folienwicklungen der Sonde näher zu einer Wärmesenke hin versetzt sind, um so die Fähigkeiten des Systems zur Handhabung von Leistung und das Wärmemanagement des Systems zu verbessern.
Diese und weitere Aufgaben werden durch das eingangs genannte induktive Ladesystem gelöst, wobei wenigstens eine der Windungen eine flache spiralförmige Wicklung mit mehrfachen Windungen aufweist, derart, daß die Anzahl der Schichten kleiner ist als die Anzahl der Windungen.
Zum Lösen der oben genannten und von weiteren Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung generell ein induktives Ladesystem für Batterien bereit, das spiral-/schraubenförmige Folienwicklungen in einer induktiven Ladesonde verwendet, wobei die äußeren Folienwicklungen der Sonde näher zu einer Wärmesenke hin versetzt sind. Die Verwendung der spiral-/schraubenförmigen Folienwicklungen verbessert die Fähigkeit des induktiven Ladesystems für Batterien in Bezug auf die Leistungshandhabung, und das Wärmemanagement des Systems.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung in einem induktiven Ladesystem zur Verwendung beim Aufladen von Antriebsbatterien eines elektrischen Fahrzeugs verwendet werden. Das induktive Ladesystem umfaßt eine Leistungsquelle und eine Ladestation, die mit der Leistungsquelle gekoppelt ist. Eine Ladesonde, die einen primären Kern und eine primäre Wicklung eines Transformators aufweist, ist mit der Ladestation mittels eines verlängerbaren Ladekabels gekoppelt. Ein Ladeport ist in dem elektrischen Fahrzeug angeordnet und umfaßt einen sekundären Kern und sekundäre Wicklungen des Transformators. Eine Ladesteuereinrichtung ist zwischen dem Ladeport und den Batterien des elektrischen Fahrzeugs angeschlossen, um Leistung zu den Batterien zu koppeln. Die Verbesserung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, umfaßt eine primäre Wicklung mit einer vorbestimmte Anzahl von Windungen, die in einer vorbestimmten Anzahl von Schichten übereinander liegend angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Windungen eine spiralförmige Wicklung aus mehreren Windungen umfaßt, derart, daß die Anzahl der Schichten kleiner ist als die Anzahl der Windungen.
Das Abziehen von Wärme von den Transformatorwicklungen ist schwierig, da die Wicklungsdrähte oder -folien isoliert sind. Bei der vorliegenden Erfindung werden spiral-/schraubenförmige Folienwicklung dazu verwendet, um die äußeren Folienleiter näher zu der Wärmesenke hin zu versetzen, um das Wärmemanagement zu verbessern und eine höhere Kapazität in. Bezug auf die Leistungshandhabung bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Notwendigkeit, die Leistungskapazität beim elektrischen Laden von Antriebsbatterien von elektrischen Fahrzeugen auf die Größenordnung von 120 KW und darüber hinaus anzuheben.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in der:
Fig. 1a ein induktives Ladesystem für elektrische Fahrzeuge zeigt, das neue spiral-/schraubenförmige Folienwicklungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 1b die primären Komponenten des induktiven Ladesystems der Fig. 1a zeigt;
Fig. 1c ein elektrisches Schaltbild ist, das den Komponenten entspricht, die in dem induktiven Ladesystem der Fig. 1b gezeigt sind;
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Transformators des induktiven Ladesystems der Fig. 1b und 1c ist, das die spiral-/schraubenförmigen Folienwicklungen der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 3a eine herkömmliche vier-schichtige schraubenförmige Transtormator-Folienwicklung zeigt;
Fig. 3b eine Hybrid-Transformatorwicklung in zweifachspiralförmiger/zweifach-schraubenförmiger Ausgestaltung mit sechs Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Wicklung die herkömmliche, vier-schichtige schraubenförmige Transformator-Folienwicklung der Fig. 3a ersetzt;
Fig. 4a eine Explosionsdarstellung der Transformatorwicklung mit sechs Windungen der Fig. 3b ist;
Fig. 4b eine Explosionsdarstellung einer Transformatorwicklung mit acht Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5a eine Querschnittsansicht einer zweifach-spiralförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in der Transformatorwicklung mit sechs Windungen der Fig. 3b ist;
Fig. 5b eine Querschnittsansicht einer dreifach-spiralförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in der Transformatorwicklung mit sechs Windungen der Fig. 3b ist;
Fig. 5c eine Querschnittsansicht einer zweifach-spiralförmigen/einfach-schraubenförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in der Transformatorwicklung mit sechs Windungen der Fig. 3b ist;
Fig. 6a eine Querschnittsansicht einer dreifach-spiralförmigen/einfach-schraubenförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in dem Transformator mit acht Windungen der Fig. 4b ist;
Fig. 6b eine Querschnittsansicht einer zweifach-spiralförmigen/zweifach-spiralförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in dem Transformator mit acht Windungen der Fig. 4b ist; und
Fig. 6c eine Querschnittsansicht einer vierfach-spiralförmigen Transformatorwicklung zur Verwendung in dem Transformator mit acht Windungen der Fig. 4b ist.
