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Die Erfindung geht aus von einer Ladestation für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, die mittels eines Ladekabels an den Energiespeicher anschließbar ist, wobei die Ladestation eine Kühleinrichtung mit wenigstens einer an das Kraftfahrzeug anschließbaren Kühlleitung zum Zuführen eines Kühlmittels zu dem Energiespeicher aufweist. Eine derartige Ladestation ist aus der
DE 10 2010 007 975 B4 bekannt. Ähnliche Anordnungen, insbesondere mit unterschiedlichen Ausgestaltungen des Ladekabels, beschreiben die
DE 10 2016 206 266 A1 , die
DE 20 2015 009 531 U1 , die
DE 10 2015 112 347 A1 , die
DE 10 2017 115 241 A1 und die
DE 10 2016 224 106 A1 . Die
DE 10 2021 006 489 A1 beschreibt zudem die Anwendung von unterkühltem Sieden des Kühlmittels beim Laden von Kraftfahrzeugen. Weitere relevante Anordnungen sind aus der
DE 10 2009 060 398 A1 , der
DE 10 2021 207 803 A1 , der
DE 10 2019 204 957 A1 , der
WO 99/ 08 354 A1 und aus der
EP 2 765 672 B1 bekannt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Ladestationen haben den Nachteil, dass sie zum Kühlen des erwärmten Fluids eine separate, aktive Kühleinrichtung benötigen, wodurch ein Energiebedarf zum Kühlen des Ladekabels steigt. Häufig umfassen bekannte Kühleinrichtungen für derartige Ladestationen zumindest eine Pumpe oder einen Kompressor, eine Rückkühleinheit und weitere aufwändige Bauteile, um den für die Kühlung erforderlichen thermodynamischen Prozess durchführen zu können. Demgemäß steigt die Komplexität der Ladestation, der Bauraumbedarf erhöht sich und die Kühleinrichtung weist einen zusätzlichen Energiebedarf auf.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Ladestation der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sie eine vereinfachte, möglichst energiesparende Kühlung des Kühlmittels ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Entwärmungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 14 betrifft ein entsprechendes Ladekabel. Vorteilhafte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen, dass eine erfindungsgemäße Entwärmungsanordnung für eine Ladesäule ein Ladesäulengehäuse und ein Ladekabel aufweist, wobei das Ladesäulengehäuse einen Fluidauslass und einen Fluideinlass aufweist und wobei das Ladekabel einen Kühlkreislauf umfasst, der mit dem Fluidauslass und dem Fluideinlass fluidisch verbunden ist. Dabei ist das Ladesäulengehäuse dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgeführt ist, der Fluideinlass in eine Eintrittsöffnung des doppelwandigen Abschnitts mündet, der doppelwandige Abschnitt thermisch mit einer Außenseite des Ladesäulengehäuses gekoppelt und/oder von dieser begrenzt ist und eine Austrittsöffnung des doppelwandigen Abschnitts in den Fluidauslass des Ladesäulengehäuses mündet. Ein in der Entwärmungsanordnung geführtes Fluid ist dabei so geführt, dass es über den Fluidauslass in den Kühlkreislauf des Ladekabels gelangt, beim Durchlaufen zumindest eines Abschnitts des Ladekabels Wärmeenergie aufnehmen kann und über den Fluideinlass als erwärmtes Fluid wieder in das Ladesäulengehäuse eintritt.
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Dadurch, dass das Ladesäulengehäuse zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgeführt ist und dieser doppelwandige Abschnitt thermisch mit der Außenseite des Ladesäulengehäuses gekoppelt ist und/oder von dieser begrenzt ist, ermöglicht die Erfindung, das Fluid über die Umgebungslufttemperatur zu kühlen. Durch diese passive Kühlung kann eine separate, aktive Kühleinheit eingespart oder zumindest kleiner dimensioniert werden. Nach Durchlaufen des doppelwandigen Abschnitt erreicht das rückgekühlt Fluid dann wieder über den Fluidauslass den Kühlkreislauf des Ladekabels, um erneut Wärmeenergie aufzunehmen.
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Der doppelseitige Abschnitt kann dabei durch Blechumformungen, durch Einsetzen von Leitelementen und/oder durch ein Einlassen von Kanälen, beispielsweise auch durch 3D-Druckverfahren, gebildet sein. Bevorzugt weist das Material des doppelseitigen Abschnitts zumindest zur Außenseite des Ladesäulengehäuses hin gute Wärmeleiteigenschaften auf und/oder verfügt über Verbindungselemente zur Außenseite, die ein Ableiten von Wärmeenergie ermöglichen. Insbesondere können die Verbindungselemente als eine Rippenstruktur ausgebildet sein.
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Als Ladesäule wird hier eine Ladestation, die eine Stromquelle aufweist, verstanden, die insbesondere alleinstehend an öffentlich zugänglichen Plätzen aufgestellt werden kann. Dabei ist eine solche Ladesäule insbesondere zum Aufladen von Energiespeichern geeignet, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen.
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Als Fluid wird hier ein Kühlmittel verstanden, das geeignet ist, Wärme, die beim Ladevorgang, insbesondere im Ladekabel, freigesetzt wird, aufzunehmen. Das Fluid kann dabei sowohl gasförmig als auch flüssig sein, insbesondere kann es bei Aufnahme der freigesetzten Wärme als Flüssigkeit-Dampf-Gemisch vorliegen. Bevorzugt weist das Fluid dielektrische Eigenschaften auf.
