WO2012031721A2 - Anordnung und verfahren zum laden einer fahrzeugbatterie - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for charging a vehicle battery according to the preamble of one of the independent claims.
  • US 4,081,737 A discloses a vehicle battery having a magnetic material plate mounted on the battery case.
  • the plate is placed near a transformer so that it can induce eddy currents in the plate, which should heat the plate and ultimately the battery.
  • the primary winding of the transformer is connected to an AC power source, its secondary winding to a rectifier and the battery poles.
  • EP 0 666 805 B1 discloses a method and a device for the contactless charging of an electric vehicle via an inductive coupling.
  • a sensor-controlled mechanism moves the primary element of an inductive transformer in the vicinity of a secondary element at the bottom or at other locations of the vehicle.
  • the primary element is sensor-controlled by motor. It is further disclosed a control of the charging current by means of a battery state detection and a contactless information transmission between the inverter of the charging station and the battery of the vehicle in both directions.
  • EP 0 666 805 B1 also describes rapid charging with a high-performance charger, for example in a parking garage during shopping.
  • the present invention has for its object to provide a technical teaching for charging a vehicle battery, the use of which the attractiveness of electric vehicles can be improved if possible.
  • an arrangement for charging a vehicle battery of a vehicle, in which a primary induction device, which is fed by an energy source outside the vehicle, generates an alternating electromagnetic field which induces an alternating current in a secondary induction device, which includes a charging device for charging the vehicle battery Energy supplied.
  • heat transfer means are provided by means of which heat energy, which is produced by power loss in the secondary induction device and / or in the charging device, at least partially for heating the vehicle battery, a vehicle interior and / or a component of an air conditioning device of the vehicle is available.
  • This use of Heat energy applies in particular to the heating of the vehicle battery, as long as the temperature of the vehicle battery is below a lower limit temperature.
  • the invention also provides a corresponding method for charging a vehicle battery.
  • the primary induction device generates an alternating electromagnetic field which induces an alternating current in a secondary induction device which supplies energy to a charging device for charging the vehicle battery.
  • the primary induction device is preferably galvanically connected to an energy source outside the vehicle.
  • energy sources are preferably the public power grid or special power supply devices into consideration, which are capable of supplying a primary induction device with electrical energy.
  • the primary induction device will preferably have a plurality of conductor loops, which are traversed by an alternating current, which is provided by the energy source outside the vehicle.
  • the primary induction device preferably does not belong to the vehicle itself but to a device that can be used in a manner similar to a fuel station of a plurality of vehicles.
  • the primary induction device is preferably configured and / or arranged such that the secondary induction device, which is preferably a component of the vehicle, can be easily brought into a position in which an alternating magnetic field generated by the primary induction device in the most effective manner in the secondary induction device can induce an alternating current.
  • the primary induction device With the aid of this alternating current flowing through the primary induction device, the primary induction device generates the electromagnetic alternating field, which in turn generates a secondary current in the secondary induction device AC power, which supplies a charging device for charging the vehicle battery with energy.
  • the charging device has the task of rectifying the induced in the secondary induction device AC, so that the resulting rectified voltage can be used to charge the vehicle battery.
  • the currents flowing in the secondary induction device and in the charging device are inevitably accompanied by a power loss, as a result of which a loss of heat develops in the secondary induction device and in the charging device, although its energy equivalence is subtracted from the energy source outside the vehicle, which however charging the battery is not available to the vehicle.
  • the present invention advantageously utilizes this heat loss, at least in part, by providing heat transfer means, with the aid of which the heat energy resulting from power loss in the secondary induction device and / or in the charging device, at least partially for heating the vehicle battery, the vehicle interior and / or a component the air conditioning device of the vehicle uses.
  • the heating of the vehicle battery is preferably carried out as long as the temperature of the vehicle battery is below a lower limit temperature. In this way, it is possible, in particular during charging at low temperatures, especially in winter outside closed rooms, to raise the temperature of the vehicle battery to be charged with the aid of the secondary induction device and / or the charger related heat loss to a value at which the loading of the Vehicle battery with greater speed, therefore in less time, and / or can be done with a greater efficiency than if the vehicle battery would be charged with a low temperature.
  • the invention thus provides, in particular, the vehicle battery to be charged, as long as its temperature is below a lower limit temperature, preheat with the help of the released in the secondary induction device and / or in the charger loss heat and so to accelerate the charging process and to increase its effectiveness.
  • the heat loss described above can be used advantageously for heating the vehicle interior or a component of the air conditioning device, which is also especially in winter at low outside temperatures is beneficial.
  • the heat transport means preferably have at least one cooling device which is set up to extract heat from the secondary induction device and / or the charging device.
  • cooling devices are of a preferably gaseous and / or liquid heat transfer medium flowing through the heat sink, which brings the secondary induction device and / or the charging device preferably via heat conducting in a heat exchange contact with the cooling medium used.
  • the cooling device is preferably designed so that an induction of such unwanted (parasitic) alternating currents as far as possible is avoided.
  • Such materials are preferably made of electrically insulating materials in which preferably metallic grains or threads are arranged finely distributed such that it does not come to an electrically conductive connection, but that cause the heat conduction properties of these metallic grains, wires or filaments sufficiently good heat conduction of these construction elements .
  • Carbon nanoparticle fillers are also preferably used to improve thermal conductivity.
  • elastic bodies are preferred because they are suitable for breaking down or collecting mechanical stresses that can be built up by temperature gradients or by time-varying temperatures in the constructions of the heat sinks.
