DE102021207803A1 - Energy supply arrangement comprising an electronic circuit as a heat source and a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung (100) aufweisend eine Elektronikschaltung (136) für die Energieversorgung einer Energiesenke aus einer Energiequelle, ein an der Elektronikschaltung (136) angeschlossenes flexibles Kabel (120) zur elektrischen Verbindung der Elektronikschaltung (136) mit der Energiequelle oder der Energiesenke, wobei das Kabel (120) wenigstens eine elektrische Leitung (120a) zum Übertragen von elektrischer Energie und wenigstens einen Wärmeübertrager (120b, 120c) aufweist, wobei der Wärmeübertrager (120b, 120c) ein Arbeitsmedium enthält zum Abführen von Wärme aus der Elektronikschaltung (136) in das Kabel (120), wobei die Elektronikschaltung (136) als Wärmequelle und das Kabel (120) als Wärmesenke ausgebildet sind.The invention relates to an energy supply arrangement (100) having an electronic circuit (136) for supplying energy to an energy sink from an energy source, a flexible cable (120) connected to the electronic circuit (136) for electrically connecting the electronic circuit (136) to the energy source or the energy sink , wherein the cable (120) has at least one electrical line (120a) for transmitting electrical energy and at least one heat exchanger (120b, 120c), the heat exchanger (120b, 120c) containing a working medium for dissipating heat from the electronic circuit (136 ) into the cable (120), wherein the electronic circuit (136) is designed as a heat source and the cable (120) as a heat sink.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung aufweisend eine Elektronikschaltung als Wärmequelle und einen Wärmeübertrager.The present invention relates to an energy supply arrangement having an electronic circuit as a heat source and a heat exchanger.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Aus der
Umgekehrt ist beispielsweise aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß wird eine Energieversorgungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, an energy supply arrangement with the features of claim 1 is proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Energieversorgungsanordnung weist eine Elektronikschaltung für die Energieversorgung einer Energiesenke aus einer Energiequelle und ein an der Elektronikschaltung angeschlossenes flexibles Kabel zur elektrischen Verbindung der Elektronikschaltung mit der Energiequelle oder der Energiesenke auf. Das Kabel weist wenigstens eine elektrische Leitung zum Übertragen von elektrischer Energie und wenigstens einen Wärmeübertrager auf, wobei der Wärmeübertrager ein Arbeitsmedium enthält zum Abführen von Wärme aus der Elektronikschaltung in das Kabel, wobei die Elektronikschaltung als Wärmequelle und das Kabel als Wärmesenke ausgebildet sind.The energy supply arrangement has an electronic circuit for supplying energy to an energy sink from an energy source and a flexible cable connected to the electronic circuit for electrically connecting the electronic circuit to the energy source or the energy sink. The cable has at least one electrical line for transmitting electrical energy and at least one heat exchanger, with the heat exchanger containing a working medium for dissipating heat from the electronic circuit into the cable, with the electronic circuit being designed as a heat source and the cable as a heat sink.
Die Erfindung betrifft mit anderen Worten eine Energieversorgungsanordnung, bei der die Abwärme einer Elektronikschaltung, welche für die Energieversorgung einer Energiesenke vorgesehen ist, in das Kabel als Wärmesenke übertragen wird. Damit kann die Temperatur der Elektronikschaltung auch in einem stark belasteten Betrieb innerhalb erwünschter Grenzen gehalten werden. Die Länge des Kabels und des darin verlaufenden Wärmeübertragers bestimmt dabei die abführbare Wärme. Der Wärmeübertrager dient dabei nicht zum Durchleiten, ohne nennenswerte Wärmeabgabe, von Wärme durch das Kabel an eine separate Wärmesenke wie z.B. einen Kühler, sondern gibt die Wärme selbst an die Umgebung ab. Durch die Länge des Kabels und seinen Umfang wird eine große Fläche zur Abgabe von Wärme bereitgestellt, so dass eine lokale Kühlung der Elektronikschaltung, z.B. durch einen Lüfter, entfallen kann.In other words, the invention relates to an energy supply arrangement in which the waste heat from an electronic circuit, which is provided for the energy supply of an energy sink, is transferred into the cable as a heat sink. In this way, the temperature of the electronic circuit can be kept within desired limits, even in heavily loaded operation. The length of the cable and the heat exchanger running in it determine the heat that can be dissipated. The heat exchanger is not used to conduct heat through the cable to a separate heat sink such as a cooler without significant heat dissipation, but rather gives off the heat itself to the environment. The length of the cable and its circumference provide a large area for dissipating heat, so that local cooling of the electronic circuit, e.g. with a fan, is not required.
