WO2020083608A1 - Ladevorrichtung zum verbinden eines elektrischen energiespeichers eines kraftfahrzeugs mit einer ladestation - Google Patents

Ladevorrichtung zum verbinden eines elektrischen energiespeichers eines kraftfahrzeugs mit einer ladestation Download PDF

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WO2020083608A1
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charging
line
latent heat
connecting element
motor vehicle
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Josef Poemmerl
Melissa BOWLER
Mark Aaron Chan
Markus Feigl
Martin Rau
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Charging device for connecting an electrical energy storage device
  • the invention relates to a charging device for connecting an electrical
  • Electrically drivable motor vehicles which are designed in particular as passenger cars, generally have an energy store, in particular in the form of a traction battery, for storing electrical energy.
  • the size of the energy storage or the battery determines the range of the
  • the charging time depends on the charging speed. If, for example, the electrical energy is provided by a charging station with particularly high power, the charging speed of the motor vehicle can depend on a maximum reception power of the motor vehicle for the electrical energy.
  • the essentially limiting factor here is the heat generated by a current flow, which is particularly due to power loss, for example
  • DE 10 2017 010 038 A1 shows a charging device for inductively charging an energy store of a motor vehicle, with at least one charging coil for inductively transmitting electrical energy for charging the energy store, the
  • Charging coil is at least partially embedded in a material by means of which heat can be absorbed by the charging coil for passive cooling.
  • the object of the present invention is therefore to provide a charging device by means of which an electrical energy store of a motor vehicle can be charged at a particularly high charging speed.
  • a charging device for connecting an electrical energy store of a motor vehicle to a charging station for electrical energy with the features of the independent patent claim.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and the description.
  • the invention relates to a charging device for connecting an electrical
  • the charging device comprises a charging line with at least one line, which can be formed in particular from copper, for carrying a charging current. Furthermore, the
  • Charging device at least one connecting element, via which the charging line can be connected to a corresponding connecting element between the electrical energy store and the charging station.
  • the charging line can in particular be designed as a charging cable and the at least one line is in particular a wire of the cable.
  • the connecting element is, for example, a charging socket, so that the corresponding connecting element is advantageously designed as a charging plug that fits into the charging socket.
  • the motor vehicle is, in particular, an electrically operable motor vehicle with an electrical machine which can be supplied with energy by the electrical energy store, which is designed in particular as a traction battery and / or high-voltage store.
  • the connecting element is also referred to as the charging interface.
  • At least one latent heat store is provided on the charging line and / or on the at least one connecting element, by means of which heat generated during the charging process can be absorbed.
  • the latent heat store is designed to store heat supplied to it, in particular hidden, so-called latent heat. This means that the latent heat storage can absorb thermal energy without changing its temperature itself. This usually happens because the Latent heat storage comprises at least one phase change material, which has its aggregate state and / or another phase, in particular by one
  • the at least one latent heat accumulator is arranged on the charging line and / or the connecting element, both of which in each case generate heat in particular during the charging process.
  • its latent heat store comprises a phase change material which can absorb the emitted heat particularly advantageously, since the energy of the heat is used to change the state of the phase change material. This prevents excessive heating of the phase change material, but also the actual exemplary copper line or line.
  • the phase change material can, in particular depending on its volume or the volume of the latent heat storage, absorb only a limited amount of heat as a function of the energy to be absorbed, which heat can, for example, be emitted again after the charging process has ended.
  • the latent heat store can, for example, depend on the storage size
  • the storage capacity of the electrical energy store can be dimensioned, the storage capacity being dependent, for example, on the vehicle type of the motor vehicle.
  • the storage capacity of the energy store can be selected to be smaller in a small car than in a medium-sized car or
  • the latent heat storage device according to the invention can be dimensioned such that the high loading speed can be realized particularly advantageously with particularly inexpensive use of materials.
  • a user of the motor vehicle can thus charge his motor vehicle at a desired time, which can be particularly short.
  • the latent heat store can absorb heat without changing its temperature itself makes it possible to reach one during the charging process
  • Limit temperature of at least one component involved in the charging process, such as the connecting element is delayed, which results in the advantage that the charging speed can be kept particularly high or the charging time can be kept particularly short. Passive cooling of the charging device can thus be formed by the latent heat store. For example, it is possible to use particularly high charging currents, as a result of which the charging time is particularly short, since the power loss, in particular due to a contact resistance, is softer between the connecting elements and the
  • Corresponding connecting element can occur, can be kept particularly low. Since the respective limit temperature is reached particularly late, early throttling of the performance of the charging process can be avoided.
  • the invention is based on the finding that, for example in the case of a DC rapid charging device, the limit temperature at a charging socket, which can be represented by the connecting element, is reached at approximately 90 ° Celsius, as a result of which the charging process can take approximately ten minutes longer.
  • the invention therefore focuses on being able to dissipate the heat generated as quickly and uniformly as possible from the respective component, for example the charging socket, and to pass it on to an environment, which is achieved by the charging device according to the invention, in particular in one embodiment the charging line and the
  • Connection element between the charging station and the motor vehicle are arranged.
  • the charging string and the charging string are provided in an advantageous embodiment of the invention.
  • the charging device is integrated in the motor vehicle.
  • the charging line connects the electrical energy storage device to a connecting element, in particular designed as a charging socket, which is arranged, for example, on an outer skin of the motor vehicle.
  • the charging line and the connecting element are components of the charging station. In other words, it is
  • the charging line is designed, for example, as a charging cable of the charging station, which has at one end the connecting element in the form of a charging plug, for example a type 2 plug, which can be inserted into a corresponding charging socket of a motor vehicle.