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Vorzugsweise ist der doppelwandige Abschnitt mäanderförmig ausgeführt. Dadurch ermöglicht die Erfindung einen möglichst großen Kontaktbereich zwischen dem Fluid und der Außenwand beziehungsweise die Verweilzeit des Fluids in dem doppelwandigen Abschnitt wird erhöht, so dass mehr Wärmeenergie zwischen Fluid und Umgebungsluft übertragen werden kann. Mäanderförmig bedeutet hier, dass der doppelwandige Abschnitt mehrere Windungen aufweist. Diese Windungen sind dabei bevorzugt parallel zu einer Außenseite des Ladesäulengehäuses ausgerichtet, so dass die thermische Kopplung mit der Außenseite und/oder die Begrenzung durch die Außenseite über eine möglichst große Fläche des doppelseitigen Abschnitts erfolgt.
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Vorzugsweise weist der doppelwandige Abschnitt innenseitig Strukturen auf, die eine Oberfläche des Abschnitts vergrößern. Dadurch kann eine Wärmeübertragung verbessert werden, da der Kontaktbereich zwischen Fluid und Umgebung vergrößert wird. Bevorzugt beeinflussen die Strukturen die Strömung des Fluids, indem beispielsweise Rezirkulationen oder Turbulenz begünstigt werden, so dass eine Verweilzeit weiter erhöht wird und/oder ein konvektiver Wärmeübergang zwischen Fluid und Wand des doppelwandigen Abschnitts erhöht wird. Mögliche Strukturen sind dabei beispielsweise Vertiefungen in dem doppelseitigen Abschnitt, die beulenartig in den Abschnitt hineinragen können und/oder dellenartig aus dem Abschnitt herausragen.
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Vorzugsweise ist der doppelwandige Abschnitt an einer rückwärtigen Außenseite des Ladesäulengehäuses angeordnet. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass die Vorderseite, die üblicherweise Bedienungselemente umfasst, bei der Nutzung nicht durch die Fluidkühlung beeinträchtigt wird. Insbesondere wird so eine starke Erwärmung infolge der Abkühlung des Fluids an der Vorderseite vermieden, die unter Umständen zu Verletzungen bei Nutzenden führen könnte.
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Vorzugsweise ist die Eintrittsöffnung des doppelwandigen Abschnitts um einen vertikalen Abstand oberhalb von der Austrittsöffnung angeordnet. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass das Fluid den doppelwandigen Abschnitt von oben nach unten durchströmen kann, wodurch schwerkraftsbedingt sowie aufgrund einer Dichteabnahme infolge der Abkühlung eine Eigenströmung entsteht, ein Pumpbedarf also reduziert werden kann.
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Vorzugsweise weist das Ladesäulengehäuse einen Lufteinlass auf, der zur Umgebung der Ladesäule geöffnet ist und in einen Luftkanal mündet, der thermisch mit einer Innenseite des doppelwandigen Abschnitts gekoppelt ist und/oder diesen begrenzt. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass der doppelwandige Abschnitt zumindest bereichsweise zwei Kontaktseiten für eine Wärmeübertragung aufweist, also einen möglichst großen Kontaktbereich zur Umgebung aufweist. Damit lässt sich das Fluid vorteilhaft kühlen. Als Innenseite wird hierbei die Wand des doppelwandigen Abschnitts verstanden, die dem Innenraum der Ladesäule zugewandt ist, also von der Umgebung der Ladesäule abgewandt ist.
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Bevorzugt ist der Lufteinlass an einer Unterseite des Ladesäulengehäuses angeordnet und strömt an dem doppelwandigen Abschnitt von unten nach oben vorbei. Da das Fluid den doppelwandigen Abschnitt von oben nach unten durchströmt, ist die Luft im oberen Bereich stärker erwärmt, wodurch sich infolge der Dichteunterschiede eine natürliche Luftströmung ergibt.
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Vorzugsweise weist der Luftkanal eine Lüftungseinheit auf. Dadurch ermöglicht die Erfindung einen kontinuierlichen Luftstrom durch den Luftkanal, wodurch eine Wärmeabfuhr verbessert werden kann. Weiterhin ermöglicht die Lüftungseinheit das Vorgeben einer Strömungsrichtung der Luft, so dass die Luft das Ladesäulengehäuse beispielsweise horizontal durchströmt. Je nach konstruktiven Anforderungen kann so eine höhere Flexibilität erreicht werden. Die Lüftungseinheit kann dabei im Luftkanal angeordnet sein, aber auch stromauf oder stromab des Luftkanals.
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Vorzugsweise weist der Luftkanal ein Kühlmodul auf. Dadurch kann eine Kühlleistung weiter erhöht werden. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen kann so weiterhin eine definierte Kühlleistung erbracht werden. Als Kühlmodul kann insbesondere ein Wärmeübertrager eingesetzt werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des doppelwandigen Abschnitts und angrenzend an diese mindestens ein Fluidleitelement, über das das durch den doppelwandigen Abschnitt geführte Fluid mäanderförmig geführt ist. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine relativ einfach umsetzbare Konstruktion, um das Fluid mäanderförmig durch den doppelwandigen Abschnitt zu leiten.
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Vorzugsweise erstrecken sich eine Mehrzahl paralleler und horizontaler Fluidleitelemente zwischen der Innenseite und der Außenseite, die zwischen sich den doppelwandigen Abschnitt begrenzen und die sich abwechselnd ausgehend von gegenüberliegenden Stirnseiten der Außenseite erstrecken und jeweils unter Einhaltung eines Abstands bis an die jeweils gegenüberliegende Stirnseite heranreichen. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass das Fluid über mehrere, horizontale Ebenen durch den doppelwandigen Abschnitt geführt wird. Über jedes Fluidleitelement strömt das Fluid dabei in horizontaler Richtung, um dann vertikal auf die folgende horizontale Ebene umgelenkt zu werden. Auch die Fluidleitelemente können dabei aus einem wärmeleitenden Material gefertigt sein und so ausgelegt sein, dass sie die aufgenommene Wärme bevorzugt nach außen ableiten, indem sie beispielsweise eine isolierende Kernschicht aufweisen.
