DE102017009719A1 - Ladeeinrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie - Google Patents

Ladeeinrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (10) zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, mit wenigstens einer Ladespule (14), mittels welcher zum induktiven Übertragen der elektrischen Energie wenigstens ein Magnetfeld erzeugbar ist, und mit einer Kühleinrichtung (18) zum Kühlen zumindest eines Teilbereiches (TB) der Ladeeinrichtung (10), wobei die Kühleinrichtung (10) wenigstens ein magnetokalorisches Material (22) aufweist, welches durch das Magnetfeld und danach durch den außerhalb des Magnetfelds angeordneten Teilbereich (TB) leitbar ist, unter Einwirkung des Magnetfelds Wärme abgibt und zum Kühlen des Teilbereiches (TB) in dem Teilbereich (TB) außerhalb des Magnetfelds Wärme aufnimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Eine solche Ladeeinrichtung zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie ist beispielsweise bereits der WO 2015/15027 A2 als bekannt zu entnehmen. Die Ladeeinrichtung umfasst dabei wenigstens eine Ladespule, mittels welcher zum induktiven Übertragen der elektrischen Energie wenigstens ein Magnetfeld erzeugbar ist. Dies bedeutet, dass über das Magnetfeld elektrische Energie, mit welcher der Energiespeicher geladen wird, induktiv und somit kabellos beziehungsweise berührungslos übertragen werden kann. Die Ladeeinrichtung umfasst ferner eine Kühleinrichtung zum Kühlen zumindest eines Teilbereiches der Ladeeinrichtung.
  • Darüber hinaus offenbart die EP 2 821 733 A1 ein magnetisches Kühlgerät. Des Weiteren ist aus der EP 0 104 713 A2 ein magnetischer Kühlschrank bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass der Energiespeicher besonders effizient auf besonders einfache Weise geladen werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Ladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Um eine Ladeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass der Energiespeicher auf besonders einfache Weise sowie besonders effizient geladen werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung wenigstens ein magnetokalorisches Material aufweist. Das magnetokalorische Material ist ein Material, welches den so genannten magnetokalorischen Effekt aufweist. Mit anderen Worten ist das magnetokalorische Material ein Material, welches Wärme abgibt beziehungsweise ausstrahlt, wenn das magnetokalorische Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Wird das magnetokalorische Material aus dem Magnetfeld genommen, sodass das magnetokalorische Material - nachdem es dem genannten Magnetfeld ausgesetzt wurde und somit Wärme abgegeben hat - außerhalb eines Magnetfelds angeordnet ist, so nimmt das magnetokalorische Material Wärme aus seiner Umgebung auf.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ist das magnetokalorische Material der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung durch das mittels der Ladespule erzeugbare beziehungsweise bereitstellbare Magnetfeld und danach durch den außerhalb des Magnetfelds angeordneten Teilbereich leitbar, sodass das magnetokalorische Material der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung zunächst unter Einwirkung des Magnetfelds, das heißt dadurch, dass das mittels der Ladespule erzeugte beziehungsweise bereitgestellte Magnetfeld auf das magnetokalorische Material einwirkt, Wärme abgibt. Zum Kühlen des Teilbereichs nimmt das magnetokalorische Material der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung in dem Teilbereich außerhalb des durch die Ladespule erzeugten Magnetfelds Wärme, insbesondere von dem Teilbereich, auf, wodurch der Teilbereich gekühlt wird. Mit anderen Worten, da das magnetokalorische Material während eines Betriebs der Ladeeinrichtung zunächst durch das Magnetfeld und danach durch den Teilbereich geleitet wird, wobei das sich in dem Teilbereich befindende magnetokalorische Material außerhalb des durch die Spule erzeugten beziehungsweise bereitgestellten Magnetfelds angeordnet ist, gibt das magnetokalorische Material dadurch, dass das Magnetfeld auf das magnetokalorische Material zunächst einwirkt, Wärme ab. Danach nimmt das magnetokalorische Material in dem Teilbereich und außerhalb des Magnetfelds Wärme von dem Teilbereich auf, wodurch der Teilbereich gekühlt wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung wird somit das ohnehin vorhandene Magnetfeld genutzt, um zumindest den Teilbereich zu kühlen, wobei das Magnetfeld ohnehin vorhanden ist, da es zum induktiven Laden des Energiespeichers genutzt wird. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung während des Ladens des Energiespeichers effizient und auf besonders einfache Weise gekühlt werden. Sodass übermäßig hohe Temperaturen der Ladeeinrichtung vermieden werden können.