Die Elektronikschaltung kann insbesondere als Lade- oder Stromversorgungselektronik, beispielsweise als Gleich-, Wechsel- und/oder Umrichter betreibbar sein, so dass die Energieversorgungsanordnung für unterschiedliche Einsatzgebiete geeignet ist. Die Energieversorgungsanordnung kann insbesondere zwei Kabel, eines zur Verbindung mit der Energiequelle und eines zur Verbindung mit der Energiesenke aufweisen.The electronic circuit can be operated in particular as charging or power supply electronics, for example as a rectifier, alternator and/or converter, so that the energy supply arrangement is suitable for different areas of use. The energy supply arrangement can in particular have two cables, one for connection to the energy source and one for connection to the energy sink.
Die Erfindung eignet sich besonders für sog. Ladekabel von Elektrofahrzeugen, wenn diese Ladekabel selbst eine Elektronikschaltung aufweisen, beispielsweise in Form einer sog. In-Kabel-Kontrollbox (englisch In-Cable Control Box, kurz ICCB oder auch englisch In-Cable-Control-and-Protection-Device, ladeleitungsintegrierte Steuer- und Schutzeinrichtung`, kurz IC-CPD). Insbesondere weist die Elektronikschaltung einen Stromrichter zum Wandeln von Wechselstrom (z.B. aus einer Haushaltssteckdose oder Ladesäulensteckdose) in Gleichstrom (für das Fahrzeug) auf. Vorteilhaft kann durch die Verwendung eines derartigen Ladekabels bzw. einer derartigen Energieversorgungsanordnung grundsätzlich ein bisher üblicherweise im Fahrzeug vorgesehener Gleich- bzw. Wechselrichter eingespart werden. Falls die infrastrukturseitige Energiequelle z.B. nur Wechselstrom zur Verfügung stellt, kann die Umrichtung auf Gleichstrom im Ladekabel erfolgen. Soll umgekehrt aus dem Fahrzeug Energie an einen Endverbraucher zur Verfügung gestellt werden, so kann die Elektronikschaltung z.B. die fahrzeugseitig bereitgestellte Gleichspannung in eine verbraucherseitig gewünschte Wechselspannung umwandeln. Solche Elektronikschaltungen können beim Betrieb, z.B. bei einem Ladevorgang, sehr warm werden und eine aktive Kühlung - z.B. mittels Lüftern - erfordern. Derartige Lüfter nehmen jedoch viel Bauraum ein. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass keine Feuchtigkeit oder Nässe in die Nähe der Elektronikschaltung gelangt. Durch die Erfindung ist jedoch eine passive Kühlung (ohne Lüfter) möglich. Der Wärmeübertrager kann im Kabel zwischen Elektronikschaltung und Energiesenke (Fahrzeug) und/oder Energiequelle (Steckdose) verlaufen. Damit kann eine möglichst große Wärmeabfuhr ermöglicht werden. Mit der Erfindung kann eine möglichst kleine Baugröße der Elektronikschaltung bzw. des diese umgebenden Gehäuses erreicht werden, wobei an den Außenflächen des Gehäuses die Temperaturen möglichst gering bleiben, insbesondere nicht zu Verbrennungen beim kurzen Berühren führen. Weiterhin vorteilhaft kann mittels der Erfindung auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein derartiges Gehäuse bereitgestellt werden, welches eine hohe Dichtigkeit gegen außerhalb des Gehäuses vorliegende Feuchtigkeit und Nässe sowie gegen Schmutz aufweist.The invention is particularly suitable for so-called charging cables for electric vehicles if these charging cables themselves have an electronic circuit, for example in the form of a so-called in-cable control box (ICCB for short). and protection device, charging line-integrated control and protection device, IC-CPD for short). In particular, the electronic circuit has a converter for converting alternating current (for example from a household socket or charging station socket) into direct current (for the vehicle). Advantageously, by using such a charging cable or such a power supply arrangement, a rectifier or inverter that was previously usually provided in the vehicle can be eliminated. If the infrastructure-side energy source only provides alternating current, for example, the conversion to direct current can take place in the charging cable. Conversely, if energy is to be made available to an end consumer from the vehicle, the electronic circuit can, for example, convert the DC voltage provided on the vehicle side into an AC voltage desired by the consumer. Such electronic circuits can during operation, e.g. during a charging process, become very warm and require active cooling - e.g. by means of fans. However, such fans take up a lot of space. At the same time, it must be ensured that no moisture or moisture gets close to the electronic circuit. However, passive cooling (without a fan) is possible with the invention. The heat exchanger can run in the cable between the electronic circuit and the energy sink (vehicle) and/or energy source (socket). The greatest possible heat dissipation can thus be made possible. With the invention, the smallest possible size of the electronic circuit or the housing surrounding it can be achieved, with the temperatures remaining as low as possible on the outer surfaces of the housing, in particular not leading to burns when touched briefly. Furthermore, advantageously, by means of the invention, such a housing can be provided in a simple and cost-effective manner, which has a high degree of tightness against moisture and moisture present outside the housing and against dirt.
