DE102010054470A1

DE102010054470A1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102010054470A1
Application number: DE102010054470A
Authority: DE
Inventors: Pascal Asselin; Dr. Green Andrew
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Enrx Ipt De GmbH
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN103262385B; WO2012079862A2; WO2012079862A3; CN103262385A; US20130313895A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit einer Stromversorgungseinrichtung und einer mit dieser verbundenen Primärinduktivität zu einem benachbart zu der stationären Einheit stehenden Fahrzeug mit einer Sekundärinduktivität weist das Fahrzeug eine mit der Sekundärinduktivität verbundene und zur Einspeisung eines Datensignals in die Sekundärinduktivität eingerichtete Sendeeinrichtung und die stationäre Einheit eine mit der Primärinduktivität verbundene und zum Empfang eines Datensignals aus der Primärinduktivität eingerichtete Empfangseinrichtung auf. Die Stromversorgungseinrichtung ist durch die Empfangseinrichtung in Abhängigkeit vom Inhalt des empfangenen Datensignals zur Bestromung der Primärinduktivität aktivierbar. Die Sendeeinrichtung weist einen Speicher mit einem fahrzeugspezifischen Code auf und das von ihr abgegebene Datensignal enthält diesen Code. Die Empfangseinrichtung weist einen Speicher mit einem Autorisierungscode und eine Vergleichseinrichtung auf. Die Aktivierung der Stromversorgungseinrichtung wird von der Empfangseinrichtung nur dann ausgelöst, wenn die Vergleichseinrichtung das Vorhandensein des Autorisierungscodes in dem empfangenen Datensignal feststellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Laden der Batterie eines Elektrofahrzeugs besteht die Notwendigkeit, den Ladevorgang zu initiieren, wenn das Fahrzeug an einer Ladestation abgestellt wurde und zum Laden bereit ist. Falls zum Laden die Herstellung einer Steckverbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug nötig ist, kann dies ohne weiteres von der Ladestation aus detektiert und als Kriterium für den Start des Ladevorgangs verwendet werden. Bei einer induktiven Verbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug, die allein durch das Abstellen des Fahrzeugs an der Ladestation unter passender Ausrichtung einer fahrzeugseitigen Sekundärspule zu einer stationären Primärspule hergestellt wird, gestaltet sich die Feststellung der Ladebereitschaft des Fahrzeugs schwieriger. Eine mögliche Lösung ist der Aufbau einer Funkverbindung zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation, wozu jedoch beide eigens mit einer entsprechenden Hardware zur Kommunikation per Funk ausgerüstet werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das induktive Laden eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation eine einfache und zuverlässige Lösung zur Initiierung des Ladevorgangs aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie das Fahrzeug eine mit der fahrzeugseitigen Sekundärinduktivität verbundene und zur Einspeisung eines Datensignals in die Sekundärinduktivität eingerichtete Sendeeinrichtung und die stationäre Einheit eine mit Primärinduktivität verbundene und zum Empfang eines Datensignals aus der Primärinduktivität eingerichtete Empfangseinrichtung auf und die mit der Primärinduktivität verbundene Stromversorgungseinrichtung ist durch die Empfangseinrichtung in Abhängigkeit vom Inhalt des empfangenen Datensignals zur Bestromung der Primärinduktivität aktivierbar. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Energieübertragung von der Ladestation zur Fahrzeugbatterie vom Fahrzeug aus unter Verwendung der induktiven Verbindung, die für die Energieübertragung ohnehin hergestellt werden muss, zu initiieren. Der zusätzliche Hardwareaufwand bleibt daher vergleichsweise gering. Insbesondere werden keine Antennen und keine von dem Energieübertragungssystem separat aufgebauten Sende- und Empfangseinrichtungen mit jeweiligen Schnittstellen benötigt. Durch die für die Energieübertragung erfolgende Annäherung der Sekundärinduktivität an die Primärinduktivität ist die bei der Kommunikation zur Initiierung des Ladevorgangs zu überbrückende Entfernung sehr klein, so dass auch mit einer geringen Signalleistung eine gute Übertragungsqualität erzielbar ist.
