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CN111137160B - 固定感应充电站 - Google Patents

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CN111137160B CN201911064879.5A CN201911064879A CN111137160B CN 111137160 B CN111137160 B CN 111137160B CN 201911064879 A CN201911064879 A CN 201911064879A CN 111137160 B CN111137160 B CN 111137160B
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Abstract

一种用于车辆(2)的固定感应充电站(1)包括：感应充电装置(3)、用于非接触式能量传递的能量传递模块(4)、电子单元(5)，其中所述能量传递模块(4)和电子单元(5)在空间上组合。

Description

固定感应充电站
技术领域
本发明涉及一种用于包括感应充电装置的车辆的固定感应充电站。
背景技术
为了提高电动车辆在终端用户中的接受度，当固定能量源与车辆的能量存储装置之间的能量传递以非接触方式进行时，这可能是有利的。非接触式的能量传递对于终端客户而言是有利的，因为不需要例如携带或插入充电电缆。此外，固定感应充电站还能够部分地埋在地下区域中，从而可以更好地集成到城市景观或自然景观中。埋入式感应充电站还受到特别良好的保护来防止人为破坏造成的损害。
连接到固定能量源的固定感应充电站能够通过初级侧线圈产生随时间变化的磁场。电动车辆具有包括次级侧感应线圈的感应充电装置。如果感应充电装置位于固定感应充电站的磁场区域中，则随时间变化的磁场在感应充电装置的感应线圈中分别感应出交流电流或交流电压。感应出的交流电流或交流电压可以用于给车辆的能量存储装置充电。
感应能量传递的效率随着施加在初级线圈处的交流电压的频率增加而增加。因此，现有技术的固定感应充电站包括：能量传递模块，在所述能量传递模块中布置有至少一个初级侧感应线圈；以及电子单元，所述电子单元以适当的方式转换提供给能量传递模块的交流电压。为此，电子单元可以包括功率电子单元，所述功率电子单元将通常为50Hz或60Hz的交流电压的供电频率转换为至少10kHz至200kHz的频率范围，以确保低损耗感应能量传递。
电子单元在操作期间产生的热能必须耗散，以便防止损害电子单元。为此，电子单元布置为在空间上与能量传递模块间隔开，从而能够通过空气冷却将电子单元的热能排放到周围区域。
由于空间上的间隔(通常能够达到5m或更大)，高频交流电压必须通过合适的电线传输到能量传递模块。由于所施加的交流电压的高频，这些电线必须具有合适的电磁屏蔽，以便保护固定感应充电站的周围区域免受不希望的干扰辐射。
现有技术的一个缺点是电磁屏蔽是高成本的，并且由于空气冷却，电子单元构成声干扰源。另一个缺点是，由于空气冷却，必须将电子单元安装在行驶表面的外部，从而使得固定感应充电站不能在自然景观或城市景观中进行光学集成。此外，可触及的电子单元还可能遭受故意破坏造成的损坏。
发明内容
本发明的目的是提出一种更容易地和更成本有效地制造的上述类型的固定感应充电站，其中，还能够将所述固定感应充电站更好地集成在自然景观或城市景观中。
本发明基于在空间上组合的能量传递模块和电子单元的总体思想。
根据本发明的用于具有感应充电装置的车辆的固定感应充电站包括用于非接触式能量传递的能量传递模块和电子单元，其中能量传递模块和电子单元在空间上组合。能量传递模块可以导电地连接至电子单元。电子单元可以导电地连接到电能量源，例如电网。
该电子单元可以具有功率电子模块，所述功率电子模块可以包括例如逆变器和/或谐振电路和/或功率因数补偿滤波器(功率因数补偿，缩写为PFC)。电子单元还可以具有至少一个通信模块和/或定位模块和/或安全相关模块。
能量传递模块和电子单元可以在壳体中组合。空间上组合可以理解为是指电子单元与能量传递模块之间的最短空间距离小于2m，特别是小于1m。这里可以设置电子单元与能量传递模块之间的最短空间距离小于电子单元的最大尺寸与能量传递模块的最大尺寸之和。可以进一步设置，电子单元和能量传递模块之间的最短空间距离小于电子单元的最大尺寸或能量传递模块的最大尺寸。
