CN110014912A - 有电驱动器的车辆电池的初级、次级侧充电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的初级侧充电装置(10)。初级侧充电装置(10)包括至少一个初级线圈(13)；以及初级侧充电模块(14)，其中布置有初级线圈(13)。初级侧充电模块(14)具有至少三个侧表面(15)，并且侧表面(15)中的每个与初级侧充电模块(14)的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。另外，至少一个初级线圈(13)连接到电源单元(16)。此外，公开了用于对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的次级侧充电装置(19)、充电系统(24)和对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的方法。

Description

有电驱动器的车辆电池的初级、次级侧充电装置和方法
技术领域
本说明书涉及用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的初级侧充电装置、用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的次级侧充电装置以及对具有电驱动器的车辆的电池充电的方法。
背景技术
具有电驱动器的车辆，例如电动汽车，可能具有用于供电的电池。例如，为了对电池充电，其可以连接到另一个电池或电网。由于电池具有高容量，因此充电时间通常很长。这降低了用户的舒适度并且需要更高数量的充电站。
发明内容
要实现的一个目的是设计一种用于对具有电驱动器的车辆的电池进行高效充电的初级侧充电装置。要实现的另一个目的是设计一种用于对具有电驱动器的车辆的电池进行高效充电的次级侧充电装置。要实现的另一个目的是设计一种对具有电驱动器的车辆的电池进行充电的有效方法。
通过独立权利要求的主题实现这些目的。在从属权利要求中指示有利的设计和另外的扩展。
根据用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的初级侧充电装置的至少一个实施例，初级侧充电装置包括至少一个初级线圈。至少一个初级线圈可以具有大量绕组。还可能的是，初级线圈具有仅至少一个绕组。初级线圈可以具有圆形或矩形横截面。磁导电材料(例如，铁芯)可以布置在初级线圈中。
根据至少一个实施例，初级侧充电装置包括至少两个初级线圈。还可能的是，初级侧充电装置具有六个初级线圈，或者初级侧充电装置具有八个初级线圈。
具有电驱动器的车辆可以是陆地车辆(例如汽车或公共汽车)、或飞行器(例如飞机)、或船只(例如小船、轮船或潜水艇)。可能的是，电驱动器是车辆的唯一驱动器。还可能的是，车辆包括电驱动器和至少一个其他驱动器。车辆的驱动器可以是发动机。车辆的驱动器允许车辆移动。例如，具有电驱动器的车辆可以是电动汽车。车辆电池可以是牵引用电池。
初级侧充电装置还包括初级侧充电模块，初级线圈布置在该初级侧充电模块中。例如，初级侧充电模块布置成在充电期间将能量传递到充电位置中的次级侧充电模块。例如，初级侧充电装置可以是永久安装的充电站，该永久安装的充电站用于对具有电驱动器的车辆的电池充电。例如，初级侧充电装置可以位于车辆所在的地板中或下方，或者，位于车辆所在区域附近的装置中。
初级侧充电模块具有至少三个侧表面，并且侧表面中的每个与初级侧充电模块的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。初级侧充电模块可以具有三维主体的形状。侧表面中的每个可以与初级侧充电模块的底部区域相邻，并且侧表面中的每个可以与侧表面中的两个相邻。这意味着每个侧表面可以具有与初级侧充电模块的底部区域共享的侧，并且侧表面中的每个可以具有与侧表面中的两个共享的侧。
例如，初级侧充电模块的形状可以是具有至少三个侧表面的棱锥。在这种情况下，棱锥的底部区域形成初级侧充电模块的底部区域。初级侧充电模块的底部区域的形状可以是具有三个或更多个侧的多边形链。对于底部区域的非常大量的侧，底部区域大致呈圆圈的形状。在这种情况下，初级侧充电模块可以具有圆锥的形状。
初级侧充电模块的侧表面可以是其中布置有至少一个初级线圈的壳体的侧表面。
如果初级侧充电模块的侧表面和底部区域之间的角度是90°，则初级侧充电模块的形状可以是具有至少三个侧表面的棱柱。如果初级侧充电模块的侧表面和底部区域之间的角度小于90°，则初级侧充电模块的形状可以是具有锥形侧表面的三维体。
还可能的是，初级侧充电模块的至少三个侧表面形成初级侧充电模块中的凹口的侧表面。在这种情况下，凹口可以具有棱锥、圆锥或棱柱的形状。这里，初级侧充电模块的底部区域形成凹口的底部区域。在这种情况下，凹口的底部区域是封闭凹口的假想表面。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与初级侧充电模块的底部区域形成大于0°且小于90°的角度。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与初级侧充电模块的底部区域形成大于55°且不大于90°的角度。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与初级侧充电模块的底部区域形成大于55°且小于90°的角度。
如果初级侧充电模块具有多于一个的初级线圈，则每个初级线圈可以位于与初级侧充电模块中的任何侧表面相邻或靠近的位置。如果初级侧充电模块仅具有一个初级线圈，则初级线圈可以位于与初级侧充电模块中的任何侧表面相邻或靠近的位置。
初级侧充电模块可以具有至少两个不同的区段。例如，初级线圈布置在每个区段中。每个区段的初级线圈能够单独地控制。例如，初级侧充电模块可以具有六个区段。