Bevorzugt weist die Sendeeinrichtung einen Speicher mit einem fahrzeugspezifischen Code auf und das von ihr abgegebene Datensignal enthält diesen fahrzeugspezifischen Code. Dies eröffnet die Möglichkeit, in der Empfangseinrichtung einen Vergleich mit einem dort gespeicherten Autorisierungscode vorzunehmen. Hierdurch kann eine fehlerhafte Aktivierung der Stromversorgung der Primärinduktivität durch ein Störsignal zuverlässig vermieden werden und es kann vor dem Beginn des Ladevorgangs die Berechtigung des Fahrzeugs zum Bezug von Energie an der Ladestation überprüft und eine unzulässige Entnahme von Energie verhindert werden.
Die Abgabe eines Datensignals mit einem fahrzeugspezifischen Code durch die Sendeeinrichtung kann manuell durch den Fahrzeugbediener auslösbar sein. Es ist aber auch möglich, dass sie automatisch in Abhängigkeit von der durch eine fahrzeugseitige Sensorik erfassten Position des Fahrzeugs relativ zu der stationären Einheit oder von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ausgelöst wird, d. h. wenn durch eine fahrzeugseitige Sensorik festgestellt wurde, dass das Fahrzeug in einer zum Laden geeigneten Position an einer Ladestation abgestellt wurde, oder wenn es sich mit einer sehr geringen, auf ein bevorstehendes Abstellen hindeutenden Geschwindigkeit bewegt.
Die Erfindung eröffnet darüber hinaus auch die Möglichkeit, von der Ladestation aus eine vorzeitige Entfernung des Fahrzeugs zu detektieren, indem die Abgabe eines den fahrzeugspezifischen Code enthaltenden Datensignals durch die Sendeeinrichtung nach ihrer Auslösung periodisch fortgesetzt wird und das fortgesetzte Eintreffen eines den Autorisierungscode enthaltenden Signals von der Empfangseinrichtung überwacht wird. Ein über ein vorbestimmtes Zeitintervall hinausgehendes Ausbleiben des Empfangs eines solchen Datensignals ist in diesem Fall ein klares Anzeichen für eine Entfernung des Fahrzeugs von der Ladestation, aufgrund dessen eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung durch die Empfangseinrichtung erfolgen kann.
Fahrzeugseitig kann die Abgabe eines den fahrzeugspezifischen Code enthaltenden Datensignals durch die Sendeeinrichtung entweder manuell durch den Fahrzeugbediener beendbar sein, oder sie kann automatisch in Abhängigkeit von der durch eine fahrzeugseitige Sensorik erfassten Position des Fahrzeugs relativ zu der stationären Einheit, d. h. wenn das Fahrzeug von der Ladestation entfernt wurde, beendet werden. Zur Feststellung der Entfernung kann dieselbe Sensorik wie zur Feststellung der Annäherung benutzt werden. Alternativ hierzu kann der Verlauf der induktiven Energieübertragung als Kriteium herangezogen werden oder es kann für die Abgabe des Datensignals eine Höchstdauer festgelegt werden, nach deren Ablauf sie eingestellt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung offenbart die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In diesen zeigt
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Detailschaltbild eines Teils der Sekundärseite einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 ein Detailschaltbild eines Teils der Primärseite einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie das Blockschaltbild von 1 zeigt, weist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 wie üblich eine Batterie 2 auf, die regelmäßig geladen werden muss. Hierzu ist eine Ladeelektronik 3 vorgesehen, die den Ladevorgang fahrzeugseitig regelt und überwacht. Um die elektrische Energie zum Laden der Batterie kontaktlos induktiv zu dem Fahrzeug 1 übertragen zu können, ist die Ladeelektronik 3 über einen sekundärseitigen Koppler 4 mit einer vorzugsweise an der Unterseite des Fahrzeugs 1 angeordneten Sekundärspule 5 verbunden. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeug 1 ferner mit einer Sendeeinrichtung 6 ausgestattet, die über den sekundärseitigen Koppler 4 ebenfalls mit der Sekundärspule 5 verbunden ist. Die Funktion der Sendeeinrichtung 6 wird später noch im einzelnen erläutert.