Unter einem flexiblen Kabel ist ein Kabel zu verstehen, welches sich z.B. problemlos derart zusammenrollen oder falten lässt, sodass es in einer Mulde im Kofferraum eines Fahrzeugs verstaut werden kann. Vorteilhaft ist somit auch der Wärmeübertrager flexibel.A flexible cable is understood to mean a cable which, for example, can be easily rolled up or folded in such a way that it can be stowed in a recess in the trunk of a vehicle. The heat exchanger is therefore also advantageously flexible.
Vorteilhafterweise liegt das Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager in einer gasförmigen und flüssigen Mischphase, also zweiphasig vor. Dies führt dazu, dass es auch überall in dem Wärmeübertrager im Wesentlichen dieselbe Temperatur hat. Der Wärmeinhalt ist durch die Anteile der gasförmigen und flüssigen Phasen bestimmt. Auf diese Weise können besonders heiße Stellen im Kabel, die zu einer Beschädigung des Kabels oder Verletzung bzw. Verbrennung eines Benutzers führen würden, vermieden werden. Insbesondere sollte eine Außentemperatur des Kabels an keiner Stelle eine obere Temperaturschwelle von z.B. 60°C überschreiten.Advantageously, the working medium in the heat exchanger is in a gaseous and liquid mixed phase, ie in two phases. This means that it also has essentially the same temperature everywhere in the heat exchanger. The heat content is determined by the proportions of the gaseous and liquid phases. In this way, particularly hot spots in the cable, which would damage the cable or injure or burn a user, can be avoided. In particular, the outside temperature of the cable should not exceed an upper temperature threshold of e.g. 60°C at any point.
Für die Erfindung geeignete Arbeitsmedien umfassen insbesondere organische Kältemittel, beispielsweise R1233zd, R1234ze, R1234yf, ebenso wie Wasser, Ethanol, Azeton, Methanol, Glycerin, Ethylenglycol oder andere Frostschutzmittel, jeweils rein oder in Mischung. Diese sind erprobt und zuverlässig und erlauben, gewünschte Temperaturen zu erreichen.Working media suitable for the invention include, in particular, organic refrigerants, for example R1233zd, R1234ze, R1234yf, as well as water, ethanol, acetone, methanol, glycerine, ethylene glycol or other antifreeze agents, in each case pure or in a mixture. These are tested and reliable and allow you to reach the desired temperatures.
Zweckmäßigerweise weist die Energieversorgungsanordnung einen Verdampfer für das Arbeitsmedium auf, der mit der Elektronikschaltung in thermischem Kontakt und mit dem Wärmeübertrager in Fluidverbindung steht. Damit kann die Wärme besonders effektiv von der Elektronikschaltung als Wärmequelle in das Arbeitsmedium überführt werden. Insbesondere steht der Verdampfer in unmittelbarem bzw. direktem thermischem Kontakt mit der Wärmequelle; es erfolgt also eine Wärmeleitung von der Elektronikschaltung in den Verdampfer. The energy supply arrangement expediently has an evaporator for the working medium, which is in thermal contact with the electronic circuit and is in fluid connection with the heat exchanger. The heat can thus be transferred particularly effectively from the electronic circuit as a heat source to the working medium. In particular, the evaporator is in immediate or direct thermal contact with the heat source; so there is a heat conduction from the electronic circuit in the evaporator.