此外，至少一个初级线圈连接到电源单元。电源单元可以是电池或电网。用于调整电学变量的功率电子单元可以位于电源单元和初级线圈之间。初级线圈可以直接连接到电网或备用电池。初级线圈与其到电网的连接之间可以布置有包括备用电池的功率因数校正模块，这允许以更高的效率进行充电。
可以通过将至少一个初级线圈感应地耦合到次级充电装置的至少一个次级线圈来对车辆电池充电。次级侧充电装置可位于车辆中。因此，不经由初级侧充电模块和次级侧充电装置之间的直接电接触而是经由无线电力传输来对电池充电。为此目的，每个初级线圈可以连接到转换器，例如逆变器或直流-交流转换器，其将电源单元的直流电压转换成交流电压。在充电期间，由初级线圈生成的电磁场在次级线圈中感应出交流电压。该电压能够由次级侧充电装置中的转换器(例如整流器或交流-直流转换器)转换为直流电压。该直流电压能够用于对车辆电池充电。
初级侧充电模块还可以布置成从充电位置中的次级侧充电模块获取能量。
所描述的初级侧充电装置允许高效传输例如20kW到800kW的电力。因此，能够缩短充电时间。传输的电力优选为至少150kW并且至多600kW。有利地，如果初级侧充电装置具有至少两个初级线圈并且次级侧充电装置具有至少两个次级线圈，则能够传输更高的电力。利用更大数量的初级和次级线圈，能够进一步减少充电时间。
由于不需要充电电缆来传输电力，因此初级侧充电装置对于由于电缆中断而导致的故障更加鲁棒。另外，由于电缆不需要连接到车辆，因此增加了对电池充电的舒适度。例如，充电过程能够以半自动或自动方式执行，这进一步增加了对用户的便利性。由于感应耦合而没有暴露电接触，因此增加了安全性。另外，初级侧充电装置独立于湿度影响。
此外，初级侧充电模块的至少三个侧表面的布置允许多个初级线圈布置在初级侧充电模块中，并且同时初级侧充电模块能够设计成尽可能的紧凑。通过在每侧表面布置一个初级线圈，可以将多个初级线圈布置在初级侧充电模块中。如果侧表面相对于初级侧充电模块的底部区域具有小于90°的角度，则能够在初级侧充电模块中紧凑地布置多个初级线圈。
根据至少一个实施例，初级侧充电模块具有与次级侧充电模块互补的形状。次级侧充电模块可以是次级侧充电装置的一部分。例如，初级侧充电模块可以是具有至少三个侧表面的三维体。在这种情况下，次级侧充电模块可以具有凹口的形状，以便初级侧充电模块能够布置在凹口中。初级侧模块布置成使得在对电池充电时，初级侧充电模块和次级侧充电模块之间留有气隙。还可能的是，初级侧充电模块具有凹口的形状，以使得次级侧充电模块能够布置在凹口中。在这种情况下，次级侧充电模块可以具有三维体的形状。
例如，气隙可以具有至少0.1mm且至多15mm的宽度。气隙还可能具有5mm的最大宽度。气隙能够如所期望的一样薄。气隙的宽度是初级侧充电模块的侧表面和次级侧充电模块的侧表面之间的最短连接。因此，气隙的宽度指示初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的距离。可以将气隙的宽度的指定值应用于初级侧充电模块和次级侧充电模块的所有侧表面。由于气隙的指定宽度，从初级侧充电模块到次级侧充电模块的能量传递的效率提高。
初级侧充电模块具有与次级侧充电模块互补的形状，这可能意味着，除了布置在初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的气隙之外，初级侧充电模块和次级侧充电模块以刚性的配合彼此接合。在各种情况下，两个充电模块中的一个具有三维体的形状，并且两个充电模块中的另一个具有其中能够布置三维体的凹口的形状。还可能的是，初级侧充电模块和次级侧充电模块在某些地方直接接触，以使得气隙仅存在于某些地方，而不是初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的任何地方。
在对车辆电池充电时，电力能够从初级线圈传输到次级线圈。初级线圈和次级线圈之间的假想连接轴线优选地与初级侧充电模块的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。还可能的是，初级线圈和次级线圈之间的连接轴与初级侧充电模块的底部区域形成大于55°且不大于90°的角度。在两种情况下，能量传递期间的电磁散射减少。
根据至少一个实施例，初级侧充电模块的至少三个侧表面形成截棱锥或截头圆锥的侧表面。这意味着初级侧充电模块可以具有截棱锥的形状或截头圆锥的形状。初级侧充电模块具有平行于初级侧充电模块的底部区域延伸的表面。因此，侧表面中的每个与初级侧充电模块的表面形成至少90°且小于180°的角度。由于初级侧充电模块可以具有截棱锥或截头圆锥的形状，因此能够将其制作得特别紧凑。这意味着车辆的次级侧充电模块也能够制造得特别紧凑。
根据至少一个实施例，每个初级线圈能够由电源单元单独地控制。为此目的，每个初级线圈能够连接到其自己的转换器。转换器可以是逆变器、直流-交流转换器、整流器或交流-直流转换器。另外，初级侧充电装置可以具有第一充电控制装置。第一充电控制装置可以包括功率因数校正电路或整流器电路，以使初级侧充电模块的有功功率最大化。此外，第一充电控制装置具有用于每个初级线圈的一个转换器。例如，转换器可以是逆变器。转换器的工作频率可以是至少30kHz并且至多150kHz。还可能的是，转换器的工作频率是至少80kHz且不大于90kHz。这意味着初级线圈能够设计为尽可能小。
单个转换器的工作频率可以变化±5kHz。还可能的是，单个转换器的工作频率变化±1kHz。因此，每个初级线圈能够以不同的频率工作。以这种方式，例如，能够最小化使效率降低的谐波振荡。还可能的是，初级线圈中的一个或更多个不工作，或者在初级线圈处的交流电流的振幅不同。这允许部分载荷工作，其中，充电功率降低。例如，当车辆电池已经几乎充满电时，或者为了使充电过程适于其他要求或用户的要求时，例如充电过程的成本，初级侧充电装置能够在部分载荷工作中工作。
