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Die vorliegende Erfindung betrifft Batterieladegeräte und insbesondere
einen Induktivladeport einer
Hochleistungs-Induktivbatterieladevorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Ladeport einer
Induktivladevorrichtung zur Verwendung beim Aufladen einer Batterie,
wobei die Vorrichtung die Merkmale aufweist, die im Oberbegriff von
Anspruch 1 beschrieben sind. Induktivladevorrichtungen dieser Sorte sind
aus der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
0 552 737 bekannt. Jegliche Maßnahmen zum Kühlen elektrischer Teile
der bekannten Induktivladevorrichtung sind auf die stationäre Einheit
begrenzt, die der Energiequelle zugewiesen ist. Dort wird durch ein Gebläse
eine kühlende Luftströmung erzeugt, um elektrische und elektronische
Schaltkreise zu kühlen. Die folgenden allgemeinen Betrachtungen
hinsichtlich des Standes der Technik dienen zu einem besseren Verständnis
der Erfindung.
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Der Inhaber der vorliegenden Erfindung konstruiert, entwickelt und fertigt
Induktivladesysteme zur Verwendung beim Aufladen elektrischer
Batterien von Elektrofahrzeugen und dergleichen. Das Ladesystem wendet einen
Ladeport an, der Sekundärwicklungen und einen Kern umfaßt, die eine
Sekundärseite eines Transformators bilden, der in dem Elektrofahrzeug
eingebaut ist, und wendet einen Ladekoppler oder eine Sonde an, die eine
Primärwicklung und einen Kern umfaßt, die eine Primärseite eines
Transformators bilden, der an eine Energiequelle angekoppelt ist und der
in den Ladeport eingeführt ist, um die Fahrzeugbatterien aufzuladen. Das
Laden der Batterien wird mit einer hohen Frequenz und mit hohen
Laderaten vorgenommen. Folglich gibt es eine große Menge von
Wärmeentwicklung in der Ladesonde. Die Sonde muß von einem Benutzer aus dem
Ladeport entfernt werden, sobald das Laden abgeschlossen ist, und die
Temperatur der Sonde ist von Belang.
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Es können vier unterschiedliche Ansätze verwendet werden, um ein
Wärmemanagement der Temperaturen des Induktivladekopplerports
durchzuführen. Der erste Ansatz ist es, sich auf eine Wärmeleitung von der
Primärwicklung und dem Primärkern über eine Luftspaltgrenzfläche zu an
Bord befindlichen Wärmetauschern zu verlassen, bei denen Kühlluft
durch Ladeportgebläse zirkuliert. Dieser Ansatz funktioniert bei Systemen,
die mit Laderaten von ungefähr 6 kw bis 10 kw betrieben werden. Der
zweite Ansatz ist es, gekühlte Luft von einer außerhalb befindlichen
Kühleinheit durch den Koppler zu leiten. Dieser Ansatz funktioniert bei
Systemen, die mit Laderaten von ungefähr 20 kw bis 25 kw betrieben werden.
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Der dritte Ansatz ist es, einen Kunststoffwärmetauscher zu verwenden,
der nicht mit den von dem Ladesystem erzeugten Magnetfeldern
wechselwirkt. Jedoch weist dieser Ansatz schlechte
Wärmeübertragungseigenschaften auf. Der vierte Ansatz ist es, einen Metallwärmetauscher zu
verwenden, der mit dem Magnetfeld wechselwirkt, was zu einem Grad von
Nachbarschaftsverlusten in Abhängigkeit von seiner Anordnung in der
Wicklung führt.