  • Die Ladeeinrichtung ist beispielsweise Bestandteil des Kraftfahrzeugs, sodass die Ladespule beispielsweise eine Sekundärspule ist. Ferner ist es denkbar, dass die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung eine Bodenstation und somit zur Anordnung an einem von dem Kraftfahrzeug befahrbaren Boden beziehungsweise Untergrund ausgebildet ist, sodass dann die Ladespule eine Primärspule ist.
  • Durch Verwendung des magnetokalorischen Materials kann eine magnetische Kühlung der Ladeeinrichtung realisiert werden, welche das während des Ladens des Energiespeichers mittels der Ladespule erzeugte Magnetfeld nutzt, um zumindest den Teilbereich zu kühlen.
  • Der Teilbereich umfasst dabei beispielsweise wenigstens eine zusätzlich zu der Ladespule vorgesehene elektrische oder elektronische Komponente der Ladeeinrichtung, wobei die Komponente beispielsweise eine Leistungselektronik der Ladeeinrichtung und/oder einen Spannungs- und/oder Frequenzumwandler umfasst. Der Spannungs- und/oder Frequenzumwandler wird beispielsweise genutzt, um eine beispielsweise von einer Stromquelle bereitgestellte Frequenz und/oder Spannung eines elektrischen Stroms, insbesondere eines elektrischen Wechselstroms, in eine gegenüber der Frequenz beziehungsweise Spannung höhere zweite Frequenz beziehungsweise Spannung umzuwandeln. Dadurch kann der Energiespeicher effizient und effektiv geladen werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung.
  • Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht eine Ladeeinrichtung 10 zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Kraftwagen ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug den beispielsweise als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), ausgebildeten Energiespeicher, in beziehungsweise mittels welchem elektrische Energie gespeichert werden kann. Um das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine elektrisch anzutreiben, wird die elektrische Maschine mit in dem Energiespeicher gespeicherter elektrischer Energie versorgt.
  • Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Ladeeinrichtung 10 eine Bodenstation, welche an einem Boden 12 angeordnet, beziehungsweise anordenbar ist. Der Boden 12 ist beispielsweise ein von dem Kraftfahrzeug befahrbarer Untergrund. Die vorliegend als Bodenstation ausgebildete Ladeeinrichtung 10 weist wenigstens eine Ladespule 14 in Form einer Primärspule auf.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst dabei eine mit der Ladeeinrichtung 10 korrespondierende zweite Ladeeinrichtung, welche Bestandteil des Kraftfahrzeugs beziehungsweise an dem Kraftfahrzeug gehalten ist. Die zweite Ladeeinrichtung umfasst wenigstens eine als Sekundärspule ausgebildete zweite Ladespule, an welche elektrische Energie von der Primärspule induktiv und somit kabellos beziehungsweise berührungslos übertragen werden kann. Beispielsweise kann eine in der Fig. nicht dargestellte Stromquelle elektrische Energie beziehungsweise elektrischen Strom über die Primärspule (Ladespule 14) bereitstellen. Die von der Stromquelle über die Primärspule bereitgestellte elektrische Energie kann induktiv und somit kabellos beziehungsweise berührungslos von der Primärspule an die Sekundärspule der zweiten Ladeeinrichtung des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Hierzu wird mittels der Ladespulen ein in der Fig. nicht näher dargestelltes Magnetfeld erzeugt beziehungsweise bereitgestellt, über welches die elektrische Energie von der Primärspule induktiv an die Sekundärspule übertragen wird. Die induktiv an die Sekundärspule übertragene und von der Sekundärspule empfangene elektrische Energie kann von der Sekundärspule an den Energiespeicher übertragen und in dem Energiespeicher gespeichert werden, wodurch der Energiespeicher mit der elektrischen Energie geladen wird. In der Fig. ist durch einen gestrichelten Pfeil 16 ein Bereich B veranschaulicht, in welchem das Magnetfeld während des Ladens des Energiespeichers mittels der Ladespulen erzeugt wird und somit existiert beziehungsweise vorliegt. Das Magnetfeld erstreckt sich dabei - wenn es bereitgestellt wird - ausschließlich in dem Bereich B, sodass sich an den Bereich B anschließende weitere Bereiche frei von dem mittels der Ladespulen erzeugten beziehungsweise bereitgestellten Magnetfeld zum induktiven Laden des Energiespeichers sind. Einer dieser weiteren Bereiche ist beispielsweise ein Teilbereich TB der Ladeeinrichtung 10, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird. Der Teilbereich B ist somit außerhalb des Magnetfelds angeordnet, wenn dieses bereitgestellt wird.