根据至少一个实施例，初级侧充电装置包括至少两个初级侧充电模块，以便能够对至少两个车辆的电池充电。至少两个初级侧充电模块能够连接到同一电源单元。
根据至少一个实施例，冷却模块布置在初级侧充电模块中。冷却模块可以布置成与初级侧充电模块的表面相邻。冷却模块能够设计成使得液态或气态冷却剂能够流过它。为此目的，冷却模块可以具有插头接触，冷却剂的供应线能够连接到该插头触点。例如，冷却剂可以是冷却流体或冷却气体。还可能的是，冷却模块包括几个冷却子模块。冷却剂能够流过冷却子模块中的每个。液态或气态传热介质也可能流过冷却模块。
在对车辆电池充电时，冷却模块可以与次级侧充电模块的接触区域直接接触。这意味着冷却模块和接触区域在充电期间能够热接触。接触区域可以设计成与车辆电池热接触并对其冷却或加热。与冷却模块的热接触允许车辆电池被加热或冷却到对电池充电的最佳温度。例如，在非常温暖的天气条件下，可以冷却电池，并且在非常寒冷的天气条件下，可以加热电池。这允许使电池高效充电。还可能的是，接触区域与次级侧充电装置的其他部件(例如电缆或电力电子器件)热接触，以冷却或加热它们。
根据至少一个实施例，初级侧充电装置具有调节部件，该调节部件包括初级侧充电模块，其中，调节部件能够在至少一个调节方向上移动。调节部件可以连接到电机或致动器，以便能够使调节部件移动。调节部件可以具有可延伸的轴，初级侧充电模块布置在该可延伸的轴上。例如，调节部件能够在调节方向上移动，以便初级侧充电模块的位置使得能够对车辆电池高效充电。例如，调节方向可以垂直于底板，车辆在充电期间位于该底板上。还可能的是，调节方向与底板平行或成角度。此外，调节部件能够在另外两个方向上移动，两个方向都垂直于调节方向。还可能的是，调节部件可以围绕轴旋转，例如围绕调节方向旋转，或者调节部可以件倾斜。这使得可以精确定位初级侧充电模块以对车辆电池充电。
初级侧充电模块的至少三个侧表面可以布置成使得侧表面中的每个相对于调节部件的调节方向形成至少0°且小于90°的角度。
如果初级侧充电模块具有几个区段，则可能使区段中的每个相对于调节部件单独移动。因此，可以定位个别区段以对车辆电池充电，而其他区段可以保持更远离次级侧充电模块。因此，能够改变待传输的电力。
调节部件的电机或致动器能自动工作，以便能够自动定位初级侧充电模块。为此目的，能够通过第一充电控制装置控制电机或致动器。为此目的，第一充电控制装置可以是电子、程控或流控控制装置，其可以具有微控制器或“现场可编程门阵列”(FPGA)。例如，基于根据调节算法确定的传感器信号，第一充电控制装置能够控制电机或致动器。为此目的，各种传感器可以位于初级侧充电装置中或次级侧充电装置中或两个充电装置中。传感器可以是例如光栅、接触开关、载荷传感器或感应传感器。例如，传感器信号能够指示初级线圈和次级线圈的位置。能够经由初级线圈和次级线圈之间的感应耦合器来传输传感器信号。还可能以不同的方式传输传感器信号。进一步可能的是，调节部件的电机或致动器由次级侧充电装置的第二充电控制装置控制。
传感器还能够用于在充电期间检测次级侧充电装置的移动。在这种情况下，能够从次级侧充电模块移除初级侧充电模块，以使得不会由于次级侧充电装置的移动而损坏充电模块。这提高了在对电池充电时的安全性。
根据至少一个实施例，初级侧充电模块被自动定位以对车辆电池充电。能够将交流电压施加到至少一个初级线圈。在次级侧充电装置中，能够测量由于初级线圈与次级线圈的感应耦合而生成的直流电流。然后，对电池充电的期望位置取决于测量的直流电流。另一种可能性是确定初级侧充电装置的载荷电流。一旦次级线圈靠近初级线圈，载荷电流就会增加。在这种情况下，对电池充电的期望位置取决于测量的载荷电流。能够移动调节装置直到达到所期望的位置。能够以自动或半自动方式来执行该过程。还可能的是，该过程由用户控制。
由于初级侧充电模块和次级侧充电模块的几何形状，两个充电模块可以经历机械地引起的自定心过程。
在充电过程之前，还可能的是，检查次级侧充电装置的最大可允许充电性能的水平。可以据此调整由初级侧充电装置传输的电力和用于传输电力的初级侧充电装置的区段的数量。
根据至少一个实施例，初级侧充电装置包括车辆的泊车辅助。为此目的，例如，调节装置可以布置在底板中，以便能够借助于调节装置使车辆移动到充电位置。
根据至少一个实施例，能够在初级侧充电装置和次级侧充电装置之间传递数据。在充电过程期间，例如，能够将数据传输到次级线圈，作为初级线圈中的交流电流中的高频分量。还可能的是，在充电过程期间，将数据传输到初级线圈，作为次级线圈中的交流电流中的高频分量。此外，能够例如经由无线电信号或蓝牙无线地传输数据，或经由电缆传输。所传输的数据可以包括例如关于电池的充电状态或温度的信息、识别次级充电装置的信息或确定对电池充电的成本或其他成本的信息。也可以传递媒体数据，例如音乐或视频。
根据至少一个实施例，至少一个初级线圈的绕组数量与至少一个次级线圈不同。因此，初级线圈和次级线圈能够是变压器耦合的。在初级侧充电装置的固定电压下，可以将能量传递到次级侧充电装置，在初级侧线圈和次级线圈的绕组数量不同时，该次级侧充电装置以不同于初级线圈充电装置的电压工作。因此，初级侧充电装置能够用于不同的车辆，而不管它们的电压水平如何。
本公开还涉及一种用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的次级侧充电装置。次级侧充电装置能够与这里描述的初级侧充电装置一起使用，以对具有电驱动器的车辆的电池充电。
根据用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的次级侧充电装置的至少一个实施例，次级侧充电装置包括至少一个次级线圈。至少一个次级线圈可以具有大量绕组。还可能的是，次级线圈具有至少一个绕组。次级线圈可以具有圆形或矩形横截面。磁导电材料可以布置在次级线圈中，例如铁芯。
根据至少一个实施例，次级侧充电装置包括至少两个次级线圈。还可能的是，次级侧充电装置具有六个次级线圈，或者次级侧充电装置具有八个次级线圈。