  • a charging plug for example a type 2 plug
  • the charging device which is designed for passive cooling, is available for every electric vehicle which is to be charged by the charging station.
  • the line is at least partially surrounded by insulation, on the side of which facing away from the line, the latent heat store is arranged in at least one partial area.
  • the line or wire through the insulation is designed as a type of cable, the latent heat accumulator being arranged on the outside of the insulation, ie on the outside of the cable, at least in a partial region.
  • the insulation is preferably formed from a rubber, in particular from a silicone rubber, which has particularly good insulating properties with, for example, particularly high flexibility of the line or of the charging line, in particular in the form of a cable.
  • the line or wire of the charging strand is preferably, for example, a copper cable and the insulation, which sheaths the copper cable or sheaths the copper wire, conducts the heat generated by the charging process to the latent heat storage device, so that the energy released by the heat is stored in it and thus the achievement of the Limit temperature of the charging line or at least one connecting element adjacent to it can be delayed.
  • a high charging speed and thus a quick charging concept can be realized particularly advantageously.
  • the partial area encloses the line on the outside circumference in at least one direction and is along the
  • the extent along the longitudinal direction can be short or long. This results in a charge line with a substantially round cross section
  • a substantially ring-shaped partial area if the length along the longitudinal direction or the extent along the
  • the latent heat storage is arranged essentially hose-like around the line.
  • a large part of the charging line can be cooled particularly advantageously.
  • a plurality of subareas are formed, which are ring-shaped, for example, a particularly simple manufacture and / or a particularly high flexibility of the charging string can be realized by arranging the ring elements in a row.
  • the partial area is interrupted by at least one partition, which is also made in particular from the material of the
  • the at least one partition if the line has a substantially round cross section, can be formed, for example, radially outward, so that, for example, the partition can be used to implement individual chambers along the line on the outer circumference side, each of which can be filled with the phase change material as latent heat storage.
  • the at least one partition in the partial area, which for example the
  • Latent heat storage interrupts for example, a mechanical at least the charging line of the charging device can be implemented particularly advantageously.
  • the partial area, which comprises the latent heat store extends helically around the at least one line.
  • the latent heat store is wound helically around the at least one line, making it particularly easy to form, for example, and at the same time a particularly large part of the line can be provided with a latent heat store.
  • the charging line comprises a plurality of lines, the respectively mentioned embodiment or a combination of these can each be carried out by a single line or can be combined in any combination by several lines, which surrounds a particularly flexible configuration of the charging line.
  • the connecting element is designed as a charging socket or as a charging plug. In the first case it is
  • Corresponding connecting element is designed as a charging plug, for example a type 2 plug and in the second case as a charging socket, which can be located, for example, in particular on the motor vehicle or on the charging station.
  • a charging socket and charging plug Through the design as a charging socket and charging plug, a connection between the charging device and the motor vehicle or between the charging device and the charging station or between the charging device can be connected in a particularly simple and advantageous manner
  • the latent heat store is arranged on at least one contact element of the connecting element.
  • the latent heat store is, in particular thermally, connected to the contact element of the connecting element, the contact element being a contact pin of the case, for example, in the event that the connecting element is a charging plug
  • Charging plug can be.
  • the connecting element is designed as a charging socket
  • the contact element is, for example, that for the
  • the contact element of the connecting element can particularly advantageously absorb a quantity of heat at one of the points at which the greatest heat development can be expected due to the contact resistance, so that one of the regions of the charging device which are most thermally stressed can be tempered or kept at a temperature by the passive "cooling".
  • the latent heat store comprises at least one phase change material which has paraffin and / or carbon.
  • the phase change material of the latent heat storage is thus at least partially made of paraffin. Additionally or alternatively, the phase change material is at least partially made of carbon.
  • the paraffin for example, is a temperature for the phase change that stores the latent heat
  • Phase change material can represent, for example, a particularly advantageous thermal conductivity possible due to the graphite contained, whereby, for example, a particularly good thermal contact between the component to be cooled
  • Connecting element and / or charging line and latent heat storage can be realized.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a charging device for connecting an electrical energy store of a motor vehicle to a charging station, to a charging line and to a connecting element;
  • Fig. 2 shows a schematic structure of the connecting element of the
  • Charging device designed as a charging plug
  • FIG. 3 shows a schematic structure of the charging line of the charging device
  • Fig. 4 shows a cross section of a further embodiment of the charging line of the
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a charging device 10 for connecting an electrical energy store 14 of a motor vehicle 16 to a charging station 24, with a charging line 12 and a connecting element 20.
  • the charging line 12 has at least one line 18, which is in particular made of copper and represents a core or a core of the charging line 12, which is designed in particular as a charging cable.
  • the line 18 is used to carry a charging current.
  • the charging device 10 has at least one connecting element 20, via which the charging line 12 can be connected to a corresponding connecting element 22 between the energy store 14 and the charging station 24.
  • At least one latent heat storage 26 is provided on the charging line 12 and / or on the at least one connecting element 20, by means of which heat generated during the charging process can be absorbed.
  • the charging line 12 and the connecting element 20 are advantageously
  • Components of the motor vehicle 16, for example the connecting element 20 advantageously, as can be seen in FIG. 1, as a charging socket, in particular the
  • Connection element 20 may also be a component of the charging station 24.
  • the charging device 10 is neither a component of the motor vehicle 16 nor the charging station 24, but is designed independently and serves to connect the motor vehicle 16 and the charging station 24.
  • the motor vehicle 16 is advantageously an electrically powered passenger car and the charging station 24 can advantageously be used, for example, as a charging station for the charging infrastructure element be trained or in the simple case also as a conventional socket.
  • the at least one latent heat store 26 comprises at least one
  • Phase change material that includes paraffin and / or carbon.