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Vorzugsweise ist das Ladekabel zum Abgeben elektrischer Energie an einen Empfänger mit einem ersten Ende mit der Ladesäule und mit einem zweiten Ende mit dem Empfänger verbunden. Bevorzugt sind das erste Ende mit der Ladesäule und/oder das zweite Ende mit dem Empfänger als lösbare Verbindung ausgeführt. Beispielsweise kann das Ladekabel dafür an dem zweiten Ende eine erste Steckverbindung zum Verbinden mit einer zweiten Steckverbindung des Empfängers aufweisen.
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Als Empfänger elektrischer Energie werden hier beispielsweise Kraftfahrzeuge wie Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge verstanden. Grundsätzlich kann im Sinne der Erfindung ein Empfänger aber jede Vorrichtung sein, die einen Energiespeicher umfasst, der nach einer Nutzungszeit erneut mit elektrischer Energie geladen werden muss.
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Vorzugsweise umfasst die Entwärmungsanordnung eine Pumpeinheit, wobei durch die Pumpeinheit das Fluid aus dem Ladesäulengehäuse über den Fluidauslass in den Kühlkreislauf des Ladekabels zum Empfänger hin und über den Fluideinlass als erwärmtes Fluid aus dem Kühlkreislauf des Ladekabels zurück ins Ladesäulengehäuse geführt ist.
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Als Pumpeinheit umfasst die Ladesäule hier eine Pumpe, einen Kompressor oder eine andere Vorrichtung, die geeignet ist, das Fluid umzuwälzen, so dass das Fluid den Kühlkreislauf des Ladekabels zum Empfänger hin und wieder zur Ladesäule zurück sowie den doppelwandigen Abschnitt durchströmen kann.
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Ein erfindungsgemäßes Ladekabel für eine Entwärmungsanordnung weist zwischen einem Leiter und einer Isolationsschicht einen Hohlraum auf. Dabei ist der Kühlkreislauf des Ladekabels entweder zumindest abschnittsweise in dem Hohlraum geführt oder der Hohlraum ist zumindest als ein Abschnitt des Kühlkreislaufs ausgeführt. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass der Leiter durch das zumindest abschnittsweise in dem Hohlraum geführte Fluid gekühlt werden kann.
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Als Leiter wird hier elektrisch leitfähiges Material verstanden, das geeignet ist, elektrische Energie von der Ladesäule zum Empfänger zu übertragen. Dabei kann das Ladekabel auch mehr als einen Leiter umfassen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um hohe Ladeleistungen zu realisieren. Die Leiter sind dabei von einer Isolationsschicht umgeben.
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Insbesondere bei hohen Ladeleistungen wird in dem Leiter Wärme freigesetzt, die eine Kühlung erforderlich macht, damit das Ladekabel ungefährdet genutzt werden kann und keinen Schaden nimmt. Daher ist hier zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht der Hohlraum vorgesehen, in dem der Kühlkanal zumindest abschnittsweise geführt ist oder der zumindest einen Abschnitt des Kühlkreislaufs bildet. Diese Anordnung ermöglicht eine unmittelbare Kühlung des Leiters durch das Fluid, so dass ein Überhitzen des Ladekabels auch bei hohen Ladeleistungen vermieden oder zumindest reduziert wird.
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Als abschnittsweise oder ein Abschnitt wird verstanden, dass ein Teil des Kühlkanals in dem Hohlraum geführt ist oder der Hohlraum einen Teil des Kühlkanals unmittelbar bildet. Dies kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass ein Teil des Kühlkanals, in dem das Fluid von dem Ladesäulengehäuse zum Empfänger geführt wird, teilweise oder vollständig in dem Hohlraum geführt ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Teil des Kühlkanals, in dem Fluid vom Empfänger zum Ladesäulengehäuse zurückgeführt wird, teilweise oder vollständig in dem Hohlraum geführt ist. Anstatt einen Abschnitt des Kühlkanals in dem Hohlraum zu führen kann im Sinne der Erfindung der Hohlraum selbst als ein Teil des Kühlkanals ausgeführt sein. Dabei ist ein erfindungsgemäßes Ladekabel nicht darauf beschränkt, dass es zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht genau einen Hohlraum aufweist. Vielmehr kann das Ladekabel im Sinne der Erfindung auch mehrere, bevorzugt separate, Hohlräume zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht aufweisen.
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Eine Steuereinheit für eine Entwärmungsanordnung ist ausgebildet und eingerichtet, die Entwärmungsanordnung zu steuern, wobei das Steuern ein Anpassen einer Pumpleistung der Pumpeinheit, ein Anpassen einer Lüfterdrehzahl der Lüftungseinheit und/oder ein Aktuieren eines Ventilmittels umfasst. Dadurch ermöglicht die Erfindung, das Anpassen des Betriebs der Entwärmungsanordnung, indem eine veränderte Durchflussgeschwindigkeit des Fluids, eine veränderte Abkühlung des Fluids und/oder ein Leiten des Fluids zum elektrischen Energiespeicher eingestellt werden kann. Bevorzugt kann die Steuereinheit dabei auf hinterlegte Informationen, beispielsweise anhand von Look-up-Tabellen, zurückgreifen, und das Anpassen basierend auf einer Ladeleistung und/oder eine Ladedauer durchführen. Alternativ oder ergänzend kann das Steuereinheit auch eine Information von dem Empfänger enthalten oder durch das Schließen eines Kontakts ein Signal erhalten, so dass die Steuereinheit erkennen kann, ob das Ventilmittel zu aktuieren ist, um den elektrischen Energiespeicher mit Fluid zu versorgen.
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Eine weitere Steuereinheit für die Entwärmungsanordnung ist ausgebildet und eingerichtet, die Entwärmungsanordnung zu überwachen, wobei das Überwachen die folgenden Schritte umfasst:
- - Erfassen von Messdaten einer Sensoreinheit,
- - Vergleichen der erfassten Messdaten mit einem oder mehreren Schwellenwerten und
- - Basierend auf dem Vergleichen, Ausgeben einer Warnung und/oder Unterbrechen eines Ladebetriebs.