  • heat-conducting pastes or heat-conducting adhesives preferably have good heat conduction properties in conjunction with electrically insulating properties.
  • the heat transporting means preferably further comprises at least one heating device adapted to at least partially supply the heat to the secondary induction device and / or the charging device to the vehicle battery.
  • the heating device thus takes over the heat from the cooling device and / or from the Heat transfer means and gives them at least partially to the vehicle battery.
  • the heating device is preferably designed so that a transfer of heat from the heater and thus from the heat transport means to the vehicle battery is well possible.
  • Both the cooling device and the heating device may preferably comprise active elements, such as Peltier elements, which promote heat transfer. These Peltier elements can preferably be supplied with electrical energy by the charging device.
  • the heat transport means preferably further comprise at least one heating device which is adapted to at least partially supply the heat to the secondary induction device and / or the charging device to the vehicle interior or to a component of the air conditioning device of the vehicle.
  • the heat is supplied in particular when the temperature of the vehicle battery is not below a lower limit temperature. In this way it is achieved that the preheating of the battery during the charging process has a higher priority than the preheating of the vehicle interior.
  • the lower limit temperature is preferably chosen so that it corresponds approximately to that temperature that separates the temperature range with poor charging properties of the vehicle battery from a temperature range with good charging properties of the vehicle battery. The choice of the limit temperature thus depends on the battery technology used, because different battery technologies lead to different temperature dependencies of the characteristics of the vehicle battery to be charged.
  • the heating device for heating the vehicle battery and the heating device for heating the vehicle interior or a component of the air conditioning device of the vehicle are preferably formed by a common heating device.
  • the heat transport means preferably comprise a gaseous and / or liquid material or medium which at least partially evaporates in the cooling device while absorbing heat energy and condenses in the heating device at least partially with the release of heat energy.
  • This material used as a heat transport medium is therefore preferably present within the heat transfer medium in two phases, in a liquid and in a gaseous phase, wherein the transition from the gaseous to the liquid phase in the heater expires under heat release and the transition from the liquid to the gaseous phase takes place in the cooling device with heat absorption.
  • the heat transport means preferably have a heat exchanger, particularly preferably a heat pipe.
  • the heat transfer is preferably carried out on the basis of forced convection, in which transported by macroscopic flow processes in liquids and / or gases, more preferably due to a mechanical drive by propellers, pumps or fans, heat in the form of internal energy from one place to another becomes.
  • the heat can be transmitted particularly effectively over long distances, so that can be dispensed with a spatial proximity between the vehicle battery and secondary induction device or cooling device, in particular if this spatial proximity is not possible without accepting constructive disadvantages of another kind.
  • a heat exchanger or a heat pipe in particular a so-called heat pipe or a so-called Termosyphons the heat can be transmitted particularly effectively over long distances, so that can be dispensed with a spatial proximity between the vehicle battery and secondary induction device or cooling device, in particular if this spatial proximity is not possible without accepting constructive disadvantages of another kind.
  • the vehicle battery will often be mounted in the middle of the lower vehicle area in order to be able to protect it particularly effectively against harmful mechanical effects, in particular in the case of traffic accidents.
  • the vehicle battery has a housing with heat-insulating walls. Within these heat-insulating walls, the heating device is preferably arranged at least partially. In this way it is achieved that the heat emitted by the heater heat can be supplied to the vehicle battery more effective, because an escape of heat through the walls of the vehicle battery case is largely avoided.
  • the heat transport means, the cooling device and the heating device are configured such that these devices can also cool the vehicle battery or the vehicle interior, in particular the passenger compartment, if the temperature of the vehicle battery is above an upper limit temperature, and / or if the vehicle interior, in particular the Passenger compartment, preferably due to a corresponding disposition of the air conditioning of the vehicle by the vehicle occupants to be cooled.
  • the heating device of the vehicle battery and / or the vehicle interior removes heat energy and preferably conducts this heat energy via the heat transport means to a heat sink.
  • This heat sink is preferably configured such that the heat energy withdrawn from the vehicle battery and / or the vehicle interior is released to the surroundings of the vehicle.
  • this heat energy is delivered to the outside air in the vicinity of the vehicle, or - particularly preferably - on a cooled by a heat sink located outside the vehicle heat conduction.
  • This heat conduction device preferably comprises at least one Peltier element, the warm side is brought in this mode of operation of the arrangement according to the invention with the heat sink or the heat conducting in rondleitcard.
  • This preferably takes place during the charging process by docking the Peltier element to the heat sink or the heat conducting device, which is preferably arranged in spatial proximity to the primary induction device so that it automatically becomes a heat-conducting contact when the vehicle is docked to the primary induction device the Peltier element comes with the heat sink or the heat conducting device.
  • Figure 1 shows schematically an inventive arrangement according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of another invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a subassembly of an arrangement according to the invention in accordance with a further preferred embodiment of the invention.
  • the vehicle 4 illustrated in FIG. 1 is equipped with a vehicle battery 1 and with a heating device 12, which is arranged and configured in such a way that the heating device as completely as possible completes the heat emitted by it can deliver to the vehicle battery.
  • a further heating device 15 for the vehicle interior is arranged so that this heating device can deliver the heat emitted by it as completely as possible to the vehicle interior.
  • Both heaters 12, 15 are part of a heat transport means 9 or with this heat transport means 9 in heat-exchanging connection.
  • the heat transporting means 9 transports the heat from the cooling device 11 to the heating devices 12 and 15.