  • Phase change material is a material that changes its state of matter in a predetermined range, energy, in particular in the form of supplied heat, not contributing to the temperature increase of the phase change material, but being applied to the state of matter or another
  • Phase change material and thus the latent heat storage 26 initially maintains its temperature despite the heat supplied.
  • the paraffin can make it possible, for example, to achieve phase change temperatures of around 55 ° Celsius, which is particularly advantageous for charging the motor vehicle 16. If the phase change material additionally contains carbon, its mechanical stability, for example, can be particularly advantageous.
  • Connection element 20 of the latent heat storage arranged. It can
  • Contact element 28 if the connecting element 20, for example, as shown in FIG. 3, is designed as a charging plug, can be a contact pin. It offers
  • the connecting element 20 is designed as a charging socket
  • Corresponding connecting element 22 can be designed as a plug or vice versa.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the loading device 10, in which the
  • Connecting element 20 is designed as a charging plug, on which the
  • Latent heat storage 26 is arranged.
  • 3 shows the charging line 12 of the charging device 10, which is essentially cable-shaped, so that the line 18 in particular forms a copper wire of the cable-like charging line. As a result, the charging current can be guided particularly advantageously.
  • the line 18 is surrounded by insulation 30, which in
  • Embodiment can in turn be surrounded by a filler 32 and a braid 34, which is finally followed by an outer insulation 36.
  • the charging line 12 shown can be designed as a conventional cable, which
  • both the insulation 30 and the outer insulation 36 and the further outer insulation 38 are each made of silicone rubber, which can ensure particularly good electrical insulation properties with simultaneous flexibility of the charging strand 12.
  • the charge line shown in FIG. 3 is thus constructed such that the line 18 is at least partially surrounded by insulation 30, on the side of which facing away from the line 18, the latent heat accumulator 26 is arranged in at least a partial area.
  • the partial area of the line 18 is designed such that it surrounds the particularly circularly shaped line 18 on the outer circumference in at least one direction, that is to say the partial area is annular or tubular around the line, depending on its extent along the line
  • the partial area can be neither tubular nor ring-shaped, but rather helical around the line 18.
  • FIG. 4 shows the cross section of the charging strand 12 in a further embodiment, wherein it can be seen here that the partial area which forms the latent heat store 26 is designed in a ring shape around the line 18, which can be interrupted by partition walls 42, so that for example, individual chambers 44 of the latent heat accumulator 26. For example, it can be designed to be particularly stable mechanically.
  • the charging line 12 with its line comprising copper as the actual current conductor, is provided with the, in particular, liquid-tight insulation 30, in particular made of rubber or silicone rubber.
  • This is from one Phase change material, which essentially forms the latent heat storage 26, surround, the thickness or volume of which may vary depending on the charging concept or the size or capacity of the electrical energy store 14 to be filled in the motor vehicle 16. For example, if the charging speed is to be particularly high due to a particularly large capacity of the electrical energy store 14, the volume and the heat absorption capacity of the latent heat store 26 can be selected accordingly.
  • Latent heat accumulator 26 is a particularly compact design and a simple structure.
  • the sheathing with the latent heat accumulator 26 offers the possibility of producing the charging strand 12 particularly easily for the charging device 10.
  • the latent heat store 26 can also be arranged in particular on the connecting elements 20 in such a way that the corresponding connecting element 20, which can be used, for example, in an existing charging infrastructure, is particularly advantageous, as a result of which
  • the cost of the charging device 10 can be particularly low.
  • the charging device 10 shown has the advantage that the charging time is due to the delay in reaching a limit temperature, for example the
  • Connecting element 20 can be kept particularly low. Furthermore, particularly fast charging concepts can be implemented by the charging device 10. In addition, parts of an existing charging infrastructure can continue to be used, for example on the respective basic components such as the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung (10) zum Verbinden eines elektrischen Energiespeicher (14) eines Kraftfahrzeugs (16) mit einer Ladestation (24) für elektrische Energie, mit einem Ladestrang (12) mit wenigstens einer Leitung (18) zum Führen eines Ladestroms und mit wenigstens einem Verbindungselement (20), über welches der Ladestrang (12) mit einem korrespondierenden Verbindungselement (22) zwischen dem Energiespeicher (14) und der Ladestation (24) verbindbar ist, wobei wenigstens ein Latentwärmespeicher (26) an dem Ladestrang (12) und/oder an dem wenigstens einen Verbindungselement (20) vorgesehen ist, mittels welchem beim Ladevorgang erzeugte Wärme aufnehmbar ist.

Description

Ladevorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers eines
Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Verbinden eines elektrischen
Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation für elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, welche insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet sind, weisen in der Regel einen, insbesondere als Traktionsbatterie ausgebildeten, Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie auf. Die Größe des Energiespeichers beziehungsweise der Batterie bestimmt die Reichweite des
Kraftfahrzeugs. Diese ist zusätzlich zu der aufzubringenden Ladezeit, welche benötigt wird um den Energiespeicher mit elektrischer Energie zu füllen, ein wesentlicher Faktor bei der Akzeptanz beziehungsweise dem Wandel hin zur Elektromobilität.
Es gibt diverse Ansätze, die im Verhältnis zu einem mit einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeug geringere Reichweite zu verbessern oder die lange Ladezeit besonders kurz zu gestalten. Dabei hängt die Ladezeit von der Ladegeschwindigkeit ab. Wird beispielsweise die elektrische Energie von einer Ladestation mit besonders hoher Leistung bereitgestellt, so kann die Ladegeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs von einer maximalen Empfangsleistung des Kraftfahrzeugs für die elektrische Energie abhängen. Dabei ist der im Wesentlichen limitierende Faktor die durch einen Stromfluss erzeugte Wärme, welche insbesondere durch Verlustleistung beispielsweise an
Kontaktwiderständen entstehen kann. Erhitzt die erzeugte Wärme beispielsweise Bauteile von am Ladevorgang beteiligten Komponenten, kann dies zu einer Überhitzung führen, sodass die Ladegeschwindigkeit verringert werden muss.
