DE102014216358A1 - Charging station, charging system and method for inductive charging of a motor vehicle energy storage - Google Patents
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Abstract
Es werden eine Ladestation (100, 200, 300), ein Ladesystem und ein Verfahren zum induktiven Laden eines Kraftfahrzeug-Energiespeichers beschrieben. Die Ladestation (100, 200, 300) weist auf eine Generatoreinheit (110), eingerichtet zum Bereitstellen eines Wechselstroms, und eine Primärspulenanordnung (120, 220, 320), welche mit der Generatoreinheit (110) energetisch derart gekoppelt ist, dass die Primärspulenanordnung (120, 220, 320) von dem Wechselstrom erregbar ist. Die Primärspulenanordnung (120, 220, 320) weist auf (a) eine Längsachse, welche sich entlang einer z-Richtung erstreckt, (b) eine erste Abmessung entlang einer x-Richtung, welche senkrecht zu der z-Richtung verläuft, und (c) eine zweite Abmessung entlang einer y-Richtung, welche senkrecht zu der z-Richtung und senkrecht zu der x-Richtung verläuft. Die erste Abmessung der Primärspulenanordnung (120, 220, 320) ist um zumindest einen Faktor 1, 2 größer als die Größe einer Sekundärspule (190) des elektromobilen Kraftfahrzeugs entlang der x-Richtung, mit welcher Sekundärspule (190) die Primärspulenanordnung induktiv koppelbar ist.A charging station (100, 200, 300), a charging system and a method for inductively charging a motor vehicle energy storage are described. The charging station (100, 200, 300) has a generator unit (110) arranged to provide an alternating current, and a primary coil arrangement (120, 220, 320) which is energetically coupled to the generator unit (110) such that the primary coil arrangement (110) 120, 220, 320) is excitable by the alternating current. The primary coil assembly (120, 220, 320) comprises (a) a longitudinal axis extending along a z-direction, (b) a first dimension along an x-direction which is perpendicular to the z-direction, and (c ) has a second dimension along a y-direction which is perpendicular to the z-direction and perpendicular to the x-direction. The first dimension of the primary coil arrangement (120, 220, 320) is larger by at least a factor 1, 2 than the size of a secondary coil (190) of the electromobile motor vehicle along the x direction, with which secondary coil (190) the primary coil arrangement can be inductively coupled.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der induktiven Übertragung von Energie von einer Primärspule auf eine Sekundärspule. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Ladestation, eine Ladesystem sowie ein Verfahren zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektromobilen Kraftfahrzeugs. The present invention generally relates to the technical field of inductive transmission of energy from a primary coil to a secondary coil. The present invention relates in particular to a charging station, a charging system and a method for inductively charging an electrical energy store of an electromobile motor vehicle.
Als elektromobile Kraftfahrzeuge bezeichnet man im Allgemeinen Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Elektromobile Kraftfahrzeuge können beispielsweise Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb oder reine Elektrofahrzeuge sein. Ein Hybridantrieb umfasst dabei neben einer elektrischen Antriebsmaschine zusätzlich noch eine konventionelle Verbrennungsmaschine, um insbesondere die Reichweite des elektromobilen Kraftfahrzeugs zu erhöhen. Elektromobile Kraftfahrzeuge, welche neben einer elektrischen Antriebsmaschine noch eine Verbrennungsmaschine aufweisen, werden als Hybrid-Kraftfahrzeug bezeichnet. Ein reines Elektrofahrzeug weist als Antriebmaschine lediglich eine oder mehrere elektrische Antriebsmaschinen oder Elektromotoren auf. As electromobile motor vehicles are generally referred to motor vehicles that are wholly or partially powered by electrical energy. Electromobile motor vehicles may be, for example, motor vehicles with a hybrid drive or pure electric vehicles. In addition to an electric drive machine, a hybrid drive additionally comprises a conventional internal combustion engine, in order in particular to increase the range of the electromobile motor vehicle. Electromobile motor vehicles, which in addition to an electric drive machine still have an internal combustion engine, are referred to as hybrid motor vehicle. A pure electric vehicle has as a drive machine only one or more electric drive machines or electric motors.
Elektrische Energiespeicher von elektromobilen Kraftfahrzeugen können leitungsgebunden oder drahtlos über eine induktive Energieübertragung in einer entsprechenden Ladestation aufgeladen werden. Electric energy storage of electromobile motor vehicles can be charged wired or wirelessly via an inductive energy transfer in a corresponding charging station.
Beim induktiven Laden von elektromobilen Kraftfahrzeugen bzw. deren Energiespeicher ist eine optimale Ausrichtung von (a) einer der Ladestation zugeordneten Primärspule und (b) einer dem elektromobilen Kraftfahrzeug zugeordneten Sekundärspule entscheidend für eine sichere und effektive Leistungsübertragung. Der Wirkungsgrad eines induktiven Ladevorgangs ist bei geeigneter Kompensation der Schwingkreise, welche der Primärspule bzw. der Sekundärspule zugeordnet sind, dann maximal, wenn beide Spulen exakt zueinander ausgerichtet sind bzw. die Zentren der beiden Spulen übereinander liegen. Ein gewisser Versatz zwischen beiden Spulen führt dazu, dass der Wirkungsgrad reduziert wird. When inductive charging of electromobile motor vehicles or their energy storage is an optimal alignment of (a) of the charging station associated primary coil and (b) of the electromobile motor vehicle associated secondary coil is crucial for a safe and effective power transmission. The efficiency of an inductive charging process is at a suitable compensation of the resonant circuits, which are associated with the primary coil and the secondary coil, then maximum when both coils are aligned exactly to each other or the centers of the two coils are superimposed. A certain offset between both coils results in reduced efficiency.