Der Verdampfer weist einen Mantel und darin einen Hohlraum auf, in dem sich das Arbeitsmedium befindet. Durch das Verdampfen des Arbeitsmediums im Verdampfer wird der Elektronikschaltung Wärme entzogen. Die Wärme befindet sich dann zunächst in der gasförmigen Phase und wird mittels des Wärmeübertragers an das Kabel übertragen, wobei die gasförmige Phase komplett oder teilweise in die flüssige Phase übergeht und so Wärme an die Umgebung abgeben kann.The evaporator has a jacket and a cavity in it, in which the working medium is located. The evaporation of the working medium in the evaporator extracts heat from the electronic circuit. The heat is then initially in the gaseous phase and is transferred to the cable by means of the heat exchanger, whereby the gaseous phase completely or partially changes into the liquid phase and can thus give off heat to the environment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmeübertrager wenigstens einen Hinkanal und wenigstens einen mit dem Hinkanal fluidleitend verbundenen Rückkanal auf, die jeweils mit dem Verdampfer in Fluidverbindung stehen und das Arbeitsmedium enthalten. Dabei leitet der wenigstens eine Hinkanal das Arbeitsmedium von dem Verdampfer weg, und der wenigstens eine Rückkanal das Arbeitsmedium zu dem Verdampfer zurück. Hinkanal und Rückkanal sind somit durch die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums relativ zum Verdampfer charakterisiert. Der Übergang von Hinkanal zu Rückkanal ist die am weitesten von der Wärmequelle entfernte Stelle des Wärmeübertragers. Er ist insbesondere als einfache direkte Fluidverbindung, beispielsweise in Form einer Kurve oder Schleife ausgebildet. Es können auch mehrere Hin- und Rückkanäle vorgesehen sein, um eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen bzw. um möglichst viel Wärme von der Elektronikschaltung abführen zu können.According to a preferred embodiment, the heat exchanger has at least one forward channel and at least one return channel that is fluidly connected to the forward channel, which are each in fluid communication with the evaporator and contain the working medium. The at least one forward channel directs the working medium away from the evaporator, and the at least one return channel directs the working medium back to the evaporator. The forward channel and return channel are thus characterized by the direction of flow of the working medium relative to the evaporator. The transition from the forward channel to the return channel is the point of the heat exchanger furthest away from the heat source. In particular, it is designed as a simple direct fluid connection, for example in the form of a curve or loop. It is also possible to provide several outward and return channels in order to generate the largest possible surface area or in order to be able to dissipate as much heat as possible from the electronic circuit.
In diesem Sinne ist der Wärmeübertrager auch in Art einer sog. „Loop Heat Pipe“ (LHP) ausgeführt. In dem Verdampfer wird das Arbeitsmedium durch die aufgenommene Wärme der Wärmequelle vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt. Die davon verursachte Druckerhöhung führt zusammen mit einer Kapillarwirkung zu einem Kreislauf des Arbeitsmediums durch Hin- und Rückkanal. Jedoch existiert im Unterschied zu herkömmlichen LHP-Anwendungen kein zusätzlicher Kondensator. Vielmehr wirkt der Wärmeübertrager selbst als bzw. ist der Kondensator. Üblicherweise vorhandene Transportleitungen bis zu einem Kondensator entfallen somit vorteilhaft bzw. sind nur stark verkürzt ausgeführt. Mit anderen Worten ist also in der Regel das Verhältnis der gasförmigen und flüssigen Phasen zueinander am Eingang des Hinkanals am größten und nimmt dann in der Regel allmählich über die Länge des Hin- und Rückkanals ab und ist in der Regel am Ausgang des Rückkanals am kleinsten. Wie erläutert, sind Eingang des Hinkanals und Ausgang des Rückkanals fluidleitend mit dem Verdampfer verbunden. Mit einer solchen Ausführung können vorteilhaft sehr große Distanzen von bis zu einigen Metern überbrückt werden. Zum anderen kann der Wärmetransport unabhängig von Gravitation erfolgen. Beispielsweise können Höhenunterschiede von wenigstens 1,5 m oder 2 m überwunden werden mittels der Druckdifferenz zwischen Austritt aus dem Verdampfer und Wiedereintritt in den Verdampfer sowie durch die Kapillarwirkung. Dies ist vorteilhaft, wenn z.B. ein Ladekabel an einer erhöht angebrachten Steckdose, sei es am Fahrzeug oder an einer infrastrukturseitigen Energiequelle, angeschlossen wird. Denn dann funktioniert die Kühlung weiterhin autonom. Durch die passive Bewegung der Flüssigkeit wird somit vorteilhaft die notwendige Technik vereinfacht. Hin- und