So zeigt die DE 10 2017 010 038 A1 eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Ladespule zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie zum Laden des Energiespeichers, wobei die
Ladespule zumindest bereichsweise in einem Material eingebettet ist, mittels welchem zum passiven Kühlen der Ladespule Wärme von dieser aufnehmbar ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Ladevorrichtung bereitzustellen, mittels welcher ein elektrischer Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer besonders großen Ladegeschwindigkeit geladen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ladevorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation für elektrische Energie mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Verbinden eines elektrischen
Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, welches insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet ist, mit einer Ladestation, welche insbesondere beispielsweise als Ladesäule einer Ladeinfrastruktur ausgebildet ist, für elektrische Energie. Die Ladevorrichtung umfasst einen Ladestrang mit wenigstens einer Leitung, welche insbesondere aus Kupfer ausgebildet sein kann, zum Führen eines Ladestroms. Ferner umfasst die
erfindungsgemäße Ladevorrichtung wenigstens ein Verbindungselement, über welches der Ladestrang mit einem korrespondierenden Verbindungselement zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Ladestation verbindbar ist. Der Ladestrang kann insbesondere als Ladekabel ausgebildet sein und die wenigstens eine Leitung ist insbesondere eine Ader des Kabels. Das Verbindungselement ist beispielsweise eine Ladebuchse, sodass das korrespondierende Verbindungselement vorteilhafterweise als in die Ladebuchse passender Ladestecker ausgebildet ist. Der Kraftwagen ist insbesondere ein elektrisch betreibbarer Kraftwagen, mit einer elektrischen Maschine, welche durch den elektrischen Energiespeicher mit Energie versorgt werden kann, welcher insbesondere als Traktionsbatterie und/oder Hochvoltspeicher ausgebildet ist. Das Verbindungselement wird auch als Ladeschnittstelle bezeichnet.
Um während eines Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs, bei welchem elektrische Energie von der Ladestation durch den Ladestrom zum elektrischen Energiespeicher des
Kraftfahrzeugs fließt, mit einer besonders hohen Ladegeschwindigkeit durchführen zu können, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Latentwärmespeicher an dem Ladestrang und/oder an dem wenigstens einen Verbindungselement vorgesehen, mittels welchem beim Ladevorgang erzeugte Wärme aufnehmbar ist. Der Latentwärmespeicher ist dazu ausgebildet, ihm zugeführte Wärme, insbesondere verborgen, sogenannte latente, zu speichern. Das heißt, der Latentwärmespeicher kann Wärmeenergie aufnehmen, ohne dabei selbst seine Temperatur zu ändern. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass der Latentwärmespeicher wenigstens ein Phasenwechselmaterial umfasst, welches seinen Aggregatszustand und/oder eine andere Phase, insbesondere durch einen
Phasenübergang, unter Aufnahme der zu geführten Wärmeenergie ändert.
Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Latentwärmespeicher an dem Ladestrang und/oder dem Verbindungselement angeordnet, welche beide jeweils insbesondere beim Ladevorgang Wärme erzeugen.
Mit anderen Worten umfasst derer Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial, welches die abgegebene Wärme besonders vorteilhaft aufnehmen kann, da die Energie der Wärme zur Änderung des Aggregatszustands des Phasenwechselmaterials verwendet wird. Dadurch wird eine übermäßige Erhitzung des Phasenwechselmaterials aber zusätzlich auch der eigentlichen beispielsweisen Kupferleitung beziehungsweise Leitung verhindert. Das Phasenwechselmaterial kann, insbesondere je nach seinem Volumen beziehungsweise dem Volumen des Latentwärmespeichers, in Abhängigkeit von der aufzunehmenden Energie nur eine begrenzte Menge Wärme aufnehmen, welche auch beispielsweise nach Beendigung des Ladevorgangs wieder abgegeben werden kann beziehungsweise wird. Dabei kann bei der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung der Latentwärmespeicher beispielsweise in Abhängigkeit der Speichergröße
beziehungsweise der Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers dimensioniert werden, wobei die Speicherkapazität beispielsweise abhängig von dem Fahrzeugtyp des Kraftwagens ist. Beispielsweise kann bei einem Kleinwagen die Speicherkapazität des Energiespeichers kleiner gewählt werden, als bei einem Mittelklassewagen oder
Oberklassewagen. So kann erfindungsgemäße der Latentwärmespeicher derart dimensioniert werden, dass die hohe Ladegeschwindigkeit besonders vorteilhaft, bei besonders günstigen Materialeinsatz, realisiert werden kann. So kann ein Benutzer des Kraftfahrzeugs in einer gewünschten Zeit, welche insbesondere besonders kurz ausfallen kann, sein Kraftfahrzeug laden.