Stellt sich beispielsweise bei jeweils einer runden Spulengeometrie von Primär- und Sekundärspule ein Versatz von lediglich einigen Prozent in Bezug zu dem Durchmesser der Spulen ein, dann wird der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung nur bedingt beeinflusst. Bei einem relativen Versatz von beispielsweise 10% sinkt dieser Wirkungsgrad merklich. If, for example, an offset of only a few percent in relation to the diameter of the coils occurs in each case with a round coil geometry of the primary and secondary coils, then the efficiency of the inductive energy transmission is influenced only to a limited extent. At a relative offset of, for example, 10%, this efficiency drops noticeably.
Da sowohl die Sekundärspule im Fahrzeug, als auch die Primärspule des Ladeplatzes beim Einparken für den Fahrer eines aufzuladenden elektromobilen Kraftfahrzeugs nicht sichtbar sind, muss stets mit einem horizontalen Versatz beider Spulen zueinander gerechnet werden. Daher muss zur Optimierung des Wirkungsgrades der induktiven Energieübertragung der Fahrer bei einem Einparkvorgang in eine Ladestation aktiv und/oder passiv unterstützt werden. Since both the secondary coil in the vehicle, as well as the primary coil of the loading space when parking for the driver of an electrified motor vehicle to be charged are not visible, must always be expected with a horizontal offset of both coils each other. Therefore, in order to optimize the efficiency of the inductive energy transfer, the driver must be actively and / or passively supported during a parking process in a charging station.
Eine derartige Unterstützung des Fahrers kann beispielsweise über ein Satelliten gestütztes Positionssystem erfolgen, was aufgrund der begrenzten Auflösung jedoch nur für eine räumlich sehr große Positionierung verwendet werden kann. Eine vergleichsweise feine Positionierung kann durch die Verwendung von zusätzlicher Sensorik ermöglicht werden. So kann der Fahrer des betreffenden elektromobilen Kraftfahrzeugs beispielsweise durch eine graphische Anzeige unterstützt werden. Auch dies hat jedoch gewisse Nachteile. Zum einen kann nämlich angenommen werden, dass die Kosten eines Sensor-gestützten Positionierungssystems mit steigender Auflösung zunehmen. Zum anderen wird ein solch genauer Parkvorgang mit einem gewissen Rangieraufwand verbunden sein, da der Fahrer sein Fahrzeug, trotz hochgenauen Positionierungssystems, nicht beliebig genau lenken kann. Dabei ist eine richtige Positionierung quer zur Einparkrichtung schwieriger zu erreichen als die Ausrichtung des Fahrzeugs bzw. der Sekundärspule in Bezug zu der Primärspule längs zur Einparkrichtung. Such support of the driver can for example take place via a satellite-based positioning system, which, however, can only be used for a spatially very large positioning due to the limited resolution. A comparatively fine positioning can be made possible by the use of additional sensors. For example, the driver of the relevant electromobile motor vehicle can be supported by a graphic display. However, this also has certain disadvantages. On the one hand, it can be assumed that the costs of a sensor-based positioning system increase with increasing resolution. On the other hand, such a precise parking process will be associated with a certain maneuvering, since the driver can not steer his vehicle, despite highly accurate positioning system, as arbitrary as possible. In this case, a correct positioning transverse to the parking direction is more difficult to achieve than the orientation of the vehicle or the secondary coil with respect to the primary coil along the direction of parking.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die induktive Übertragung von Energie von der Primärspule einer Ladestation auf die Sekundärspule eines elektromobilen Kraftfahrzeugs insbesondere in Hinblick auf eine nicht optimale relative Positionierung zwischen Sekundär- und Primärspule zu verbessern. The invention has for its object to improve the inductive transmission of energy from the primary coil of a charging station to the secondary coil of an electromobile motor vehicle, in particular with regard to a non-optimal relative positioning between the secondary and primary coil.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ladevorrichtung bzw. dem Ladesystem beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung dieser Erfindung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann. This object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments, further features and details of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the charging device or the charging system are of course also in connection with the method, and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of this invention to the individual aspects of the invention always reciprocal reference can be made.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Ladestation zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines elektromobilen Kraftfahrzeugs beschrieben. Die beschriebene Ladestation weist auf eine Generatoreinheit, eingerichtet zum Bereitstellen eines Wechselstroms, und eine Primärspulenanordnung, welche mit der Generatoreinheit energetisch derart gekoppelt ist, dass die Primärspulenanordnung von dem Wechselstrom erregbar ist. Die Primärspulenanordnung weist auf (a) eine Längsachse, welche sich entlang einer z-Richtung erstreckt, (b) eine erste Abmessung entlang einer x-Richtung, welche senkrecht zu der z-Richtung verläuft, und (c) eine zweite Abmessung entlang einer y-Richtung, welche senkrecht zu der z-Richtung und senkrecht zu der x-Richtung verläuft. Erfindungsgemäß ist die erste Abmessung der Primärspulenanordnung um zumindest einen Faktor 1,2 größer als die Größe einer Sekundärspule des elektromobilen Kraftfahrzeugs entlang der x-Richtung, mit welcher Sekundärspule die Primärspulenanordnung induktiv koppelbar ist. According to a first aspect of the invention, a charging station for inductively charging an energy store of an electromobile motor vehicle is described. The charging station described points to a generator unit, set up for Providing an alternating current, and a primary coil assembly, which is energetically coupled to the generator unit such that the primary coil assembly is excitable by the alternating current. The primary coil assembly comprises (a) a longitudinal axis extending along a z-direction, (b) a first dimension along an x-direction which is perpendicular to the z-direction, and (c) a second dimension along a y Direction, which is perpendicular to the z-direction and perpendicular to the x-direction. According to the invention, the first dimension of the primary coil arrangement is at least a factor of 1.2 greater than the size of a secondary coil of the electromobile motor vehicle along the x-direction, with which secondary coil the primary coil arrangement can be inductively coupled.
