CN103608209B - 具有浮动的充电单元的充电设备和充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充电设备，其包括在车辆底部中具有充电模块(2)的车辆和位置固定的具有充电单元(6)的充电站(4)，所述充电设备用于给车辆的电池感应式充电，其中，所述充电站(4)支承在地面附近或在地面中，所述充电单元(6)在充电站(4)中浮动，所述充电单元(6)具有预定的水平运动区域，所述充电模块(2)具有至少一个固定磁铁(7)，所述充电单元(6)具有至少一个定位磁铁(8)，所述充电单元(6)构成为包括初级线圈，并且所述充电模块(2)构成为包括次级线圈。本发明还涉及一种充电方法。

Description

具有浮动的充电单元的充电设备和充电方法
技术领域
本发明涉及一种具有浮动的充电单元的充电设备和充电方法，其中，所述充电设备包括在车辆底部中具有充电模块的车辆和位置固定的具有充电单元的充电站，以便给车辆的电池感应式充电。
背景技术
在今后十年，具有电驱动装置的车辆例如电动车和混合动力车越来越多地赢得在汽车领域中的市场份额。这些车辆经常具有外部再充电可能性，所述外部再充电可能性大多设计为与电缆连接的。因此这样的车辆也称为插接式车辆。插接式车辆的充电必须基于鲁棒(健壮)的、持久的并且日常适用的构思，以便可以达到地区范围内的批量生产水平。在此的目标在于，在公共基础设施(街道和高速公路)和私人基础设施(停车场和车库)的范围中能实现有效和舒适的充电。在此在至今的开发中优选始于与电缆连接的充电站。
越来越多地也考虑到具有非接触式能量传输的无电缆充电站。这种感应式充电技术在现有技术中已经是已知的。文献DE4236286A1例如描述了一种设备，其具有一个车辆侧的次级充电线圈和一个充电站的初级充电线圈，为了给车辆充电将初级充电线圈在引导臂上引导到车辆上。因为引导臂为了在这两个线圈之间产生优化的充电连接而受传感器控制地机动地运动，所以涉及复杂和成本密集的设计方案。在文献DE102009023409A1中例如描述了一种车辆对接系统，其中利用车辆运动，以便使在车辆上的次级充电线圈与在充电站上的初级充电线圈接触。这对于驾驶员来说与如下的必要性相关联，即，目标准确地、亦即可能带有调车耗费地使车辆运动到准确预定的目标位置。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种改善的充电设备和一种改善的充电方法。
该任务通过一种如下所述的具有浮动的充电单元的充电设备和充电方法解决。
按照本发明，所述充电设备包括在车辆底部中具有充电模块的车辆和位置固定的具有充电单元的充电站，所述充电设备用于给车辆的电池感应式充电，充电站支承在地面附近或在地面中，此外充电单元浮动地支承在充电站中并且具有预定的水平运动区域，此外，充电模块具有至少一个固定磁铁并且充电单元具有至少一个定位磁铁，充电单元构成为包括初级线圈，充电模块构成为包括次级线圈。
由此引起了，虽然充电站可以位置固定地支承。然而承载初级线圈的充电单元沿水平方向、亦即沿车辆相关的坐标系统的x方向(纵轴)和y方向(横轴)可动地支承并且在水平运动区域之内是位置绑定的。特别是将如下的平面和在该平面之下的区域理解为地面，车辆的车轮在该平面上滚动。在本文件的范围中，基底与此形成同义的概念。
按照本发明的一种优选实施形式，充电站至少部分地以具有第一密度的粘性的、不导电的并且非磁性的介质填充。充电单元包括具有第二密度的浮动体和/或空心体，第二密度小于第一密度。
浮动体或空心体确保充电单元基本上在液态介质上浮动。充电单元的为此需要的浮力源于充电单元部分浸入到液态介质中。
