CN103703650A - 用于给动力电池充电的方法、用于将能量传输到电动车的装置和汽车 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可靠并且易于操作的、用于给电动车的动力电池充电的装置（10）。本发明还涉及一种用于将能量传输到电动车的装置（10）。在装置（10）中，在停车位（12）上设置有第一转盘（16），该第一转盘能借助于驱动装置（22）围绕转动轴（20）转动。在转盘（16）上设置有移动装置（18），能量输出装置（P）能借助于该移动装置在第一转盘（16）上移动。由此能改变输出装置（P）相对于第一转动轴（20）的径向间距。本发明的另一方面涉及一种具有动力电池的汽车。该汽车具有设计用于给动力电池充电的充电装置，该充电装置带有用于转换在汽车外部产生的交变磁场的次级线圈。该充电装置还具有能摆动的传导装置，借助于该传导装置能向次级线圈输送交变磁场。

Description

用于给动力电池充电的方法、用于将能量传输到电动车的装置和汽车

技术领域

本发明涉及一种给能电驱动的汽车的动力电池充载能量的方法。本发明还涉及一种具有用于存储汽车的驱动电机的电能的动力电池的汽车。最后，本发明涉及一种用于将能量传输到这种电动车的装置。

背景技术

电运行的汽车——在此也称作电动车——可以为了运行驱动电机而具有称作动力电池的蓄电池，用于存储电能。给汽车的动力电池充电的一种可能方式是，将动力电池连接在供电网或另一汽车外部的能量源上。如果动力电池固定安装在汽车中，动力电池的充电则必须能够由汽车的使用者进行。使用者通常是在技术方面没有特殊专业能力的人员。出于该原因，人们追求尽可能可靠并方便地设计充电过程。

由DE4236286A1已知一种用于自动的、无接触的为电动车的动力电池充电的装置。通过感应式的变压器将能量从该装置传输到车辆。该装置为此具有用于产生交变磁场的初级线圈，该初级线圈设置在可摆动的臂的一端。为了给动力电池充电，车辆被停放在该装置上方并且初级线圈通过臂的摆动接触位于车辆中的次级线圈。在这种装置中存在的问题是，当车辆运动，而臂伸出时，臂和初级线圈可能被损坏。

在JP04236102A中记载了一种用于给电运行的汽车的动力电池感应式充电的装置，其中，固定安装在地面中的初级线圈与汽车的次级线圈由此磁耦合，使得次级线圈的弱磁性的线圈芯从汽车下降到初级线圈的相应的线圈芯上。在下降之前，车辆必须借助于自动的控制装置调动到恰当的位置，以便将两个线圈芯相对彼此定位。该装置中的另一问题在于，用于移动次级线圈的线圈芯的机构对于乘用车中的应用来说过大。就安全性而言也是有问题的，即，机械可运动的线圈芯彼此移动经过次级线圈附近。在此，如果出现线圈的电绝缘的机械损坏，例如因为线圈芯脏污或因为其不再正确地调准，并因此磨损绝缘件，由此可能在充电过程中出现短路或者出现由于电击造成的人员伤害。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可靠并且易于操作的、用于给电运行的汽车的动力电池充电的装置。

该目的通过根据权利要求1所述的装置实现，借助于该装置可以将能量传输到汽车。该目的也通过根据权利要求8所述的汽车实现。该目的的另一解决方案通过根据权利要求13所述的、用于给动力电池充电的方法给出。

借助于根据本发明的方法可以将汽车自动连接在汽车外部的能量源上。在此能量输出装置用作能量源上的接口，该能量输出装置与能量源——也就是例如供电网——耦合。能量输出装置例如可以是用于插入汽车侧的插头的插座。通过插头的插入，汽车然后例如与供电网电耦合。本发明的一个特别的方面在于，能量输出装置位于汽车的停车位的底部上。在充电过程期间，该能量输出装置因此始终位于汽车下面，因此汽车的使用者不可能意外接触或损坏能量输出装置。