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Eine Diskussion von Metallwärmetauschern kann in der am 29. April
1994 eingereichten U.S. Patentanmeldung mit der Seriennr. 08/237 493
mit dem Titel "Liquid Cooled Inductive Probe for High Power Charging", die
dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört, gefunden werden, welche
beschreibt, wie eine Wicklung einer induktiven Sonde mit einer
flüssigkeitsgespeisten Kunststoffblase gekühlt werden kann, und wie mit einem
flüssigkeitsgespeisten Metallwärmetauscher in einer Wicklung einer
induktiven Sonde eine Grenzfläche gebildet werden kann, so daß es kein
Wechselwirken mit den Magnetfeldern gibt. Die am 29. April 1994
eingereichte U.S. Patentanmeldung mit der Seriennr. 08/237 494 und dem
Titel "High Frequency Transformer Having an Internally Liquid Cooled
Winding", die dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört, die am gleichen
Tag wie die vorliegende EP-Anmeldung (Aktenzeichen des Anwalts:
HU3061) eingereicht wurde, beschreibt, wie mit einem
flüssigkeitsgespeisten Metallwärmetauscher in der Wicklung einer induktiven Sonde eine
Grenzfläche gebildet werden kann und wie diese als eine Windung der
Transformatorwicklung integriert werden kann, so daß es keine
Wechselwirkung des Wärmetauschers mit den Magnetfeldern gibt. Das U.S. Patent
Nr. 5 408 209 mit dem Titel "Cooled Secondary of Electric Automobile
Charging Transformer", das dem Inhaber der vorliegenden Erfindung
gehört, beschreibt, wie eine Wicklung eines Ladeports mit einem Wärmerohr
gekühlt werden kann. Die am 2. November 1993 eingereichte U.S.
Patentanmeldung mit der Seriennr. 08/ 146 690 mit dem Titel "Ducted Air-
Cooled Secondary of Automotive Battery Charging Transformer", die dem
Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört, beschreibt, wie eine Wicklung
eines Ladeports mit einem mit einer Luftführung versehenen luftgekühlten
Wärmetauscher gekühlt werden kann. Der Nachteil dieses Ansatzes ist es,
daß der luftgekühlte Wärmetauscher keine integrierte Windung ist, das
heißt, er dient nur als ein Wärmetauscher.
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Die EP-Patentveröffentlichung Nr. 159387 beschreibt eine
Sekundärwicklung, die eine Windung umfaßt, die als eine Wärmeaustauschleitung
hergestellt ist. Primär- und Sekundärwicklungen sind zusammen in einem
festen Isoliermaterial geformt, um einen Teil eines Verteilertransformators
zu bilden.
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Mit dem obigen im Gedächtnis ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine verbesserte Kühlung für den Ladeport einer induktiven
Hochleistungs-Batterieladevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von
Anspruch 1 zu schaffen.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnender Merkmale
von Anspruch 1 erreicht.
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Vorteilhafte weitere Entwicklungen und Ausführungsformen sind
Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9.
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Die vorliegende Erfindung verwendet einen Wärmetauscher, der zu zwei
Zwecken dient, nämlich zu dem eines Wärmetauschers und auch als eine
Windung einer Transformatorwicklung. Die vorliegende Erfindung umfaßt
die Verwendung der äußeren Windungen eines ineinandergeschachtelten,
schraubenförmig gewickelten Transformators als Wärmetauscher. Die
äußeren Windungen können irgendeine Form oder Dicke aufweisen, können
luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein oder können Dampftauscher
(Wärmerohre) sein. Andere Windungen der Sekundärwicklungen können nicht auf
diese Weise verwendet werden, weil sie eine übermäßige Wärmedissipation
aufgrund von Nachbarschaftsverlusten bewirken.