具有电驱动器的车辆可以是陆地车辆(例如汽车或公共汽车)或飞行器(例如飞机)或船只(例如小船、轮船或潜水艇)。可能的是，电驱动器是车辆的唯一驱动器。还可能的是，车辆包括电驱动器和至少一个其他驱动器。车辆的驱动器可以是发动机。车辆的驱动器允许车辆移动。例如，具有电驱动器的车辆可以是电动汽车。
次级侧充电装置还包括次级侧充电模块，次级线圈布置在该次级侧充电模块中。例如，次级侧充电模块布置成在充电期间从充电位置中的初级侧充电模块获得能量。例如，次级侧充电装置可位于车辆中。
次级侧充电模块具有至少三个侧表面，并且侧表面中的每个与次级侧充电模块的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。次级侧充电模块可以具有三维体的形状。侧表面中的每个可以与次级侧充电模块的底部区域相邻，并且侧表面中的每个可以与侧表面中的两个相邻。这意味着侧表面中的每个可以具有与次级侧充电模块的底部区域共享的侧，并且侧表面中的每个可以具有与侧表面中的两个共享的侧。
举例而言，次级侧充电模块的形状可以是具有至少三个侧表面的棱锥。在这种情况下，棱锥的底部区域形成次级侧充电模块的底部区域。次级侧充电模块的底部区域的形状可以是具有具有三个或更多个侧的多边形链。对于底部区域的非常大量的侧，底部区域呈圆圈的形状。在这种情况下，次级侧充电模块可以具有圆锥的形状。
次级侧充电模块的侧表面可以是其中布置有至少一个次级线圈的壳体的侧表面。
如果次级侧充电模块的侧表面和底部区域之间的角度是90°，则次级侧充电模块的形状可以是具有至少三个侧面的棱柱形状。如果次级侧充电模块的侧表面和底部区域之间的角度小于90°，则次级侧充电模块的形状可以是具有锥形侧表面的三维体的形状。
例如，次级侧充电模块可以位于车辆的外表面上。还可能的是，次级侧充电模块位于车辆的下侧上。
还可能的是，次级侧充电模块的至少三个侧表面形成次级侧充电模块中的凹口的侧表面。在这种情况下，凹口可以具有棱锥、圆锥或棱柱的形状。在这种情况下，次级侧充电模块的底部区域形成凹口的底部区域。这里，凹口的底部区域是封闭凹口的假想表面。凹口可以位于车辆的外表面上或下侧上。在这种情况下，次级侧充电装置位于车辆中并且还具有凹口。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与次级侧充电模块的底部区域形成大于0°且小于90°的角度。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与次级侧充电模块的底部区域形成大于55°且不大于90°的角度。
根据至少一个实施例，侧表面中的每个与次级侧充电模块的底部区域形成大于55°且小于90°的角度。
如果次级侧充电模块具有多于一个的次级线圈，则每个次级线圈可以位于与次级侧充电模块中的任何侧表面相邻或靠近的位置。如果次级侧充电模块仅具有一个次级线圈，则次级线圈可以与次级侧充电模块中的任何侧表面相邻或靠近地布置。
次级侧充电模块可以具有至少两个不同的区段。例如，次级线圈布置在每个区段中。每个区段的次级线圈能够单独地控制。例如，次级侧充电模块可以具有六个区段。
此外，至少一个次级线圈电耦合到车辆电池。次级线圈可以例如连接到电池的转换器，转换器连接到电池。转换器可以是逆变器、直流-交流转换器、整流器或交流-直流转换器。次级线圈与电池的耦合使得能够将电力从次级线圈传输到电池。
可以通过将至少一个次级线圈感应地耦合到初级侧充电装置的至少一个初级线圈来对车辆电池充电。初级侧充电装置可位于车辆外部。因此，不经由初级侧充电装置和次级侧充电装置之间的直接电接触而是经由无线电力传输来对电池充电。为此目的，每个初级线圈能够连接到转换器，例如逆变器或直流-交流转换器，其将电源单元的直流电压转换成交流电压。在充电期间，由初级线圈生成的电磁场在次级线圈中感应出交流电压。该电压能够由次级侧充电装置中的转换器(例如整流器或交流-直流转换器)转换为直流电压。该直流电压能够用于对车辆电池充电。
次级侧充电模块还可以布置成将能量传递到充电位置中的初级侧充电模块。
所描述的次级侧充电装置允许高效传输例如20kW到800kW的电力。因此，能够缩短充电时间。优选地，传输的功率为至少150kW并且至多600kW。有利地，如果初级侧充电装置具有至少两个初级线圈并且次级侧充电装置具有至少两个次级线圈，则能够传输更高的电力。利用更大数量的初级和次级线圈，能够进一步减少充电时间。
由于不需要充电电缆来传输电力，因此次级侧充电装置对于故障更加鲁棒。另外，由于电缆不需要连接到车辆，因此增加了对电池充电的舒适度。例如，充电过程能够以半自动或自动方式执行，这进一步增加了对用户的便利性。由于感应耦合而没有暴露电触点，因此增加了安全性。另外，次级侧充电装置独立于湿度影响。
此外，次级侧充电模块的至少三个侧表面的布置允许多个次级线圈布置在次级侧充电模块中，并且同时次级侧充电模块能够设计成尽可能的紧凑。通过在每侧表面布置一个次级线圈，可以将多个次级线圈布置在次级侧充电模块中。如果侧表面相对于次级侧充电模块的底部区域具有小于90°的角度，则能够在次级侧充电模块中紧凑地布置多个次级线圈。
根据至少一个实施例，次级侧充电模块具有与初级侧充电模块互补的形状。初级侧充电模块可以是初级侧充电装置的一部分。例如，次级侧充电模块可以是具有至少三个侧表面的三维体。在这种情况下，初级侧充电模块可以具有凹口的形式，以便次级侧充电模块能够布置在凹口中。次级侧模块这里布置成使得在对电池充电时，初级侧充电模块和次级侧充电模块之间留有气隙。还可能的是，次级侧充电模块具有凹口的形式，以使得初级侧充电模块能够布置在所述凹口中。在这种情况下，初级侧充电模块可以具有三维体的形状。