优选地，所述至少一个固定磁铁、特别是每个固定磁铁以及所述至少一个定位磁铁、特别是每个定位磁铁构成为恒场磁铁。通过所述至少一个固定磁铁和所述至少一个定位磁铁的设置，所述至少一个固定磁铁的磁场方向与所述至少一个定位磁铁的磁场方向引起在所述至少一个固定磁铁与所述至少一个定位磁铁之间的吸引定位力。通过吸引定位力引起充电单元的水平运动。在充电单元的称为充电位置的位置中，定位磁铁的势能在固定磁铁的磁场中关于水平运动区域是局部最小的。
换句话说这意味着，定位磁铁被固定磁铁吸引。在充电模块位于充电站的区域中时，具有初级线圈和定位磁铁的充电单元被具有次级线圈和固定磁铁的充电模块吸引。在此，充电单元关于其沿x方向和y方向在水平运动区域中的可动性实现势能的局部最小值，其中，局部最小值的地点通过充电模块的位置确定。假如充电模块没有位于水平运动面的区域中，那么虽然可以发生固定磁铁和定位磁铁的磁场的相互作用，然而势能的局部最小值在这种情况下不能被充电单元占据。假如充电模块在车辆固定的坐标系统中关于x轴和y轴占据如下位置坐标，所述位置坐标在相同的参考系统中可被可运动的充电单元占据，那么充电模块也位于水平运动面的区域中。换句话说，在该坐标系统中充电模块便关于x轴和y轴位于充电单元的水平运动区域中。
假如固定磁铁和定位磁铁是电磁铁，那么根据一种特别的实施形式仅仅假如充电模块在该水平坐标区域中运动时磁铁才可以被通电。
按照另一实施形式，充电站集成到道路主体或停车场基底中。
这能实现充电站例如在公共停车场上或在私人车库中不引人注意和节省空间的安置。
优选地，充电设备在充电站与充电单元之间具有复位弹簧。复位弹簧朝向水平运动面的中心点施加弹簧力到充电单元上。假如充电模块位于充电单元的水平运动区域中，那么所述弹簧力小于所述吸引定位力。
由此确保，假如没有带有充电模块的车辆位于充电站的区域中，那么复位弹簧将充电单元定位在运动面的水平中央。假如将要充电的车辆的充电模块运动到充电站的区域中，那么该位置用作充电单元的初始位置。
利用所述的充电设备可实施一种充电方法，在该充电方法中车辆首先占据停车位置，在该停车位置中充电模块位于所述运动区域中。在停车位置中，浮动的充电单元被充电模块吸引并且到达充电位置。在到达停车位置或充电位置时起动电池充电过程。这意味着，初级线圈由外部交流电网供电，以便建立交变磁场。在充电位置中，在初级线圈与次级线圈之间的感应式能量传输关于所述水平运动区域是局部最大的。
该充电方法对于车辆驾驶员来说提供的优点在于，当充电模块仅仅位于充电单元的水平运动区域中时，车辆为了给电池充电就足够准确地在充电站上方定位。浮动的充电单元随后自动运动到充电位置并且为了充电保持在充电位置。在该充电位置中，在初级线圈与次级线圈之间的能量传输最大。换句话说，这意味着，假如充电单元沿x方向和/或y方向位于任一不同于充电位置的位置上，则在线圈之间的能量传输小于在充电位置的能量传输。充电位置因而形成了可传输的电功率的局部最大值。
根据本发明方法的一种实施形式可设定：将车辆置于停车位置，在所述停车位置中，充电模块位于所述运动区域中；在停车位置中，浮动的充电单元被充电模块吸引并且到达充电位置；在到达停车位置或充电位置时起动电池充电过程；在充电位置中，在初级线圈与次级线圈之间的感应式能量传输关于水平运动区域是局部最大的；并且为了提高传输功率，通过使充电站沿竖直方向运动，使在初级线圈与次级线圈之间的竖直距离最小化。
根据本发明的另一实施形式，在充电站与充电模块之间信息是可交换的。可交换的信息包含车辆的地点说明以及电池的状态信息和用于电池充电过程的调节参量。