In den Zeichnungsfiguren stellt Fig. 1a ein induktives Ladesystem 10 für elektrische Fahrzeuge dar, das einen induktiven Lader 11 mit neuen spiral-/schraubenförmigen Folienwicklungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet. Fig. 1a zeigt die Verbindung des induktiven Laders 11 mit einem elektrischen Fahrzeug 12. Fig. 1c ist ein elektrisches Schaltbild, das den Komponenten entspricht, die in dem induktiven Ladesystem 10 der Fig. 1b gezeigt sind. Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Transformators 20 des induktiven Ladesystems 10 der Fig. 1b und 1c, wobei spiral- /schraubenförmige Folienwicklungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Gemäß den Fig. 1a-c und 2 ist eine Ladestation 13 mit einer Leistungsquelle 14 gekoppelt und weist ein verlängerbares Ladekabel 15 auf, das mit einer Ladesonde 16 gekoppelt ist. Die Ladesonde 16 umfaßt einen primären Kern 29 und eine primäre Wicklung 21 eines Transformators 20 und ist in einen Ladeport 22 eingeführt, der in einem elektrischen Fahrzeug 12 angeordnet ist. Der Ladeport 12 umfaßt einen sekundären Kern 33 und sekundäre Wicklungen 23 des Transformators 20. Der Ladeport 12 und die Ladesonde 16 bilden einen induktiven Koppler. Der Ladeport 22 ist mittels einer Ladesteuereinrichtung 24 mit Antriebsbatterien 25 des elektrischen Fahrzeugs 12 gekoppelt.
Von der Leistungsquelle 14 bereitgestellte Wechselspannung geringer Frequenz wird auf eine mittlere Wechselfrequenz (75 KHz) umgesetzt und dann durch den induktiven Koppler geleitet. Der Ausgang der sekundären Wicklungen 23 des induktiven Kopplers wird gleichgerichtet und gefiltert, und zwar in der Ladesteuereinrichtung 24, und wird dazu verwendet, die Antriebsbatterien 25 des elektrischen Fahrzeugs 12 zu laden. Fig. 1b zeigt die zwei Abschnitte des induktiven Kopplers, nämlich die Ladesonde 16 und den Ladeport 22. Die Ladesonde 16 entspricht dem primären Kern 29 und der primären Wicklung 21 des Transformators 20, wohingegen der Ladeport 22 die sekundären Transtormatorkerne 33, typischerweise E-förmige Kerne, und die sekundären Wicklungen 23 enthält.
Fig. 1c zeigt ein vereinfachtes elektrisches schematisches Schaltbild der Schnittstelle zwischen dem Lader 11 und dem elektrischen Fahrzeug 12. Fig. 1c zeigt, daß die Ladestation 13 einen Ausgang von 75 KHz erzeugt, der durch einen Resonanz- Tankschaltkreis 26 und eine Spule 27 geführt wird und mit der Ladesonde 16 gekoppelt ist, die die primäre Wicklung 21 des Transformators 20 aufweist. Der Ladeport 22 umfaßt die sekundären Wicklungen 23 des Transformators 20 und ist über einen Gleichrichter 28, der ein Signal von 375 Volt bei 300 Ampere erzeugt, mit den Antriebsbatterien 25 des elektrischen Fahrzeugs 12 gekoppelt.