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Dabei können Sensoreinheiten in der Entwärmungsanordnung vorgesehen sein, die mit der Steuereinheit Informationen austauschen können, so dass die Steuereinheit beispielsweise eine Temperatur, einen Druck und/oder einen Volumenstrom des Fluids an einer oder mehreren Stellen der Entwärmungsanordnung erfassen kann. Basierend auf diesen Informationen kann die Steuereinheit erkennen, ob ein Defekt vorliegt, wie beispielsweise ein Leck infolge eines Druckabfalls oder eine Überhitzung. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass eine weitere Sensoreinheit eine Oberflächentemperatur des Ladekabels erfasst, so dass die Steuereinheit erkennen kann, wenn die Oberflächentemperatur für eine Benutzung zu hoch ist.
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Ob ein Defekt vorliegt, erkennt die Steuereinheit, indem sie die erfassten Messdaten mit einem oder mehreren Schwellenwerten vergleicht, die das Verlassen eines Sollbereichs indizieren. Die Schwellenwerte können dabei auf einer Speichereinheit der Steuereinheit hinterlegt sein. Wenn das Vergleichen ein Überschreiten eines oder mehrerer Schwellenwerte ergibt, gibt die Steuereinheit beispielsweise durch Anzeigen an der Ladesäule und/oder durch Übermitteln an eine Betreiberfirma eine Warnung aus und/oder unterbricht den Ladebetrieb. Letzteres ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ansonsten Verletzungsgefahr besteht oder eine dauerhafte Beschädigung der Ladesäule, des Empfängers und/oder der Entwärmungsanordnung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet und eingerichtet, die Entwärmungsanordnung zu regeln, wobei das Regeln ein Steuern der Entwärmungsanordnung basierend auf dem Vergleichen des Überwachens umfasst. Dadurch ermöglicht die Erfindung, dass das Ansteuern der Pumpeinheit, der Lüftungseinheit und/oder der Ventilmittel basierend auf einem Systemzustand der Entwärmungsanordnung erfolgt, so dass ein adaptierter Betrieb möglich ist. Insbesondere ist eine Temperatur des Fluids dadurch so einstellbar, dass ein vorteilhafter Wärmeübergang im Ladekabel erreicht werden kann, so dass eine Oberflächentemperatur des Ladekabels innerhalb eines Sollbereichs auch bei hohen Ladeleistungen gehalten werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein Ladesystem für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine Entwärmungsanordnung für eine Ladesäule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Ladesystems für ein Kraftfahrzeug mit einer Entwärmungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 eine Querschnittsdarstellung eines Ladekabels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Ladesystem 10 zum Laden eines hier als Elektrofahrzeug ausgeführten Empfängers 4 umfassend eine Ladesäule 2, die ein Ladesäulengehäuse 21 und ein Ladekabel 3 aufweist. Die Ladesäule 2 umfasst dabei eine nicht dargestellte Stromquelle. Das Ladekabel 3 ist zum Abgeben elektrischer Energie von der Stromquelle an das Elektrofahrzeug 4 mit einem ersten Ende 31 mit der Ladesäule 2 verbunden und weist an einem zweiten Ende 32 eine erste Steckverbindung 33 zum Verbinden mit einer zweiten Steckverbindung 43 des Elektrofahrzeugs 4 auf, so dass elektrische Energie von der Ladesäule an das Elektrofahrzeug 4 übertragen werden kann. Das Elektrofahrzeug 4 weist dabei eine Ladeelektrik 41, die einen Umrichter umfasst, sowie einen elektrischen Energiespeicher 42 auf. Die Ladeelektrik 41 ist mit dem Ladekabel 3 verbunden, so dass der elektrische Energiespeicher 42 über die Ladeelektrik 41 geladen werden kann.
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Insbesondere bei hohen Ladeleistungen, beispielsweise von mehr als 100 kW, die notwendig sind, um kürzere Ladezeiten, bevorzugt im einstelligen Minutenbereich, zu erreichen, stellt sich die Herausforderung, dass große Mengen an Wärmeenergie freigesetzt werden, die einerseits im Ladekabel 3, andererseits im elektrischen Energiespeicher 42 sehr hohe Temperaturen hervorrufen können. Diese hohen Temperaturen können zum einen zu einer Beschädigung des Ladekabels 3 und/oder des elektrischen Energiespeichers 42 führen, stellen insbesondere aber auch ein Verletzungsrisiko dar, wenn auch die Außenseite des Ladekabels 3 Temperaturen erreicht, die bei einem Nutzenden Verbrennungen bewirken können.
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In bekannten Ausführungsformen aus dem Stand der Technik werden daher beispielsweise Ladekabel 2 vorgeschlagen, die eine Kühlung des Ladekabels 3 aufweisen, indem sie gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel führen. Auch ist bekannt, Kühlmittel bis zum elektrischen Energiespeicher 42 zu führen, so dass auch dieser vor einer schädlichen Erwärmung geschützt werden kann. Nachteilig ist allerdings, dass die Ladesäulen 2 aus dem Stand der Technik zum Rückkühlen des Kühlmittels eine in der Ladesäule 2 integrierte, aktive Kühleinrichtung aufweisen, die zusätzlichen Bauraum innerhalb der Ladesäule 2 benötigt und einen zusätzlichen Energiebedarf aufweist.