  • Die Ladeeinrichtung 10 umfasst ferner eine Kühleinrichtung 18, mittels welcher zumindest der Teilbereich TB der Ladeeinrichtung 10 gekühlt werden kann beziehungsweise, insbesondere während des Ladens des Energiespeichers, gekühlt wird. Der Teilbereich TB umfasst dabei eine zusätzlich zu der Ladespule 14 vorgesehene elektrische oder elektronische Komponente 20 der Ladeeinrichtung 10. Mit anderen Worten ist die Komponente 20 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Teilbereich TB angeordnet, welcher während des Ladens und somit während das Magnetfeld mittels der Ladespulen erzeugt wird, frei von dem mittels der Ladespulen erzeugten Magnetfeld ist. Die Komponente 20 umfasst beispielsweise wenigstens einen Schaltkreis und/oder wenigstens eine Leistungselektronik der Ladeeinrichtung 10 und/oder eine Spannungs- und/oder Frequenzumwandler. Wie in der Fig. veranschaulicht ist, wird beispielsweise die Ladespule 14 über die Komponente 20 mit der elektrischen Energie versorgt und/oder angesteuert.
  • Um nun zumindest den Teilbereich TB besonders effizient und auf besonders einfache Weise zu kühlen, ist die Kühleinrichtung 18 als magnetische Kühleinrichtung ausgebildet. Hierzu umfasst die die Kühleinrichtung 18 ein in der Fig. besonders schematisch dargestelltes magnetokalorisches Material 22, mittels welchem unter Nutzung des magnetokalorischen Effekts zumindest der Teilbereich TB gekühlt werden kann. Die Kühleinrichtung 18 umfasst ferner wenigstens eine von dem magnetokalorischen Material 22 durchströmbare Leitung 24, mittels welcher das magnetokalorische Material 22 während eines Betriebs der Ladeeinrichtung 10 und somit während des Ladens des Energiespeichers zunächst durch das Magnetfeld und danach durch den Teilbereich TB leitbar ist beziehungsweise geleitet wird. Dies bedeutet, dass der Teilbereich TB in Strömungsrichtung des die Leitung 24 durchströmenden magnetokalorischen Materials 22 stromab des Magnetfelds angeordnet ist, sodass das magnetokalorische Material 22 zunächst durch das Magnetfeld und danach durch den Teilbereich TB strömt.
  • Insbesondere ist die Leitung 24 Bestandteil eines von dem magnetokalorischen Material 22 durchströmbaren Kreislaufs 26 der Kühleinrichtung 18. Dabei sind in dem Kreislauf 26 das Magnetfeld und der Teilbereich TB angeordnet, wobei der Teilbereich TB in Strömungsrichtung des den Kreislauf 26 durchströmenden magnetokalorischen Materials 22 stromab des Magnetfelds angeordnet ist.
  • Das magnetokalorische Material 22 gibt unter Einwirkung des mittels der Ladespule 14 erzeugten Magnetfelds, das heißt dann, wenn das magnetokalorische Material 22 durch das Magnetfeld strömt und somit das mittels der Ladespule 14 erzeugte Magnetfeld auf das magnetokalorische Material 22 wirkt, Wärme ab. Danach strömt das magnetokalorische Material 22 durch den Teilbereich TB und ist somit außerhalb des Magnetfelds angeordnet. Dadurch nimmt das magnetokalorische Material 22 in dem Teilbereich TB Wärme, insbesondere von dem Teilbereich TB, auf, wodurch der Teilbereich TB und somit die Komponente 20 gekühlt werden.
  • Die Kühleinrichtung 18 umfasst ferner wenigstens einen Tank 28 zum Aufnehmen des magnetokalorischen Materials 22. Der Tank 28 ist beispielsweise ein Vorratsbehälter, um beispielsweise das magnetokalorische Material 22 aufzunehmen und/oder Wärmeausdehnungen des magnetokalorischen Materials 22 abzufangen. In Fällen, bei denen es keiner Kühlung bedarf, kann es sinnvoll sein, das magnetokalorische Material 22 aus dem Bereich B des Magnetfelds beziehungsweise der Ladespule 14 zu entfernen, insbesondere abzupumpen, um einen Einfluss des magnetokalorischen Materials 22 auf das Magnetfeld beziehungsweise auf das induktive Laden zu vermeiden.