按照根据本发明的方法，为了给汽车的动力电池充电将汽车停放在（位于底部上的）能量输出装置上方。在下一步中，将能量输出装置相对于汽车的能量接收装置定位。对于能量输出装置是插座的情况，相应的能量接收装置例如是插头，该插头位于汽车的底板下方。为了将能量输出装置定位，将该能量输出装置在汽车下方一直移动，直至该能量输出装置占有用于耦合两个装置的有利位置为止。

按照根据本发明的方法，能量输出装置的定位仅在平行于汽车底部的平面中实现。换句话说，能量输出装置——也就是例如插座——不移动到汽车底部附近。因此以有利的方式确保，当汽车在定位期间或之后开走时，（底部侧的）能量输出装置不被损坏。

在根据本发明的方法的另一步骤中，在汽车方面将其能量接收装置从汽车的底部下降到能量输出装置。在此或之后，如果应当移动汽车（以及下降的能量接收装置），则可能会出现该汽车的能量接收装置的损坏。但是底部侧的能量输出装置保持能运行。优选随着能量接收装置开始下降而关闭汽车的驱动马达，使得汽车的使用者在能量接收装置下降时不能开走并由此不损坏能量接收装置。

在能量输出装置下降之后，将能量输出装置与能量接收装置耦合，并且通过耦合的装置将用于动力电池的能量传输到汽车中。

替代将汽车与能量源电耦合的能量输出装置——例如所述的插座就是这种情况，能量输出装置也可以包括由电容器板构成的装置，通过电容器板实现汽车的充电电路与供电网的电容耦合。作为第三种优选的可能方式，提供一种能量输出装置，其包括用于产生交变磁场的初级线圈。然后，通过能量输出装置实现能量的感应式的传输，这被证明是特别安全的。

本发明也涉及一种用于将能量传输到电动车的装置。在这种传输装置中，在停车位的底部上设置有第一转盘，电动车可以停放在该停车位上。第一转盘能借助于第一驱动装置围绕第一转动轴转动。在第一转盘上设置有移动装置，在该移动装置上又设置有用于给电动车输出能量的输出装置。输出装置能借助于移动装置在第一转盘上移动。由此，输出装置相对第一转盘的第一转动轴的径向距离可改变。

根据本发明的装置可以结合根据本发明的方法使用，但也可以独立于所述方法使用。该装置具有多个优点，其既可以在所述方法中使用，也可以通过其它使用方式实现。该装置可以非常扁平地构造，因此电动车可以没有问题地开过该装置，以便能够停在停车位上。为了调节用于充电过程的装置的能量输出装置的位置，能量输出装置可以通过第一转盘的转动在围绕第一转动轴的圆形轨道上运动。

根据本发明的装置的另一优点是，该装置在运行过程中也能隐藏在完全封闭的保护遮盖装置下面，因此不存在夹住汽车的轮胎或人员的脚的风险或者弄脏装置内部的风险。

但是，即便没有特别的保护遮盖装置，该装置也已经非常安全。第一转盘本身自转，因此通过改变其转动位置，可能在转盘下面的空腔——例如转盘的驱动装置可以设置在该空腔中——仅有一小部分开启。因此，电动车可以在任何时候开走，而不存在电动车的轮胎卡在空腔中的危险。转盘优选具有圆形形状，转动轴位于其圆心点处。然后，转盘在任何转动位置以相同的程度遮盖空腔。

借助于移动装置径向定位输出装置同样不要求必须采用投入特别大的保护措施来遮盖在第一转盘上移动输出装置时露出的竖井或类似物。移动装置例如可以包括可转动的主轴，其移动一滑块，在滑块上固定有能量输出装置。然后，主轴和滑块可以设置在转盘中的竖井中，该竖井足够窄，以便使得汽车的轮胎或人员的脚不会滑入其中。

输出装置优选仅在第一转盘上运动，输出装置也就不会被从该转盘上取下。换句话说，输出装置通过转盘和移动装置仅仅能够在平行于底部的平面中运动。因此，输出装置在任何时候从底部上突出的高度都不会导致该输出装置被在其上滚动的汽车轮胎损坏或形成对于人员的障碍。