Gemäß Fig. 2 umfaßt die Sonde 16 den primären Kern 29, die primäre Wicklung 21, die vier Windungen 31 (P1 bis P4) enthält, und eine primäre Blase ("bladder") 32 oder Wärmesenke 32. Die Sonde 16 kann eine 6/8 Windungs-Primärspule (P1 bis P6/P8) und die primäre Blase 32 oder Wärmesenke 32 verwenden. Der Ladeport 22 umfaßt zwei E-förmige sekundäre Kerne 33, die sekundäre Wicklung 23 mit vier Windungen 34 (S1 bis S4) und obere und un tere sekundäre Blasen 35, 36. Sämtliche Windungen 31, 34 der Wicklungen 21, 23 des Transformators sind hergestellt aus flacher spiralförmiger oder schraubenförmiger. Folie. Die Blasen 32, 35, 36 umfassen Wärmesenken 32, die wärmeleitend sind und die typischerweise Kupfer aufweisen bzw. aus Kupfer bestehen, um ein Beispiel zu nennen, und die zwischen oder benachbart zu Windungen 31, 34 der Wicklungen 21, 23 eingeführt bzw. angeordnet sind und Wärme von den Wicklungen 21, 23 des Transformators 20 entfernen.
Fig. 3a zeigt eine herkömmliche vier-schichtige Transformatorwicklung 21 aus schraubenförmiger Folie, wie sie in einer herkömmlichen primären Wicklung 21 zur Verwendung in dem Transformator 20 verwendet wird. Die berechneten Verluste betragen bei dieser Transformatorwicklung 21 121,4 Watt bei einem Eingangsstrom von 333 Ampere effektiv bei 75 KHz.
Fig. 3b zeigt eine Hybrid-Transformatorwicklung 21 mit zweifach-spiralförmigen/zweifach-schraubenförmigen Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20, mit der die herkömmliche vier-schichtige Transformatorwicklung 21 aus schraubenförmiger Folie der Fig. 3a ersetzt wird. Die Transformatorwicklung 21 umfaßt zwei spiralförmige Windungen 31, die in einer einzelnen Schicht 38a angeordnet sind, und zwei schraubenförmige Windungen 31b, die in einer zweiten bzw. einer dritten übereinander angeordneten Schicht 38b, 38c angeordnet sind. Die berechneten Verluste für diese Transformatorwicklung 21 betragen 122,2 Watt bei einem Eingangsstrom von 333 Ampere effektiv bei 75 KHz. Die gesamten Wechselstromverluste steigen um etwa 0,8 Watt an, die Verluste in der obersten Folienwindung 31b nehmen jedoch um 1,5 Watt ab.
Ferner ist die am weitesten außen liegende Hybrid-Windung 31b der Wicklung 21 näher an der Blase 32, oder Wärmesenke 32, angeordnet, was das Wärmemanagement vereinfacht.
Folglich läßt sich mittels eines Vergleiches der Fig. 3a und 3b erkennen, daß die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Verbesserung eine primäre Wicklung 21 mit einer vorbestimmten Anzahl von Windungen 31 aufweist, die in einer vorbestimmten Anzahl von Schichten 38 übereinander liegend angeordnet sind, wobei zumindest eine der Windungen 31 eine spiralförmige Wicklung 31a aus mehreren Windungen umfaßt, so daß die Anzahl der Schichten 38 kleiner ist als die Anzahl der Windungen 21.
Fig. 4a zeigt eine Explosionsdarstellung der Transformatorwicklung 21 mit sechs Windungen der Fig. 3b. Die vertikalen gestrichelten Linien der Fig. 4a zeigen Schweißpunkte zwischen den jeweiligen Windungen 31a, 31b der Transformatorwicklung 21 mit sechs Windungen an. Diese Ausführungsform verringert die Anzahl der Schichten 38 von sechs auf vier.