  • Das magnetokalorische Material 22 ist beispielsweise in einem Fluid, insbesondere in einer Flüssigkeit, aufgenommen und kann mittels der beispielsweise als Öl ausgebildeten Flüssigkeit durch die Leitung 24 beziehungsweise durch den Kreislauf 26 strömen, insbesondere gefördert werden. Hierzu ist beispielsweise eine nicht dargestellte Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, vorgesehen, mittels welcher das magnetokalorische Material 22 beziehungsweise das Fluid durch die Leitung 24, insbesondere durch den Kreislauf 26, gefördert, insbesondere gepumpt, wird beziehungsweise werden kann. Das Fluid und das darin aufgenommene magnetokalorische Material 22 bilden beispielsweise ein Kühlfluid, welches in dem Tank 28 aufgenommen werden kann. Das Kühlfluid kann die Leitung 24, insbesondere den Kreislauf 26, durchströmen. Das Strömen des Kühlfluids beziehungsweise des magnetokalorischen Materials 22 durch die Leitung 24, insbesondere durch den Kreislauf 26, wird beispielsweise durch Expansionskräfte und/oder mittels einer beispielsweise als kleine Umwälzpumpe ausgebildeten Pumpe bewirkt, welche das Kühlfluid durch den Kreislauf 26 pumpt.
  • Das magnetokalorische Material 22 umfasst beispielsweise zumindest Gadolinium oder eine Gadolinium-Legierung. Es wurde gefunden, dass sich durch die beschriebene magnetische Kühlung eine effizientere Kühlung als durch Verwendung einer Kühlflüssigkeit oder durch Verwendung von Kühlluft realisieren lässt. Ferner kann das zum induktiven Laden genutzte Magnetfeld genutzt werden, um zumindest den Teilbereich TB zu kühlen. Durch Kühlen zumindest des Teilbereichs TB können übermäßig hohe Temperaturen des Teilbereichs TB vermieden werden. Insbesondere sind beispielsweise Partikel aus dem magnetokalorischen Material 22 in dem genannten Fluid, insbesondere in Öl, aufgenommen, um dadurch das magnetokalorische Material 22 besonders vorteilhaft durch die Leitung 24, insbesondere durch den Kreislauf 26, zu fördern.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Ladeeinrichtung
    12
    Boden
    14
    Ladespule
    16
    gestrichelter Pfeil
    18
    Kühleinrichtung
    20
    Komponente
    22
    magnetokalorisches Material
    24
    Leitung
    26
    Kreislauf
    28
    Tank
    B
    Bereich
    TB
    Teilbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2015/15027 A2 [0002]
    • EP 2821733 A1 [0003]
    • EP 0104713 A2 [0003]

Claims (7)

  1. Ladeeinrichtung (10) zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, mit wenigstens einer Ladespule (14), mittels welcher zum induktiven Übertragen der elektrischen Energie wenigstens ein Magnetfeld erzeugbar ist, und mit einer Kühleinrichtung (18) zum Kühlen zumindest eines Teilbereiches (TB) der Ladeeinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (10) wenigstens ein magnetokalorisches Material (22) aufweist, welches durch das Magnetfeld und danach durch den außerhalb des Magnetfelds angeordneten Teilbereich (TB) leitbar ist, unter Einwirkung des Magnetfelds Wärme abgibt und zum Kühlen des Teilbereiches (TB) in dem Teilbereich (TB) außerhalb des Magnetfelds Wärme aufnimmt.
  2. Ladeeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (TB) wenigstens eine zusätzlich zu der Ladespule (14) vorgesehene elektrische oder elektronische Komponente (20) der Ladeeinrichtung (10) umfasst.
  3. Ladeeinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (20) eine Leistungselektronik der Ladeeinrichtung (10) umfasst.
  4. Ladeeinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (20) einen Spannungs- und/oder Frequenzumwandler umfasst.
  5. Ladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tank (28) zum Aufnehmen des magnetokalorischen Materials (22) vorgesehen ist.
  6. Ladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung zum aktiven Fördern des magnetokalorischen Materials (22) vorgesehen ist.
  7. Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung als Bodenstation ausgebildet ist.
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