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Wenn sie für eine flüssigkeitsgekühlte Windung verwendet wird, umfaßt
die vorliegende Erfindung, daß flüssiges Kühlmittel aus einem
Kühlsystem, das eine Pumpe, einen Kompaktwärmetauscher und ein Gebläse
umfaßt, durch die äußeren Windungen hindurchgeleitet wird. Eine
Wärmedissipation von den Sekundärwicklungen des Transformators wird
wirksam entfernt, indem ein interner Kühlmittelströmungsdurchgang oder
-durchgänge in der Mitte der die Wärmetauscher umfassenden äußeren
Wicklungen gebildet oder integriert wird bzw. werden. Die internen
Durchgänge können auf mehrere Arten gestaltet sein. Ein Ansatz ist es,
dünne, flache, in sich geschlossene, flexible Kühlmittelblasen aufzubauen,
die aus Metall, wie Kupfer, gebildet sind. Das Kühlmittel kann aus stark
dielektrischem Material, wie Polyalphaolefin oder Flouronert bestehen.
Das stark dielektrische Material zeigt einen hohen Widerstand, so daß von
Magnetfeldern oder direktem Kontakt mit den leitenden Feldern kein
Strom in das Kühlmittel induziert wird. Wenn sie auf eine luftgekühlte
Windung angewandt wird, richtet die vorliegende Erfindung Luft von dem
Gebläse durch gerippte Wärmetauscher. Die inneren Windungen der
Sekundärwicklungen sind direkt mit der Windung des gerippten
Wärmetauschers verbunden, um einen guten Wärmekontakt und eine große
Wärmeübertragungsfläche zu schaffen.
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Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Transformatorwicklung, die zu
den doppelten Funktionen eines Flüssigkeits- oder Luftwärmetauschers
oder Dampftauschers und einer Magnetwicklung eines Transformators
dient, der oberhalb von 10 kHz betrieben wird. Die vorliegende Erfindung
ist besonders bei einem Induktivladeport einer Batterieladevorrichtung zur
Verwendung mit einem Elektrofahrzeug nützlich und ist für die
Ausführung der Sekundärwicklung in dem Ladeport spezifisch. Die Verwendung
der vorliegenden Erfindung gestattet ein schnelles Aufladen von
Elektrofahrzeugen mit einer hohen Rate. Jedoch können die Konzepte der
vorliegenden Erfindung auf jeden Transformator angewandt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
können unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in
Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen leichter
verstanden werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen,
und in deren:
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Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer den
Ladeport anwendenden Batterieladevorrichtung gemäß
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 2 ein MMK-Diagramm ist, das einen Strom über einen
Frequenzanstieg relativ zu Windungen des Ladeports
veranschaulicht,
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Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils des Ladeports von Fig. 1
ist,
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Fig. 4 eine Explosionsansicht einer
schraubenförmigen/teilweise spiralförmigen Konstruktion der in dem Ladeport
von Fig. 1 verwendeten Wicklungen ist, und
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Fig. 5 eine Explosionsansicht einer
schraubenförmigen/spiralförmigen Konstruktion der in dem Ladeport von Fig.
1 verwendeten Wicklungen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Zur Einleitung sorgt die vorliegende Erfindung für die Konstruktion eines
Transformators für hohe Energiedichte, hohe Leistung und hohe
Frequenz. In der Vergangenheit sind Transformatoren für hohe Energiedichte
aufgrund von Problemen beim Kühlen interner Kupferwicklungen des
Transformators beschränkt gewesen. Es konnte kein
Metallwärmetauscher zwischen Wicklungen eingesetzt werden, aufgrund von Verlusten,
die (von den internen Magnetfeldern) eingeleitet werden, und aufgrund des
Drahtaufbaus, der bei herkömmlichen Konstruktionen verwendet wurden,
die keine angemessene Oberfläche aufwiesen, um die Wärme geeignet
abzuführen.
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Ein Kühlen ist leicht bei einer niedrigen Frequenz (60 und 400 Hz)
durchgeführt worden, indem die Wicklung als eine Hohlrohrwicklung hergestellt
und ein Kühlmittel (Öl, Wasser usw.) durch diese hindurchgepumpt
wurde. Jedoch kann dies nicht bei hoher Frequenz (größer als 10 kHz) auf
grund von übermäßigen Wirbelstromverlusten, die durch die übermäßige
Dicke des erforderlichen Rohres eingeleitet werden, durchgeführt werden.