例如，气隙可以具有至少0.1mm且至多15mm的宽度。气隙还可能具有5mm的最大宽度。气隙能够如所期望的一样薄。气隙的宽度是初级侧充电模块的侧表面和次级侧充电模块的侧表面之间的最短连接。因此，气隙的宽度指示初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的距离。可以将气隙的宽度的指定值应用于初级侧充电模块和次级侧充电模块的所有侧表面。由于气隙的指定宽度，从初级侧充电模块到次级侧充电模块的能量传递的效率提高。
次级侧充电模块具有与初级侧充电模块互补的形状，这可能意味着，除了位于初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的气隙之外，次级侧充电模块和初级侧充电模块以刚性的配合彼此接合。在各种情况下，两个充电模块中的一个具有三维体的形状，并且两个充电模块中的另一个具有其中能够布置三维体的凹口的形状。还可能的是，初级侧充电模块和次级侧充电模块在某些地方直接接触，以使得气隙存在于初级侧充电模块和次级侧充电模块之间某些地方。
在对车辆电池充电时，电力能够从初级线圈传输到次级线圈。初级线圈和次级线圈之间的假想连接轴线优选地与初级侧充电模块的底部区域形成大于0°且至多90°的角度。还可能的是，初级线圈和次级线圈之间的连接轴与初级侧充电模块的底部区域形成大于55°且不大于90°的角度。在两种情况下，电磁散射在能量传输期间减少。
根据至少一个实施例，次级侧充电模块的至少三个侧表面形成截棱锥或截头圆锥的侧表面。这意味着次级侧充电模块可以具有截棱锥的形状或截头圆锥的形状。次级侧充电模块具有平行于次级侧充电模块的底部区域延伸的表面。因此，侧表面中的每个与次级侧充电模块的表面形成至少90°且小于180°的角度。由于次级侧充电模块可以具有截棱锥或截头圆锥的形状，因此能够被设计成特别紧凑。这意味着初级侧充电模块也能够制造得特别紧凑。
根据至少一个实施例，每个次级线圈耦合到转换器。在充电期间，由初级线圈生成的电磁场在次级线圈中感应出交流电压。该电压能够由次级侧充电装置中的转换器(例如整流器或交流-直流转换器)转换成直流电压。该直流电压能够用于对车辆电池充电。
根据至少一个实施例，次级侧充电模块具有热耦接到电池的接触区域。接触区域可以位于与次级侧充电模块的表面相邻的位置。接触区域可以设计成与车辆电池热接触并对其冷却或加热。还可能的是，接触区域与次级侧充电装置的其他部件(例如电缆或电力电子器件)热接触，以冷却或加热它们。
在对车辆电池充电时，接触面积可以与初级侧充电模块的冷却模块直接接触。这意味着冷却模块和接触区域在充电期间能够热接触。与冷却模块的热接触允许车辆电池被加热或冷却到用于对电池充电的最佳温度。在非常温暖的天气条件下，例如，能够冷却电池，并且在非常寒冷的天气条件下，能够加热电池。这允许对电池高效地充电。
根据至少一个实施例，次级侧充电装置具有调节部件，该调节部件包括次级侧充电模块，其中，调节部件能够在至少一个调节方向上移动。调节部件能够连接到电机或致动器，以便能够使调节部件移动。调节部件能够具有可延伸的轴，次级侧充电模块布置在该可延伸的轴上。例如，调节部件能够在调节方向上移动，以便次级侧充电模块定位成使得能够对车辆电池高效充电。例如，调节方向能够垂直于底板，车辆在充电期间车辆位于该底板上。还可能的是，调节方向与底板平行或成角度。此外，调节部件能够在另外两个方向上移动，两个方向垂直于调节方向。还可能的是，调节部件可以围绕轴旋转，例如围绕调节方向旋转，或者调节部件可以倾斜。这使得能够精确定位次级侧充电模块以对车辆电池充电。
次级侧充电模块的至少三个侧表面可以布置成使得侧表面中的每个相对于调节部件的调节方向形成至少0°且小于90°的角度。
如果次级侧充电模块具有几个区段，则可能使区段中的每个相对于调节部件单独移动。因此，能够定位单个区段以对车辆电池充电，并且其他区段可以保持更远离初级侧充电模块。因此，能够改变待传输的功率。
调节部件的电机或致动器能自动工作，以便能够自动定位次级侧充电模块。为此目的，能够通过第二充电控制装置控制电机或致动器。为此，第二充电控制装置可以是电子、程控或流控控制装置，其可以具有微控制器或“现场可编程门阵列”(FPGA)。例如，基于根据调节算法确定的传感器信号，第二充电控制装置能够控制电机或致动器。为此目的，各种传感器可以位于初级侧充电装置中或次级侧充电装置中或两个充电装置中。传感器可以是例如光栅、接触开关、载荷传感器或感应传感器。举例而言，传感器信号能够指示初级线圈和次级线圈的位置。能够经由初级线圈和次级线圈之间的感应耦合器传输传感器信号。还可能的是，以不同的方式传输传感器信号。还可能的是，调节部件的电机或致动器由初级侧充电装置的第一充电控制装置控制。
传感器还能够用于在充电期间检测次级侧充电装置和初级侧充电装置之间的相对移动。在这种情况下，能够从初级侧充电模块移除次级侧充电模块，以使得不会由于次级侧充电装置的移动而损坏充电模块。这提高了在对电池充电时的安全性。
由于初级侧充电模块和次级侧充电模块的几何形状，两个充电模块可以经历机械地引起的自定心过程。
还可能通过例如由车辆驱动器来使车辆移动来定位次级侧充电模块以进行充电。在这种情况下，次级侧充电装置不必具有调节部件。
根据至少一个实施例，能够在初级侧充电装置和次级侧充电装置之间传递数据。在充电过程期间，例如，能够将数据传输到次级线圈，作为初级线圈中的交流电流中的高频分量。还可能的是，在充电过程期间，将数据传输到初级线圈，作为次级线圈中的交流电流中的高频分量。此外，能够例如经由无线电信号或蓝牙无线地传输数据，或经由电缆传输。所传输的数据可以包括例如关于电池的充电状态或温度的信息、识别次级充电装置的信息或确定对电池充电的成本或其他成本的信息。也能够传递媒体数据，例如音乐或视频。
根据至少一个实施例，次级侧充电装置具有用于车辆的泊车辅助。例如，次级侧充电装置能够控制车辆驱动器并自动将车辆定位在用于对电池充电的位置。