移动装置优选完全设置在第一转盘的外圆周内部。然后，第一转盘可以设置在底部中的凹部中，该凹部的壁这样紧密地位于第一转盘的边缘旁，使得在壁和第一转盘之间仅留有比汽车轮胎更窄的间隙。因此，装置是特别安全的。

移动装置本身优选同样包括转盘（也就是第二转盘），输出装置设置在该转盘上并且该转盘能借助于第二驱动装置围绕第二转动轴转动。换句话说，在这种实施形式中，第一转盘支承第二转盘。借助于第二转盘可以以有利的方式避免，在输出装置在第一转盘上移动时开启移动装置下面的空腔——也就是在第二转盘下面的空腔。第二转盘的直径优选大于第一转盘的半径。然后，输出装置可以定位在第一转盘区域中的任何位置上。

在设置在底部上的、用于传输能量（如上所述）的装置中应当防止的是：当汽车的轮胎位于该装置上，而试图移动能量输出装置时，该装置被损坏。在此情况下，根据本发明的装置的一种有利的改进方案在于，用于第一转盘的第一驱动装置和/或用于移动装置的驱动装置通过摩擦锁合结构（Reibschluss）将驱动力从驱动马达传递到待驱动的元件上。为此，例如可以在第一转盘的情况下使用由橡胶制成的滚体，其由第一驱动马达转动并且以其周面相对第一转盘压紧。如果第一转盘的转动运动由于位于其上的汽车而被锁定，一旦克服了附着摩擦力，橡胶滚体的周面在第一转盘上的支承面上滑过。这防止发生断裂情况或驱动马达过热。

当输出装置包括用于产生交变磁场的初级线圈时，获得了向电动车特别可靠的能量输出。由此可以将能量按照变压器原理——也就是通过感应——传输到次级线圈中，该次级线圈可以位于电动车中。

当所述输出能量的元件旋转对称地构造，则获得了在输出装置的形状方面的优点。这使得特别简单地自动进行汽车的能量输出装置和能量接收装置的定位过程，这是由于为使两个装置能相互耦合不必再使两个装置之一围绕其自己的轴转动。

本发明的另一方面还涉及一种汽车，具有用于存储汽车的驱动电机的电能的动力电池。该汽车具有设计用于给动力电池充电的充电装置。该充电装置包括用于转换交变磁场的次级线圈，该交变磁场在汽车外部产生，如例如可以借助于上述的充电装置的初级线圈产生。交变磁场通过次级线圈转换为交流电压，该交流电压然后可用于给动力电池充电。充电装置在根据本发明的汽车中还具有能摆动的传导装置，借助于该传导装置能向次级线圈输送交变磁场。换句话说，传导装置包括高磁导率的材料，该材料能够实现导引交变场。为此，传导装置例如可以包括由软磁性材料制成的棒。

根据本发明的汽车可以有利地与所述的根据本发明的方法结合使用。该汽车同样可以与所述的充电装置结合使用。但也可能的是，将汽车与其它充电装置结合使用或者在其它充电方法的范围中使用。通过用于传导磁场的传导装置，可以使汽车的次级线圈与充电装置的初级线圈磁耦合，并且在此通过传导装置传导高密度的磁流。这导致，在传导装置附近的区域中的磁流密度特别小，这有助于避免在汽车的其它区域中感应出涡流。相比在它们之间仅有气隙替代高磁导率的材料的那些线圈，这总体上使得耦合的线圈的效率提高。此外，通过避免气隙的出现而在线圈之间的间隙中获得了减小的磁流密度。为感应电压所需的线圈穿透面因此可以比在其之间有大气隙的线圈的情况小很多。因此，总体上可以在根据本发明的汽车中提供特别小并且轻的充电装置。

用于传导磁场的传导装置（与由现有技术已知的方案不同）不是可运动地支承在次级线圈中的线圈芯。在根据本发明的汽车中，次级线圈和至少部分包围该次级线圈的软磁性的线圈芯优选固定支承在汽车中。由此可以以有利的方式避免次级线圈传导电压的部件被损坏的危险。