Dadurch, dass der Latentwärmespeicher Wärme aufnehmen kann, ohne selbst seine Temperatur zu ändern, wird während des Ladevorgangs ein Erreichen einer
Grenztemperatur zumindest eines an dem Ladevorgang beteiligten Bauteils, wie beispielsweise dem Verbindungselement, verzögert, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass die Ladegeschwindigkeit besonders hoch beziehungsweise die Ladezeit besonders gering gehalten werden kann. So kann durch den Latentwärmespeicher eine passive Kühlung der Ladevorrichtung ausgebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, besonders hohe Ladeströme zu verwenden, wodurch die Ladezeit besonders kurz ausfällt, da die Verlustleistung, insbesondere an einem Kontaktwiderstand, weicher zwischen den Verbindungselementen und dem
korrespondierenden Verbindungselement auftreten kann, besonders gering gehalten werden kann. Da die jeweilige Grenztemperatur erst besonders spät erreicht wird, ist eine frühzeitige Drosselung der Leistung des Ladevorgangs vermeidbar.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise bei einer DC- Schnellladevorrichtung die Grenztemperatur an einer Ladedose, welche durch das Verbindungselement darstellbar ist, bei etwa 90° Celsius erreicht wird, wodurch der Ladevorgang in etwa zehn Minuten länger dauern kann. Daher liegt ein Augenmerk der Erfindung darauf, die entstehende Wärme möglichst schnell und gleichmäßig von dem jeweiligen Bauteil, also beispielsweise der Ladedose, abzuführen und an eine Umgebung weiterreichen zu können, was durch die erfindungsgemäße Ladevorrichtung realisiert ist, wobei insbesondere in einer Ausführungsform der Ladestrang und das
Verbindungselement zwischen der Ladestation und dem Kraftfahrzeug angeordnet sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind der Ladestrang und das
Verbindungselement Komponenten des Kraftfahrzeugs. Das heißt, die Ladevorrichtung ist in das Kraftfahrzeug integriert. Dabei verbindet beispielsweise der Ladestrang den elektrischen Energiespeicher mit einem insbesondere als Ladebuchse ausgebildeten Verbindungselement, welches beispielsweise an einer Außenhaut des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung unabhängig von der Ladestation als Teil des Kraftfahrzeugs mitgeführt wird, sodass quasi jede beliebige Ladestation, beispielsweise mittels eines Softwareupdates, für die erfindungsgemäße Ladevorrichtung eine besonders vorteilhafte Ladegeschwindigkeit bereitstellen kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind der Ladestrang und das Verbindungselement Komponenten der Ladestation. Mit anderen Worten ist die
Ladevorrichtung Teil der Ladestation, so ist der Ladestrang beispielsweise als Ladekabel der Ladestation ausgebildet, welches an einem Ende das Verbindungselement in Form eines beispielsweise als Typ-2-Stecker ausgebildeten Ladesteckers aufweist, welcher in eine korrespondierende Ladebuchse eines Kraftfahrzeugs einsteckbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Ladevorrichtung, welche zum passiven Kühlen ausgebildet ist, für jedes Elektrofahrzeug, welches durch die Ladestation aufgeladen werden soll, verfügbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Leitung zumindest teilweise von einer Isolierung umgeben, an deren leitungsabgewandter Seite in wenigstens einem Teilbereich der Latentwärmespeicher angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Leitung beziehungsweise Ader durch die Isolierung als eine Art Kabel ausgebildet, wobei an der Außenseite der Isolierung, also außen am Kabel, zumindest in einem Teilbereich der Latentwärmespeicher angeordnet ist. Dabei ist die Isolierung vorzugsweise aus einem Kautschuk, insbesondere aus einem Silikonkautschuk, ausgebildet, der besonders gute Isoliereigenschaften bei beispielsweise einer besonders hohen Flexibilität der Leitung beziehungsweise des, insbesondere als Kabel ausgebildeten, Ladestrangs hat. Die Leitung beziehungsweise Ader des Ladestrangs ist vorzugsweise beispielsweise ein Kupferkabel und die Isolierung, welche das Kupferkabel ummantelt beziehungsweise die Kupferader ummantelt, leitet die durch den Ladevorgang erzeugte Wärme an den Latentwärmespeicher, sodass die durch die Wärme freiwerdende Energie in diesem gespeichert und somit das Erreichen der Grenztemperatur des Ladestrangs oder wenigstens eines an ihm angrenzenden Verbindungselements verzögert werden kann. Dadurch lassen sich besonders vorteilhaft eine hohe Ladegeschwindigkeit und somit ein Schnellladekonzept realisieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umschließt der Teilbereich die Leitung außenumfangsseitig in wenigstens eine Richtung und ist entlang der
Längserstreckungsrichtung des Ladestrangs ausgedehnt. Dabei kann die Ausdehnung entlang der Längserstreckungsrichtung kurz oder lang sein. So ergibt sich bei einer einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisenden Leitung des Ladestrangs
beispielsweise ein im Wesentlichen ringförmiger Teilbereich, wenn die Länge entlang der Längserstreckungsrichtung beziehungsweise die Ausdehnung entlang der
Längserstreckungsrichtung kurz ist. Ist die Ausdehnung entlang der
Längserstreckungsrichtung groß, so ist der Latentwärmespeicher im Wesentlichen schlauchartig um die Leitung angeordnet. Durch das Umschließen wenigstens eines Teilbereichs der Leitung durch den Latentwärmespeicher ist zumindest an dem
Teilbereich eine besonders effiziente Kühlung beziehungsweise ein Konstanthalten der Temperatur durch den Latentwärmespeicher gegeben. Ist der Latentwärmespeicher derart ausgebildet, dass er sich im Weitesten über die gesamte Länge der
Längserstreckungsrichtung erstreckt, kann ein Großteil des Ladestrangs besonders vorteilhaft gekühlt werden. Dahingegen sind mehrere Teilbereiche ausgebildet, welche ringförmig sind, kann durch eine Aneinanderreihung der Ringelemente beispielsweise eine besonders einfache Herstellung und/oder eine besonders hohe Flexibilität des Ladestrangs realisiert werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Teilbereich durch wenigstens eine Trennwand unterbrochen, welche insbesondere auch aus dem Material der
Isolierung der Leitung ausgebildet sein kann. Dabei kann die wenigstens eine Trennwand, wenn die Leitung einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist, beispielsweise radial nach außen ausgebildet sein, sodass sich beispielsweise durch die Trennwand außenumfangsseitig einzelne Kammern entlang der Leitung realisieren lassen, welche jeweils als Latentwärmespeicher mit dem Phasenwechselmaterial füllbar sind. Mittels der wenigstens einen Trennwand in dem Teilbereich, welcher beispielsweise den
Latentwärmespeicher unterbricht, kann beispielsweise eine mechanische zumindest des Ladestrangs der Ladevorrichtung besonders vorteilhaft realisiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Teilbereich, weicher den Latentwärmespeicher umfasst, helixartig um die wenigstens eine Leitung. Das heißt, der Latentwärmespeicher ist schraubenlinienartig um die wenigstens eine Leitung gewickelt, wodurch dieser beispielsweise besonders einfach ausbildbar ist, wobei gleichzeitig ein besonders großer Teil der Leitung mit einem Latentwärmespeicher versehen werden kann.