  • the cooling device 11 absorbs the heat emitted by the secondary induction device 6 and passes it on to the heat transporting means 9.
  • the alternating magnetic field 5 generated by the primary induction device induces in the secondary induction device 6 an alternating current 7, which is forwarded to the charging device 8 for rectification and charging of the vehicle battery 1.
  • the cooling device 11 absorbs heat energy emitted by the secondary induction device 6 and / or by the charging device 8 and transports this heat energy by means of a heat transport medium through the heat transporting means 9 to the heating device 12, which finally delivers the heat to the vehicle battery 1.
  • the energy source 3 arranged outside the vehicle provides the energy needed for the primary induction device 2, which is preferably arranged outside the vehicle, to generate an alternating magnetic field which in the vehicle preferably arranged in the secondary secondary induction device 6 7 induces an alternating current.
  • This induced in the secondary induction device 6 AC 7 is rectified by the preferably arranged in the vehicle charging device 8 and preferably reshaped so that it can be used for charging 16 of the vehicle battery 1.
  • the charging device 8 and / or the secondary induction device 6 are preferably cooled by a cooling device 11, so that the heat that is removed from these cooled components of the arrangement can be transmitted to the vehicle battery 1 via a heat transport device 9 in thermal contact with the cooling device , This is preferably done with the aid of a heating device 12, which is in thermal contact with the heat transporting means 9 and with the vehicle battery 1.
  • a preferably provided further heating device 15 is likewise in thermal contact with the heat transporting means 9 and delivers the heat removed from the heat transporting means 9 to the vehicle interior 13.
  • the heating device 15 is preferably controlled by an air conditioning control of the vehicle and only gives off heat to the vehicle interior 13 if this is desirable due to the temperature prevailing in the vehicle interior 13.
  • the heat transport means 9, the cooling device 1 1 and the heaters 12 and 15 are configured such that these devices can also cool the vehicle battery 1 or the vehicle interior 13, in particular the passenger compartment, when the temperature of the vehicle battery is above an upper limit temperature. and / or if the vehicle interior, in particular the passenger compartment, is to be cooled, preferably on account of a corresponding disposition of the air conditioning system of the vehicle by the vehicle occupants.
  • the withdraws Heating device 12 of the vehicle battery 1 and / or withdraws the heating device 15 the vehicle interior 13 heat energy and conducts this heat energy preferably via the heat transport means 9 to a heat sink.
  • This heat sink is preferably configured such that the heat energy withdrawn from the vehicle battery 1 and / or the vehicle interior 13 is released to the surroundings of the vehicle 4.
  • this heat energy is released to the outside air in the vicinity of the vehicle, or - particularly preferably - to a heat-conducting device cooled by a heat sink located outside the vehicle
  • This heat-conducting device is preferably structurally integrated into the primary induction device 2.
  • the electrically good conductive, preferably metallic conductor loops of the primary induction device are preferably designed so that they also conduct heat well and heat from the - in this mode of operation, the primary induction device 2 supplying heat, so the heat transfer means 9 cooling - 11 decrease and on can pass on the heat sink, which in turn cools the heat conducting device.

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Abstract

Bei einer Anordnung und einem Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie (1) erzeugt eine primäre, von einer Energiequelle (3) außerhalb des Fahrzeugs (4) gespeiste Induktionseinrichtung (2) ein elektromagnetisches Wechselfeld (5). Dieses induziert in einer sekundären Induktionseinrichtung (6) einen Wechselstrom (7), der eine Ladeeinrichtung (8) zum Laden der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt. Wärmeenergie (10), die durch Verlustleistung in der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder in der Ladeeinrichtung (8) entsteht, wird mit Hilfe von Wärmetransportmitteln (9) wenigstens teilweise zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie (1) genutzt, solange die Temperatur der Fahrzeugbatterie unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt.

Description

Anordnung und Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie nach dem Oberbegriff eines der unabhängigen Patentansprüche.
Mit der zunehmenden Verbreitung von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen gewinnt die Technik des Ladens der Batterien solcher Fahrzeuge zunehmend an Bedeutung, weil Parameter des Ladevorgangs, insbesondere die Ladegeschwindigkeit und die Wirksamkeit des Ladevorgangs entscheidende Faktoren für die Attraktivität von Elektrofahrzeugen sind.
Die US 4,081 ,737 A offenbart eine Fahrzeugbatterie mit einer am Batteriegehäuse angebrachten Platte aus einem magnetischen Material. Die Platte ist in der Nähe eines Transformators angeordnet, sodass dieser Wirbelströme in der Platte induzieren kann, wodurch sich die Platte und letztlich auch die Batterie erwärmen sollen. Die primäre Wicklung des Transformators ist mit einer Wechselspannungsenergiequelle, seine sekundäre Wicklung mit einem Gleichrichter und den Batteriepolen verbunden.