作为替代，传导装置可以例如作为可摆动的臂设置在汽车底部上的次级线圈下面。这种装置具有这样的优点，即，该装置可以设计得特别小和轻，并且因此例如也可以设置在乘用车中，而不必为此例如缩小车厢内部中的自由空间。

传导装置应当包括两个相对彼此磁绝缘的体部，这两个相对彼此磁绝缘的体部分别由高磁导率的材料形成。结合本发明，高磁导率的材料理解为这样的材料：该材料对于导磁能力（磁导率）而言的磁导率值大于100。通过两个体部，交变磁场然后可以在闭合的磁回路中从初级线圈经由传导装置传导到次级线圈，并且再次从该次级线圈回导，也就是几乎仅仅通过高磁导率的材料传导。其中一个体部在此用作到次级线圈的传导元件，另一个体部将磁场从次级线圈导回到初级线圈。两个体部之间的磁绝缘可以借助于具有特别小的导磁能力的材料实现——也就是例如空气或非磁性的塑料。

结合从充电装置到电动车的感应式能量传输可看到出现车辆被加载静电。这可能导致车辆的导电部分上过高的接触电压。因此，传导装置优选包括导电的回导元件（Rückleitelement），该回导元件设计用于，使汽车在动力电池的充电过程中与汽车的周围环境电耦合。这有效地防止了汽车被加载静电。

附图说明

以下根据实施例详细说明本发明。为此示出：

图1是根据本发明的、用于传输能量的装置的一种实施形式的充电装置的示意图，

图2是图1所示的充电装置的截面图，以及

图3是根据本发明的汽车的一种实施形式的乘用车的示意图。

具体实施方式

该例子是本发明的优选实施形式。

在图1和2中示出的例子中应当为乘用车的动力电池充电。为此，乘用车被停放在充电站10上方。充电站10在用于乘用车的停车位12的区域中具有竖井/地沟14。在竖井14中有圆形的转盘16。在该圆形的转盘上偏心地支承有另一圆形的转盘18。称作初级线圈P的电线圈相对于转盘18偏心地布置在该转盘上。通过初级线圈P可以产生交变磁场，借助于该交变磁场可以在次级线圈中感应出电压，该次级线圈位于用于乘用车中的动力电池的充电装置中。通过交变场可以将能量从充电站10传输到乘用车中。为了使初级线圈P移动靠近次级线圈，初级线圈P可以通过转动转盘16在圆形轨道上围绕转盘16的转动轴20运动。通过转动第二转盘18，调节初级线圈P相对于转动轴20的径向间距。

转盘16支承在多个滚子22上。在图1和2中，为了清晰起见，滚子22分别仅配有一个附图标记。为了旋转转盘16，充电站10具有可由（未示出的）控制装置控制的驱动马达24。在驱动马达24的轴上固定有由弹性材料、例如橡胶制成的滚体26。滚体26相对转盘16的边缘压紧，并且由此可以将驱动马达24的驱动力传递到转盘16上。

较小的转盘18支承在多个滚子28上，并且可在该滚子上围绕转动轴30由驱动马达32旋转。在图1和2中，为了清晰起见，滚子28分别仅配有一个附图标记。驱动马达32同样可由控制装置控制。驱动马达32的力通过滚体34传递到转盘18上，该滚体——与滚体24类似地——由弹性材料制成。

初级线圈P具有旋转对称的形状并且包括导电金属线的多个线匝。该初级线圈还可以包括软磁性的线圈芯，该线圈芯朝向侧面和朝向竖井14的底部包围这些线匝。通过（未示出的）电接头，可以向初级线圈P的金属线供入交流电。初级线圈P然后在其周围产生交变磁场。

为了能够将交变磁场以尽可能高的效率传导到充电装置的次级线圈，初级线圈P必须首先被置于相对于次级线圈的特定位置中。这通过控制装置如下所述地自动进行。为此，在图1中示出了在停车位12上的乘用车的轮胎40的支承面38的位置。

充电装置的次级线圈位于乘用车的底部42上。为了相对于次级线圈使初级线圈P定位，控制装置产生信号，通过该信号激活驱动马达24和32。由此以所述的方式转动转盘16和18。在移动初级线圈P的过程中，该初级线圈产生弱的交变磁场。基于优化算法，控制装置改变初级线圈P的位置，直至由乘用车的充电装置发出的信号显示出从初级线圈P到次级线圈的磁能传输的最大效率为止。