Zum Laden der Batterie 2 wird das Fahrzeug 1 an einer Ladestation 7 abgestellt, wobei seine Sekundärspule 5 so eng benachbart zu einer Primärspule 8 der Ladestation 7 platziert und ausreichend genau zu dieser ausgerichtet wird, dass die beiden Spulen 5 und 8 zusammen einen zur Übertragung elektrischer Energie geeigneten Transformator bilden. Die Primärinduktivität 8 ist über einen primärseitigen Koppler 9 mit einer Stromversorgungseinrichtung 10 verbunden, von der sie bestromt werden kann. Diese Bestromung darf aber nur erfolgen, wenn sich ein Fahrzeug 1 mit einer entsprechend ausgerichteten Sekundärspule 5 an der Ladestation 7 befindet.
Um dies zu erreichen, ist die Ladestation 7 mit einer Empfangseinrichtung 11 ausgerüstet, die mit der fahrzeugseitigen Sendeeinrichtung 6 zusammenwirkt. Die Empfangseinrichtung 11 kann die Bestromung der Primärspule 8 sowohl auslösen, als auch beenden, und zwar in Reaktion auf den Empfang eines Datensignals, das von der Sendeeinrichtung 6 über den sekundärseitigen Koppler 4 und die Sekundärspule 5 abgegeben wird. Ein solches Signal kann von der Empfangseinrichtung 11 über die Primärspule 8 und den primärseitigen Koppler 9 empfangen werden. Hieraus ergibt sich die Funktion der beiden Koppler 4 und 9. Diese besteht darin, die Einkopplung eines Datensignals von der Sendeeinrichtung 6 in die Sekundärspule 5 bzw. dessen Auskopplung aus der Primärspule 8 zu der Empfangseinrichtung 11 zu ermöglichen, ohne dabei die Entnahme elektrischer Energie aus der Sekundärspule 5 durch die Ladeelektronik 3 bzw. die Einspeisung elektrischer Energie in die Primärspule 8 durch die Stromversorgungseinrichtung 10 zu stören.
In 1 ist der Pfad der Energieübertragung von der Stromversorgungseinrichtung 10 über den Primärkoppler 9, die Primärspule 8, die Sekundärspule 5, den Sekundärkoppler 4 und die Ladeelektronik 3 zu der Batterie 2 mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt, während der Pfad der Datenübertragung von der Sendeeinrichtung 6 über den Sekundärkoppler 4, die Sekundärspule 5, die Primärspule 8 und den Primärkoppler 9 zu der Empfangseinrichtung 11 zur Unterscheidung gestrichelt dargestellt ist. In diesem Datenübertragungspfad, der zwischen der Sekundärspule 5 und der Primärspule 8 drahtlos verläuft, ersetzt die Sekundärspule 5 eine Sendeantenne und die Primärspule eine Empfangsantenne. Ebenfalls gestrichelt ist in 1 der Steuerpfad von der Empfangseinrichtung 11 zu der Stromversorgungseinrichtung 10 dargestellt.
Wenn die Platzierung des Fahrzeugs 1 an der Ladestation 7 abgeschlossen und das Fahrzeug somit bereit zum Laden seiner Batterie 2 ist, gibt die Sendeeinrichtung 6 über den vorausgehend erläuterten Übertragungspfad ein Datensignal ab, welches einen fahrzeugspezifischen Code enthält, der in einem Speicher der Sendeeinrichtung 6 abgelegt ist. Dieser Code enthält Informationen über die technische Spezifikation der fahrzeugseitigen Komponenten 2 bis 5 sowie über die Berechtigung des speziellen Fahrzeugs 1 zur Energieentnahme von Ladestationen.
Das Datensignal wird in der Empfangseinrichtung 11 empfangen und mit einem Autorisierungscode verglichen, der in einem Speicher der Empfangseinrichtung 11 abgelegt ist. Dieser Autorisierungscode enthält Informationen über die technische Spezifikation der Komponenten 8 bis 10 der Ladestation 7 sowie über die Berechtigung von Fahrzeugen zur Energieentnahme von der speziellen Ladestation 7. Wenn der Vergleich der Codes ergibt, dass das Fahrzeug 1 geeignet und berechtigt ist, an der Ladestation 7 geladen zu werden, dann gibt die Empfangseinrichtung 11 ein Steuersignal an die Stromversorgungseinrichtung 10 ab, mit dem diese zur Bestromung der Primärspule 8 aktiviert wird. Hiermit beginnt das Laden der Batterie 2 des Fahrzeugs 1 an der Ladestation 7. Falls der fahrzeugseitige Code nicht dem Autorisierungscode der Ladestation 7 entspricht, unterbleibt die Bestromung der Primärspule 8. Dies wird dem Benutzer des Fahrzeugs 1 durch ein akustisches oder optisches Warnsignal, beispielsweise ein rotes Lichtsignal angezeigt.