这些信息例如是可用的，以便在占据停车位置时通过导航指示支持驾驶员。在车辆与充电站之间的通信也可以用于车辆的识别，以便例如以把手实施充电过程的自动中断。通过确定的车辆钥匙的识别，也可以驾驶员特定地实施这样的中断。
根据一种确定的进一步改进方案，充电站相对于车辆底部沿竖直方向是可运动的。
由此可以在通过充电单元达到充电位置时使得在两个线圈之间的空间距离沿竖直方向、亦即沿车辆竖直轴的方向最小，以便提高由初级线圈至次级线圈的能量传输。
本发明基于以下阐述的考虑：用于电动车或插接式车的与电缆连接的充电站是不舒适的并且在公共基础设施中不可足够地实现。无电缆的感应式充电方法至今具有对于有效的能量传输和车辆耦合不足的构思。这两点需要“加油站”、亦即初级传输侧出于导线损耗的原因在附近连接到车辆上。此外，基于连接到公共基础设施例如路面或地下停车场地面中的实施方案必须是耐气候的并且补偿要加油车辆的一定的“不精确”或定位并继而使得充电损耗最小，亦即“自动”建立在充电站与车辆之间的理想的接触。
作为改善措施应该引入耐气候的充电站，其包含气密地与环境隔绝的充电单元。在此采用例如由PE或PTFE构成的耐气候的浇注的壳体，壳体完全集成充电单元。充电站不仅可以集成到公共基础设施(路面)中、而且可以集成到私人基础设施(例如车库)中。
附加地，耐气候的、集成的充电站具有充电单元相对于车辆的“自我优化的”定位，以便使得充电损耗最小并且允许充电车辆的任意定位。
附图说明
在下文中根据附图描述本发明的优选实施例。由此产生本发明的进一步的细节、优选实施形式和进一步改进方案。详细地示意地示出：
图1示出具有浮动单元的充电设备的沿车辆纵轴方向的视图；
图2示出具有浮动单元的充电设备的沿车辆竖直轴方向(由上方)的视图。
具体实施方式
相同的附图标记表示相同的技术对象。
图1和2示意地示出电动车或混合动力车的前车或后车(1)。一个充电模块(2)位于车辆底部上。该充电模块特别是包括次级线圈，用于感应式在外部初级线圈上给车辆充电，该充电模块具有确定的“车辆固定的”装配位置。在车辆停止或停车时，通过该充电模块在对于本领域技术人员已知的车辆相关的坐标系统中给出x轴(纵轴)的零点和y轴(横轴)的零点。
充电模块还具有至少一个也称为固定磁铁的恒场磁铁(7)。不失一般性地，此外基于两个固定磁铁。在此涉及永久磁铁或电磁铁。
位置固定的感应式充电站(4)集成到车辆(3)的停泊处的基底中。停泊处可以是例如停车场、休息场所、停车处等上的公共充电站或者在私人区域中安装的充电站，例如在家庭车库中。充电站固定在基底上并且在沿z方向(车辆竖直轴)的结构高度——其超过常见电动车和混合动力车的离地净高——中至少部分在道路主体或停泊处的基底中和/或承载层或覆盖层中下降。
充电站基本上由一个填充有液态介质(5)的容器形成。在此例如可以涉及粘性的、非磁性的并且不导电的油。感应式充电站的充电单元(6)浮动地、亦即沿x方向和y方向可动地支承在容器中并且在液态介质上。运动自由度被容器沿x方向和y方向限制并且称为水平运动面(6a)。关于横轴，该充电站具有车辆宽度的理想情况下30％-80％的长度。而且更小的充电站是可想到的，然而在此充电单元的可运动性受限并且车辆为了充电必须更准确地定位。特别是在完全在地面中下降的站中，站的宽度也可以超过车辆宽度。充电单元装备有初级线圈用于对于本领域技术人员而言已知的感应式能量传输技术。该浮动的支承可以通过集成到初级线圈中的空腔(9)或安置在单元中的浮动体和/或空气体实现，从而液态介质的密度超过充电单元的密度。充电站被供以交流电，优选通过公共或家用的交流电网(11)。
除此之外，充电单元具有至少一个恒场磁铁(8)，该恒场磁铁构成为永久磁铁或电磁铁并且称为定位磁铁。不失一般性地，此外基于两个定位磁铁。