Rückkanäle sind flexibel und biegsam und können daher auf einfache Art und Weise verlegt oder verarbeitet werden.In this sense, the heat exchanger is also designed in the form of a so-called "Loop Heat Pipe" (LHP). In the evaporator, the working medium is converted from the liquid to the gaseous state by the heat absorbed by the heat source. The pressure increase caused by this, together with a capillary effect, causes the working medium to circulate through the forward and return channels. However, in contrast to conventional LHP applications, there is no additional capacitor. Rather, the heat exchanger itself acts as or is the condenser. Transport lines that are usually present up to a condenser are thus advantageously omitted or are only designed to be greatly shortened. In other words, the ratio of the gaseous and liquid phases to one another is generally greatest at the inlet of the forward channel and then generally decreases gradually over the length of the forward and reverse channel and is generally smallest at the outlet of the reverse channel. As explained, the forward channel is in and out duct of the return channel is connected to the evaporator in a fluid-conducting manner. With such an embodiment, very large distances of up to a few meters can advantageously be bridged. On the other hand, the heat transport can take place independently of gravity. For example, height differences of at least 1.5 m or 2 m can be overcome by means of the pressure difference between exit from the evaporator and re-entry into the evaporator and by capillary action. This is advantageous if, for example, a charging cable is connected to an elevated socket, be it on the vehicle or on an infrastructure-side energy source. Because then the cooling continues to work autonomously. The passive movement of the liquid thus advantageously simplifies the necessary technology. Outgoing and return channels are flexible and pliable and can therefore be routed or processed in a simple manner.
Vorteilhafterweise verläuft die wenigstens eine elektrische Leitung näher an einer Mittelachse des Kabels als der wenigstens eine Hinkanal und der wenigstens eine Rückkanal. Mit anderen Worten liegen also der wenigstens eine Hinkanal und der wenigstens eine Rückkanal in radialer Richtung betrachtet weiter außen als die elektrische Leitung. Dadurch kann eine Wärmeabfuhr über eine Ummantelung des Kabels an die Umgebung besonders effektiv erfolgen, da die elektrische Leitung keine Wärmebarriere darstellt.The at least one electrical line advantageously runs closer to a central axis of the cable than the at least one forward channel and the at least one return channel. In other words, the at least one forward channel and the at least one return channel are located further outside than the electrical line, viewed in the radial direction. As a result, heat can be dissipated particularly effectively to the environment via a sheathing of the cable, since the electrical line does not represent a heat barrier.
Weiter vorzugsweise grenzen der wenigstens eine Hinkanal und/oder der wenigstens eine Rückkanal unmittelbar an eine Ummantelung des Kabels an, was eine sehr effektive Wärmeabgabe an die Umgebung erlaubt.More preferably, the at least one forward channel and/or the at least one return channel directly adjoins a sheathing of the cable, which allows very effective heat dissipation to the environment.
Vorzugsweise sind der wenigstens eine Hinkanal und der wenigstens eine Rückkanal symmetrisch zur Mittelachse des Kabels angeordnet. Damit kann die Wärmeabgabe erhöht werden. Sind jeweils mehrere Hin- und Rückkanäle vorgesehen, sind diese vorzugsweise in Umfangsrichtung abwechselnd und vorzugsweise gleichverteilt angeordnet. Auch dies führt zu einer Verbesserung der Wärmeabgabe.The at least one forward channel and the at least one return channel are preferably arranged symmetrically to the central axis of the cable. The heat output can thus be increased. If several outward and return channels are provided in each case, these are preferably arranged alternately in the circumferential direction and preferably evenly distributed. This also leads to an improvement in heat dissipation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager als Polymerschlauch ausgebildet. Es kann sich um ein synthetisches oder natürliches Polymer handeln, insbesondere Silikon oder Kautschuk. Damit kann auf besonders einfache Weise ein flexibler Wärmeübertrager bereitgestellt werden.According to a preferred embodiment, the heat exchanger is designed as a polymer hose. It can be a synthetic or natural polymer, in particular silicone or rubber. A flexible heat exchanger can thus be provided in a particularly simple manner.
Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager druckfest bis mindestens 1 bar ausgebildet, weiter vorzugsweise bis mindestens 5 bar. Es versteht sich, dass hierbei jeweils ein Differenzdruck des Arbeitsmediums zur Umgebung bzw. Überdruck relevant ist. Besonders bevorzugt ist eine Druckfestigkeit von 25 bar in bevorzugten Anwendungsfällen vorgesehen. Damit können zahlreiche bevorzugte zweiphasige Arbeitsmedien in einem gewünschten Temperaturbereich von z.B. 40°C bis 80°C gehalten werden. Auf diese Weise kann eine ausreichend hohe Wärmeabgabe der Elektronikschaltung an den Wärmeübertrager sichergestellt werden, so dass weder die Elektronikschaltung abgeregelt werden muss, noch eine Gefahr für eine Beschädigung des Wärmeübertragers besteht. Beispielsweise befindet sich der Dampfdruck von R1234ze bei 60°C bei etwa 12,5 bar. Eine Druckfestigkeit kann durch eine entsprechende Manteldicke und/oder durch Maßnahmen zur Begrenzung einer Aufweitung, z.B. durch ein umhüllendes oder in den Mantel eingebettetes Netz oder eine Metallspirale, erreicht werden.The heat exchanger is preferably designed to be pressure-resistant up to at least 1 bar, more preferably up to at least 5 bar. It goes without saying that a differential pressure of the working medium to the environment or overpressure is relevant in each case. A pressure resistance of 25 bar is particularly preferred in preferred applications. In this way, numerous preferred two-phase working media can be kept within a desired temperature range of, for example, 40°C to 80°C. In this way, a sufficiently high level of heat emission from the electronic circuit to the heat exchanger can be ensured, so that the electronic circuit does not have to be limited and there is no risk of damage to the heat exchanger. For example, the vapor pressure of R1234ze at 60°C is around 12.5 bar. A compressive strength can be achieved by an appropriate jacket thickness and/or by measures to limit expansion, e.g. by means of an enveloping mesh or a metal spiral embedded in the jacket.
Zweckmäßigerweise weist die Energieversorgungsanordnung zwei Enden mit jeweils einem Stecker auf, beispielsweise CCS-Stecker, CEE-Stecker, Typ2-Stecker, Schuko-Stecker, usw. Damit kann insbesondere ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug besonders einfach bereitgestellt werden. Besondere Vorteile entfaltet eine Lösung, bei der der o.g. Übergang von Hinkanal zu Rückkanal in einem Stecker angeordnet ist. Dies kann lediglich beispielhaft in Form von z.B. U-förmigen Rohrabschnitten, z.B. aus Kunststoff oder Metall erfolgen. Dann kann das Kabel als Endlos- bzw. Rollenware bereitgestellt werden, wobei ein für den konkreten Anwendungsfall benötigtes Kabel einfach abgelängt wird. Besonders vorteilhaft wird auf diese Weise auch eine maximal mögliche Fläche des Kabels zur Abgabe von Wärme aus dem Entwärmer genutzt. Erstreckt sich der Wärmeübertrager ausgehend von der Elektronikschaltung in beide Richtungen, kann z.B. zweckmäßigerweise auch in jedem Stecker ein solcher Übergang von Hinkanal zu Rückkanal angeordnet sein. Es versteht sich, dass in anderen Fällen auch ein Verlegen des durchgehenden Wärmeübertragers im Stecker möglich ist.The power supply arrangement expediently has two ends, each with a plug, for example a CCS plug, CEE plug, Type 2 plug, Schuko plug, etc. In this way, a charging cable for an electric vehicle in particular can be provided particularly easily. A solution in which the above-mentioned transition from the forward channel to the return channel is arranged in a connector offers particular advantages. This can only be done, for example, in the form of U-shaped tube sections, e.g. made of plastic or metal. The cable can then be provided as an endless or rolled product, with a cable required for the specific application simply being cut to length. In this way, a maximum possible surface area of the cable is also used particularly advantageously for dissipating heat from the desuperheater. If the heat exchanger extends in both directions, starting from the electronic circuit, such a transition from the forward channel to the return channel can also be expediently arranged in each plug, for example. It goes without saying that in other cases it is also possible to lay the continuous heat exchanger in the plug.