Dabei gilt für die genannten Ausführungsformen des Teilbereichs entlang der Leitung, dass diese im Falle, dass der Ladestrang nur eine Leitung enthält, jeweils dieser um eine Leitung einzeln angeordnet ist. Umfasst der Ladestrang hingegen mehrere Leitungen, kann die jeweils genannte Ausführungsform beziehungsweise eine Kombination derer jeweils um eine Einzelleitung ausgeführt oder aber in beliebigen Kombinationen um mehrere Leitungen zusammengefasst ausgeführt sein, wodurch sich eine besonders flexible Ausgestaltung des Ladestrangs umgibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement als Ladebuchse oder als Ladestecker ausgeführt. Dabei ist im ersten Fall das
korrespondierende Verbindungselement als Ladestecker beispielsweise ein Typ-2- Stecker und im zweiten Fall als Ladebuchse ausgebildet, wobei sich diese beispielsweise insbesondere an dem Kraftfahrzeug oder an der Ladesäule befinden kann. Durch die Ausbildung als Ladebuchse und Ladestecker kann auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Verbindung zwischen der Ladevorrichtung und dem Kraftfahrzeug oder zwischen der Ladevorrichtung und der Ladestation oder zwischen dem
Kraftfahrzeug und der Ladestation durch die Ladevorrichtung realisiert werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Latentwärmespeicher an wenigstens einem Kontaktelement des Verbindungselements angeordnet. Mit anderen Worten ist der Latentwärmespeicher in, insbesondere thermischer, Verbindung mit dem Kontaktelement des Verbindungselements, wobei das Kontaktelement beispielsweise für den Fall, dass das Verbindungselement ein Ladestecker ist, ein Kontaktstift des
Ladesteckers sein kann. Für den Fall beispielsweise, dass das Verbindungselement als Ladebuchse ausgeführt ist, ist das Kontaktelement beispielsweise die für den
Kontaktstecker beziehungsweise Kontaktstift korrespondierende Aufnahmebuchse. Durch das Platzieren beziehungsweise Anordnen des Latentwärmespeichers an einem
Kontaktelement des Verbindungselements kann insbesondere an einer der Stellen, an welchen die größte Wärmeentwicklung aufgrund des Kontaktwiderstands erwartbar ist, besonders vorteilhaft eine Wärmemenge aufgenommen werden, sodass durch die passive„Kühlung“ eines der thermisch am belastetsten Bereichen der Ladevorrichtung temperierbar beziehungsweise auf Temperatur haltbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Latentwärmespeicher wenigstens ein Phasenwechselmaterial, welches Paraffin und/oder Karbon aufweist. Das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers ist somit zumindest teilweise aus Paraffin ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise aus Karbon ausgebildet. Dabei ist beispielsweise durch das Paraffin eine Temperatur für den Phasenwechsel, welcher die latente Wärme speichert
beziehungsweise aufnimmt, von zirka 55° Celsius realisierbar, was eine besonders vorteilhafte Verwendung für die Ladevorrichtung ermöglicht. Darüber hinaus ist die Kombination von Paraffin und Karbon, welches somit ein Komposite eines
Phasenwechselmaterials darstellen kann, beispielsweise durch das enthaltene Graphit eine besonders vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit möglich, wodurch beispielsweise ein besonders guter Wärmekontakt zwischen zu kühlender Komponente aus
Verbindungselement und/oder Ladestrang und Latentwärmespeicher realisiert werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Ladevorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation, mit einem Ladestrang und einem Verbindungselement;
Fig. 2 einen schematischen Aufbau des Verbindungselements der
Ladevorrichtung ausgeführt als Ladestecker;
Fig. 3 einen schematischen Aufbau des Ladenstrangs der Ladevorrichtung;
und
Fig. 4 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Ladestrangs der
Ladevorrichtung.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Ladevorrichtung 10 zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers 14 eines Kraftfahrzeugs 16 mit einer Ladestation 24, mit einem Ladestrang 12 und einem Verbindungselement 20. Dabei weist der Ladestrang 12 wenigstens eine Leitung 18 auf, welche insbesondere aus Kupfer ausgebildet ist und eine Seele beziehungsweise eine Ader des insbesondere als Ladekabel ausgebildeten Ladestrangs 12 darstellt. Dabei dient die Leitung 18 zum Führen eines Ladestroms. Ferner weist die Ladevorrichtung 10 wenigstens ein Verbindungselement 20 auf, über welches der Ladestrang 12 mit einem korrespondierenden Verbindungselement 22 zwischen dem Energiespeicher 14 und der Ladestation 24 verbindbar ist.