为了给电动车或混合动力车充电，将车辆如此定位在具有充电站的停泊处的区域中，使得车辆的具有充电模块的区域沿z方向位于充电站的容器上方。这样的停车位置示意地在图2中的俯视图中示出。在此可以通过结构上的定位辅助手段例如地面覆盖层中的标记、车轮止动件或侧面的导轨支持车辆使用者。驾驶员也可以电子地例如由导航系统引导或者由听觉或视觉信号引导，如其例如由停车辅助装置是已知的。在此也可以为了位置确定而采用在车辆与充电站之间的数据通信。在每种情况下，驾驶员为了开始电池充电过程必须将车辆仅仅关于充电站带到一个相对粗略的、通过水平运动面确定的位置。车辆停车位置的建立绝对不取决于调车运动并且对于驾驶员不会带来舒适性受损。在占据停车位置时，在相同的车辆固定的坐标系统中充电模块关于x轴和y轴的位置因而可能不同于充电单元关于x轴和y轴的位置。然而在停车位置中，充电模块的(x,y)位置坐标位于这样的(x,y)坐标区域中，该坐标区域在相同的参考系统中由充电单元的水平运动面形成，参见图2。
固定磁铁和定位磁铁的场强和液态介质的粘性如此确定大小，使得，只要车辆如上所述地占据停车位置，固定磁铁的磁场与定位磁铁的磁场就如此发生相互作用，使得磁场的定向引起吸引力。该力引起充电单元的运动，以便占据具有定位磁铁相对于固定磁铁的最小势能的位置。该位置也称为充电位置。为了占据该位置，可以发生沿x方向和y方向组合的运动以及充电单元绕z轴的转动。
具有尽可能小的能量损耗的高能量传输在初级线圈的尽可能高的穿过次级线圈的磁通的情况下实现。关于x方向和y方向，这在充电位置中通过固定磁铁相对于次级线圈的位置和定位磁铁相对于初级线圈的位置确保。必须说明，通过充电单元占据优化的充电位置不仅在激活的充电下、亦即在具有高频交变磁场的初级线圈处于运行中时、而且在初级线圈不运行时也是可能的。在激活的交变磁场中，这在时间平均值上对固定磁铁和定位磁铁的恒场的相互作用没有影响。关于z轴，在优化的充电位置中在初级线圈与次级线圈之间的距离越小，能量传输就越有效率。该距离由车辆的离地净高、充电站在基底中的安装深度和容器中液态介质的液面高度确定。该距离可以通过具有液态介质的容器沿正z方向的尽可能高的液面高度并且通过在占据停车位置时由车辆底部到充电站的尽可能小的距离被最小化。为此可以例如针对特定的车辆类型设计充电站和/或其在基底中的集成。备选地也可以使车辆构造与具有充电站的停泊处相协调。
按照另一实施形式，充电站相对于车辆或车辆相对于充电站是可升降的，以便在优化的充电位置中使在两个线圈之间的距离最小。这可以对于充电站或车辆例如借助于同样集成在停泊处中的升降台实现。
在充电期间，充电单元保持在优化的充电位置中，因为该位置如上所述地形成一个局部能量最小值。
在完成充电过程之后和/或在车辆离开停车位置之后，充电单元占据在容器中的预定的初始位置，该初始位置例如通过集成的、居中地固定在充电站和充电单元上的复位弹簧(10)(参见图1)是可建立的。复位力的弹簧力可针对当车辆位于停车位置时固定磁铁和定位磁铁的最小吸引力如此小地设计，使得不抑制充电单元的运动。
根据充电设备的另一设计方案形式可以仅仅在达到停车位置时才激活充电过程。为此可以从车辆到充电站或也到网络供应商应用与在车辆上的通信单元和在充电站上的通信单元的通信连接，所述通信连接也可以与车辆识别和/或上述的车辆位置检测相组合。由此也可以导出用于充电过程与电源自动切断的运行经济的模型，只要车辆识别也包括驾驶员或持有者识别，例如通过识别确定的、配属于自然人或法人的车辆钥匙。