根据至少一个实施例，至少一个次级线圈的绕组数量与至少一个初级线圈不同。因此，初级线圈和次级线圈能够是变压器耦合的。在初级侧充电装置的固定电压下，可以将能量传递到次级侧充电装置，在初级侧线圈和次级线圈的绕组数量不同时，该次级侧充电装置以不同于初级线圈充电装置的电压工作。因此，初级侧充电装置能够用于不同的车辆，而不管它们的电压水平如何。
本公开还涉及一种用于对具有电驱动器的车辆的电池充电的充电系统。充电系统包括这里描述的初级侧充电装置和这里描述的次级侧充电装置。因此，针对充电系统还公开了所描述的初级侧充电装置和所描述的次级侧充电装置的所有特征，反之亦然。
根据充电系统的至少一个实施例，在对电池充电期间，初级侧充电模块和次级侧充电模块之间留有气隙。气隙是如上所述的气隙。
根据充电系统的至少一个实施例，至少一个初级线圈的绕组数量与至少一个次级线圈的不同。这意味着，例如，初级线圈和次级线圈之间的绕组比不等于1。
根据充电系统的至少一个实施例，在对电池充电时冷却模块和接触区域热接触。
此外，公开了一种对具有电驱动器的车辆的电池充电的方法。
根据对具有电驱动器的车辆的电池充电的方法的至少一个实施例，方法包括定位具有至少一个初级线圈的初级侧充电模块和具有至少一个次级线圈的次级侧充电模块的步骤。初级侧充电模块可以是这里描述的初级侧充电模块，并且次级侧充电模块可以是这里描述的次级侧充电模块。因此，还针对具有电驱动的车辆的电池充电的方法，公开了所描述的初级侧充电模块和所描述的次级侧充电模块的所有特征，反之亦然。
初级侧充电模块和初级线圈能够是这里描述的初级侧充电装置的部件。次级侧充电模块和次级线圈能够是这里描述的次级侧充电装置的部件。
在随后的方法步骤中，将交流电压施加到至少一个初级线圈。为此目的，初级线圈能够连接到转换器。转换器能够将由备用电池或电网提供的直流电压转换为交流电压。
在另一方法步骤中，在至少一个次级线圈中感应出的交流电压被转换成直流电压以对电池充电。为此目的，次级线圈能够连接到转换器。
可以通过将至少一个初级线圈感应地耦合到次级充电装置的至少一个次级线圈来对车辆电池充电。次级侧充电模块能够位于车辆中。因此，不经由初级侧充电模块和次级侧充电模块之间的直接电接触而是经由无线电力传输来对电池充电。为此目的，每个初级线圈能够连接到转换器，例如逆变器或直流-交流转换器，其将电源单元的直流电压转换成交流电压。在充电期间，由初级线圈生成的电磁场在次级线圈中感应出交流电压。该电压能够由次级侧充电装置中的转换器(例如整流器或交流-直流转换器)转换为直流电压。该直流电压能够用于对车辆电池充电。
在该过程中，至少一个初级线圈连接到电源单元，并且至少一个次级线圈电耦接到车辆电池。此外，初级侧充电模块具有至少三个侧表面，并且侧表面中的每个与初级侧充电模块的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度，并且次级侧充电模块具有至少三个侧表面，并且侧表面中的每个与次级侧充电模块的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。此外，初级侧充电模块的侧表面适于次级侧充电模块的侧表面，以便在对电池充电期间，在初级侧充电模块和次级侧充电模块之间留有气隙。
根据方法的至少一个实施例，冷却模块布置在初级侧充电模块中，并且接触区域布置在次级侧充电模块中，接触区域热耦合到电池或次级侧充电装置的其他部件，并且在对电池充电期间，冷却模块和接触区域热接触。
附图说明
下面借助于示例性实施例和相关联的附图更详细地解释本文描述的初级侧充电装置、次级侧充电装置以及用于对具有电驱动的车辆的电池充电的充电系统和方法。
图1、2、3、4和5示出了包括初级侧充电装置和次级侧充电装置的充电系统的示例性实施例。图1还更详细地解释了这里描述的方法。
图6和7示出了初级侧充电模块的示例性实施例的示意性截面图。
图8示出了初级侧充电模块的示例性实施例的一部分以及次级侧充电模块的示例性实施例的一部分。
图9示出了初级侧充电模块的另一示例性实施例的一部分以及次级侧充电模块的另一示例性实施例的一部分。
具体实施方式
图1示出了充电系统24的示例性实施例，其包括初级侧充电装置10和次级侧充电装置19。次级侧充电装置19和电池11布置在车辆12中。车辆12布置在底板35上。初级侧充电装置10位于底板35之下。初级侧充电装置10包括初级侧充电模块14。至少一个初级线圈13布置在初级侧充电模块14中。初级侧充电模块14的形状是具有表面38和至少三个侧表面15的截棱锥。侧表面15中的每个与初级侧充电模块14的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。在该实施例中，初级侧充电模块14的底部区域平行于底板35的主延伸方向。
初级侧充电装置10还具有调节部件18。调节部件18包括初级侧充电模块14并且能够在调节方向z上移动。调节方向z垂直于底板35的主延伸方向。因此，通过移动调节部件18，初级侧充电模块14能够朝向车辆12移动。
初级侧充电装置10还具有转换器22，至少一个初级线圈13连接到该转换器22。另外，初级侧充电装置10具有备用电池26和第一充电控制装置28，备用电池26具有并联连接的自动控制器27。第一充电控制装置28连接到电源单元16。第一充电控制装置28还连接到备用电池26。备用电池26连接到转换器22。例如，电源单元16可以是电网或另一电池。第一充电控制装置28可以包括功率因数校正电路或整流器电路，以使初级侧充电模块14的有功功率最大化。例如，转换器22可以是直流-交流转换器。如果初级侧充电模块14具有多于一个的初级线圈13，则每个初级线圈13连接到其自己的变压器22。
此外，初级侧充电装置10包括两个调节装置30，其能够用于将车辆12移动到用于对电池11充电的位置。