Die US 4,847,468 A offenbart eine Vorwärmung für Fahrzeuge, mit deren Hilfe neben der Fahrzeugbatterie auch der Motor oder der Fahrzeugraum erwärmt werden können. Die EP 0 666 805 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Laden eines Elektrofahrzeugs über eine induktive Kopplung. Eine sensorgesteuerte Mechanik bewegt das Primärelement eines induktiven Übertragers in die Nähe eines Sekundärelements an der Unterseite oder an anderen Stellen des Fahrzeugs. Das Primärelement wird sensorgesteuert motorisch positioniert. Offenbart wird ferner eine Regelung des Ladestroms mit Hilfe einer Batteriezustandserfassung und einer berührungslosen Informationsübertragung zwischen dem Wechselrichter der Ladestation und der Batterie des Fahrzeugs in beiden Richtungen. Die EP 0 666 805 B1 beschreibt außerdem das schnelle Laden mit einem leistungsstarken Ladegerät beispielsweise in einem Parkhaus während des Einkaufens.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technische Lehre zum Laden einer Fahrzeugbatterie anzugeben, durch deren Einsatz die Attraktivität von Elektrofahrzeugen nach Möglichkeit verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung und durch ein Verfahren nach einem der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine Anordnung zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs vorgesehen, bei der eine primäre Induktionseinrichtung, die von einer Energiequelle außerhalb des Fahrzeugs gespeist wird, ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in einer sekundären Induktionseinrichtung einen Wechselstrom induziert, der eine Ladeeinrichtung zum Laden der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt. Dabei sind Wärmetransportmittel vorgesehen, mit deren Hilfe Wärmeenergie, die durch Verlustleistung in der sekundären Induktionseinrichtung und/oder in der Ladeeinrichtung entsteht, wenigstens teilweise zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie, eines Fahrzeuginnenraums und/oder einer Komponente einer Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs nutzbar ist. Diese Nutzung der Wärmeenergie gilt in Bezug auf die Erwärmung der Fahrzeugbatterie insbesondere, solange die Temperatur der Fahrzeugbatterie unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt. Die Erfindung sieht außerdem ein entsprechendes Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie vor.
Die primäre Induktionseinrichtung erzeugt also ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in einer sekundären Induktionseinrichtung einen Wechselstrom induziert, der eine Ladeeinrichtung zum Laden der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt. Die primäre Induktionseinrichtung ist dabei vorzugsweise galvanisch mit einer Energiequelle außerhalb des Fahrzeugs verbunden. Als solche Energiequellen kommen vorzugsweise das öffentliche Stromnetz oder auch spezielle Stromversorgungseinrichtungen in Betracht, die zur Versorgung einer primären Induktionseinrichtung mit elektrischer Energie in der Lage sind.
Die primäre Induktionseinrichtung wird dabei vorzugsweise eine Mehrzahl von Leiterschleifen aufweisen, die von einem Wechselstrom durchflössen werden, der von der Energiequelle außerhalb des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Die primäre Induktionseinrichtung gehört dabei vorzugsweise selbst nicht zum Fahrzeug, sondern zu einer Einrichtung, die in ähnlicher Weise wie eine Kraftstofftankstelle von einer Vielzahl von Fahrzeugen benutzt werden kann. Die primäre Induktionseinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet und/oder angeordnet, dass die sekundäre Induktionseinrichtung, die vorzugsweise ein Bestandteil des Fahrzeugs ist, in einfacher Weise in eine Position gebracht werden kann, in der ein von der primären Induktionseinrichtung erzeugtes magnetisches Wechselfeld auf möglichst wirkungsvolle Weise in der sekundären Induktionseinrichtung einen Wechselstrom induzieren kann.
Die primäre Induktionseinrichtung erzeugt mit Hilfe dieses durch die primäre Induktionseinrichtung fließenden Wechselstroms das elektromagnetische Wechselfeld, welches in der sekundären Induktionseinrichtung wiederum einen Wechselstrom induziert, der eine Ladeeinrichtung zum Laden der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt. Die Ladeeinrichtung hat dabei die Aufgabe, den in der sekundären Induktionseinrichtung induzierten Wechselstrom gleichzurichten, damit die dabei entstehende gleichgerichtete Spannung zum Laden der Fahrzeugbatterie verwendet werden kann.
Die in der sekundären Induktionseinrichtung und in der Ladeeinrichtung fließenden Ströme gehen dabei unvermeidlich mit einer Verlustleistung einher, in deren Folge sich in der sekundären Induktionseinrichtung und in der Ladeeinrichtung eine Verlustwärme entwickelt, deren Energieäquivalenz zwar von der Energiequelle außerhalb des Fahrzeugs abgezogen wird, welches jedoch nach dem Laden der Batterie dem Fahrzeug nicht zur Verfügung steht.
Die vorliegende Erfindung nutzt diese Verlustwärme vorteilhafterweise wenigstens teilweise, indem sie Wärmetransportmittel vorsieht, mit deren Hilfe die Wärmeenergie, die durch Verlustleistung in der sekundären Induktionseinrichtung und/oder in der Ladeeinrichtung entsteht, wenigstens teilweise zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie, des Fahrzeuginnenraums und/oder einer Komponente der Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs nutzt.
Die Erwärmung der Fahrzeugbatterie geschieht vorzugsweise, solange die Temperatur der Fahrzeugbatterie unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt. Auf diese Weise ist es insbesondere bei Ladevorgängen bei tiefen Temperaturen, insbesondere im Winter außerhalb geschlossener Räume möglich, die Temperatur der zu ladenden Fahrzeugbatterie mit Hilfe der aus der sekundären Induktionseinrichtung und/oder der Ladeeinrichtung bezogenen Verlustwärme auf einen Wert anzuheben, bei dem das Laden der Fahrzeugbatterie mit größerer Geschwindigkeit, daher in kürzerer Zeit, und/oder mit einem größeren Wirkungsgrad erfolgen kann als wenn die Fahrzeugbatterie mit einer tiefen Temperatur geladen würde. Die Erfindung sieht also insbesondere vor, die zu ladende Fahrzeugbatterie, solange deren Temperatur unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt, mit Hilfe der in der sekundären Induktionseinrichtung und/oder in der Ladeeinrichtung freigesetzten Verlustwärme vorzuwärmen und so den Ladeprozess zu beschleunigen und seine Wirksamkeit zu steigern.