Fig. 4b zeigt eine Explosionsdarstellung einer Transformatorwicklung 21 mit acht Windungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die vertikalen gestrichelten Linien in Fig. 4b zeigen wiederum Schweißpunkte an zwischen den jeweiligen Windungen 31a, 31b der Transformatorwicklung 21 mit acht Windungen. Diese Ausführungsform verringert die Anzahl der Schichten 38 von acht auf sechs.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen. Konstruktionen beschränkt. Es sind andere Konstruktionen möglich mit zweifach-spiralförmiger, dreifach-spiralförmiger, zweifach-spiralförmiger einfach-schraubenförmiger, dreifachspiralförmiger/einfach-schraubenförmiger, zweifach-spiralförmiger/zweifach-spiralförmiger und vierfach-spiralförmiger Konstruktion. Diese Konstruktionen werden unter Bezugnahme auf die Fig. 5a-c und 6a-c beschrieben.
Fig. 5a zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid- Transtormatorwicklung mit zweifach-spiralförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20. Fig. 5b zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid-Transformatorwicklung in dreifach-spiralförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20. Fig. 5c zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid-Transformatorwicklung mit zweifach-spiralförmiger/einfach-schraubenförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20.
Fig. 6a zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid- Transformatorwicklung mit dreifach-spiralförmiger/einfachschraubenförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20. Fig. 6b zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid-Transformatorwicklung mit zweifach-spiralförmiger/zweifach-spiralförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20. Fig. 6c zeigt eine Querschnittsansicht einer Hybrid-Transformatorwicklung mit vierfach-spiralförmiger Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in dem Transformator 20.
Die verschiedenen, in den Fig. 5a-c und 6a-c dargestellten Wicklungskonstruktionen stellen unterschiedliche mögliche Konfigurationen der spiralförmigen und schraubenförmigen Windungen 31a, 31b der primären Wicklung 21 dar. Jede der in den Fig. 5ac und 6a-c gezeigten Konstruktionen stellt unterschiedliche Beträge der Wärmeableitung bereit, obgleich sie die Konstruktion mit spiralförmiger Windung der vorliegenden Erfindung verwenden.
Folglich ist ein neues und verbessertes induktives Ladesystem offenbart worden, das spiral-/schraubenförmige Folienwicklungen in einer induktiven Ladesonde verwendet, wobei die äußeren Folienwicklungen der Sonde näher an eine Wärmesenke versetzt sind, wodurch die Fähigkeit zur Leistungshandhabung und das Wärmemanagement des Systems verbessert sind. Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich illustrativ für einige der vielen bestimmten Ausführungsformen sind, die Anwendungsbeispiele der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Folglich ergeben sich für Fachleute eine Vielzahl und weitere Anordnungen ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Induktives Ladesystem (10) zur Verwendung beim Laden von Batterien (25) eines elektrischen Fahrzeugs (12), wobei das induktive Ladesystem (10) eine Leistungsquelle (14), eine Ladestation (13), die mit der Leistungsquelle (14) gekoppelt ist, eine Ladesonde (16), die einen primären Kern (29) und eine primäre Wicklung (21) eines Transformators (20) aufweist, und zwar gekoppelt mit der Ladestation (13) mittels eines verlängerbaren Ladekabels (15), einen Ladeport (22), der in dem elektrischen Fahrzeug (12) angeordnet ist und einen sekundären Kern (33) und sekundäre Wicklungen (23) des Transformators (20) aufweist, und eine Ladesteuereinrichtung (24) umfaßt, die zwischen dem Ladeport (22) und den Batterien (25) des elektrischen Fahrzeugs (12) angeschlossen ist, wobei die primäre Wicklung (21) eine vorbestimmte Anzahl von Windungen (31) aufweist, die in einer vorbestimmten Anzahl von Schichten (38) übereinanderliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

wenigstens eine der Windungen (31) der primären Wicklung (21) eine flache, spiralförmige Wicklung (31a) mit mehrfachen Windungen aufweist, derart, daß die Anzahl der Schichten (38) kleiner ist als die Anzahl der Windungen (31).

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Wicklung (21) eine erste Schicht (38a) aufweist, die zwei spiralförmige Windungen (31a) umfaßt, die die Wicklung mit mehreren Windungen bilden, und eine zweite und eine dritte Schicht (38b, 38c) aufweist, die jeweils wendelförmige Windungen (31b) aufweisen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladesonde (16) eine Wärmesenke (32) aufweist.