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Energieversorgungsanordnung eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums durch den Wärmeübertrager auf. Dies stellt insbesondere eine Alternative zur genannten „Loop Heat Pipe“-Lösung dar, die für besonders große Durchflussmengen und/oder besonderes lange Kabel ausgelegt ist. In diesem Fall kann die Energieversorgungsanordnung insbesondere so ausgelegt sein, dass das Arbeitsmedium nur in flüssiger Phase, d.h. einphasig, vorliegt. Dennoch erfolgt die Wärmeabgabe auch in solch einem Fall über die Länge des Wärmeübertragers im Kabel und nicht überwiegend in einem separaten Kühler bzw. einer separaten Wärmesenke.According to a development, the energy supply arrangement has a pump for conveying the working medium through the heat exchanger. In particular, this represents an alternative to the "loop heat pipe" solution mentioned, which is designed for particularly large flow rates and/or particularly long cables. In this case, the energy supply arrangement can be designed in particular in such a way that the working medium is only in the liquid phase, i.e. single-phase. Nevertheless, even in such a case, the heat is dissipated over the length of the heat exchanger in the cable and not predominantly in a separate cooler or a separate heat sink.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawings using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawings.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt in Teilansichten a bis f eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung in einer Schnittansicht mit perspektivischen Ergänzungen.1 shows in partial views a to f a preferred embodiment of an energy supply arrangement according to the invention in a sectional view with additional perspectives. -
2 zeigt in Teilansichten a bis e eine andere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung in einer Schnittansicht mit perspektivischen Ergänzungen.2 shows in partial views a to e another preferred embodiment of an energy supply arrangement according to the invention in a sectional view with additional perspectives.
Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention
In
Die Energieversorgungsanordnung 100 weist in dem in
In der Figur von links nach rechts erstreckt sich eine Längsrichtung bzw. eine axiale Richtung A des Kabels 120 (hier im nicht zusammengerollten Zustand dargestellt). In der Querschnittsansicht (
Das Kabel 120 mit Stecker 110 dient hier beispielhaft zum Verbinden der Energieversorgungsanordnung 100 mit einer Energiesenke, z.B. einem Fahrzeug, das weitere Kabel 140 mit Stecker beispielhaft zum Verbinden mit einer Energiequelle, z.B. einer Steckdose. Der Stecker 110 kann somit z.B. ein Ladestecker für ein Elektrofahrzeug sein. Die Energieversorgungsanordnung 100 insgesamt kann als Ladekabel für ein Fahrzeug eingesetzt werden, um dieses z.B. an einer Haushaltssteckdose oder Ladesäulensteckdose aufzuladen. Die Energieversorgungseinrichtung 100 kann grundsätzlich jedoch auch in umgekehrter Stromflussrichtung betrieben werden. In diesem Fall wird dem Fahrzeug elektrische Energie entnommen und einem Verbraucher bereitgestellt, der an eine mit dem weiteren Kabel 140 verbundenen Steckdose angeschlossen werden kann.The
In dem Gehäuse 130 sind in dieser beispielhaften Ausführungsform eine Elektronikschaltung 136 für die Energieversorgung der Energiesenke aus der Energiequelle sowie beispielhaft ein Verdampfer 135 angeordnet und in einer vergrößerten Ansicht darunter in
Beim Betrieb einer solchen Leistungselektronik kann Verlustwärme von mehr als 100 Watt auftreten, die sicher abgeführt werden soll. Dies geschieht mittels eines Wärmeübertragers 120b, 120c, der ein insbesondere fluides Arbeitsmedium enthält. Die Verlustwärme wird dabei in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft in den Verdampfer 135 überführt, in welchem sich das Arbeitsmedium, beispielsweise R1234ze befindet. Insbesondere kann in dem Verdampfer 135 eine Dochtstruktur 135a vorgesehen sein, die flüssiges Arbeitsmedium aus einem Reservoir 135b an eine Seite 135c, die mit der Elektronikschaltung 136 in wärmeleitendem Kontakt steht, bringt bzw. fördert.When operating such power electronics, heat loss of more than 100 watts can occur, which should be safely dissipated. This is done by means of a
Wie in
Um die hier beispielhaft mehreren inneren Leitungen 120a herum sind vorliegend vier Hinkanäle 120b und vier Rückkanäle 120c symmetrisch und abwechselnd angeordnet, die insgesamt von einer Ummantelung 120d umgeben sind. Der äußere Durchmesser des Kabels 120 kann etwa 1 bis 4 cm betragen.In the present case, four
Jeder Hinkanal und Rückkanal kann z.B. durch einen Polymerschlauch, z.B. Silikonschlauch, gebildet sein, mit einem Gesamtdurchmesser von beispielsweise etwa 1 mm bis 5 mm und einem Innendurchmesser von beispielsweise etwa 0,2 mm bis 3,5 mm, bevorzugt von 0,5 mm bis 3 mm, zum Erreichen einer für das konkrete Arbeitsmedium und die geplante Temperatur notwendigen Druckfestigkeit. Zur Bereitstellung der Druckfestigkeit kann auch ein im Mantel eingebettetes oder diesen umgebendes Netz vorgesehen sein.Each forward and return channel can be formed, for example, by a polymer tube, e.g. silicone tube, with an overall diameter of, for example, about 1 mm to 5 mm and an inner diameter of, for example, about 0.2 mm to 3.5 mm, preferably from 0.5 mm to 3 mm, to achieve the compressive strength required for the specific working medium and the planned temperature. A mesh embedded in or surrounding the jacket can also be provided to provide compressive strength.