Der beschriebenen induktiven Ladestation liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dann, wenn entlang der x-Richtung die Primärspulenanordnung bewusst größer dimensioniert ist als die Sekundärspule, auch dann eine induktive Energieübertragung von der Primärspulenanordnung auf die Sekundärspule mit hoher Effektivität bzw. mit hohem Wirkungsgrad erreicht werden kann, wenn in Bezug zu einem Zentrum der Primärspulenanordnung die Sekundärspule entlang der x-Richtung versetzt ist. Beim Einfahren eines elektromobilen Kraftfahrzeugs mit einem aufzuladenden Energiespeicher in die beschriebene Ladestation kann die x-Richtung dann senkrecht zu der Einfahrrichtung ausgerichtet sein, so dass ein seitlicher Versatz beim Einfahren des Kraftfahrzeugs in die beschriebene Ladestation keine oder zumindest keine größere Auswirkungen auf die Effektivität der induktiven Energieübertragung und damit auf den Wirkungsgrad des induktiven Ladevorgangs hat. The inductive charging station described is based on the finding that when the primary coil arrangement along the x-direction is consciously dimensioned larger than the secondary coil, an inductive energy transfer from the primary coil arrangement to the secondary coil can be achieved with high efficiency or with high efficiency when the secondary coil is offset along the x-direction with respect to a center of the primary coil assembly. When retracting an electromobile motor vehicle with a rechargeable energy storage in the described charging station, the x-direction can then be aligned perpendicular to the retraction, so that a lateral offset when retracting the motor vehicle in the described charging station no or at least no major impact on the effectiveness of the inductive Energy transfer and thus on the efficiency of the inductive charging has.
Bei Berücksichtigung der vorstehend bereits erläuterten Tatsache, dass eine richtige Positionierung des elektromobilen Kraftfahrzeugs entlang der Einfahrrichtung sehr einfach zu erzielen ist, kann mit der hier beschriebenen Ladestation auch dann ein hoher Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung erreicht werden, wenn während eines Ladevorgangs die Positionierung des Kraftfahrzeugs bzw. der Sekundärspule des Kraftfahrzeugs in der Ladestation entlang der x-Richtung ungenau ist. Taking into account the fact already explained above that a correct positioning of the electromobile motor vehicle along the retraction direction can be achieved very easily, a high efficiency of the inductive energy transfer can also be achieved with the charging station described here if during a charging process the positioning of the motor vehicle resp the secondary coil of the motor vehicle in the charging station along the x-direction is inaccurate.
Unter dem Begriff Längsachse der Primärspulenanordnung ist in diesem Dokument die Achse zu verstehen, um welche der stromführende Spulendraht gewickelt ist. In einer Symmetrieebene der Primärspulenanordnung kann die Richtung des Magnetfeldes daher in bekannter Weise zumindest annähernd parallel zu der Längsachse sein. The term longitudinal axis of the primary coil arrangement is to be understood in this document as the axis around which the current-carrying coil wire is wound. In a plane of symmetry of the primary coil arrangement, the direction of the magnetic field can therefore be in a known manner at least approximately parallel to the longitudinal axis.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Abmessung der Primärspulenanordnung um zumindest einen Faktor 1,5 und bevorzugt um zumindest einen Faktor 2,0 größer als die Größe der Sekundärspule entlang der x-Richtung. According to an embodiment of the invention, the first dimension of the primary coil assembly is at least a factor of 1.5 and preferably at least a factor of 2.0 greater than the size of the secondary coil along the x-direction.
Je größer der Unterschied zwischen der x-Abmessung (d.h. der Abmessung entlang der x-Richtung) der primären Spulenanordnung und der x-Größe (d.h. der Größe der Sekundärspule entlang der x-Richtung) ist, desto unempfindlicher ist der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspule bei einer Fehlpositionierung des elektromobilen Kraftfahrzeugs bzw. der Sekundärspule des elektromobilen Kraftfahrzeugs entlang der x-Richtung. The greater the difference between the x-dimension (ie the dimension along the x-direction) of the primary coil assembly and the x-size (ie, the size of the secondary coil along the x-direction), the less sensitive is the inductive energy transfer efficiency the primary coil assembly and the secondary coil in a mispositioning of the electromobile motor vehicle or the secondary coil of the electromobile motor vehicle along the x-direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Abmessung um zumindest einen Faktor 1,5, bevorzugt um zumindest einen Faktor 2, weiter bevorzugt um zumindest einen Faktor 2,5 und am meisten bevorzugt um zumindest einen Faktor 3 größer als die zweite Abmessung. According to a further embodiment of the invention, the first dimension is at least a factor of 1.5, preferably at least a factor of 2, more preferably at least a factor of 2.5, and most preferably at least a factor of 3 larger than the second dimension.