Falls die Temperatur der Fahrzeugbatterie nicht unterhalb der unteren Grenztemperatur liegt und die Fahrzeugbatterie deshalb nicht erwärmt werden muss bzw. soll, so kann die oben beschriebene Verlustwärme in vorteilhafter Weise zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums bzw. einer Komponente der Klimatisierungseinrichtung genutzt werden, was ebenfalls insbesondere im Winter bei tiefen Außentemperaturen von Vorteil ist.
Die Wärmetransportmittel weisen dabei vorzugsweise wenigstens eine Kühleinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, der sekundären Induktionseinrichtung und/oder der Ladeeinrichtung Wärme zu entziehen. Beispiele für solche Kühleinrichtungen sind von einem vorzugsweise gasförmigen und/oder flüssigen Wärmetransportmedium durchflossene Kühlkörper, der die sekundäre Induktionseinrichtung und/oder die Ladeeinrichtung vorzugsweise über Wärmeleitmittel in einen Wärmeaustauschkontakt mit dem verwendeten Kühlmedium bringt. Um zu vermeiden, dass in den vorzugsweise gut wärmeleitenden Konstruktionselementen der Kühleinrichtung, die vorzugsweise in engem räumlichen Kontakt zu der sekundären Induktionseinrichtung stehen, unerwünschte Ströme induziert werden, ist die Kühleinrichtung vorzugsweise so gestaltet, dass eine Induktion derartiger unerwünschter (parasitärer) Wechselströme soweit wie möglich vermieden wird. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, geschlossene Schleifen aus elektrisch leitendem Material bei der Konstruktion der Kühleinrichtung soweit wie möglich zu vermeiden. Außerdem ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, elektrisch leitende und wärmeleitende Bereiche der Kühleinrichtung vorzugsweise wenigstens stückweise mit elektrisch isolierenden und vorzugsweise gut wärmeleitenden Konstruktionselementen zu unterbrechen, damit in diesen ansonsten elektrisch leitfähigen Konstruktionsbereichen der Kühleinrichtung keine unerwünschten Ströme induziert werden können. Vorzugsweise werden hierfür Wämneleitfolien oder andere wärmeleitende aber elektrisch isolierende Materialien eingesetzt. Solche Materialien bestehen vorzugsweise aus elektrisch isolierenden Stoffen, in denen vorzugsweise metallische Körner oder Fäden fein verteilt derart angeordnet sind, dass es nicht zu einer elektrisch leitenden Verbindung kommt, dass jedoch die Wärmeleitungseigenschaften dieser metallischen Körner, Drähte oder Fäden eine ausreichend gute Wärmeleitung dieser Konstruktionselemente bewirken. Bevorzugt werden dazu Körper aus Silikon oder Zinkoxid verwendet, in die Partikel, Fäden oder Drähte aus Aluminium, Kupfer oder auch Silber eingelassen sind. Auch Füllstoffe aus Kohlenstoff-Nanopartikeln werden bevorzugt zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit verwendet. Bevorzugt sind hierbei elastische Körper, weil diese geeignet sind, mechanische Spannungen, die von Temperaturgradienten oder von zeitlich veränderlichen Temperaturen in den Konstruktionen der Kühlkörper aufgebaut werden können, abzubauen oder aufzufangen. An den Übergängen zwischen der Kühleinrichtung oder den Wärmeleitmitteln und den zu kühlenden sekundären Induktionseinrichtungen oder Teilen der Ladeeinrichtung kommen vorzugsweise auch Wärmeleitpasten oder Wärmeleitkleber zum Einsatz. Vorzugsweise weisen diese Wärmeleitpasten oder Wärmeleitkleber gute Wärmeleitungseigenschaften in Verbindung mit elektrisch isolierenden Eigenschaften auf.
Die Wärmetransportmittel weisen vorzugsweise außerdem wenigstens eine Heizeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, der sekundären Induktionseinrichtung und/oder der Ladeeinrichtung entzogene Wärme wenigstens teilweise der Fahrzeugbatterie zuzuführen. Die Heizeinrichtung übernimmt also die Wärme von der Kühleinrichtung und/oder von den Wärmetransportmitteln und gibt sie wenigstens teilweise an die Fahrzeugbatterie ab. Dazu ist die Heizeinrichtung vorzugsweise so konstruiert, dass ein Übergang der Wärme von der Heizeinrichtung und damit von den Wärmetransportmitteln auf die Fahrzeugbatterie gut möglich ist. Sowohl die Kühleinrichtung als auch die Heizeinrichtung können vorzugsweise aktive Elemente wie beispielsweise Peltier-Elemente umfassen, die einen Wärmeübergang fördern. Diese Peltier-Elemente können vorzugsweise von der Ladeeinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Wärmetransportmittel weisen vorzugsweise außerdem wenigstens eine Heizeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, der sekundären Induktionseinrichtung und/oder der Ladeeinrichtung entzogene Wärme wenigstens teilweise dem Fahrzeuginnenraum bzw. einer Komponente der Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs zuzuführen. Die Wärmezufuhr erfolgt insbesondere dann, wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie nicht unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Vorwärmen der Batterie beim Ladevorgang eine höhere Priorität besitzt als das Vorwärmen des Fahrzeuginnenraums. Die untere Grenztemperatur wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass sie näherungsweise derjenigen Temperatur entspricht, die den Temperaturbereich mit schlechten Ladeeigenschaften der Fahrzeugbatterie von einem Temperaturbereich mit guten Ladeeigenschaften der Fahrzeugbatterie trennt. Die Wahl der Grenztemperatur hängt somit von der verwendeten Batterietechnologie ab, weil unterschiedliche Batterietechnologien zu unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten der Kennlinien der zu ladenden Fahrzeugbatterie führen.