能量传递模块能够包括至少一个感应线圈，所述感应线圈例如可以设置为螺旋形扁平线圈或者双D形线圈。经由电子单元可以向感应线圈供应电能，特别是从10kHz至200kHz的高频交流电压。
固定感应充电站能够具有用于传导磁场并且提高能量传递的效率的至少一个磁导体。与空气相比，磁导体具有更高的磁导率并且能够至少部分地由亚铁磁性的和/或铁磁性的材料制成。磁导体可以由一个板元件或者也能够由多个板元件构成。
可以在能量传递模块和电子单元之间设置屏蔽元件，以保护电子单元不受电磁场的破坏。能够构造为屏蔽板的屏蔽元件也可以由导电材料制成，其中屏蔽元件的厚度能够与磁场和电场在屏蔽元件的导电材料的电能传递的给定频率下所能够具有的至少一个趋肤深度对应。屏蔽元件例如可以由铝制成。
通过固定感应充电站的根据本发明的设计，可以避免使用具有高成本的电磁屏蔽的电线。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，能量传递模块和/或电子单元经由至少一个导热单元热连接到冷却元件，流体能够流过所述冷却元件。流体能够流过的冷却元件可以是流体能够流过的冷却板。这种冷却板可以具有立方体和/或板状的设计。
冷却元件能够设置为流体流过，冷却流体流过的冷却元件。
与空气相比，导热单元可以具有较低的热阻。导热单元例如可以是具有高导热率的粘合剂。导热单元可以是导热膜和/或导热膏和/或导热铸造复合物。
在根据本发明的解决方案的有利的改进下，流体能够流过的冷却元件流体连接到流体回路，其中，流体输送装置通过流体回路输送流体，其中流体在流过冷却元件时吸收感应充电装置的废热。可以设置流体是液体，特别是可以设置液体能够包括水、冷却剂、制冷剂和/或油。这提供对固定感应充电站更有效的冷却，使得能量传递模块和电子单元能够在空间上彼此相邻布置或在空间上组合。
可以设置，冷却元件具有流体入口和流体出口，其中，流体入口通过流通管道流体连接到流体出口，其中，流体管道贯穿冷却元件。
通过这种热管理，能够对固定感应充电站的所有部件进行充分的冷却，从而例如即使在高充电功率的情况下，也能够将用于操作固定感应充电站所需的所有部件容纳在同一壳体中，其中固定感应充电站例如可以埋在地下或也可以布置在地面上。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，流体回路具有用于排放流体吸收的热能的至少一个热交换器。
在根据本发明的解决方案的有利的改进下，将热交换器集成在本地热网和/或远程热网中。由此能够将产生的热能例如作为热量再利用。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案下，热交换器构成为液体-空气热交换器，以便将流体吸收的热能传递到感应充电站的周围的空气。
液体-空气热交换器可以具有流体流过的冷却元件，所述冷却元件包括布置的散热片。液体-空气热交换器还可以具有用于确保分别在液体-空气热交换器或散热片处足够的空气流通的风扇单元。
在根据本发明的解决方案的有利的改进下，热交换器将流体吸收的热能传递到感应充电站的周围区域。车库或停车位的地面或部分区域例如可以是感应充电站的周围区域的一部分。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，热交换器热连接到热存储装置，以便实现存储热能。
在根据本发明的解决方案的有利的改进下，固定感应充电站具有壳体，所述壳体至少部分地形成冷却元件，以实现固定感应充电站的特别紧凑的构造。可以设置，壳体具有流体入口和流体出口，其中，流体入口通过流通管道流体连接到流体出口，其中流体管道贯穿壳体。
可以设置，壳体具有流体入口和流体出口，其中，流体入口通过壳体内部空间流体连接到流体出口。在壳体内部空间中固定感应充电站的部件能够布置为，虽然能够建立到流体的热连接，但是通过合适的保护性壳体防止了部件的损坏。
可以设置，固定感应充电站的部件通过热绝热体与壳体热分离，从而基本上对流过壳体内部空间的流体进行热传递。当热导率小于10W/(mK)时，能够存在热绝热体。