Durch eine bewusst ungleiche Dimensionierung der Primärspulenanordnung in unterschiedlichen Richtungen, welche jeweils senkrecht zu der Längsachse der Primärspulenanordnung orientiert sind, wird der Wirkungsgrad einer induktiven Energieübertragung von der Primärspulenanordnung auf eine Sekundärspule typischerweise zunächst reduziert. Er kann jedoch bei einer vorgegebenen Größe der Querschnittsfläche der Primärspulenanordnung auf einfache Weise zumindest in dem Fall verbessert werden, wenn die dem aufzuladenden Energiespeicher zugeordnete Sekundärspule in Bezug zu der Primärspulenanordnung eine gewissen räumlichen Versatz entlang der x-Richtung aufweist. Wenn, wie bereits vorstehend beschrieben, die x-Achse innerhalb der Ladestation zumindest annähernd senkrecht zu einer Einfahrrichtung des betreffenden elektromobilen Kraftfahrzeugs mit der Primärspule und dem aufzuladenden Energiespeicher ausgerichtet ist (die y-Richtung ist dann zumindest annähernd die Einfahrrichtung), dann führt ein Versatz des gesamten Fahrzeugs senkrecht zu dessen Einfahrrichtung zu keiner oder nur zu einer lediglich sehr geringen Reduzierung des Wirkungsgrades der induktiven Energieübertragung. By a deliberately unequal dimensioning of the primary coil assembly in different directions, which are each oriented perpendicular to the longitudinal axis of the primary coil assembly, the efficiency of an inductive energy transfer from the primary coil assembly to a secondary coil is typically initially reduced. However, for a given size of the cross-sectional area of the primary coil arrangement, it can be improved in a simple manner, at least in the case when the secondary coil assigned to the energy store to be charged has a certain spatial offset along the x-direction with respect to the primary coil arrangement. If, as already described above, the x-axis within the charging station is aligned at least approximately perpendicular to a retraction direction of the relevant motor vehicle with the primary coil and the energy storage to be charged (the y-direction is then at least approximately the retraction direction), then leads to an offset the entire vehicle perpendicular to its direction of retraction to no or only a very small reduction in the efficiency of the inductive energy transfer.
Anschaulich ausgedrückt kann die hier beschriebene Exzentrizität der primären Spulenanordnung auf vorteilhafte Weise zu einer besonders großen Unabhängigkeit des Wirkungsgrades der induktiven Energieübertragung von der genauen Position des Kraftfahrzeugs bzw. der Sekundärspule des Kraftfahrzeugs entlang der Richtung der x-Achse beitragen. Illustrated clearly, the eccentricity of the primary coil arrangement described here can advantageously contribute to a particularly high independence of the inductive energy transfer efficiency from the exact position of the motor vehicle or secondary coil of the motor vehicle along the x-axis direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Abmessung größer als 40 cm, bevorzugt größer als 60 cm, weiter bevorzugt größer als 80 cm und noch weiter bevorzugt größer als 100 cm. According to a further embodiment of the invention, the first dimension is greater than 40 cm, preferably greater than 60 cm, more preferably greater than 80 cm and even more preferably greater than 100 cm.
Je größer die erste Abmessung der primären Spulenanordnung entlang der x-Richtung ist, desto geringer ist die Abhängigkeit des Wirkungsgrades der induktiven Energieübertragung bei einer Fehlpositionierung der Sekundärspule in Bezug zu dem Zentrum der Primärspulenanordnung der beschriebenen Ladestation. The larger the first dimension of the primary coil arrangement along the x-direction, the lower the dependence of the efficiency of the inductive energy transfer in a mispositioning of the secondary coil with respect to the center of the primary coil arrangement of the described charging station.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ladestation ferner eine Einfahrspur auf, welche sich entlang der x-Richtung erstreckt. Die Einfahrspur ist derart ausgebildet, dass ein Kraftfahrzeug mit einem aufzuladenden Energiespeicher entlang der Einfahrspur in die Ladestation einfahrbar ist. According to a further exemplary embodiment of the invention, the charging station further has an insertion track which extends along the x-direction. The Einfahrspur is designed such that a motor vehicle with a charged energy storage along the Einfahrspur is retractable into the charging station.
Die beschriebene Einfahrspur kann jede beliebige räumlich körperliche Struktur sein, welche ausgebildet oder zumindest geeignet ist, die Richtung festzulegen, entlang welcher das elektromobile Kraftfahrzeug mit dem aufzuladenden Energiespeicher in die Ladestation zum Zwecke eines induktiven Ladens eingefahren werden muss oder zumindest eingefahren werden soll. In einem besonders einfachen Fall kann die Einfahrspur auch einfach eine geeignete Markierung sein, welche einem Fahrer des betreffenden elektromobilen Kraftfahrzeugs anzeigt, entlang welcher Richtung er in die beschriebene Ladestation einfahren soll. The described Einfahrspur can be any physical structure, which is designed or at least suitable to determine the direction along which the electromobile vehicle with the charged energy storage in the charging station for the purpose of inductive charging must be retracted or at least retracted. In a particularly simple case, the insertion lane may also simply be a suitable marking which indicates to a driver of the relevant electromobile motor vehicle along which direction he should drive into the charging station described.
Selbstverständlich kann die Einfahrspur auch dazu beitragen, dass Kraftfahrzeug nach einem hoffentlich erfolgreichen Aufladen des Energiespeichers zuverlässig wieder aus der Ladestation heraus zu fahren. Of course, the drive-in lane can also help to reliably drive the motor vehicle out of the charging station after a hopefully successful charging of the energy store.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Primärspulenanordnung eine einzige Spule mit zumindest einer Wicklung auf, deren eingeschlossene Fläche entlang der x-Richtung die erste Abmessung und entlang der y-Richtung die zweite Abmessung aufweist. According to a further exemplary embodiment of the invention, the primary coil arrangement has a single coil with at least one winding whose enclosed area has the first dimension along the x-direction and the second dimension along the y-direction.