Ein anderes Verfahren ist es, einen internen Wärmetauscher um die
Wicklung herum anzuordnen. Alternative Verfahren zur Anordnung von
Metallwärmetauschern intern (verschachtelt) zwischen den Primär- und
Sekundärwicklungen wurden aufgrund von Verlusten in dem
Wärmetauscher, die durch die internen Magnetfelder hervorgerufen werden, als
nicht möglich erachtet. Wegen dieser Verluste müßten die Wärmetauscher
aus einem nicht metallischen Material mit nicht optimalen
Wärmeübertragungseigenschaften hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung
überwindet teilweise dieses Problem.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren ist Fig. 1 eine teilweise
weggeschnittene Seitenansicht einer induktiven Batterieladevorrichtung 10,
die eine Ladesonde 20 anwendet, die in einen Ladeport 11 eingesetzt ist,
gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der Ladeport 11 kann
beispielsweise in einem Elektrofahrzeug 17 angeordnet sein.
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Der Induktivladekoppler 20 besteht aus einem Kunststoffkopplergehäuse
22, das zwei passende Kopplerhälften 22a, 22b aufweist, die derart
gestaltet sind, daß sie einen Griff 23 bereitstellen. Der Induktivladekoppler
20 besteht aus einem mittleren Magnetkern 24 oder einer "Scheibe" 24,
die beispielsweise aus Ferrit bestehen kann. Eine Primärwicklung 25 ist
um den mittleren Magnetkern 24 herum angeordnet. Die
zusammengehörenden Kopplerhälften 22a, 22b des Induktivladekopplers 20 schließen die
Primärwicklung 25 und den mittleren Magnetkern 24 ein. Die
Primärwicklung 25 besteht beispielsweise aus vier Windungen und ist mittels
eines Stromkabels 26 an eine externe Energiequelle 27 angekoppelt, um
Energie an den Ladekoppler 20 anzukoppeln.
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Das Gehäuse 22 weist einen hohlen scheibenförmigen Abschnitt mit im
wesentlichen flachen voneinander abgewandten Flächen auf, und der
verjüngte Griff erstreckt sich von dem Scheibenabschnitt. Eine Öffnung 29
ist durch jede der flachen voneinander abgewandten Flächen des hohlen
scheibenförmigen Abschnitts hindurch vorgesehen. Der mittlere
Magnet
kern 24 ist in der Öffnung 29 angeordnet und weist voneinander
abgewandte flache Flächen auf, die im wesentlichen koplanar mit den im
wesentlichen flachen voneinander abgewandten Flächen des Gehäuses 22
sind.
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Der Ladeport 11 umfaßt ein Gehäuse 12 mit einer Öffnung 13, in die der
Induktivladekoppler 20 eingesetzt ist. Der Ladeport 11 umfaßt zwei
sekundärseitige Kernhälften 14 und zwei Sätze von Sekundärwicklungen 15,
welche die Kernhälften 14 umgeben. Die Sätze von Sekundärwicklungen
15 sind an eine Batterie 16 des Elektrofahrzeuges 17 angekoppelt, in dem
diese untergebracht ist. Der Ladekoppler 20 ist derart konstruiert, daß er
in die Öffnung 13 des Ladeports 11 eingesetzt werden kann, um von der
externen Energiequelle 27 Strom an die Batterie 15 anzukoppeln.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein
kühlmittelleitender Wärmetauscher 30 oder eine kühlmittelleitende Blase 30
als eine äußere Sekundärwicklung oder Sekundärwindung von jeder der
beiden Sätze von Sekundärwicklungen 15 vorgesehen. Die
kühlmittelleitenden Wärmetauscher 30 können mit jeweiligen inneren Windungen 15a
der Sätze von Sekundärwicklungen 15 verbunden sein, wobei
beispielsweise ein leitendes Haftmittel 31 oder Epoxydharz verwendet wird. Details
der Sekundärwicklungen 15 und kühlmittelleitenden Wärmetauscher 30
sind unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 unten diskutiert.