布置在壳体内部的所有部件都属于固定感应充电站的部件。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，流体在流体回路中是电绝缘的，从而避免由于流体不希望地进入电子单元而引起的短路。可以设置将电绝缘的液体用作流体。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，固定感应充电站通过喷雾冷却进行冷却。由此将流体，特别是冷却介质和/或制冷介质喷射到固定感应充电装置的待冷却的区域上，其中，流体由于吸收能量而蒸发，并随后通过耗散热能而在冷凝器单元和/或散热器(例如，冷却板或地面)中冷凝。随后可以将冷凝的流体再次供应到固定感应充电装置。被加热的流体或冷却介质分别可以在壳体中的散热器处再次冷凝，并且能够再次用作喷雾冷却。
在根据本发明的解决方案的又一有利的实施方案中，固定感应充电站具有操作装置。操作装置可以用于控制和/或操作固定感应充电站，其中，为此可以将操作装置布置成与能量传递模块和电子单元相距一定距离。可以将操作装置通信连接到电子单元。液体-空气热交换器可以与操作装置组合并且可以包括电子单元的一部分。
通信连接在此应理解为，可以在彼此连接的两个部件之间设置双向或单向数据连接，通过该数据连接，模拟形式或数字形式的电控制、调节和/或测量信号能够被传递。可以通过总线系统来实现通信。可以通过上述电磁屏蔽通过电线以典型的供电频率进行通信连接。这种电线可以是直流电压线，也可以是交流电压线。
可以设置，将热交换器，特别是液体-空气热交换器设置在操作设备中和/或操作设备处，所述热交换器流体连接到固定感应充电站的流体回路。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，固定感应充电站至少部分嵌入行驶表面。也可以设置，固定感应充电站完全埋在行驶表面中。固定感应充电站由此能够最佳地集成在自然景观或城市景观中，其中，感应充电站还被特别良好地保护以防止故意破坏造成的损坏。
在根据本发明的解决方案的另一有利的实施方案中，固定感应充电站位于行驶表面上并且因此提供尽可能简单并且能够例如用于停车位或车库中的安装。
在根据本发明的解决方案的有利的改进看，固定感应充电站是气动-声学优化的，从而将噪音辐射降到最低。
还可以设置，本发明以类似的方式在车辆侧上完全或至少部分地实施或集成。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，流体是液体。特别是可以设置液体能够包括水、冷却剂、制冷剂和/或油。这提供对固定感应充电站的更有效的冷却，使得能量传递模块和电子单元可以在空间上彼此相邻布置或在空间上组合。
冷却过程例如可以分为三个部分：1)收集热量并传递到冷却介质中；2)将热量继续传输到热交换器以及周围区域；3)从冷却介质向周围区域排放热量。
在步骤2)中，以示例性方式提供了优点，液体冷却由于更高的热容量，因此需要每瓦的冷却容量的体积明显更少。例如，冷却导管所需的安装空间可以由此减小，特别是与空气冷却相比能够大大降低到10％以下。通过液体冷却，在用于冷却部件的可用安装空间非常有限的情况下，还能够实现单个电气部件中的高热密度。由此能够实现固定感应充电站的紧凑的结构。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，流体相对于流体回路的周围区域封闭在流体回路中，和/或流体回路中的流体与流体回路的周围区域流体地分离。流体回路可以包括流体管线。流体回路可以设置为封闭流体回路，特别是封闭冷却回路。流体回路可以具有至少一个热交换器，特别是空气-液体热交换器和/或空气-液体冷却剂热交换器。热交换器能够流体嵌入流体回路。
流体，特别是液体冷却剂，可以形成循环介质，所述循环介质可以在封闭的流体回路中，特别是在封闭的冷却回路中在所述回路的部件中循环。换句话说，可以设置，在流体回路操作期间，特别是在冷却回路操作期间，既不从外部(围绕区域)引入流体，特别是液体冷却剂，也不将其向外部输出。
在根据本发明的实施方案的有利的改进中，导热单元的局部热阻变化，特别是，导热单元的局部热阻在整个横向膨胀中变化。导热单元的局部热阻能够在导热单元的整个横向膨胀中变化。
导热单元的横向膨胀可以垂直于导热单元的主要功能方向对准。导热单元的主要功能可以是从热源到散热器的单轴热传导。横向膨胀可以描述为垂直于热导方向对准的表面。简单地说，由于局部矢量热流总是垂直于散热器对准，因此导热单元的横向膨胀可以由散热器面向热源的表面来限定。