次级侧充电装置19包括次级侧充电模块36。至少一个次级线圈20布置在次级侧充电模块36中。次级侧充电模块36的形状是具有至少三个侧表面21的凹口。三个侧表面21形成截头圆锥的侧表面。侧表面21中的每个与次级侧充电模块36的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度。在该示例性实施例中，次级侧充电模块36的底部区域平行于底板35的主延伸方向，并且次级侧充电模块36具有与初级侧充电模块14互补的形状。
次级线圈20中的每个连接到次级侧充电装置19的其自己的转换器22。转换器22连接到车辆12的电池11。电池11连接到车辆12的驱动器37并且位于车辆12的底板的区域中。
为了对车辆12的电池11充电，初级侧充电模块14接近次级侧充电模块36，直到达到充电位置。为此目的，初级侧充电模块14的表面38可以与车辆12直接接触。在充电期间，初级侧充电模块14的侧表面15和次级侧充电模块36的侧表面21之间留有气隙25。一旦达到充电位置，就将交流电压施加到至少一个初级线圈13。为此目的，由备用电池26提供的直流电压由转换器22转换成交流电压。由施加到初级线圈13的交流电压生成电磁场，该电磁场在次级线圈20中感应出交流电压。该电压由次级侧充电装置19的转换器22转换成直流电压，利用该直流电压对车辆12的电池11充电。
在图1中，车辆12是陆地车辆或汽车。
图2示出了充电系统24的另一示例性实施例。初级侧充电装置10固定地布置在底板35的下方。次级侧充电装置19位于飞行器或飞机中。对初级侧充电装置10和次级侧充电装置19的设置如图1中所示。
图3示出了充电系统24的另一示例性实施例。初级侧充电装置10固定地布置在底板35的下方。次级侧充电装置19布置在船舶或小船中。对初级侧充电装置10和次级侧充电装置19的设置如图1中所示。另外，初级侧充电装置10的调节装置30连接到连接臂31。连接臂31还连接到车辆12。这允许车辆12(即使在水中时)在充电期间通过连接到连接臂31而保持在固定位置。
图4示出了充电系统24的另一示例性实施例。初级侧充电装置10固定地布置在底板35的下方以及底板35的上方。如图1中所示，次级侧充电装置19布置在陆地车辆12中。与图1中的结构相反，初级侧充电模块14具有凹口的形状。初级侧充电模块14的侧表面15与底板35形成大于0°且小于90°的角度。次级侧充电模块36具有三维体的形状，在这种情况下为截棱锥的形状。次级侧充电装置19具有调节部件18，调节部件18包括次级侧充电模块36。调节部件18能够在调节方向z上移动，调节方向z平行于底板35的主延伸方向延伸。因此，用于对电池11充电的次级侧充电模块36能够借助于调节部件18接近初级侧充电模块14。次级侧充电模块36的侧表面21与调节方向z形成大于0°且小于90°的角度。
图5示出了充电系统24的另外的示例性实施例。对初级侧充电装置10的设置与图4中所示的相同。对次级侧充电装置19的设置与对图4所示的设置的不同之处在于次级侧充电装置19没有调节部件18。整个车辆12在调节方向z上移动以使次级侧充电模块36接近初级侧充电模块14。车辆12的驱动器37或调节装置30能够用于此目的。
图6示出了初级侧充电模块14的示例性实施例的示意性截面图。初级侧充电模块14具有六个初级线圈13。初级侧充电模块14的底部区域是具有六个相等的边的六边形。因此，初级侧充电模块14具有六个侧表面15。初级线圈13中的每个布置成与侧表面15之一相邻。还可以在初级侧充电模块14中在每侧表面15布置几个初级线圈13，而不是一个初级线圈13。另外，初级线圈13中的每个连接到转换器22。此外，初级侧充电模块14具有六个冷却子模块33。冷却子模块33中的每个布置在初级线圈13背离相应的侧表面15的一侧上。因此，冷却子模块33在初级侧充电模块14的底部区域的中间彼此邻接。初级侧充电模块14分为六个区段32。区段32中的每个包括初级线圈13、转换器22和冷却子模块33。区段32中的每个能够可以单独地移动和控制。还可以将不同振幅或频率的交流电压施加到初级线圈13。
图7示出了初级侧充电模块14的另一示例性实施例的示意性截面图。初级侧充电模块14的设计类似于图6，不同之处在于初级侧充电模块14未分成区段32。如图6中所示地布置初级线圈13和转换器22。代替六个冷却子模块33，初级侧充电模块14包括在初级侧充电模块14中间的冷却模块17。
图8示出了初级侧充电模块14的示例性实施例的一部分以及次级侧充电模块36的示例性实施例的一部分的示意性截面图。初级线圈13布置在初级侧充电模块14中并且连接到转换器22。转换器22能够连接到备用电池26。铁芯34布置在初级线圈13中，其以马蹄铁的形式延伸。初级侧充电模块14的冷却模块17与次级侧充电模块36的接触区域23热接触。接触区域23与车辆12的电池11热接触，以冷却或加热所述电池。次级线圈20布置在次级侧充电模块36中并且连接到变压器22。转换器22能够连接到车辆12的电池11。铁芯34还布置在次级线圈20中。
在图8中，初级侧充电模块14在充电位置中。在该位置中，通过初级线圈13和次级线圈20的假想连接轴与初级侧充电模块14的底部区域形成大于0°且小于90°的角度。初级侧充电模块14的表面38与次级侧充电模块36直接接触。初级侧充电模块14的侧表面15和次级侧充电模块36的侧表面21之间留有气隙25。
图9示出了初级侧充电模块14的另一示例性实施例的一部分以及次级侧充电模块36的另一示例性实施例的一部分的示意性截面图。初级侧充电模块14以环形形状布置在次级侧充电模块36的两个部分之间。两个初级线圈13布置在初级侧充电模块14中。次级线圈20布置在次级侧充电模块36的外部中。次级侧充电模块36的内部由初级侧充电模块14侧向围绕。另外的次级线圈20布置在次级侧充电模块36的内部中。在充电期间，初级线圈13之一能够将能量传输到次级侧充电模块36的外部中的次级线圈20，并且另一个初级线圈13能够将能量传输到次级侧充电模块36的内部中的次级线圈20。该示例性实施例能够使初级侧充电模块14和次级侧充电模块36紧凑布置。
附图标记列表
10：初级侧充电装置
11：电池
12：车辆