Um einen Ladevorgang, bei welchem elektrische Energie mittels eines Ladestroms von der Ladestation 24 in den elektrischen Energiespeicher 14 des Kraftfahrzeugs 16 eingespeichert wird, besonders schnell, das heißt mit einer besonders hohen
Ladegeschwindigkeit, durchführen zu können, ist wenigstens ein Latentwärmespeicher 26 an dem Ladestrang 12 und/oder an dem wenigstens einen Verbindungselement 20 vorgesehen, mittels welchem beim Ladevorgang erzeugte Wärme aufnehmbar ist.
Dabei sind der Ladestrang 12 und das Verbindungselement 20 vorteilhafterweise
Komponenten des Kraftfahrzeugs 16, so ist beispielsweise das Verbindungselement 20 vorteilhafterweise, wie in der Fig. 1 zu sehen, als Ladebuchse, insbesondere des
Kraftfahrzeugs 16 ausgebildet.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung können der Ladestrang 12 und das
Verbindungselement 20 jeweils auch Komponente der Ladestation 24 sein. Alternativ ist die Ladevorrichtung 10 weder Komponente des Kraftfahrzeugs 16 noch der Ladestation 24, sondern eigenständig ausgebildet und dient der Verbindung zwischen Kraftfahrzeug 16 und Ladestation 24. Dabei ist das Kraftfahrzeug 16 vorteilhafterweise ein elektrisch angetriebener Personenkraftwagen und die Ladestation 24 kann vorteilhafterweise beispielsweise als Ladesäule des Ladeinfrastrukturelements ausgebildet sein oder im einfachen Fall auch als eine konventionelle Steckdose.
Der wenigstens eine Latentwärmespeicher 26 umfasst wenigstens ein
Phasenwechselmaterial, welches Paraffin und/oder Karbon umfasst. Bei dem
Phasenwechselmaterial handelt es sich um ein Material, das in einem vorgegebenen Bereich seinen Aggregatszustand ändert, wobei Energie, insbesondere in Form von zugeführter Wärme, nicht zur Temperaturerhöhung des Phasenwechselmaterials beiträgt, sondern dafür aufgebracht wird, den Aggregatszustand oder einen sonstigen
Phasenzustand des Phasenwechselmaterials zu ändern, sodass das
Phasenwechselmaterial und somit der Latentwärmespeicher 26 trotz zugeführter Wärme erst einmal seine Temperatur beibehält. Durch das Paraffin können beispielsweise Phasenwechseltemperaturen von um die 55° Celsius realisierbar sein, was sich besonders vorteilhaft für einen Ladevorgang des Kraftfahrzeugs 16 eignet. Enthält das Phasenwechselmaterial zusätzlich Karbon, kann beispielsweise dessen mechanische Stabilität besonders vorteilhaft ausgebildet sein.
In vorteilhafter Weise ist wenigstens an einem Kontaktelement 28 des
Verbindungselements 20 der Latentwärmespeicher angeordnet. Dabei kann das
Kontaktelement 28, wenn das Verbindungselement 20 beispielsweise, wie in Fig. 3 zu sehen, als Ladestecker ausgebildet ist, ein Kontaktstift sein. Dabei bietet sich
beispielsweise auch an, den Ladestecker Typ-2-Stecker-kompatibel auszubilden. Dabei kann, wenn das Verbindungselement 20 als Ladebuchse ausgebildet ist, das
korrespondierende Verbindungselement 22 als Stecker ausgebildet sein oder umgekehrt.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Ladevorrichtung 10, bei welcher das
Verbindungselement 20 als Ladestecker ausgeführt ist, an welchem der
Latentwärmespeicher 26 angeordnet ist. Fig. 3 zeigt den Ladestrang 12 der Ladevorrichtung 10, welcher im Wesentlichen kabelförmig ausgebildet ist, sodass die Leitung 18 insbesondere eine Kupferader des kabelartigen Ladestrangs ausbildet. Dadurch kann der Ladestrom besonders vorteilhaft geführt werden. Die Leitung 18 ist von einer Isolierung 30 umgeben, welche im
Ausführungsbeispiel wiederum von einem Füllmaterial 32 sowie einem Schirmgeflecht 34 umgeben sein kann, worauf schließlich eine Außenisolierung 36 folgt. Insoweit kann der gezeigte Ladestrang 12 als konventionelles Kabel ausgebildet sein, welches
beispielsweise nachträglich mittels einer Nachrüstlösung mit dem Latentwärmespeicher 26 und einer zusätzlichen weiteren Außenisolierung 38 versehen werden kann. Dadurch ist beispielsweise auf besonders vorteilhafte Weise der Ladestrang 12, insbesondere kostengünstig, herstellbar. Vorteilhafterweise sind sowohl die Isolierung 30 als auch die Außenisolierung 36 sowie die weitere Außenisolierung 38 jeweils aus Silikonkautschuk ausgebildet, welcher besonders gute elektrische Isoliereigenschaften bei gleichzeitiger Flexibilität des Ladestrangs 12 gewährleisten kann.
Der in Fig. 3 gezeigte Ladestrang ist somit derart aufgebaut, dass die Leitung 18 zumindest teilweise von einer Isolierung 30 umgeben ist, an deren der Leitung 18 abgewandten Seite in wenigstens einem Teilbereich der Latentwärmespeicher 26 angeordnet ist. Dabei ist der Teilbereich der Leitung 18 derart ausgebildet, dass er die insbesondere kreisförmig ausgebildete Leitung 18 außenumfangsseitig in wenigstens eine Richtung umschließt, das heißt der Teilbereich ist ringförmig oder schlauchförmig um die Leitung ausgebildet, wobei er je nach seiner Ausdehnung entlang der
Längserstreckungsrichtung 40 des Ladestrangs 12 ringförmig oder stabförmig
ausgebildet ist. Alternativ kann der Teilbereich weder schlauchförmig noch ringförmig, sondern helixartig um die Leitung 18 ausgebildet sein.