相对于导热单元的横向膨胀，导热单元的局部热阻至少在截面中可以形成线性变化和/或非线性变化和/或阶梯变化和/或不稳定的变化。
此外可以设置，在具有更强的热损失源的区域中(例如，大于5W/cm2，特别是在电子单元的一侧上)，导热单元具有特别低的热阻，这提高了这种强大的局部热损失源的冷却容量。还可以设置在导热单元中使用具有各向异性热导率的材料，特别是具有特别高的横向热导率的材料(例如，石墨膜)。由此能够减小流体能够流过的通向冷却元件的热路径中的热通量密度，这在流体引导的技术设计中具有优势。
给出小于200mm2 K/W的特别低的热阻。对于特别复杂的基于陶瓷的材料结合剂(例如，银烧结)，也可以达到小于20mm2 K/W的值。
在根据本发明的解决方案的有利的改进中，导热单元通过至少一个位置处的有源热泵局部地补充或替换。
在另一种特别的实施例中可以设置，在一个或多个具有极高的热损失源(例如，大于15W/cm2)的区域中，将导热单元设置为有源导热单元，即有源热泵。有源热泵单元的可能的实施例以术语热管、热虹吸管或热电热泵对于本领域技术人员是已知的。热泵单元可以设置为热管、热虹吸管，也可以设置为热电热泵。每个有源热泵可以由相同或不同设计的一个或更多个热泵单元构成。这些有源导热单元的目标可以是改善冷却本身(热量的纵向泵送方向)和降低极高的热损失源的热通量密度(热量的横向泵送方向)。
纵向泵送方向可以是垂直于散热器表面的方向。横向泵送方向可以是平行于散热器表面的任何方向。能够设置每种类型的热泵还结合两个泵送方向。
在根据本发明的实施方案的有利的改进中，流体在流体回路中是电绝缘的，并且流过壳体的壳体内部空间，其中流体至少部分地润湿壳体以及固定感应充电站中的至少部分部件，和/或直接围绕它们流动和/或直接贴着它们流动。壳体可以由绝热材料制成。壳体可以具有对应的流体入口和对应的流体出口，从而壳体能够流体连接至流体回路。壳体形成壳体内部空间，固定感应充电站1的部件布置在所述壳体内部空间中。流体能够流过壳体内部空间，其中，流体至少部分地润湿壳体内部空间的内表面和/或直接围绕其流动和/或直接贴着其流动。内部表面可以是限制和/或形成壳体内部空间的壳体的表面部分。
在根据本发明的解决方案中的有利的改进中，流体在流体回路中是电绝缘的并且自由流动并且不具有另外的穿过壳体内部空间的封闭流体管道。表述“自由流动并且不具有另外的封闭流体管道”可以理解为，流体至少部分地润湿壳体内部空间的内表面和/或直接围绕其流动和/或直接贴着其流动。由此可以设置流体在壳体内部空间中的引导至少部分地由壳体内部空间的内表面形成。由此能够放弃与壳体分开形成的另外的封闭的流体导管，特别是流体管线。内表面可以是壳体的限制和/或形成壳体内部空间的表面部分。壳体可以由绝热材料制成。壳体可以具有对应的流体入口和对应的流体出口，从而壳体能够流体连接至流体回路。壳体可以形成壳体内部空间，固定感应充电站1的部件布置在壳体内部空间中。
不言而喻，上述特征和以下将要描述的特征不仅可以以各自指定的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用，而不会脱离本发明的范围。发明要解决的问题
附图说明
在附图中示出了本发明的优选的实施例，并且在下面的说明中将对其进行详细描述，其中，相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
分别示例性地示出：
图1示出了根据本发明的固定感应充电站的高度简化的图示，
图2示出了根据本发明的包括操作装置的固定感应充电站的高度简化的图示，
图3示出了根据本发明的固定感应充电站的另一实施例的高度简化的图示，
图4示出了根据本发明的固定感应充电站的另一实施例的高度简化的图示，所述固定感应充电站布置在行驶表面上。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的固定感应充电站1的高度简化的示意图，所述固定感应充电站被埋在行驶表面14中。可以构造为例如电动车辆或混合动力车辆的车辆2位于固定感应充电站1上方。