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Zur Lösung dieser Problematik schlägt die Erfindung eine in 2 gezeigte Entwärmungsanordnung 1 für die Ladesäule 2 vor, die sich dadurch von den aus dem Stand der Technik bekannten Ladesäulen 2 unterscheidet, dass das Ladesäulengehäuse 21 als Kühlkörper genutzt wird. Hierfür ist das Ladesäulengehäuse 21 zumindest abschnittsweise doppelwandig ausgeführt. Dies ist in 2 gezeigt, indem eine rückwärtige Außenseite 211 des Ladesäulengehäuses 3 nur teilweise dargestellt ist, so dass der doppelwandige Abschnitt 5 erkennbar ist. Der doppelwandige Abschnitt 5 ist an der rückwärtigen Außenseite 211 angeordnet und erstreckt sich hier über einen Großteil der Höhe des Ladesäulengehäuses 21. Der doppelwandige Abschnitt 5 ist ausgebildet, ein Fluid, das zur Kühlung des Ladekabels 3 und/oder des elektrischen Energiespeichers 42 genutzt werden kann, zu führen und weist hierzu eine Eintrittsöffnung 51 und eine Austrittsöffnung 52 auf. Der doppelwandige Abschnitt 5 ist dabei von der rückwärtigen Außenseite 211 begrenzt und gleichzeitig thermisch mit ihr gekoppelt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Umgebungsluft stattfinden kann.
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Die Eintrittsöffnung 51 des doppelwandigen Abschnitts 5 ist um einen vertikalen Abstand oberhalb von der Austrittsöffnung 52 angeordnet. Dadurch kann eine Pumpleistung zum Fördern des Fluids reduziert werden, da das Fluid infolge der Schwerkraft und der Dichtezunahme infolge der Abkühlung von oben nach unten eine natürliche Strömungsrichtung erhält.
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Um die Strecke des Fluids, in der ein Wärmeübergang über die rückwärtige Außenseite 211 stattfinden kann, zu vergrößern, wird das Fluid durch den doppelwandigen Abschnitt 5 mehrfach umgeleitet, so dass es mäanderförmig geführt ist. Hierzu erstreckt sich eine Mehrzahl paralleler und horizontaler Fluidleitelemente 55 zwischen einer Innenseite 53 und einer in 3 sichtbaren Außenseite 54, die hier der rückwärtigen Außenseite 211 des Ladesäulengehäuses entspricht, des doppelwandigen Abschnitts 5. Die Fluidleitelemente 55 begrenzen zwischen sich den doppelwandigen Abschnitt 5 und sind so angeordnet, dass sie sich abwechselnd ausgehend von gegenüberliegenden Stirnseiten 56 erstrecken und jeweils unter Einhaltung eines Abstands bis an die jeweils gegenüberliegende Stirnseite 56 heranreichen. Das durch den doppelwandigen Abschnitt 5 geführte Fluid überströmt die jeweiligen Fluidleitelemente 55 in horizontaler Richtung und wird am Ende eines jeden Fluidleitelements 55 vertikal in die entgegengesetzte, horizontale Richtung umgelenkt. So wird der Weg, den das Fluid in dem doppelwandigen Abschnitt 5 zurücklegt, erhöht, wodurch sowohl eine Wärmeübertragungsfläche als auch eine Verweilzeit erhöht und somit eine Wärmeübertragung mit der Umgebung gesteigert werden können.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann der doppelwandige Abschnitt 5 innenseitig Strukturen aufweisen, die eine Oberfläche des Abschnitts 5 vergrößern. Beispielsweise könnte in der gezeigten Ausführungsform die Innenseite der Außenseite 54 eine gewellte Oberfläche aufweisen, vergleichbar zu einer Golfballoberfläche und so einerseits die Wärmeübertragungsfläche vergrößern und andererseits eine Strömung durch Erhöhung einer Turbulenz so beeinflussen, dass ein Wärmeübergang verbessert wird. Auch sind Strukturen wie beispielsweise in den Abschnitt 5 ragende Rippen umsetzbar oder das Bilden des doppelwandigen Abschnitts aus beispielsweise 3D-gedruckten kleinen Kanälen mit veränderlichen Querschnitten.
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3 zeigt schematisch das Ladesystem 10 für das Elektrofahrzeug 4 mit der Entwärmungsanordnung 1. Das Ladesäulengehäuse 21 weist dabei eine Pumpeinheit 22, einen Fluidauslass 23 und einen Fluideinlass 24 auf. Das Ladekabel 3 weist einen Fluidkreislauf mit einem ersten Abschnitt 34 und einem zweiten Abschnitt 35 zum Leiten des Fluids zwischen der Ladesäule 2 und dem Elektrofahrzeug 4 auf, wobei durch die Pumpeinheit 22 das Fluid aus dem Ladesäulengehäuse 21 über den Fluidauslass 23 durch den ersten Abschnitt 34 zum Elektrofahrzeug 4 hin und durch den zweiten Abschnitt 35 wieder über den Fluideinlass 24 als erwärmtes Fluid zurück ins Ladesäulengehäuse 21 geführt ist. Der Fluideinlass 24, über den das Fluid wieder in das Ladesäulengehäuse 21 eintritt, mündet dabei in die Eintrittsöffnung 51 des doppelwandigen Abschnitts 5. Die Austrittsöffnung 52 des doppelwandigen Abschnitts 5 mündet letztlich in den Fluidauslass 23 des Ladesäulengehäuses 21, so dass das rückgekühlte Fluid wieder in Richtung des Elektrofahrzeugs 4 fließen kann. Zwischen der Austrittsöffnung 52 und dem Fluidauslass 23 sind hier noch ein Reservoir 28 und die Pumpeinheit 22 geschaltet. Die Pumpeinheit 22 ist hier als Kompressor ausgeführt.