所述的充电设备和所述的充电方法包含特别是对于车辆驾驶员来说极大的优点。通过自身优化的、基于磁场的构思同时省去外部可运动的部件，充电站可以向外非常简单并且鲁棒地设计。这样的固定安装在基底上的充电站除了简单的可操作性外也承诺长的寿命。对于在户外的应用，该充电设备由于耐气候性是令人信服的，因为充电站的所有电气构件可安置在容器中或可布设在基底中。这涉及例如连接到外部交流电网或通信单元上。
附图标记列表：
1前车或后车
2充电模块
3停车场基底
4充电站
5液态介质
6充电单元
6a水平运动面
7固定磁铁
8定位磁铁
9空腔或浮动体
10复位弹簧
11交流电网
x纵轴
y横轴
z竖直轴

Claims (9)

1.充电设备，包括在车辆底部中具有充电模块(2)的车辆和位置固定的具有充电单元(6)的充电站(4)，所述充电设备用于给车辆的电池感应式充电，其特征在于，
所述充电站支承在地面附近或在地面中，
所述充电单元浮动地支承在充电站中，
所述充电单元具有预定的水平运动面，
所述充电模块具有至少一个固定磁铁(7)，
所述充电单元具有至少一个定位磁铁(8)，
所述充电单元构成为包括初级线圈，
所述充电模块构成为包括次级线圈。
2.根据权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
所述充电站至少部分地以具有第一密度的粘性的、不导电的并且非磁性的介质填充，
所述充电单元包括具有第二密度的浮动体和/或空心体，
所述第一密度大于所述第二密度。
3.根据权利要求1或2所述的充电设备，其特征在于，
所述至少一个固定磁铁构成为恒场磁铁，
所述至少一个定位磁铁构成为恒场磁铁，
所述至少一个固定磁铁和所述至少一个定位磁铁设置成，使得所述至少一个固定磁铁的磁场方向与所述至少一个定位磁铁的磁场方向引起在所述至少一个固定磁铁与所述至少一个定位磁铁之间的吸引定位力，
通过所述吸引定位力能引起所述充电单元的水平运动，
在所述充电单元的充电位置中，所述定位磁铁的势能在所述固定磁铁的磁场中并且关于水平运动区域是局部最小的。
4.根据权利要求3所述的充电设备，其特征在于，
所述充电站集成到道路主体或停车场基底中。
5.根据权利要求3所述的充电设备，其特征在于，
所述充电设备在充电站与充电单元之间具有复位弹簧，
所述复位弹簧朝向所述水平运动面的中心点施加弹簧力到充电单元上，
在充电模块位于充电单元的水平运动区域中时，所述弹簧力小于所述吸引定位力。
6.根据权利要求3述的充电设备，其特征在于，
在所述充电站与所述充电模块之间信息是可交换的，
所述信息包含车辆的地点说明，
所述信息包含电池的状态信息，
所述信息包含用于电池充电过程的调节参量。
7.根据权利要求1或2所述的充电设备，其特征在于，
所述充电站相对于车辆底部沿竖直方向是可运动的。
8.用于根据权利要求3至6之一所述的充电设备的充电方法，其特征在于，
将车辆置于停车位置，在所述停车位置中充电模块位于所述运动区域中，
在停车位置中，浮动的充电单元被充电模块吸引并且到达充电位置，
在到达停车位置或充电位置时起动电池充电过程，
在充电位置中，在初级线圈与次级线圈之间的感应式能量传输关于水平运动区域是局部最大的。
9.利用根据权利要求7所述的充电设备的充电方法，其特征在于，
将车辆置于停车位置，在所述停车位置中，充电模块位于所述运动区域中，
在停车位置中，浮动的充电单元被充电模块吸引并且到达充电位置，
在到达停车位置或充电位置时起动电池充电过程，
在充电位置中，在初级线圈与次级线圈之间的感应式能量传输关于水平运动区域是局部最大的，并且
为了提高传输功率，通过使充电站沿竖直方向运动，使在初级线圈与次级线圈之间的竖直距离最小化。
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