Im Gehäuse 130 sind die hier beispielhaft mehreren elektrische Leitungen 120a mit der Ladeelektronik 136 und die Hin- und Rückkanäle mit dem Verdampfer 135 verbunden.In the
Im Stecker 110 ist hier ein Übergang 110a von den Hinkanälen 120b zu den Rückkanälen 120c angeordnet. Dieser Übergang 110a kann z.B. eine U-förmige Gestalt haben, wobei an einem Schenkel der U-Form ein Hinkanal 120b und an dem anderen Schenkel der U-Form ein Rückkanal 120c angeschlossen ist, insbesondere fluidleitend. Dabei können jeweils ein oder mehrere Hinkanäle 120b mit einem oder mehreren Rückkanälen 120c verbunden sein, es kann ebenso eine sternförmige Verbindung vorgesehen sein, bei der alle Hinkanäle 120b mit allen Rückkanälen 120c in einem Sternpunkt verbunden sind. Selbstverständlich sind auch andere Formen als eine U-Form denkbar. Auch kann der Wärmeübertrager 120b, 120c umlaufend ausgebildet sein, so dass der Übergang 110a z.B. der am weitesten vom Verdampfer 135 entfernte Punkt bzw. der Umkehrpunkt sein kann. Die elektrischen Leitungen 120a werden wie üblich im Stecker 110, beispielsweise einem sogenannten CSS-Stecker oder einem Typ2-Stecker, mit den entsprechenden elektrischen Kontakten verbunden.A
Es versteht sich, dass auch das hier nicht im Detail gezeigte weitere Kabel 140 mit einem Wärmeübertrager 120b, 120c, und der nicht gezeigte Stecker mit einem Übergang von den Hinkanälen 120b zu den Rückkanälen 120c ausgerüstet sein kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur das weitere Kabel 140 einen Wärmeübertrager 120b, 120c aufweist und nicht das Kabel 120. It goes without saying that the
Im Betrieb, d.h. beispielsweise beim Laden einer Fahrzeugbatterie mittels der beispielhaft als Ladekabel ausgebildeten Energieversorgungsanordnung 100, wird in der Elektronikschaltung Verlustwärme bzw. Abwärme Q erzeugt, die vorteilhaft über das Kabel 120 abgeführt werden soll. Eine Außentemperatur des Kabels 120 sollte dabei nicht zu heiß werden, z.B. höchstens 60°C betragen, um Verbrennungen bzw. Beschädigungen zu vermeiden.During operation, i.e. for example when charging a vehicle battery using the
In
In
Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem der Energieversorgungsanordnung 100. Um jedoch das Arbeitsmedium durch den Wärmeübertrager 120b, 120c zu transportieren, ist eine Pumpe 200 im Gehäuse 130 vorgesehen. Die Energieversorgung der Pumpe 200 wird hier beispielhaft zweckmäßigerweise ebenfalls von Seiten der Energiequelle über das Kabel 140 bewerkstelligt.The basic structure corresponds to that of the
Bei der Ausführung gemäß
Es versteht sich jedoch, dass auch bei der Ausführungsform gemäß
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