车辆2具有感应充电装置3，所述感应充电装置具有至少一个次级感应线圈，从而能够在感应充电装置3和固定感应充电装置1之间进行非接触式的能量传递。为此，固定感应充电站1具有能量传递模块4，所述能量传递模块包括至少一个初级侧感应充电装置，交流电压被施加到所述初级侧感应充电装置。能量传递模块4产生随时间变化的磁场，所述磁场在感应充电装置3中分别感应出交流电压或交流电流，所述交流电压或交流电流能够被施加到车辆2的能量存储装置。
固定感应充电站1包括壳体12，在壳体中设置有能量传递模块4、电子单元5、第一导热单元6、第二导热单元6a以及冷却元件7。第一导热单元6布置在能量传递模块4和冷却元件7之间。第二导热单元6a布置在冷却元件7和电子单元5之间。由于固定感应充电站1的部件在空间上组合在一起，因为可以放弃用于高频交流电压的屏蔽电线，所以可以实现紧凑且成本高效的构造。
电子单元5能够通过未示出的电连接线连接到未示出的电能源。电子单元5导电地连接到能量传递模块4，并且在将由未示出的电能源提供的电能输送到能量传递模块4之前，对由未示出的电能源提供的电能进行转换。能够特别设置，电子单元5具有至少一个功率电子模块，以实现所提供的交流电压的频率增加。流体能够流过冷却元件7，其中，流体回路8中的流体通过流体输送装置9输送，所述流体回路可以包括流体管线15。流体回路8具有热交换器10。
能量传递模块4处存在的热能可以经由导热单元6传递给冷却元件7。电子单元5处产生的热能可以经由导热单元6a传递给冷却元件体7。冷却元件7将输送到其的热能传递给流体，所述流体在流过冷却元件7时被加热。在流体流出冷却元件7之后，所述流体能够再次将吸收的热能排放到热交换器10中，从而冷却。冷却后的流体可以再次流入冷却元件7，以便连续去除在固定感应充电站1中所产生的热能。由此可以设置所述流体是液体。
热交换器10可以在固定感应充电站1的周围区域和流体之间提供热交换，其中所述周围区域例如可以是固定感应充电站的地面或周围的空气。还可以想到，热交换器热连接到本地热网和/或远程热网，使得由固定感应充电站1产生的热能能够例如用于加热居住空间。因为只有很少的能量未使用，所以这种设计提供特别高的能量效率。
与图1相比，图2中的固定感应充电站1具有操作装置13，所述操作装置布置为与能量传递模块4和电子单元5间隔开，其中，可以将所述操作装置13设置为集成在例如操作柱中或车库墙中。操作装置13可以连接到电子单元5，以经由通信线16与电子单元5通信，该通信线不必具有电磁屏蔽。
在图2中，热交换器10热连接到蓄热装置11，从而可以临时存储由流体耗散的热能。或者，空气热交换器10可以集成在操作装置13中。
图3示出固定感应充电站1的实施方案，其中壳体12形成冷却元件。在这种情况下，能量传递模块4通过第一热绝热体17与壳体12基本上热分离。此外电子单元5还通过第二热绝热体17a与壳体12基本上热分离。壳体12可以由绝热材料制成。壳体12可以具有对应的流体入口和对应的流体出口，从而壳体12能够流体连接至流体回路8。壳体12形成壳体内部空间18，固定感应充电站1的部件布置在所述壳体内部空间中。流体能够流过壳体内部空间18，其中该流动在图3中通过箭头19象征性地表示。由此能够实现固定感应充电站1的特别紧凑的构造。另外，由此能够减少到周围区域的热损失，从而能够使例如馈入远程热网的热能的量最大化。
图4示出根据本发明的固定感应充电站1的另一实施方案的高度简化的示图，所述固定感应充电站布置在行驶表面14上。这样实现对现有行驶表面快速且成本高效的改造。具有感应充电装置3的车辆2能够通过感应充电站1被供应电能。

Claims (21)

1.一种用于车辆(2)的固定感应充电站(1)，包括：感应充电装置(3)，
-用于非接触式能量传递的能量传递模块(4)，
-电子单元(5)，
-其中，所述能量传递模块(4)和所述电子单元(5)在空间上在壳体(12)中组合，所述电子单元(5)与所述能量传递模块(4)之间的最短空间距离小于所述电子单元(5)的最大尺寸或所述能量传递模块(4)的最大尺寸，
其特征在于，
所述能量传递模块(4)和/或所述电子单元(5)经由至少一个导热单元(6)连接到冷却元件(7)，流体能够流过所述冷却元件。
2.根据权利要求1所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
-流体能够流过的所述冷却元件(7)流体连接到流体回路(8)，