Die Realisierung der Primärspulenanordnung mit lediglich einer Spule hat den Vorteil, dass die Primärspulenanordnung auf besonders einfache Weise realisiert werden kann. Es ist lediglich erforderlich, den Querschnitt so zu wählen, dass dieser entlang der x-Richtung eine größere Abmessung aufweist als entlang der y-Richtung. The realization of the primary coil arrangement with only one coil has the advantage that the primary coil arrangement can be realized in a particularly simple manner. It is only necessary to choose the cross section so that it has a larger dimension along the x-direction than along the y-direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die einzige Spule eine runde Spule, welche in Bezug auf die x-Richtung und auf die y-Richtung eine Exzentrizität aufweist. According to a further embodiment of the invention, the single coil is a round coil having an eccentricity with respect to the x-direction and the y-direction.
Die mit dieser Ausführungsform beschriebene Spule kann auf einfache Weise beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein geeigneter Spulendraht um einen eine gewisse Exzentrizität aufweisenden Kern gewickelt wird. Dabei kann der Kern beispielsweise senkrecht zu der z-Richtung eine elliptische Querschnittsform aufweisen. The coil described with this embodiment can be produced in a simple manner, for example, by winding a suitable coil wire around a core having a certain eccentricity. In this case, for example, the core may have an elliptical cross-sectional shape perpendicular to the z-direction.
Bevorzugt weist die Querschnittsform bzw. die Querschnittsfläche der runden Spule eine Achsensymmetrie in Bezug zu der y-Richtung auf. Dies bedeutet, dass eine lange Hauptachse der exzentrischen Querschnittsfläche der Spule parallel zu der x-Richtung und eine kurze Hauptachse der exzentrischen Querschnittsfläche parallel zu der y-Richtung verläuft. The cross-sectional shape or the cross-sectional area of the round coil preferably has an axis symmetry with respect to the y-direction. This means that a long major axis of the eccentric cross-sectional area of the coil is parallel to the x-direction and a short major axis of the eccentric cross-sectional area is parallel to the y-direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die einzige Spule eine eckige Spule, welche in Bezug auf die x-Richtung und auf die y-Richtung unterschiedliche Abmessungen aufweist. According to a further embodiment of the invention, the single coil is a polygonal coil having different dimensions with respect to the x-direction and the y-direction.
Die eckige Spule kann als Querschnittsfläche ein beliebiges Vieleck aufweisen. Bevorzugt weist jedoch auch hier die Form des Vielecks eine Achsensymmetrie in Bezug zu der y-Richtung auf. The square coil may have any polygon as a cross-sectional area. However, here too, the shape of the polygon preferably has an axis symmetry with respect to the y-direction.
Eine derartige Achsensymmetrie der Querschnittsfläche der eckigen Spule kann auf besondere Weise dadurch realisiert werden, dass diese Querschnittsfläche die Form eines Rechtecks aufweist. Dabei kann die längere Seite des Rechtecks parallel zu der x-Richtung und die kürzere Seite des Rechtecks parallel zu der y-Richtung verlaufen. Such axial symmetry of the cross-sectional area of the polygonal coil can be realized in a special way, that this cross-sectional area has the shape of a rectangle. The longer side of the rectangle may run parallel to the x-direction and the shorter side of the rectangle parallel to the y-direction.
Eine Achsensymmetrie der Querschnittsfläche in Bezug auf die y-Richtung kann jedoch auch mit anderen Vieleckformen wie zum Beispiel einem Trapez oder einer Raute realisiert werden. Im Falle einer Raute verläuft die längere Hauptachse der Raute, welche zwei gegenüber liegende Eckpunkte verbindet, parallel zu der y-Richtung. However, an axis symmetry of the cross-sectional area with respect to the y-direction can also be realized with other polygonal shapes such as a trapezoid or a rhombus. In the case of a rhombus, the longer major axis of the rhombus, which connects two opposing vertices, runs parallel to the y-direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Primärspulenanordnung mehrere Einzelspulen auf, welche in einer durch die x-Richtung und die y-Richtung aufgespannten xy-Ebene nebeneinander angeordnet sind. According to a further embodiment of the invention, the primary coil arrangement has a plurality of individual coils, which are arranged next to one another in a xy plane spanned by the x-direction and the y-direction.
Die Primärspulenanordnung kann damit auf einfache Weise mit einer Mehrzahl von kleineren Einzelspulen aufgebaut werden, welche jeweils in geeigneter Weise dimensioniert sein können. Bei der Verwendung von Einzelspulen des jeweils gleichen Typs kann die beschriebene Primärspulenanordnung mit einer geeigneten Dimensionierung modular aufgebaut werden, was wiederum zu einem großen Vorteil in Bezug auf die Herstellungskosten der beschriebenen Ladestation führt. The primary coil assembly can thus be constructed in a simple manner with a plurality of smaller individual coils, which can be dimensioned in each case in a suitable manner. When using individual coils of the same type, the described primary coil assembly can be modular with a suitable dimensioning, which in turn leads to a great advantage in terms of the manufacturing cost of the charging station described.
In Übereinstimmung mit dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist entlang der x-Richtung die Anzahl der nebeneinander angeordneten Einzelspulen so groß, dass die Abmessung der Gesamtheit der Einzelspulen entlang der x-Richtung größer ist als die Größe der Sekundärspule entlang der x-Richtung. In accordance with the basic principle of the present invention, along the x-direction, the number of individual coils arranged side by side is so large that the size of the entirety of the individual coils along the x-direction is larger than the size of the secondary coil along the x-direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Einzelspulen innerhalb der xy-Ebene in einem Array angeordnet. According to a further embodiment of the invention, the individual coils are arranged within the xy plane in an array.