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Die Wärmetauscher 30 sind an ein an Bord des Fahrzeuges 17
angeordnetes Kühlsystem 31 angekoppelt, welches eine Kühlmittelpumpe 32,
einen Kühlmittelwärmetauscher 33 und ein Kühlgebläse 34 umfaßt.
Kombinationen dieser Bauteile können verwendet werden, wie es die
Kühlbe
dürfnisse erfordern, wie eine Verwendung des Gebläses 34, um Luft auf
den gerippten Wärmetauscher 30 zu leiten. Die vorliegende Erfindung
zirkuliert flüssiges Kühlmittel aus dem an Bord befindlichen Kühlsystem 31
in dem Fahrzeug 17 zu den Wärmetauschern 30, indem Einlaß- und
Auslaßkühlmittelleitungen 36 zu diesen geführt werden. Der
Wärmetauscher 30 kann beispielsweise wassergekühlt sein. Das Kühlmittel kann
beispielsweise aus einem stark dielektrischen Material, wie Polyalphaolefin
oder Flouronert bestehen. Das stark dielektrische Material zeigt einen
hohen Widerstand, so daß aus Magnetfeldern oder direktem Kontakt mit den
leitenden Feldern kein Strom in das Kühlmittel eingeleitet wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein
gerippter Wärmetauscher 30 angewandt. Die jeweiligen
Sekundärwindungen 15a sind direkt mit dem gerippten Wärmetauscher 30 verbunden, um
einen guten Wärmekontakt und eine große Wärmeübertragungsfläche
bereitzustellen. Das Gebläse 34 wird verwendet, um Luft über die jeweiligen
gerippten Wärmetauscher 30 zu leiten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein
Wärmerohr als der Wärmetauscher 30 angewandt. Die jeweiligen
Sekundärwindungen 15a sind direkt mit den Wärmerohren verbunden, um
einen guten Wärmekontakt zu schaffen.
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Die Konzepte der vorliegenden Erfindung können auf die äußeren
Sekundärwindungen der Sätze von Sekundärwicklung 15 angewandt werden. Im
Fall eines Induktivladeports 11 sind die Primärwicklung 25 und der
Primärkern 24 mit den Sätzen von Sekundärwicklung 15 und Sekundärkern
14 verschachtelt, und somit gibt es zwei äußere Windungen, eine reguläre
leitende Windung und den Wärmetauscher 30 als die äußere Windung.
Durch Nachschlagen in einem MMK-Diagramm, wie es in Fig. 2 gezeigt ist,
kann bestimmt werden, daß die äußeren Wicklungen nur einen
Hauteffekt-Hochfrequenzverlustausdruck aufweisen. Es gibt keinen
Nachbarschaftseffekt in den äußeren Windungen. Der
Nachbarschaftsverlustausdruck bewirkt, daß die Wicklungsdicke begrenzt ist und eine
vorbestimmte optimale Dicke für einen minimalen Verlust. Wenn jedoch die
Verlustkomponente nur von Hauteffektverlusten abstammt, kann die
Dicke der Windung (Wärmetauscher 30) ohne zusätzlichen Energieverlust
unendlich sein. Es gibt ein Optimum, bei dem ein Vergrößern der Dicke
den Energieverlust nicht verkleinert, jedoch gibt es keinen Nachteil.