Die Heizeinrichtung zum Erwärmen der Fahrzeugbatterie und die Heizeinrichtung zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums bzw. einer Komponente der Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs werden vorzugsweise durch eine gemeinsame Heizeinrichtung gebildet. Die Wärmetransportmittel weisen vorzugsweise ein gasförmiges und/oder flüssiges Material bzw. Medium auf, das in der Kühleinrichtung wenigstens teilweise unter Aufnahme von Wärmeenergie verdampft und in der Heizeinrichtung wenigstens teilweise unter Abgabe von Wärmeenergie kondensiert. Dieses als Wärmetransportmedium verwendete Material ist daher innerhalb der Wärmetransportmittel vorzugsweise in zwei Phasen vorhanden, in einer flüssigen und in einer gasförmigen Phase, wobei der Übergang von der gasförmigen zur flüssigen Phase in der Heizeinrichtung unter Wärmeabgabe abläuft und wobei der Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase in der Kühleinrichtung unter Wärmeaufnahme erfolgt. Mit Vorteil wählt man dieses Material so aus, dass die mit dem Phasenübergang verbundene latente Wärme möglichst groß ist, weil auf diese Weise ein sehr wirkungsvoller Wärmetransport in den Wärmetransportmitteln erfolgen kann. Die Wärmetransportmittel weisen vorzugsweise einen Wärmeübertrager auf, besonders vorzugsweise ein Wärmerohr. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei vorzugsweise auf der Grundlage der erzwungenen Konvektion, bei der durch makroskopische Strömungsvorgänge in Flüssigkeiten und/oder Gasen, besonders vorzugsweise auf Grund eines mechanischen Antriebs durch Propeller, Pumpen oder Ventilatoren, Wärme in Form von innerer Energie von einem Ort zum anderen befördert wird. Durch die Verwendung eines Wärmeübertragers oder eines Wärmerohres, insbesondere einer so genannten Heat-Pipe oder eines so genannten Termosyphons kann die Wärme besonders wirksam auch über größere Distanzen übertragen werden, sodass auf eine räumliche Nähe zwischen Fahrzeugbatterie und sekundärerer Induktionseinrichtung oder Kühleinrichtung verzichtet werden kann, insbesondere dann, wenn diese räumliche Nähe ohne Inkaufnahme konstruktiver Nachteile anderer Art nicht möglich ist. Bei einem Elektrofahrzeug wird es häufig wünschenswert sein, die sekundäre Induktionseinrichtung in der Nähe der äußeren Begrenzung des Fahrzeugs anzuordnen, um beim Ladevorgang ein unkompliziertes Andocken des Fahrzeugs an die Ladestation zu ermöglichen, bei dem die sekundäre Induktionseinrichtung in eine Position relativ zu der primären Induktionseinrichtung kommt, die eine wirkungsvolle Induktion ermöglicht. Die Fahrzeugbatterie wird dagegen häufig in der Mitte des unteren Fahrzeugbereichs angebracht sein, um sie besonders wirkungsvoll gegen schädliche mechanische Einwirkungen, insbesondere bei Verkehrsunfällen schützen zu können. Vorzugsweise besitzt die Fahrzeugbatterie ein Gehäuse mit wärmeisolierenden Wänden. Innerhalb dieser wärmeisolierenden Wände ist vorzugsweise die Heizeinrichtung wenigstens teilweise angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die von der Heizeinrichtung abgegebene Wärme wirkungsvoller der Fahrzeugbatterie zugeführt werden kann, weil ein Entweichen der Wärme durch die Wände des Fahrzeugbatteriegehäuses weitgehend vermieden wird.
Vorzugsweise sind die Wärmetransportmittel, die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung derart ausgestaltet, dass diese Einrichtungen die Fahrzeugbatterie oder den Fahrzeuginnenraum, insbesondere den Fahrgastraum, auch kühlen können, wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie über einer oberen Grenztemperatur liegt, und/oder wenn der Fahrzeuginnenraum, insbesondere der Fahrgastraum, vorzugsweise aufgrund einer entsprechenden Disposition der Klimaanlage des Fahrzeugs durch die Fahrzeuginsassen, gekühlt werden soll. In diesen Fällen entzieht die Heizeinrichtung der Fahrzeugbatterie und/oder dem Fahrzeuginnenraum Wärmenergie und leitet diese Wärmeenergie vorzugsweise über die Wärmetransportmittel zu einer Wärmesenke. Diese Wärmesenke ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die der Fahrzeugbatterie und/oder dem Fahrzeuginnenraum entzogene Wärmenergie an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben wird. Vorzugsweise wird diese Wärmeenergie an die Außenluft in der Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, oder - besonders vorzugsweise - an eine von einer außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Wärmesenke gekühlte Wärmeleiteinrichtung.