Abhängig von dem spezifischen Anwendungsfall kann das beschriebene Array (a) eindimensional, d.h. die Einzelspulen sind entlang einer Richtung und insbesondere entlang der x-Richtung angeordnet, oder (b) zweidimensionalen sein. Depending on the specific application, the described array (a) may be one-dimensional, i. the individual coils are arranged along one direction and in particular along the x-direction, or (b) be two-dimensional.
Das beschriebene Anordnen der Einzelspulen in einem Array kann insbesondere bedeuten, dass die Einzelspulen innerhalb der beschriebenen xy-Ebene an vorgegebenen Positionen angeordnet sind, so dass jede Einzelspule zumindest entlang der x-Richtung gleich weit von jeweils einer benachbarten Einzelspule beabstandet ist. The described arrangement of the individual coils in an array may mean, in particular, that the individual coils are arranged at predetermined positions within the described xy plane, so that each individual coil is equidistant from at least one adjacent individual coil at least along the x direction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Generatoreinheit derart ausgebildet, dass die Einzelspulen jeweils selektiv aktivierbar sind. According to a further embodiment of the invention, the generator unit is designed such that the individual coils are each selectively activatable.
Durch eine selektive Aktivierung der verschiedenen Einzelspulen kann auf vorteilhafte Weise erreicht werden, dass nur diejenigen Einzelspulen an der induktiven Energieübertragung beteiligt werden, welche mit der Sekundärspule in Bezug auf die xy-Ebene einen Überlapp aufweisen. By a selective activation of the various individual coils can be achieved in an advantageous manner that only those individual coils are involved in the inductive energy transfer, which have an overlap with the secondary coil with respect to the xy plane.
Es wird darauf hingewiesen, dass es für eine geeignete selektive Aktivierung der Einzelspulen selbstverständlich erforderlich ist, die aktuelle Position der an dem elektromobilen Kraftfahrzeug angebrachten Sekundärspule zu kennen. Dies kann bei einer genauen Kenntnis der Position der Sekundärspule in Bezug zu einem Chassis des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise durch geeignete Sensoren erfolgen, welche nach einem Einfahren des Kraftfahrzeugs in die beschriebene Ladestation die genaue Position des Kraftfahrzeugs vermessen. Die resultierenden Positionsdaten des Kraftfahrzeugs können dann an eine Steuereinheit übergeben werden, die für eine Aktivierung ausschließlich derjenigen Einzelspulen sorgt, welche die vorstehend beschriebene Überlappung mit der Sekundärspule aufweisen.It should be noted that for a suitable selective activation of the individual coils it is of course necessary to know the current position of the secondary coil mounted on the electromobile motor vehicle. This can be done with a precise knowledge of the position of the secondary coil in relation to a chassis of the motor vehicle in a simple manner by suitable sensors which measure after retraction of the motor vehicle in the described charging station, the exact position of the motor vehicle. The resulting position data of the motor vehicle can then be transferred to a control unit, which ensures activation of only those individual coils having the above-described overlap with the secondary coil.
In dem Fall, dass die zweite Abmessung des Arrays von Einzelspulen größer ist als die Größe der Sekundärspule entlang der y-Richtung, dann kann durch eine geeignete selektive Aktivierung von Einzelspulen auch ein Versatz zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspule entlang der y-Achse dadurch kompensiert werden, dass bevorzugt nur diejenigen Einzelspulen für die induktive Energieübertragung verwendet werden, welche Einzelspulen zumindest entlang der y-Richtung mit der Sekundärspule zumindest teilweise überlappen. In the event that the second dimension of the array of individual coils is greater than the size of the secondary coil along the y-direction, then by an appropriate selective activation of individual coils and an offset between the primary coil assembly and the secondary coil along the y-axis compensated thereby be that preferably only those individual coils are used for the inductive energy transfer, which overlap individual coils at least partially at least along the y-direction with the secondary coil.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist entlang der x-Richtung die Abmessung von jeder Einzelspule um zumindest einen Faktor 2, bevorzugt um zumindest einen Faktor 4 und weiter bevorzugt um zumindest einen Faktor 8 kleiner als die Größe der Sekundärspule entlang der x-Richtung. Dies kann insbesondere den Vorteil haben, dass die Form bzw. die Größe des aktiven Teils der Primärspulenanordnung mit hoher Genauigkeit an die Form bzw. die Größe der Sekundärspule angepasst werden kann. Dadurch kann zuverlässig erreicht werden, dass für die induktive Energieübertragung die Querschnittsfläche der Sekundärspule möglichst vollständig von den betreffenden aktivierten Einzelspulen ausgenutzt wird. Ferner kann auf einfache Weise verhindert werden, dass diejenigen Einzelspulen, welche in Bezug zu der xy-Ebene keine oder nur eine teilweise Überlappung mit der Sekundärspule aufweisen, aktiviert werden und somit auf vorteilhafte Weise ein Erzeugen von nicht nutzbaren Magnetfeldanteilen verhindert wird. According to a further exemplary embodiment of the invention, the dimension of each individual coil is smaller than the size of the secondary coil along the x-direction along the x-direction by at least a factor 2, preferably by at least a factor 4 and more preferably by at least a factor 8. This can in particular have the advantage that the shape or the size of the active part of the primary coil arrangement can be adapted to the shape or the size of the secondary coil with high accuracy. As a result, it can be reliably achieved that, for the inductive energy transmission, the cross-sectional area of the secondary coil is utilized as completely as possible by the respective activated individual coils. Furthermore, it can be prevented in a simple manner that those individual coils, which have no or only a partial overlap with the secondary coil with respect to the xy plane, are activated and thus an advantageous generation of non-usable magnetic field components is prevented.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch entlang der y-Richtung die Abmessung von jeder Einzelspule um zumindest einen Faktor 2, bevorzugt um zumindest einen Faktor 4 und weiter bevorzugt um zumindest einen Faktor 8 kleiner sein kann als die Größe der Sekundärspule entlang der y-Richtung. Auf diese Weise kann auch die Position des aktivierten Teils der Primärspulenanordnung mit hoher Genauigkeit an die aktuelle Position der Sekundärspule entlang der y-Richtung angepasst werden. It should be noted that the dimension of each individual coil can also be smaller than the size of the secondary coil along the y-direction by at least a factor 2, preferably by at least a factor 4 and more preferably by at least a factor 8, along the y-direction , In this way, the position of the activated part of the primary coil assembly can be adapted with high accuracy to the current position of the secondary coil along the y-direction.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Ladesystem zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektromobilen Elektrofahrzeugs beschrieben. Das beschriebene Ladesystem weist auf (a) eine Ladestation des vorstehend beschriebenen Typs und (b) die Sekundärspule. According to a further aspect of the invention, a charging system for inductively charging an electrical energy store of an electromobile electric vehicle is described. The described charging system comprises (a) a charging station of the type described above and (b) the secondary coil.