Fig. 4 zeigt den Ladestrang 12 in einer weiteren Ausführungsform in seinem Querschnitt, wobei hier zu erkennen ist, dass der Teilbereich, welcher den Latentwärmespeicher 26 ausbildet, ringförmig um die Leitung 18 ausgebildet ist, wobei dieser durch Trennwände 42 unterbrochen sein kann, sodass sich beispielsweise einzelne Kammern 44 des Latentwärmespeichers 26 ausbilden. So kann dieser beispielsweise mechanisch besonders stabil ausgebildet sein.
Der Ladestrang 12 mit seiner als eigentlichem Stromleiter aus Kupfer umfassenden Leitung ist dabei mit der insbesondere flüssigkeitsdichten Isolierung 30, insbesondere aus Kautschuk beziehungsweise Silikonkautschuk versehen. Dies wird von einem Phasenwechselmaterial, welches den Latentwärmespeicher 26 im Wesentlichen ausbildet, umgeben, wobei abhängig vom Ladekonzept beziehungsweise der Größe beziehungsweise Kapazität des zu befüllenden elektrischen Energiespeichers 14 des Kraftfahrzeugs 16 abhängig in seiner Dicke beziehungsweise seinem Volumen variieren kann. So kann beispielsweise, wenn die Ladegeschwindigkeit aufgrund einer besonders großen Kapazität des elektrischen Energiespeichers 14 besonders hoch ausfallen soll, das Volumen und die Wärmeaufnahmekapazität des Latentwärmespeichers 26 entsprechend gewählt werden.
Schließlich wird der Latentwärmespeicher 26 von einer weiteren Isolierung der
Außenisolierung 38 umschlossen. Ein Vorteil des so angeordneten
Latentwärmespeichers 26 ist eine besonders kompakte Bauform und ein einfacher Aufbau.
Wie bereits genannt, bietet sich für bereits vorhandene Kabel durch die Ummantelung mit dem Latentwärmespeicher 26 die Möglichkeit, den Ladestrang 12 besonders einfach für die Ladevorrichtung 10 herzustellen. Der Latentwärmespeicher 26 kann auch derart insbesondere an den Verbindungselementen 20 angeordnet werden, dass besonders vorteilhaft das korrespondierende Verbindungselement 20, welches beispielsweise zu einer vorhandenen Ladeinfrastruktur weiterverwendet werden kann, wodurch
beispielsweise Anschaffungskosten der Ladevorrichtung 10 besonders gering ausfallen können.
Insgesamt bietet die gezeigte Ladevorrichtung 10 den Vorteil, dass die Ladezeit aufgrund der Verzögerung des Erreichens einer Grenztemperatur beispielsweise des
Verbindungselements 20 besonders gering gehalten werden kann. Ferner können durch die Ladevorrichtung 10 besonders schnelle Ladekonzepte realisierbar sein. Darüber hinaus können Teile einer bereits vorhandenen Ladeinfrastruktur weiterverwendet werden, da beispielsweise an jeweiligen Grundkomponenten wie dem
korrespondierenden Verbindungselement 22 keine oder nur geringe Änderungen vorzunehmen sind. Bezugszeichenliste
Ladevorrichtung
Ladestrang
elektrischer Energiespeicher
Kraftfahrzeug
Leitung
Verbindungselement
korrespondierendes Verbindungselement
Ladestation
Latentwärmespeicher
Kontaktelement
Isolierung
Füllmaterial
Schirmgeflecht
Außenisolierung
weitere Außenisolierung
Längserstreckungsrichtung
Trennwand
Kammer

Claims

Patentansprüche
1. Ladevorrichtung (10) zum Verbinden eines elektrischen Energiespeicher (14) eines Kraftfahrzeugs (16) mit einer Ladestation (24) für elektrische Energie, mit einem Ladestrang (12) mit wenigstens einer Leitung (18) zum Führen eines Ladestroms und mit wenigstens einem Verbindungselement (20), über welches der Ladestrang (12) mit einem korrespondierenden Verbindungselement (22) zwischen dem Energiespeicher (14) und der Ladestation (24) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Latentwärmespeicher (26) an dem Ladestrang (12) und/oder an dem wenigstens einen Verbindungselement (20) vorgesehen ist, mittels welchem beim Ladevorgang erzeugte Wärme aufnehmbar ist.
2. Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ladestrang (12) und das Verbindungselement (20) Komponenten des
Kraftfahrzeugs (16) sind.
3. Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ladestrang (12) und das Verbindungselement (20) Komponenten der
Ladestation (24) sind.
4. Ladevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitung (18) zumindest teilweise von einer Isolierung (30) umgeben ist, an deren leitungsabgewandter Seite in wenigsten einem Teilbereich der
Latentwärmespeicher (26) angeordnet ist.
5. Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Teilbereich die Leitung (18) außenumfangseitig in wenigstens eine Richtung umschließt und entlang der Längserstreckungsrichtung des Ladestrangs (12) ausgedehnt ist.
6. Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Teilbereich durch wenigstens eine Trennwand (42) unterbrochen ist.
7. Ladevorrichtung (10) nach Anspruch 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Teilbereich helixartig um die wenigstens eine Leitung (18) verläuft.
8. Ladevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Verbindungselement (20) als Ladbuchse oder als Ladestecker ausgeführt ist.
9. Ladevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Latentwärmespeicher (26) an wenigsten einem Kontaktelement (28) des Verbindungselement angeordnet ist
10. Ladevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigsten ein Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeicher (26) Paraffin und/oder Carbon umfasst.
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