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Mit der obigen allgemeinen Beschreibung des Aufbaus des Kopplers 20
sind die Details hinsichtlich der besonderen Verbesserungen der
vorliegenden Erfindung wie folgt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
können angewandt werden, wenn die Primärwicklung 25 mit den Sätzen
von Sekundärwicklungen 15 verschachtelt ist. Es kann ein Metallmaterial
als die äußeren Windungen der Sätze von Sekundärwicklung 15 mit einem
minimalen induzierten Verlust angeordnet werden, wenn kein Magnetfeld
vorhanden ist. Indem in dem MMK-Ddiagramm, wie es in Fig. 2 gezeigt ist,
nachgeschlagen wird, kann bestimmt werden, daß bei bestimmten
Wicklungsanordnungen bestimmte Abstände von Windung zu Windung
beinahe ein Null-Feld aufweisen. Der Metallwärmetauscher 30 kann am Punkt
eines Null-Feldes mit einem minimalen Energieverlust eingesetzt werden.
Beispielsweise im Fall einer Primärwicklung 25 mit vier Windungen, die
mit einer Sekundärwicklung 15 mit vier Windungen verschachtelt ist (d. h.
2 Windungen sekundär - 4 Windungen primär - 2 Windungen sekundär),
wobei die Zweiwindungssätze der Sekundärwicklungen 15 in Reihe
ge
schaltet sind, zeigt das MMK-Diagramm deutlich, daß es beinahe kein
Feld bei den äußeren Windungen der Sekundärwicklung 15 mit vier
Windungen gibt, und somit kann der Wärmetauscher 30 an diese Stellen
gesetzt werden. Wie es zu sehen ist, funktioniert dies für eine gerade Anzahl
von Sekundärwindungen. Die vorliegende Erfindung wird durch die
Verwendung von flachen, schraubenförmigen oder flachen spiralförmigen
Windungen für die Sätze von Sekundärwicklungen 15 weiter verbessert.
Dies liefert die maximale verfügbare Oberfläche für die Übertragung von
Wärme. Die Windungen der Sätze von Sekundärwicklung 15 können
thermisch mit dem Wärmetauscher 30 unter Verwendung des
wärmeleitenden Haftmittels 31 verbunden werden.
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Diese Technik kann auf jede Transformatorkonstruktion angewandt
werden und ist besonders auf die Konstruktion eines induktiv gekoppelten
Transformatorladeports 11 für Elektrofahrzeuge 17 anwendbar. Die
Wärmebegrenzungen sind für induktionsgekoppelte Transformatoren, die bei
Elektrofahrzeugen 17 verwendet werden, schwerwiegend (d. h. bei denen
die Transformatorprimärwicklung 25 und der Transformatorprimärkern
24 derart konstruiert sind, daß sie physikalisch zwischen die Sätze von
Sekundärwicklungen 15 und Sekundärkern 14 eingesetzt werden), weil es
dazwischen einen begrenzten Wärmekontakt gibt.
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Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, wird die folgende
theoretische Diskussion vorgelegt. Bei einer Transformatorkonstruktion ist ein
Hochfrequenzbetrieb erwünscht, um die Magnetkerngröße zu verringern.
Dies beruht auf der fundamentalen magnetischen Gleichung:
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E = N · dφ/dt, wobei dφ = NdB.
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Dies kann umgeschrieben werden als:
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wobei: Ac die Querschnittsfläche des Kerns ist, f die Betriebsfrequenz ist,
N die Anzahl von Primärwindungen ist und B die Flußdichte in Einheiten
von 10&supmin;&sup4; Tesla (Gauss) ist.
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Es ist daher zu sehen, daß der Magnetkern kleiner sein kann, wenn eine
höhere Frequenz verwendet wird, um den Kern zu erregen. Jedoch steht
dies in Konflikt mit der Kupferwicklung, welche infolge davon die
Wirbelströme erhöht. Wirbelstromverluste sind ein Sammelausdruck für die
Umverteilung von Wechselstrom in Leitern als eine Funktion der Frequenz
(Hauteffekt) und des Phänomens, bei dem ein Schaltkreis, der
Wechselstrom führt, zirkulierende Ströme, ohne einen ohmschen Kontakt
herzustellen, in irgendein leitendes Material in der unmittelbaren Nähe des
Schaltkreises einleiten kann (Nachbarschaftseffekt). Somit gibt es auf der
Grundlage der Kupferverluste eine grundlegende Begrenzung davon, wie
klein der Transformatorkern sein kann.