Im einfachsten Fall kann es vorgesehen sein, dass der Benutzer des Fahrzeugs 1 die Abgabe des Datensignals durch die Sendeeinrichtung manuell auszulösen hat, wenn er das Fahrzeug korrekt an der Ladestation 7 abgestellt hat. Um das Vergessen der Auslösung zu vermeiden, kann die Abgabe des Datensignals auch automatisch ausgelöst werden. Beispielsweise kann die Ladestation 7 mit charakteristischen Markierungen in Form von akustischen oder optischen Reflektoren, Permanentmagneten oder Metallstreifen ausgestattet sein, die fahrzeugseitig durch Ultraschallsensoren bzw. optische, magnetische oder kapazitive Sensoren detektierbar sind, oder es könnte auch eine Änderung der Induktivität der Sekundärspule 5 infolge der Annäherung an die Primärspule 8 gemessen werden. Auch könnte das Datensignal immer dann ausgesendet werden, wenn sich das Fahrzeug 1 mit einer sehr geringen, für einen Parkvorgang charakteristischen Geschwindigkeit bewegt, oder wenn es rückwärts fährt, was normalerweise nur beim Parken vorkommt.
Über die Initiierung des Ladevorgangs hinaus kann erfindungsgemäß auch dessen vorzeitige Beendigung durch eine Entfernung des Fahrzeugs 1 von der Ladestation 7 festgestellt werden, indem die Abgabe des Datensignals mit dem fahrzeugspezifischen Code durch die Sendeeinrichtung 6 während des Ladevorgangs periodisch fortgesetzt wird und die Empfangseinrichtung 11 fortlaufend den Eingang eines den Autorisierungscode enthaltenden Datensignals überwacht. Bleibt ein solches Datensignal länger als ein vorbestimmtes Zeitintervall aus, dann interpretiert die Empfangseinrichtung 11 dies als vorzeitige Entfernung des Fahrzeugs 1 von der Ladestation 7 und bricht die Bestromung der Primärspule 8 ab. Die Entfernung des Fahrzeugs 1 von der Ladestation 7 kann aber auch anhand eines anderen Kriteriums, wie beispielsweise einer Messung der übertragenen Leistung, detektiert werden. Die periodische Fortsetzung der Abgabe des Datensignals ist insofern nicht notwendig, sondern nur eine Option.
Falls die Aussendung des Datensignals periodisch fortgesetzt wird, kann auch die Deaktivierung der Sendeeinrichtung 6 entweder manuell durch den Fahrzeugbenutzer ausgelöst werden, oder sie kann automatisch erfolgen, indem die Entfernung des Fahrzeugs 1 von der Ladestation 7 mit derselben Sensorik detektiert wird wie seine korrekte Positionierung an der Ladestation 7 vor Beginn des Ladevorgangs. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitgesteuerte Abschaltung der Sendeeinrichtung 6 nach einer vorbestimmten Höchstbetriebszeit vorgesehen sein.
2 zeigt ein Detailschaltbild des sekundärseitigen Kopplers 4, der zur gemeinsamen Nutzung der Sekundärspule 5 für Energie- und Datenübertragung benötigt wird. Er umfasst als wesentliche Komponenten einen Verstärker 12, ein Filter 13 und ein passives Impedanzanpassungsglied 14. An dem in 2 mit A gekennzeichneten Anschluss ist die Sendeeinrichtung 6 angeschlossen. Das von dieser eingespeiste Datensignal wird durch den Verstärker 12 auf einen Pegel angehoben, der zur Übertragung über die durch die Spulen 5 und 8 gebildete induktive Übertragungsstrecke geeignet ist.
Um während des Ladevorgangs das für die Ladeelektronik 3 bestimmte Signal hoher Leistung von dem Verstärker 12 und der bei A angeschlossenen Sendeeinrichtung 6 fernzuhalten, ist nach dem Verstärker 12 ein Hochpassfilter 13 vorgesehen. Die Wirksamkeit dieser Maßnahme setzt selbstverständlich voraus, dass der Frequenzbereich des Datensignals deutlich höher liegt als derjenige der Energieübertragung, welcher sich in der Größenordnung von 20 kHz bewegt. Parallel zum zweiten Tor des Filters 13 liegt die Sekundärspule 5. Eine Klemme derselben ist über das Impedanzanpassungsglied 14 mit einem Anschluss B und die andere Klemme direkt mit dem anderen Anschluss C der Ladeelektronik 3 verbunden.