13：初级线圈
14：初级侧充电模块
15：侧表面
16：电源单元
17：冷却单元
18：调节部件
19：次级侧充电装置
20：次级线圈
21：侧表面
22：转换器
23：接触区域
24：充电系统
25：气隙
26：备用电池
27：自动控制器
28：第一充电控制装置
30：调节装置
31：连接臂
32：区段
33：冷却子单元
34：铁芯
35：底板
36：次级侧充电模块
37：驱动器
38：表面
z：调节方向

Claims (18)

1.一种用于对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的初级侧充电装置(10)，包括：
-至少一个初级线圈(13)，以及
-初级侧充电模块(14)，其中布置有所述初级线圈(13)，其中
-所述初级侧充电模块(14)具有至少三个侧表面(15)，并且侧表面(15)中的每个侧表面与所述初级侧充电模块(14)的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度，并且
-所述至少一个初级线圈(13)连接到电源单元(16)。
2.根据权利要求1所述的初级侧充电装置(10)，其中，所述初级侧充电模块(14)具有与次级侧充电模块(36)互补的形状。
3.根据权利要求1所述的初级侧充电装置(10)，其中，所述初级侧充电模块(14)的至少三个侧表面(15)形成截棱锥或截圆锥的侧表面。
4.根据权利要求1所述的初级侧充电装置(10)，其中，每个初级线圈(13)能够由所述电源单元(16)单独地控制。
5.根据权利要求1所述的初级侧充电装置(10)，其中，冷却模块(17)布置在所述初级侧充电模块(14)中。
6.根据权利要求1所述的初级侧充电装置(10)，包括具有所述初级侧充电模块(14)的调节部件(18)，所述调节部件(18)能够在至少一个调节方向(z)上移动。
7.一种用于对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的次级侧充电装置(19)，包括：
-至少一个次级线圈(20)，以及
-次级侧充电模块(36)，其中布置有所述次级线圈(20)，其中
-所述次级侧充电模块(36)具有至少三个侧表面(21)，并且侧表面(21)中的每个侧表面与所述次级侧充电模块(36)的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度，并且
-所述至少一个次级线圈(20)电耦合到所述车辆(12)的电池(11)。
8.根据权利要求7所述的次级侧充电装置(19)，其中，所述次级侧充电模块(36)具有与初级侧充电模块(14)互补的形状。
9.根据权利要求7所述的次级侧充电装置(19)，其中，所述次级侧充电模块(36)的至少三个侧表面(21)形成截棱锥或截圆锥的侧表面。
10.根据权利要求7所述的次级侧充电装置(19)，其中，每个次级线圈(20)耦合到转换器(22)。
11.根据权利要求7所述的次级侧充电装置(19)，其中，所述次级侧充电模块(36)具有热耦合到所述电池(11)的接触区域(23)。
12.根据权利要求7所述的次级侧充电装置(19)，包括具有所述次级侧充电模块(36)的调节部件(18)，所述调节部件(18)能够在至少一个调节方向(z)上移动。
13.一种用于对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的充电系统(24)，包括：
-根据权利要求1的初级侧充电装置(10)，以及
-根据权利要求7的次级侧充电装置(19)。
14.根据权利要求13所述的充电系统(24)，其中，在对所述电池(11)充电期间，所述初级侧充电模块(14)和所述次级侧充电模块(36)之间留有气隙(25)。
15.根据权利要求13所述的充电系统(24)，其中，所述至少一个初级线圈(13)具有的绕组数量不同于所述至少一个次级线圈(20)的绕组数量。
16.根据权利要求13所述的充电系统(24)，其中，在对所述电池(11)充电期间，所述冷却模块(17)和所述接触区域(23)热接触。
17.一种对具有电驱动器(37)的车辆(12)的电池(11)充电的方法，包括以下步骤：
-设置具有至少一个初级线圈(13)的初级侧充电模块(14)，并且设置具有至少一个次级线圈(20)的次级侧充电模块(36)，
-将交流电压施加到所述至少一个初级线圈(13)，以及
-将在所述至少一个次级线圈(20)中感应出的交流电压转换成直流电压以对所述电池(11)充电，其中
-所述至少一个初级线圈(13)连接到电源单元(16)，
-所述至少一个次级线圈(20)电耦合到所述车辆(12)的电池(11)，
-所述初级侧充电模块(14)具有至少三个侧表面(15)，并且侧表面(15)中的每个侧表面与所述初级侧充电模块(14)的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度，
-所述次级侧充电模块(36)具有至少三个侧表面(21)，并且侧表面(21)中的每个侧表面与所述次级侧充电模块(36)的底部区域形成大于0°且不大于90°的角度，并且
-所述初级侧充电模块(14)的侧表面(15)适应于所述次级侧充电模块(36)的侧表面(21)，以使得在对所述电池(11)充电期间，所述初级侧充电模块(14)和所述次级侧充电模块(36)之间留有气隙(25)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，冷却模块(17)布置在所述初级侧充电模块(14)中，并且接触区域(23)布置在所述次级侧充电模块(36)中，在对所述电池(11)充电期间，所述接触区域(23)热耦合到所述电池(11)并且所述冷却模块(17)和所述接触区域(23)热接触。
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