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Der Hauteffektverlust ist eine Zunahme des effektiven Widerstandes
aufgrund von Hochfrequenzstrom, der von dem Wicklungsleiter alleine
geführt wird. Dies tritt auf, weil, während die Frequenz ansteigt, die
Stromdichte an der Leiteroberfläche zunimmt und in der Mitte in Richtung Null
abnimmt. Der Strom wird innerhalb des Leiters exponentiell schwächer.
Der Teil des Leiters, der tatsächlich Strom führt, ist verringert, so daß der
Widerstand bei Hochfrequenz (und resultierende Verluste) um ein
Vielfaches größer als bei niedriger Frequenz sein kann. Die Hauttiefe (sd) ist
definiert als die Entfernung von der Oberfläche dorthin, wo die Stromdichte
das 1/e-fache der Oberflächenstromdichte beträgt (e ist die Basis des
natürlichen Logarithmus).
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sd = ρ/π · u · f
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wobei p der spezifische Widerstand von Kupfer ist und gegeben ist durch
p = 0,69 · 10&supmin;&sup6; Ohm-in bei 20ºC und u = 0,4 π · 10&supmin;&sup8;.
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Die einfachste Form einer Gleichung zum Berechnen von
Hochfrequenzwicklungsverlusten für beliebige Stromwellenformen ist gegeben durch:
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Rac/Rdc(Hauteffekt) = x · (e2x - e-2x + 2sin(2x))/(e2x + e(-2x) - 2cos(2x),
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wobei x die Schichtdicke/Hauttiefe ist.
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Obwohl die Stromdichte von der Oberfläche aus exponentiell schwächer
wird, ist der Hochfrequenzwiderstand gleich, als ob die Stromdichte von
der Oberfläche zur Eindringtiefe konstant wäre und dann abrupt zu Null
gehen würde. Dies bedeutet, daß ungeachtet der Foliendicke der minimale
Widerstand (Wechselstromwiderstand bei einer spezifizierten Frequenz)
auf den Gleichstromwiderstand bei der Hauttiefe begrenzt ist. Somit kann
für eine Schicht oder Windung für eine schraubenförmige Wicklung die
Schichtdicke ohne erhöhte Verluste über die Hauttiefe so dick wie
gewünscht sein.
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Für Mehrschichtspulen ist der Nachbarschaftseffekt oft der dominierende
Effekt. Die offenbare Zunahme des Widerstandes der Leiter wird durch
Wirbelströme in den Leitern aufgrund der Magnetfelder bewirkt, die von
anderen Leitern in den Wicklungen in die Leiter eingeprägt werden. Es ist
jedoch anzumerken, daß diese Wirbelströme selbst dann vorhanden sein
werden, wenn die Wicklung ein offener Schaltkreis ist. Die Verluste sind
ohne Nettostromfluß vorhanden, was einen unendlichen Widerstand
ergibt. Dies ist die Situation mit einer elektrostatischen Abschirmung und
einem flüssigkeitsgekühlten Metallwärmetauscher, der zwischen die
Primär- und Sekundärwicklung eingesetzt ist. Die einfachste Form der
obigen Gleichung ist gegeben durch:
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Rac/ Rdc(Nachbarschaftseffekt) = (2/3) · (m² - 1) · x · (ex - e-x + 2sin(x))/(ex +
e(-x) - 2cos(x),
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wobei x die Schichtdicke/Hauttiefe ist und m die Anzahl der Schichten ist.
Diese Gleichung zeigt, daß die drastische Zunahme der Verluste aufgrund
von Nachbarschaftseffekten erfolgt, wenn mehrere Schichten (Windungen)
in einer Transformatorwicklung verwendet werden, und warum die
Schichtdicke bei einem Wert gehalten werden muß, der gleich der
Hauttiefe oder kleiner ist.