在充电站10中，使初级线圈P仅水平地运动。因此，乘用车在任何时候都可以驶过充电站10并尤其是驶过转盘16和18以及初级线圈P，而充电站10的部件在此不会被损坏。而充电站10的部件在任何时候都不会从竖井14伸出，由此使得乘用车的轮胎40或其它部件不会被损坏。此外，竖井14的壁44和转盘16和18之间的间距与转盘16，18的转动位置无关地在任何时候都不会大到导致轮胎40之一会滑入到竖井14中的程度。对于人员而言，在任何时候走过充电站10也都是安全的，而不会脚滑入到竖井14中并扭伤脚。转盘16也可以设置在扁平的基座中，即，位于停车位的底部上。这样便不需要设置竖井——如竖井14。基座可以构造得足够平，以使车辆能够在其上面驶过。

对于轮胎40之一位于转盘16、18之一上并由此锁止转盘16或两个转盘16、18的转动运动的情况，这不会导致，电动马达之一24或32在其通过控制装置激活时过载。滚体26和34相对相应的转盘16，18压紧的压紧力这样确定大小，即，滚体26和34在转盘锁止时在转盘边缘的表面上滑动。对于应当将较大的力传递到转盘上的情况，也可以替代滚体26，34设计为：电动马达分别通过齿轮或螺杆/丝杠与相应的转盘耦合。

通过将转盘16支承在多个滚子22上，使该转盘位于竖井14的底部上的相对较大的面积上。因此，非常重的车辆——例如载货汽车——也可以驶过充电站10，而竖井14的底部不会随着时间下沉。替代滚子22，也可以使用滑动支承件、滚体或类似物。同样的情况也适用于转盘18。

在图1和图2所示的例子中，转盘18的直径相当于转盘16的半径。转盘18也可以具有更大的直径。然后，初级线圈P也可以定位在转动轴20上。

在图3中示出了乘用车46，其停在充电装置48上方。充电装置48例如可以是结合图1和图2描述的充电站10。

在乘用车46的底板50上有线圈52，该线圈嵌入在软磁性的线圈芯54中。线圈52和线圈芯54与底板50固定连接。线圈52是次级线圈，借助于交变磁场可以在该次级线圈中感应出用于给乘用车46的动力电池充电的电压。

在图3所示的例子中，交变磁场由充电装置48的初级线圈56产生。在充电之前，初级线圈56通过（在图3中未示出的）驱动马达水平地，也就是平行于底部58相对于次级线圈52的位置定位，充电装置48固定在该底部上。

线圈芯54和初级线圈56的线圈芯通过摆动臂58相互磁耦合。在摆动臂58中有两个（未详细示出的）软磁棒，该软磁棒由高磁导率的材料制成。两个棒、线圈芯54和初级线圈56的线圈芯形成闭合的磁回路，初级线圈56的交变磁场通过该磁回路传导经过线圈54，而所传导的交变场不会部分地位于具有明显损害效率的宽度的气隙中。

在将初级线圈56相对于线圈52定位时，通过充电装置48的控制装置考虑到摆动臂58的端部62的摆动路径/路程60，由此要求：使两个线圈42、56不必须直接上下相叠，而是相互错位地定位，以使端部62在摆动臂58下降之后接触初级线圈56并且在传导交变磁场时实现最大效率。

初级线圈56和摆动臂58的端部62分别旋转对称地构造。出于该原因，当乘用车46倾斜地停在充电装置48上方时，也获得了端部62和初级线圈56之间良好的磁耦合。摆动臂58和端部62的形状可以是标准化的。然后，形状-类型例如可以在定位初级线圈56时由控制装置考虑到。

在摆动臂58中也有导电装置，乘用车56在充电过程中通过该导电装置与充电装置48的接地电缆耦合。乘用车46的底板50和其它金属部分可以由此在能量传输过程中不被加载静电（statisch aufladen）。