Dem beschriebenen induktiven Ladesystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die vorstehend beschriebene Ladestation mit der Sekundärspule des elektromobilen Kraftfahrzeugs magnetisch so wechselwirken kann, dass auch bei einem versehentlichen Versatz der Position der Sekundärspule in Bezug zu einem Mittelpunkt der Primärspulenanordnung eine induktive Energieübertragung mit einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet werden kann. The inductive charging system described is based on the finding that the charging station described above can magnetically interact with the secondary coil of the electromobile motor vehicle in such a way that an inductive energy transfer with high efficiency is ensured even if the position of the secondary coil is inadvertently offset relative to a center of the primary coil arrangement can be.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers eines elektromobilen Kraftfahrzeugs beschrieben. Das beschriebe Verfahren weist auf (a) ein Einfahren des elektromobilen Kraftfahrzeugs in eine Ladestation des vorstehend beschriebenen Typs, so dass eine Sekundärspule in Bezug zu einer Ebene, welche durch die x-Richtung und durch die y-Richtung aufgespannt ist, eine Überlappung mit der Primärspulenanordnung der Ladestation aufweist,(b) ein Bereitstellen eines Wechselstroms mit der Generatoreinheit der Ladestation, und (c) ein Erregen der Primärspulenanordnung mit dem bereitgestellten Wechselstrom. According to a further aspect of the invention, a method for inductively charging an energy store of an electromobile motor vehicle described. The described method comprises (a) retracting the electromobile motor vehicle into a charging station of the type described above, such that a secondary coil overlaps the armature with respect to a plane spanned by the x-direction and the y-direction (B) providing an alternating current with the generator unit of the charging station, and (c) energizing the primary coil arrangement with the provided alternating current.
Auch dem beschriebenen induktiven Ladeverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dann, wenn die x-Dimension (d.h. die Dimension entlang der x-Richtung) der Primärspulenanordnung bewusst größer ist als die x-Größe (d.h. die Größe entlang der x-Richtung) der Sekundärspule, auch bei einem Versatz der Sekundärspule in Bezug zu einem Mittelpunkt der Primärspulenanordnung eine induktive Energieübertragung von der Primärspulenanordnung auf die Sekundärspule mit hoher Effektivität bzw. mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden kann. The inductive charging method described is also based on the knowledge that when the x-dimension (ie the dimension along the x-direction) of the primary coil arrangement is deliberately greater than the x-size (ie the size along the x-direction) of the secondary coil , Even with an offset of the secondary coil with respect to a center of the primary coil assembly, an inductive energy transfer from the primary coil assembly to the secondary coil can be achieved with high efficiency or with a high efficiency.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen. Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments. The individual figures of the drawing of this application are merely to be regarded as schematic and not to scale.
Es wird darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert. It should be noted that in the drawing features or components of different embodiments, which are the same or at least functionally identical with the corresponding features or components of the embodiment, are provided with the same reference numerals or with other reference numerals, which are only in their first digit from the reference number of a (functionally) corresponding feature or a (functionally) corresponding component. In order to avoid unnecessary repetitions, features or components already explained on the basis of a previously described embodiment will not be explained in detail later.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. It should also be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. In particular, it is possible to suitably combine the features of individual embodiments with one another, so that a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed to the person skilled in the art with the embodiment variants explicitly illustrated here.
Die
In
In
Wie aus den
In
In
Anschaulich ausgedrückt wird bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Toleranz gegen einen Spulenversatz dadurch minimiert, dass im Vergleich zu einem Ladesystem mit zwei gleich ausgebildeten Spulen die Spulenform und/oder das Größenverhältnis zwischen beiden Spulen verändert wird. Wird die Primärspule nämlich nicht rund sondern beispielsweise oval oder rechteckig ausgeführt, dann kann die Toleranz gegenüber einem Versatz in einer Richtung (hier die x-Richtung) erhöht werden. Je mehr Feldlinien eines von der Primärspule erzeugten Primärfeldes die Sekundärspule durchsetzen, desto mehr Energie wird auch an die Sekundärseite übertragen. To put it clearly, in the embodiments of the invention described above, the tolerance for a coil offset is minimized by changing the coil shape and / or the size ratio between the two coils in comparison to a charging system with two identically designed coils. Namely, if the primary coil is not round, but is made, for example, oval or rectangular, then the tolerance to offset in one direction (here, the x direction) can be increased. The more field lines of a primary field generated by the primary coil pass through the secondary coil, the more energy is also transmitted to the secondary side.