Diese Wärmeleiteinrichtung umfasst vorzugsweise wenigstens ein Peltier- Element, dessen warme Seite bei dieser Betriebsart der erfindungsgemäßen Anordnung mit der Wärmesenke oder der Wärmeleiteinrichtung in Wärmeleitkontakt gebracht wird. Dies geschieht während des Ladevorgangs vorzugsweise durch ein Andocken des Peltier-Elementes an der Wärmesenke oder der Wärmeleiteinrichtung, die vorzugsweise in räumlicher Nähe zu der primären Induktionseinrichtung so angeordnet ist, dass es bei dem Andocken des Fahrzeugs an die primäre Induktionseinrichtung automatisch zu einem Wärme leitenden Kontakt des Peltier-Elementes mit der Wärmesenke oder der Wärmeleiteinrichtung kommt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen
Anordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Teilanordnung einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Das in Figur 1 dargestellte Fahrzeug 4 ist mit einer Fahrzeugbatterie 1 und mit einer Heizeinrichtung 12 ausgestattet, die so angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Heizeinrichtung die von ihr abgegebene Wärme möglichst vollständig an die Fahrzeugbatterie abgeben kann. Eine weitere Heizeinrichtung 15 für den Fahrzeuginnenraum ist so angeordnet, dass diese Heizeinrichtung die von ihr abgegebene Wärme möglichst vollständig an den Fahrzeuginnenraum abgeben kann. Beide Heizeinrichtungen 12, 15 sind Bestandteil eines Wärmetransportmittels 9 oder mit diesem Wärmetransportmittel 9 in wärmeaustauschender Verbindung.
Das Wärmetransportmittel 9 transportiert die Wärme von der Kühleinrichtung 11 zu den Heizeinrichtungen 12 und 15. Die Kühleinrichtung 11 nimmt die von der sekundären Induktionseinrichtung 6 abgegebene Wärme auf und gibt sie an die Wärmetransportmittel 9 weiter. Das von der primären Induktionseinrichtung erzeugte magnetische Wechselfeld 5 induziert in der sekundären Induktionseinrichtung 6 einen Wechselstrom 7, der an die Ladeeinrichtung 8 zur Gleichrichtung und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 1 weitergegeben wird.
Durch unvermeidliche Leistungsverluste entstehen dabei in allen stromführenden Teilen, insbesondere in der primären und in der sekundären Induktionseinrichtung, aber auch in der Ladeeinrichtung 8, Wärmeenergie, die erfindungsgemäß zum Erwärmen der Fahrzeugbatterie 1 und vorzugsweise auch zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums 13 verwendet wird.
Die Kühleinrichtung 11 nimmt dazu von der sekundären Induktionseinrichtung 6 und/oder von der Ladeeinrichtung 8 abgegebene Wärmeenergie auf und transportiert diese Wärmeenergie mit Hilfe eines Wärmetransportmediums durch die Wärmetransportmittel 9 zu der Heizeinrichtung 12, welche die Wärme schließlich an die Fahrzeugbatterie 1 abgibt.
Wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, stellt die außerhalb des Fahrzeugs angeordnete Energiequelle 3 die Energie bereit, die benötigt wird, damit die vorzugsweise außerhalb des Fahrzeugs angeordnete primäre Induktionseinrichtung 2 ein magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, welches in der vorzugsweise im Fahrzeug angeordneten sekundären Induktionseinrichtung 6 einen Wechselstrom 7 induziert. Dieser in der sekundären Induktionseinrichtung 6 induzierte Wechselstrom 7 wird von der vorzugsweise im Fahrzeug angeordneten Ladeeinrichtung 8 gleichgerichtet und vorzugsweise so umgeformt, dass er zum Laden 16 der Fahrzeugbatterie 1 verwendet werden kann.
Die Ladeeinrichtung 8 und/oder die sekundäre Induktionseinrichtung 6 werden vorzugsweise von einer Kühleinrichtung 1 1 gekühlt, sodass die Wärme, die diesen gekühlten Bestandteilen der Anordnung entzogen wird, über ein mit der Kühleinrichtung in thermischem Kontakt stehendes Wärmetransportmittel 9 an die Fahrzeugbatterie 1 übertragen werden kann. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer Heizeinrichtung 12, die in thermischem Kontakt mit dem Wärmetransportmittel 9 und mit der Fahrzeugbatterie 1 steht. Eine vorzugsweise vorgesehene weitere Heizeinrichtung 15 steht ebenfalls mit dem Wärmetransportmittel 9 in thermischem Kontakt und gibt die dem Wärmetransportmittel 9 entnommene Wärme an den Fahrzeuginnenraum 13 ab.
Die Heizeinrichtung 15 wird vorzugsweise von einer Klimaanlagensteuerung des Fahrzeugs gesteuert und gibt nur dann Wärme an den Fahrzeuginnenraum 13 ab, wenn dies aufgrund der im Fahrzeuginnenraum 13 herrschenden Temperatur wünschenswert ist.