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In der hier gezeigten Ausführungsform weist das Ladesäulengehäuse 21 einen Lufteinlass 25 auf, der zur Umgebung der Ladesäule 2 geöffnet ist und in einen Luftkanal 26 mündet, der thermisch mit der Innenseite 53 des doppelwandigen Abschnitts 5 gekoppelt ist und diesen begrenzt. Weiterhin weist, um einen kontinuierlichen Luftstrom in dem Luftkanal 26 generieren zu können, der Luftkanal 26 eine Lüftungseinheit 27 auf. Die Lüftungseinheit 27 ist hier so angeordnet, dass sie die Umgebungsluft von der Unterseite des Ladesäulengehäuses 21 ansaugt und die Luft so von unten nach oben an dem doppelwandigen Abschnitt 5 vorbeiströmt. So ermöglicht die Erfindung, dass das Fluid in dem doppelwandigen Abschnitt 5 auf beiden Seiten Wärme an die Umgebungsluft abgeben kann.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, den Luftstrom horizontal an dem doppelwandigen Abschnitt 5 vorbeizuführen, indem der Lufteinlass 25 beispielsweise auf einer der Stirnseiten 56 des Ladesäulengehäuses 21 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend zur Lüftungseinheit 27 kann auch vorgesehen sein, dass der Luftkanal 26 ein Kühlmodul, wie beispielsweise einen Wärmeübertrager aufweist, um eine Kühlleistung weiter zu erhöhen.
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Um auch eine Kühlung des elektrischen Energiespeichers 42 zu ermöglichen, weist die erste Steckverbindung 33 Ventilmittel 331 auf, die ausgebildet sind, das Fluid von dem ersten Abschnitt 34 in den zweiten Abschnitt 35 umzuleiten und/oder zumindest einen Teil des Fluids in die zweite Steckverbindung 43 zu leiten, wobei die zweite Steckverbindung 43 ausgebildet ist, den zumindest einen Teil des Fluids dem zweiten Abschnitt 35 wieder zuzuführen. Für ein Elektrofahrzeug 4, das über eine mit der zweiten Steckverbindung 43 koppelbare Kühlung des elektrischen Energiespeichers 42 verfügt, kann so das Fluid über die zweite Steckverbindung 43 zu dem elektrischen Energiespeicher 42 weitergeleitet werden, um von dort über die zweite Steckverbindung 43 dem zweiten Abschnitt 35 wieder zugeführt zu werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Nutzender des Ladesystems 10 die Ventilmittel 331 manuell betätigt. Vorteilhaft ist allerdings, wenn das Ladesystem ein kompatibles Elektrofahrzeug 4 selbstständig erkennen kann. Hierzu umfasst es hier eine Steuereinheit 6, die mit der Ladeelektrik 41 des Elektrofahrzeugs 4 kommunizieren kann. Erhält die Steuereinheit 6 von der Ladeelektrik 41 die Information, dass das Elektrofahrzeug 4 mit der Entwärmeanordnung 1 kompatibel ist und ein Kühlungsbedarf besteht, aktuiert die Steuereinheit 6 die Ventilmittel 331, so dass der elektrische Energiespeicher 42 entsprechend mit Fluid zum Kühlen versorgt wird. Alternativ kann statt einer Kommunikation zwischen Steuereinheit 6 und Ladeelektrik 41 jeweils ein Kontakt in der ersten 33 und der zweiten 43 Steckverbindung vorgesehen sein. Wenn der Kontakt geschlossen ist, weil das Elektrofahrzeug 4 mit der Entwärmeanordnung 1 kompatibel ist, veranlasst das Steuergerät 6 ein Aktuieren der Ventilmittel 331, ansonsten hält es diese geschlossen, so dass das Fluid direkt in der ersten Steckverbindung 33 in den zweiten Abschnitt 35 umgeleitet wird.
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Zum Ausführen des Aktuierens der Ventilmittel 331 enthält die Steuereinheit 6 ein entsprechendes Steuerprogramm. Das Steuerprogramm enthält dabei weitere Befehle, um den Kompressor der Pumpeinheit 22 und die Lüftungseinheit 27 zu aktuieren. So ermöglicht das Steuergerät, durch Ansteuern der Pumpeinheit 22 eine Durchflussrate des Fluids und eine Kühlungsintensität anzupassen. Mit dem Ansteuern der Lüftungseinheit kann das Steuerprogramm beispielsweise eine Lüfterdrehzahl verändern, um eine Kühlung des Fluids in dem doppelwandigen Abschnitt 5 zu beeinflussen.
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Das Aktuieren der Lüftungseinheit 27 und der Pumpeinheit 22 führt das Steuerprogramm basierend auf hinterlegten Look-up-Tabellen durch, so dass es Pumpleistung und Lüfterdrehzahl basierend auf einer Ladeleistung und/oder einer Ladedauer auswählt und entsprechend aktuiert.
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Die Steuereinheit 6 umfasst weiterhin ein Überwachungsprogramm, um beispielsweise eine Fehlfunktion detektieren zu können. Hierzu ist das Ladesystem 10 mit mehreren Sensoreinheiten 61, 62, 63 ausgestattet. Der erste Sensor 61 und der zweite Sensor 62 sind dabei stromauf des Fluidauslasses 23 beziehungsweise stromab des Fluideinlasses 24 angeordnet und ausgebildet, die Temperatur, den Druck und den Volumenstrom des Fluids zu erfassen. Dadurch stehen sowohl Information über den Zustand des Fluids vor dem Einströmen in das Ladekabel 3 als auch nach dem Durchströmen des Ladekabels 3 zur Verfügung. Der dritte Sensor 63 ist außerhalb des Ladesäulengehäuses 21 an der Oberfläche des Ladekabels 3 positioniert und liefert Daten zur Oberflächentemperatur des Ladekabels 3.