In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass ein optimales Durchdringen von magnetischen Feldlinien dann gegeben ist, wenn die beiden Spulen 1:1 überlappen. Ferner ist es offensichtlich, dass bei dem hier beschriebenen Ladesystem der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung ohne Versatz (siehe
Will man die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von einem räumlichen Versatz zwischen den beiden Spulen minimieren, dann kann dies gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen durch eine größere Primärspule erreicht werden. Die Sekundärspule kann in diesem Fall natürlich nicht beliebig klein werden. Durch eine entsprechende Formgebung der Primärspule kann zudem die Toleranz in eine gewisse Richtung minimiert werden.If you want to minimize the dependence of the efficiency of a spatial offset between the two coils, then this can be achieved according to the embodiments described above by a larger primary coil. Of course, the secondary coil can not be arbitrarily small in this case. By a corresponding shaping of the primary coil, moreover, the tolerance in a certain direction can be minimized.
Aufgrund der typischerweise beschränkten Manövrierbarkeit eines Kraftfahrzeugs quer zu dessen Fahr- bzw. Einparkrichtung und der daraus resultierenden Schwierigkeit, das Kraftfahrzeug korrekt auszurichten, kann es jedoch von großem Vorteil sein, die Toleranz gegenüber einem Spulenversatz zumindest quer zur Fahrtrichtung auf Kosten eines etwas reduzierten Wirkungsgrad zu verbessern. Wird die Primärspule deshalb nicht kreisförmig sondern oval oder rechteckig ausgelegt, kann diese Toleranz zumindest in Bezug auf eine Richtung verbessert werden. However, due to the typically limited maneuverability of a motor vehicle transversely to its driving or parking direction and the resulting difficulty in correctly aligning the motor vehicle, it may be of great advantage to tolerate a coil offset at least transversely to the direction of travel at the expense of somewhat reduced efficiency improve. If the primary coil is therefore designed not circular but oval or rectangular, this tolerance can be improved at least with respect to one direction.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine Vergrößerung der Sekundärspule im Vergleich zu der Primärspule ähnliche Vorteile hätte. Dabei kann die Form der Sekundärspule natürlich so wie oben beschrieben an die Parksituation des Kraftfahrzeugs in der Ladestation angepasst werden. In diesem Fall steigt zum einen die Toleranz gegen einem horizontalen Versatz und zum anderen nimmt der Gesamtwirkungsgrad des induktiven Ladevorgangs zu. Der Grund hierfür besteht darin, dass bei einer größeren Sekundärspule diese auch noch von Streufeldern durchsetzt ist. Dadurch steigt sowohl der Wirkungsgrad als auch die Toleranz gegen horizontalen Versatz an. Nachteilig an dieser Variante ist jedoch das höhere Gewicht der Sekundärseite des Ladesystem, was zu einem erhöhten Gesamtgewicht des elektromobilen Kraftfahrzeugs führt. It should be noted that also an increase of the secondary coil compared to the primary coil would have similar advantages. Of course, the shape of the secondary coil can of course be adapted to the parking situation of the motor vehicle in the charging station as described above. In this case, on the one hand increases the tolerance for a horizontal offset and on the other hand, the overall efficiency of the inductive charging increases. The reason for this is that in a larger secondary coil this is also interspersed by stray fields. This increases both the efficiency and the tolerance against horizontal offset. A disadvantage of this variant, however, is the higher weight of the secondary side of the charging system, which leads to an increased total weight of the electromobile motor vehicle.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel können abhängig von der Position der Sekundärspule genau diejenigen Einzelspulen
Anschaulich ausgedrückt wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle einer einzelnen Primärspule ein ganzes Array an kleineren Einzelspulen
Die genaue Position der Sekundärspule
Ein Vorteil der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung bzw. aller Ausführungsformen der Erfindung ist u.a. eine nahezu konstante Effektivität einer induktiven Energieübertragung bei kurzen Manövrierzeiten bis eine geeignete und weitgehend optimale Fahrzeugposition innerhalb der Ladestation erreicht ist. Es kann (a) durch eine geeignete Formgebung einer Spule und/oder (b) durch ein geeignetes selektives Aktivieren von einer oder mehreren Einzelspulen dafür gesorgt werden, dass stets ein angemessener Ladewirkungsgrad trotz nicht ideal ausgerichteter Spulen erreicht wird. An advantage of the invention described in this document or of all embodiments of the invention is i.a. a nearly constant effectiveness of an inductive energy transfer with short maneuvering times until a suitable and largely optimal vehicle position within the charging station is achieved. It may be ensured by (a) suitably shaping a coil and / or (b) by selectively selectively activating one or more individual coils so that adequate charge efficiency is always achieved despite non-ideally aligned coils.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Ladestation charging station
- 110110
- Generatoreinheit generator unit
- 120120
- Primärspulenanordnung / Primärspule (oval) Primary Coil Assembly / Primary Coil (Oval)
- 130130
- Einfahrspur drive-in
- 190190
- Sekundärspule (rund) Secondary coil (round)
- 200200
- Ladestation charging station
- 220220
- Primärspulenanordnung / Primärspule (rechteckig) Primary Coil Assembly / Primary Coil (Rectangular)
- 290290
- Sekundärspule (quadratisch) Secondary coil (square)
- 300300
- Ladestation charging station
- 320320
- Primärspulenanordnung Primary coil arrangement
- 322322
- Einzelspulen (deaktiviert) Single coils (deactivated)
- 324324
- Einzelspulen (aktiviert) Single coils (activated)
Claims (14)
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DE102014216358.7A DE102014216358A1 (en) | 2014-08-18 | 2014-08-18 | Charging station, charging system and method for inductive charging of a motor vehicle energy storage |
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---|---|
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