-其中，流体输送装置(9)通过所述流体回路(8)输送流体，
-其中，流体在流过所述冷却元件(7)时吸收所述固定感应充电站(1)的废热。
3.根据权利要求2所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述流体回路(8)具有至少一个热交换器(10)。
4.根据权利要求3所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
热交换器(10)集成在本地热网和/或远程热网中。
5.根据权利要求3所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
热交换器(10)设置为液体-空气热交换器，以便将由流体吸收的热能传递给所述固定感应充电站(1)周围的空气。
6.根据权利要求3所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
热交换器(10)将由流体吸收的热能传递给所述固定感应充电站(1)的周围区域。
7.根据权利要求3所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
热交换器(10)热连接到热存储装置(11)。
8.根据权利要求2至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述壳体至少部分形成所述冷却元件(7)。
9.根据权利要求2至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
流体在所述流体回路(8)中是电绝缘的。
10.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述固定感应充电站(1)通过喷雾冷却进行冷却。
11.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述固定感应充电站(1)具有操作装置(13)。
12.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述固定感应充电站(1)至少部分地嵌入行驶表面(14)。
13.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述固定感应充电站(1)位于行驶表面(14)上。
14.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述固定感应充电站是经气动-声学优化的。
15.根据权利要求2至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述流体是液体。
16.根据权利要求2至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
封闭在流体回路(8)中的流体抵靠所述流体回路(8)的周围区域，和/或所述流体回路(8)中的流体与所述流体回路(8)的周围区域流体地分离。
17.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述导热单元(6)的局部热阻变化。
18.根据权利要求1至7之一所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述导热单元(6)通过至少一个位置处的有源热泵局部地补充或替换。
19.根据权利要求8所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
流体在所述流体回路(8)中是电绝缘的，并且流过壳体(12)的壳体内部空间(18)，其中流体至少部分地润湿壳体(12)和所述固定感应充电站(1)中的至少部分部件，和/或直接围绕它们流动和/或直接贴着它们流动。
20.根据权利要求6所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述周围区域为地面。
21.根据权利要求17所述的固定感应充电站(1)，其特征在于，
所述导热单元(6)的局部热阻在整个横向膨胀范围内变化。
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