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Basierend auf diesen Informationen kann das Überwachungsprogramm anhand hinterlegter Informationen wie einem Schwellenwert für die Oberflächentemperatur des Ladekabels 3 eine Warnung ausgeben und/oder den Betrieb des Ladesystems 10 unterbrechen. Weiterhin kann das Überwachungsprogramm anhand einer einen weiteren Schwellenwert überschreitenden Druckdifferenz zwischen der ersten 61 und der zweiten 62 Sensoreinheit auf ein Leck schließen und/oder bei einer entsprechend hohen Temperaturdifferenz auf einen Defekt in dem doppelwandigen Abschnitt 5. Auch in diesen Fällen umfasst das Steuerprogramm Befehle, eine Warnung auszugeben und/oder den Betrieb zu unterbrechen, wenn entsprechende Schwellenwerte überschritten werden.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst das Steuergerät 6 ergänzend oder alternativ zu dem Steuerprogramm ein Regelungsprogramm. Das Regelungsprogramm verwendet dabei wie das Überwachungsprogramm die Messdaten der Sensoreinheiten 61, 62 und 63. Zusätzlich umfasst es aber Befehle, abhängig von den Messdaten, die Pumpeinheit 22 und/oder die Lüftungseinheit 27 zu aktuieren. Wenn beispielsweise die Oberflächentemperatur des Ladekabels 3 höher als ein hinterlegter Schwellenwert ist, kann das Regelungsprogramm eine Lüfterdrehzahl und/oder die Pumpleistung erhöhen, um einen Volumenstrom des Fluids zu erhöhen und/oder eine Kühlung des Fluids zu verstärken. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten 61 und der zweiten 62 Sensoreinheit einen weiteren Schwellenwert überschreitet, kann das Steuergerät ebenfalls die Lüftungseinheit 27 aktuieren, um eine Kühlung des Fluids anzupassen. Insbesondere ist es so auch möglich, die Lüftungseinheit 27 abzuschalten, wenn die Temperaturdifferenz innerhalb eines Sollbereichs liegt.
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4 zeigt das Ladekabel 3 für eine in den 2 und 3 gezeigte Entwärmungsanordnung 1 in vier unterschiedlichen Ausführungsformen. In allen Varianten weist das Ladekabel 3 zwischen einem Leiter 36 und einer Isolationsschicht 37 einen Hohlraum 38 auf. Der Leister 36 ist elektrisch leitfähig und an beiden Enden elektrisch kontaktierbar, um die elektrische Energie zwischen Ladestation 2 und Elektrofahrzeug 4 zu übertragen. Die Isolationsschicht 37 umgibt den Leiter 36 umfänglich, um die Umgebung elektrisch abzuschirmen. Da bei einer Übertragung hoher Ladeleistungen in dem Leiter 36 durch Ohm'sche Verluste eine relativ große Menge an Wärmeenergie freigesetzt wird, kann sich der Leiter 36 im Betrieb so stark erhitzen, dass das Ladekabel 3 Schaden nimmt oder sogar Verletzungsgefahr besteht.
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Daher ist hier der Hohlraum 38 vorgesehen, in dem der erste 34 und/oder der zweite 35 Abschnitt des Kühlkreislaufs des Ladekabels 3 geführt ist. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine nahezu direkte Kühlung des Leiters 36 durch das Fluid.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel oben links umfassen der erste 34 und der zweite 35 Abschnitt jeweils vier Kanäle, in denen das Fluid geführt wird. Die Strömungsrichtung ist für den ersten Abschnitt 34 dabei entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des zweiten Abschnitts 35. Hier ist das angedeutet, indem die Strömungsrichtung des ersten Abschnitts 34 durch ein X markiert ist und in die Zeichenebene hinein gerichtet ist. Für den zweiten Abschnitt 35 ist die Strömungsrichtung mit einem Punkt markiert und aus der Zeichenebene heraus gerichtet.
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Das Fluid wird durch die vier Kanäle des ersten Abschnitts 34 von der Ladesäule 2 zu der ersten Steckverbindung 33 geführt und nimmt dabei Wärme von dem Leiter 36 auf. Von der ersten Steckverbindung 33 fließt das Fluid direkt wieder über den zweiten Abschnitt 35 zurück und/oder wird abhängig von den Ventilmitteln 331 zunächst noch zu dem elektrischen Energiespeicher 42 geführt, bevor es in den zweiten Abschnitt 35 gelangt. Auf dem Rückweg zur Ladesäule 2 durch den zweiten Abschnitt 35 strömt das Fluid erneut an dem Leiter 36 vorbei und kann so erneut Wärme aufnehmen. Dadurch, dass die Kanäle des ersten 34 und des zweiten 35 Abschnitts umfänglich um den Leiter 36 angeordnet sind, können sie auch in unterschiedliche Richtungen abgegebene Wärmeenergie aufnehmen. In anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass der erste 34 und/oder der zweite 35 Abschnitt mehr oder auch weniger Kanäle umfassen, um eine Wärmeübertragung weiter zu steigern oder eine Komplexität zu reduzieren.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel oben rechts weist das Ladekabel 3 das gleiche Grundprinzip wie im ersten Ausführungsbeispiel auf. Allerdings umfasst das Ladekabel hier drei Leiter 36, um eine höhere Ladeleistung bereitstellen zu können, die jeweils umfänglich von einem Hohlraum 38 und einer Isolationsschicht 37 umgeben sind. Jeder Leiter 36 wird hier von je vier Kanälen des ersten Abschnitts 34 und des zweiten Abschnitts 35 gekühlt, so dass die abgegebene Wärmemenge von dem Fluid abgeführt werden kann. Die drei Leiter 36 inklusive Hohlräume 38 und Isolationsschichten 37 sind wiederum von einer äußeren Kabelummantelung 39 umgeben.