3 zeigt ein Detailschaltbild des primärseitigen Kopplers 9, der zur gemeinsamen Nutzung der Primärspule 8 für Energie- und Datenübertragung benötigt wird. Er umfasst als wesentliche Komponenten ein passives Impedanzanpassungsglied 15, ein Filter 16 und einen Transformator 17. An den in 3 mit F und G gekennzeichneten Anschlüssen ist die Stromversorgungseinrichtung 10 angeschlossen. Der Anschluss G ist direkt mit einer Klemme der Primärspule 8 verbunden, der andere Anschluss F ist über das Impedanzanpassungsglied 15 mit dem anderen Anschluss der Primärspule 8 verbunden.
Parallel zu der Primärspule 8 liegt ein Tor des Filters 16, bei dem es sich ebenfalls um ein Hochpassfilter handelt, welches das von der Stromversorgungseinrichtung 10 kommende Signal hoher Leistung aufgrund seiner im Vergleich zu dem Datensignal deutlich niedrigeren Frequenz von der Empfangseinrichtung 11 fernhält. Zwischen dem anderen Tor des Filters 16 und den Anschlüssen D und E, an denen die Empfangseinrichtung 11 angeschlossen ist, befindet sich zur galvanischen Trennung und Pegelanpassung noch ein Übertrager 17.

Claims

Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit (7) mit einer Stromversorgungseinrichtung (10) und einer mit dieser verbundenen Primärinduktivität (8) zu einem benachbart zu der stationären Einheit (7) stehenden Fahrzeug (1) mit einer Sekundärinduktivität (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) eine mit der Sekundärinduktivität (5) verbundene und zur Einspeisung eines Datensignals in die Sekundärinduktivität (5) eingerichtete Sendeeinrichtung (6) und die stationäre Einheit (7) eine mit der Primärinduktivität (8) verbundene und zum Empfang eines Datensignals aus der Primärinduktivität (8) eingerichtete Empfangseinrichtung (11) aufweist, und dass die Stromversorgungseinrichtung (10) durch die Empfangseinrichtung (11) in Abhängigkeit vom Inhalt des empfangenen Datensignals zur Bestromung der Primärinduktivität (8) aktivierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (6) einen Speicher mit einem fahrzeugspezifischen Code aufweist, und dass das von ihr abgegebene Datensignal den fahrzeugspezifischen Code enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (11) einen Speicher mit einem Autorisierungscode und eine Vergleichseinrichtung aufweist, und dass die Aktivierung der Stromversorgungseinrichtung (10) von der Empfangseinrichtung (11) nur dann ausgelöst wird, wenn die Vergleichseinrichtung das Vorhandensein des Autorisierungscodes in dem empfangenen Datensignal feststellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe eines Datensignals durch die Sendeeinrichtung (6) entweder manuell durch den Fahrzeugbediener auslösbar ist oder automatisch in Abhängigkeit von der durch eine fahrzeugseitige Sensorik erfassten Position des Fahrzeugs (1) relativ zu der stationären Einheit (7) oder von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (1) ausgelöst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe eines Datensignals durch die Sendeeinrichtung (6) nach ihrer Auslösung periodisch fortgesetzt wird, und dass bei einem über ein vorbestimmtes Zeitintervall hinausgehenden Ausbleiben des Empfangs eines den Autorisierungscode enthaltenden Datensignals eine Deaktivierung der Stromversorgungseinrichtung (10) durch die Empfangseinrichtung (11) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe eines den fahrzeugspezifischen Code enthaltenden Datensignals durch die Sendeeinrichtung (6) entweder manuell durch den Fahrzeugbediener beendbar ist oder automatisch in Abhängigkeit von der durch eine fahrzeugseitige Sensorik erfassten Position des Fahrzeugs (1) relativ zu der stationären Einheit (7) oder vom Verlauf der induktiven Energieübertragung oder nach Ablauf einer vorbestimmten Höchstdauer beendet wird.