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Zu Zwecken der Vollständigkeit zeigt Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils
des Ladeports 11 von Fig. 1, der besonders die Verbindung der
Wärmetauscher 30 mit den inneren Windungen 15a der Sätze von
Sekundärwicklungen 15 veranschaulicht. Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, ist der
Wärmetauscher 30 leitend mit jeweiligen inneren Windungen 15a der Sätze
von Sekundärwicklungen 15 mittels des Haftmittels 31 verbunden.
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Die internen Kühlmittelströmungsdurchgänge, die durch den
Wärmetauscher 30 vorgesehen sind, können auf mehrere Weisen gestaltet sein. Ein
Ansatz ist es, dünne, flache, flexible Blasen 30 aufzubauen, die aus
Metall, wie Kupfer, hergestellt sind. Die inneren Windungen 15a der Sätze
von Sekundärwicklungen 15 sind direkt mit dem flachen
Kühlmittelwärmetauscher 30 verbunden, um einen guten Wärmekontakt, eine große
Wärmeübertragungsfläche und ein sehr dünnes Profil zu schaffen. Die
Einlaß- und Auslaßkühlmitteldurchgänge 36 gehen von einer sehr
dünnen (1,27 mm (0,05") nominal) rechtwinkligen Querschnittsform unter der
Wicklung 25 zu einer runden Rohrform (6,35 mm (0,25") im Durchmesser)
über.
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Der Wicklungsaufbau der oben beschriebenen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung führt einen schraubenförmigen Aufbau von einer
Windung pro Schicht für die Windung aus, die den kühlmittelführenden
Wärmetauscher 30 umfaßt. Jedoch kann die Anzahl von Windungen so
hoch wie gewünscht sein, und die inneren Windungen müssen keine
einzige schraubenförmige Windung sein. Es können auch Schichten mit
spiralförmigen Mehrfachwindungen ausgeführt werden. In jedem Fall weisen
die äußeren Windungen des verschachtelten schraubenförmigen
Transformators der vorliegenden Erfindung minimale Nachbarschaftsverluste
auf.
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Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Explosionsansicht einer schraubenförmigen/
teilweise spiralförmigen Konstruktion der Wicklungen, die bei dem
Ladeport von Fig. 1 verwendet werden kann, und Fig. 5 zeigt eine
Explosionsansicht einer schraubenförmigen/spiralförmigen Konstruktion der
Wick
lungen, die bei dem Ladeport von Fig. 1 verwendet werden kann. In Fig. 4
umfassen die Wicklungen jeweils drei Windungen, während in Fig. 5 die
Wicklungen jeweils vier Windungen umfassen. Die luft- oder
flüssigkeitsgekühlte Windung ist die äußerste Windung jeder Konstruktion.
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Die vorliegende Erfindung kann auf jede Transformatorkonstruktion
angewandt werden und ist besonders auf die Konstruktion von induktiv
gekoppelten Transformatorladeports 11 für Elektrofahrzeuge 17 anwendbar.
Die vorliegende Erfindung erzeugt weniger Verlust und weist eine kleinere
Größe als frühere Transformatoreinrichtungen zur Verwendung mit
Ladeports 11 von Elektrofahrzeugen 17 auf.
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Somit ist ein neuer und verbesserter Induktivladeport beschrieben
worden, der luft- und flüssigkeitsgekühlte Metallwindungen oder
Dampftauscher in Sekundärtransformatorwicklungen einer
Hochleistungsinduktivbatterieladevorrichtung umfaßt. Es ist zu verstehen, daß die oben
beschriebene Ausführungsform lediglich für einige der vielen besonderen
Ausführungsformen veranschaulichend ist, die Anwendungen der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Es ist klar, daß zahlreiche
und andere Anordnungen leicht von Fachleuten ersonnen werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.