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In dem dritten Ausführungsbeispiel unten links umfasst das Ladekabel 3 wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel drei Leiter 36, die jeweils von einem Hohlraum 38 und einer Isolationsschicht 37 umfänglich umgeben sind. Hier weisen der erste 34 und der zweite 35 Abschnitt jedoch nicht vier einzelne Kanäle je Leiter 36 auf. Stattdessen ist der erste Abschnitt 34 durch die Hohlräume 38 ausgebildet, die zwischen den Isolationsschichten 37 und den Leitern 36 gebildet sind, das Fluid des ersten Abschnitts 34 umgibt daher die Leiter 36 vollumfänglich, so dass eine Wärmeübertragung weiter verbessert werden kann. Der zweite Abschnitt 35 ist hingegen durch einen Zwischenraum 64 gebildet, der die Leiter 36 außerhalb der Isolationsschichten 37 umgibt und von der äußeren Kabelummantelung 39 begrenzt ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel strömt das Fluid von der Ladesäule 2 durch die drei ersten Abschnitte 34 direkt an den Leitern 36 vorbei und nimmt die abgegebene Wärmeenergie auf. Auf seinem Rückweg durch den zweiten Abschnitt 35 umströmt das Fluid die Leiter 36 außerhalb der Isolationsschichten 37 in dem Zwischenraum 64 und kann so die Ladekabeltemperatur weiter senken. In anderen Ausführungsbeispielen ist der erste Abschnitt 34 in dem Zwischenraum 64 vorgesehen und der zweite Abschnitt 35 in den Hohlräumen 38 zwischen den Leitern 36 und den Isolationsschichten 37 angeordnet.
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Hier sind die ersten Abschnitte 34 so ausgeführt, dass das Fluid in direktem Kontakt mit dem Leiter 36 ist, also keine Wandung zwischen Hohlraum 38 und Leiter 36 ist. Das Fluid weist daher dielektrische Eigenschaften auf, wie beispielsweise HFE-7100.
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Im letzten Ausführungsbeispiel unten rechts ist eine zum dritten Ausführungsbeispiel ähnliche Variante des Ladekabels 3 gezeigt. Hier ist allerdings nicht jeder Leiter 36 von einem einzelnen Hohlraum 38 und einer einzelnen Isolationsschicht 37 umgeben, sondern die drei Leiter 36 sind von einem gemeinsamen Hohlraum 38 und einer gemeinsamen Isolationsschicht 37 umgeben. Der gemeinsame Hohlraum 38 ist dabei als der erste Abschnitt 34 ausgeführt, der auch hier keine Wandung gegenüber den Leitern 36 aufweist, so dass diese durch das dielektrische Fluid direkt gekühlt werden. Der zweite Abschnitt 35 ist in dem Zwischenraum 64 angeordnet, so dass das Fluid auf seinem Rückweg zur Ladestation 2 das Ladekabel 3 außerhalb der Isolationsschicht 37 kühlen kann. Um einen Wärmeübergang zwischen der Isolationsschicht 37 und dem zweiten Abschnitt 35 zu erhöhen, weist die Isolationsschicht 37 an ihrer Außenseite 6 Rippen 65 auf, so dass eine Wärmeübertragungsfläche vergrößert wird.
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In allen Ausführungsbeispielen wird die Kühlung des Leiters 36 zumindest zeitweise durch Verdampfen des Fluids erreicht, so dass vorzugsweise zumindest bereichsweise ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegt. Dies hat den Vorteil einer verbesserten Wärmeabfuhr, da neben der Wärmeaufnahme durch Temperaturerhöhung des Fluids auch die latente Verdampfungsenthalpie genutzt werden kann. Dazu wird das Fluid bevorzugt so ausgewählt, dass der Siedepunkt knapp unterhalb einer maximalen Solltemperatur des Ladekabels 3 liegt. Knapp unterhalb bedeutet hier 15 Grad Celsius, bevorzugt 10 Grad Celsius, besonders bevorzugt 5 Grad Celsius unterhalb der Solltemperatur.
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Besonders bevorzugt wird der Bereich des Blasensiedens genutzt, da hier eine Wärmestromdichte, also die übertragene Wärme pro Flächeneinheit, am höchsten ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Regelungsprogramm die Eingangs- und die Ausgangstemperatur durch die Sensoreinheiten 61 und 62 überwacht und gegebenenfalls anpasst, so dass vorteilhafte Wärmeübertragungsraten zwischen den Leitern 36 und dem Fluid erreicht werden können. Bevorzugt stellt das Regelungsprogramm die Temperatur des Fluids am ersten Sensor 61, also stromauf des Fluidauslasses 23 so ein, dass sie 30 Grad Celsius, bevorzugt 20 Grad Celsius, besonders bevorzugt 15 Grad Celsius unterhalb der Siedetemperatur liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Entwärmungsanordnung
- 2
- Ladesäule
- 3
- Ladekabel
- 4
- Empfänger, Elektrofahrzeug
- 5
- Doppelwandiger Abschnitt des Ladesäulengehäuses
- 6
- Steuereinheit
- 10
- Ladesystem
- 21
- Ladesäulengehäuse
- 22
- Pumpeinheit
- 23
- Fluidauslass
- 24
- Fluideinlass
- 25
- Lufteinlass
- 26
- Luftkanal
- 27
- Lüftungseinheit
- 28
- Reservoir
- 31
- Erstes Ende des Ladekabels
- 32
- Zweites Ende des Ladekabels
- 33
- Erste Steckverbindung
- 34
- Erster Abschnitt des Fluidkreislaufs des Ladekabels
- 35
- Zweiter Abschnitt des Fluidkkreislaufs des Ladekabels
- 36
- Leiter
- 37
- Isolationsschicht
- 38
- Hohlraum
- 39
- Kabelummantelung
- 41
- Ladeelektrik
- 42
- Elektrischer Energiespeicher
- 43
- Zweite Steckverbindung
- 51
- Eintrittsöffnung des doppelwandigen Abschnitts
- 52
- Austrittsöffnung des doppelwandigen Abschnitts
- 53
- Innenseite des doppelwandigen Abschnitts
- 54
- Außenseite des doppelwandigen Abschnitts
- 55
- Fluidleitelement
- 56
- Stirnseite
- 61, 62, 63
- Sensoreinheiten
- 64
- Zwischenraum
- 65
- Rippen
- 211
- Rückwärtige Außenseite des Ladesäulengehäuses
- 331
- Ventilmittel