在乘用车46行驶过程中，摆动臂58放置在运输位置64中。摆动臂58的端部62为此在铰链66上借助于驱动装置沿摆动路径60朝向乘用车46的尾部运动，摆动臂58可摆动地支承在该铰链上。在图3中以虚线示出了摆动臂58在运输位置66中的位置。其中，当驾驶员无意地将乘用车46向前行驶，而摆动臂58还不在运输位置64中时，摆动臂58朝尾部运动，不会产生对乘用车的损伤。

也可考虑的是，摆动臂58在乘用车46行驶的过程中下降，并且通过该摆动臂从长形的初级线圈中接收能量。带有这种在行驶过程中能够为动力电池充电的初级线圈的道路也被称作“充电道路/电气化道路”。

通过该例子表明，能量如何能够被以高效率从充电装置传输到车辆。为此，仅需提供相对较小和较轻的车辆侧的次级线圈。充电装置由于在车辆和充电装置之间可自由接近的区域中的较小磁通密度而是安全的。同样避免了车辆的被加载静电。

Claims (13)

1.一种用于将能量传输到电动车的装置（10），包括：

-用于停放所述电动车的停车位（12），

-设置在所述停车位（12）的底部上的第一转盘（16），所述第一转盘能借助于第一驱动装置（24）围绕第一转动轴（20）转动，

-设置在第一转盘（16）上的移动装置（18），用于输出能量的输出装置（P）设置在所述移动装置上并且所述输出装置（P）能借助于移动装置在第一转盘（16）上移动。

2.根据权利要求1所述的装置（10），

其中，所述移动装置（18）完全设置在第一转盘（16）的外圆周内部。

3.根据权利要求1或2所述的装置（10），

其中，移动装置（16）包括第二转盘（18），输出装置（P）设置在所述第二转盘上，并且第二转盘能借助于第二驱动装置（32）围绕第二转动轴（30）转动，其中，第二转盘（18）的直径优选大于第一转盘（16）的半径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置（10），

其中，所述输出装置（P）通过第一转盘（16）和移动装置（18）仅仅能在平行于所述底部的平面中运动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置（10），

其中，用于第一转盘（16）的驱动装置（24）和/或用于移动装置（16）的驱动装置（32）通过摩擦锁合结构将驱动力从驱动马达（24、32）传递到待驱动的元件（16、18）上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（10），

其中，所述输出装置（P）包括用于产生交变磁场的初级线圈（P）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置（10），

其中，所述输出装置（P）的输出能量的元件（P）旋转对称地构造。

8.一种汽车（46），具有用于存储汽车（46）的驱动电机的电能的动力电池以及设计用于给动力电池充电的充电装置，所述充电装置包括用于将在汽车外部产生的交变磁场转换为交变电压的次级线圈（52）以及能摆动的传导装置（58），借助于传导装置能向次级线圈（52）输送交变磁场。

9.根据权利要求8所述的汽车（46），

其中，所述次级线圈（52）和至少部分包围次级线圈的软磁性的线圈芯（54）固定支承在汽车（46）中。

10.根据权利要求8或9所述的汽车（46），

其中，所述传导装置（58）包括两个相对彼此磁绝缘的体部，所述两个相对彼此磁绝缘的体部分别由高磁导率的材料形成。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的汽车（46），

其中，所述传导装置（58）设置在汽车（46）的底部（50）上。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的汽车（46），

其中，所述传导装置（58）包括导电的回导元件，所述回导元件设计用于，使汽车（46）在动力电池充电过程中与汽车（46）的周围环境（48）电耦合，以便防止汽车（46）被加载静电。

13.一种给能电驱动的汽车（46）的动力电池充载能量的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述汽车（46）停放在能量输出装置（56）上方，

-将能量输出装置（P、56）相对于汽车（46）的能量接收装置（52）定位在平行于汽车的底部（50）的平面中，

-将能量接收装置（58）的部件（62）从汽车（46）的底部（50）下降到能量输出装置（P、56），

-将能量接收装置（58）与能量输出装置（P、56）耦合，并且通过耦合的装置（P、56、58）将能量传输到汽车（46）中。

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