Vorzugsweise sind die Wärmetransportmittel 9, die Kühleinrichtung 1 1 und die Heizeinrichtungen 12 und 15 derart ausgestaltet, dass diese Einrichtungen die Fahrzeugbatterie 1 bzw. den Fahrzeuginnenraum 13, insbesondere den Fahrgastraum, auch kühlen können, wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie über einer oberen Grenztemperatur liegt, und/oder wenn der Fahrzeuginnenraum, insbesondere der Fahrgastraum, vorzugsweise aufgrund einer entsprechenden Disposition der Klimaanlage des Fahrzeugs durch die Fahrzeuginsassen, gekühlt werden soll. In diesen Fällen entzieht die Heizeinrichtung 12 der Fahrzeugbatterie 1 und/oder entzieht die Heizeinrichtung 15 dem Fahrzeuginnenraum 13 Wärmenergie und leitet diese Wärmeenergie vorzugsweise über die Wärmetransportmittel 9 zu einer Wärmesenke. Diese Wärmesenke ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die der Fahrzeugbatterie 1 und/oder dem Fahrzeuginnenraum 13 entzogene Wärmenergie an die Umgebung des Fahrzeugs 4 abgegeben wird. Vorzugsweise wird diese Wärmeenergie an die Außenluft in der Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, oder - besonders vorzugsweise - an eine von einer außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Wärmesenke gekühlte Wärmeleiteinrichtung
Diese Wärmeleiteinrichtung ist vorzugsweise baulich in die primäre Induktionseinrichtung 2 integriert. Die elektrisch gut leitfähigen, vorzugsweise metallischen Leiterschleifen der primären Induktionseinrichtung sind dazu vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie auch Wärme gut leiten und Wärme von der - in diesem Betriebsmodus die primäre Induktionseinrichtung 2 mit Wärme versorgende, also die Wärmetransportmittel 9 kühlende - Kühleinrichtung 11 abnehmen und an die Wärmesenke weitergeben können, die ihrerseits die Wärmeleiteinrichtung kühlt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Anordnung zum Laden einer Fahrzeugbatterie (1 ) eines Fahrzeugs (4), mit einer sekundären Induktionseinrichtung (6), die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass eine primäre Induktionseinrichtung (2), die von einer Energiequelle (3) außerhalb des Fahrzeugs (4) gespeist wird und ein elektromagnetisches Wechselfeld (5) erzeugt, in der sekundären Induktionseinrichtung (6) einen Wechselstrom (7) induzieren kann, der eine Ladeinrichtung (8) zum Laden der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Wärmetransportmittel (9) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe Wärmeenergie (10), die durch Verlustleistung in der sekundären
Induktionseinrichtung (6) und/oder in der Ladeeinrichtung (8) entsteht, wenigstens teilweise zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie (1), eines Fahrzeuginnenraums (13) und/oder einer Komponente einer
Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs (4) nutzbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetransportmittel (9) wenigstens eine Kühleinrichtung (1 1 ) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder der Ladeeinrichtung (8) Wärme zu entziehen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetransportmittel (9) wenigstens eine Heizeinrichtung (12) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder der Ladeeinrichtung (8) entzogene Wärme wenigstens teilweise der Fahrzeugbatterie (1) zuzuführen.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetransportmittel (9) wenigstens eine Heizeinrichtung (15) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Fahrzeuginnenraum (13) und/oder eine Komponente der Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs (4) dann zu heizen, wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie (1 ) nicht unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetransportmittel (9) ein gasförmiges und/oder flüssiges Material (14) aufweisen, das in der Kühleinrichtung (1 1 ) wenigstens teilweise unter Aufnahme von Wärmenergie verdampft und in der Heizeinrichtung (12, 15) wenigstens teilweise unter Abgabe von Wärmeenergie kondensiert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heizeinrichtung (12, 15) wenigstens teilweise innerhalb eines
Gehäuses der Fahrzeugbatterie (1 ) mit wärmeisolierenden Wänden angeordnet ist.
Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie (1 ) eines Fahrzeugs (4), bei welchem eine primäre Induktionseinrichtung (2), die von einer
Energiequelle außerhalb des Fahrzeugs (4) gespeist wird, ein
elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das in einer sekundären Induktionseinrichtung (6) einen Wechselstrom induziert, der eine
Ladeeinrichtung (8) zum Laden der Fahrzeugbatterie (1) mit Energie versorgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
Wärmeenergie, die durch Verlustleistung in der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder in der Ladeeinrichtung (8) entsteht, mit Hilfe hierzu vorgesehener Wärmetransportmittel (9) wenigstens teilweise zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie (1 ), eines Fahrzeuginnenraums (13) und/oder einer Komponente einer Klimatisierungseinrichtung des
Fahrzeugs (4) genutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeenergie mit Hilfe der hierzu vorgesehenen
Wärmetransportmittel (9) wenigstens teilweise zur Erwärmung der
Fahrzeugbatterie (1 ) genutzt wird, solange die Temperatur der
Fahrzeugbatterie (1 ) unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder der Ladeeinrichtung (8) mittels wenigstens einer Kühlreinrichtung (1 1) der Wärmetransportmittel (9) Wärme entzogen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der sekundären Induktionseinrichtung (6) und/oder der Ladeeinrichtung (8) entzogene Wärme mittels wenigstens einer Heizeinrichtung (12) der Wärmetransportmittel (9) wenigstens teilweise der Fahrzeugbatterie (1 ) zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fahrzeuginnenraum (13) bzw. die Komponente der
Klimatisierungseinrichtung mittels wenigstens einer Heizeinrichtung (15) der Wärmetransportmittel (9) geheizt wird, wenn die Temperatur der Fahrzeugbatterie (1 ) nicht unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetransportmittel (9) ein gasförmiges und/oder flüssiges Material (14) aufweisen, das in der Kühleinrichtung (11) wenigstens teilweise unter Aufnahme von Wärmenergie verdampft und in der Heizeinrichtung (12, 15) wenigstens teilweise unter Abgabe von Wärmeenergie kondensiert.
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