DE102011010049A1 - Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Das kabellose Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs soll einfach und effektiv ermöglicht werden. Dazu wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Fahrzeug mit einer Batterie (16), einer Fahrzeugspule (18) zum induktiven Aufnehmen eines Ladestroms für die Batterie (16), einer Fahrzeugkommunikationseinrichtung (22) zum Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladezustands oder einer Ladegröße der Batterie (16), wobei die von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung (22) bereitgestellte Information über die Fahrzeugspule (18) induktiv an eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragbar ist. Des Weiteren wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (16) eines solchen Fahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs. Schließlich betrifft die Erfindung ein weiteres Verfahren zum Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Über dies betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
  • Beim kabellosen Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen wird über einen Luftspalt zwischen einer ersten Spule, die sich im Fahrzeug befindet, und einer zweiten Spule, die einer Ladestation zugeordnet ist, elektrische Energie nach dem Trafoprinzip übertragen. Hierbei wird üblicherweise fahrzeugseitig zusätzliche Leistungselektronik, wie z. B. Gleichrichter bzw. Strom- und Spannungsregler, benötigt. Speziell zur Anpassung des Ladestroms bzw. der Ladespannung der Batterie werden Hoch- oder Tiefsetzsteller eingesetzt, welche üblicherweise Induktivitäten für die Speicherung des elektrischen Stroms umfassen.
  • Aus der Druckschrift US 4 496 896 A1 ist eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs als bekannt zu entnehmen, bei welcher die elektrische Energie zum Laden der Batterie zwischen einer Spule im Fahrzeug und einer Spule in der Ladestation induktiv übertragen wird. Zudem umfassen das Fahrzeug und die Ladestation jeweils eine weitere Spule, über deren Kopplung eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation ermöglicht wird, infolge welcher ein kontrolliertes Laden der Batterie in Abhängigkeit von der Position des Fahrzeugs zur Ladestation und dem Ladezustand der Batterie ermöglicht wird.
  • Als nachteilig an einer derartigen Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs ist der Umstand zu betrachten, dass hier durch einen aufwendigen und komplexen Aufbau eine Kommunikationseinrichtung zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation hergestellt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ladevorrichtung und Verfahren zum kabellosen Laden einer Batterie eines Fahrzeugs zu schaffen, mittels welcher besonders einfach und effektiv das Laden einer Batterie eines Fahrzeugs an einer entsprechenden Ladestation ermöglicht und kontrolliert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird für diese Aufgabe bereitgestellt ein Fahrzeug mit
    • – einer Batterie,
    • – einer Fahrzeugspule zum induktiven Aufnehmen eines Ladestroms für die Batterie,
    • – einer Fahrzeugkommunikationseinrichtung zum Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladezustands oder einer Ladegröße der Batterie, wobei
    • – die von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung bereitgestellte Information über die Fahrzeugspule induktiv an eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragbar ist.
  • Mit der Fahrzeugkommunikationseinrichtung wird entweder eine Information über den Ladezustand der Batterie, d. h. zu welchem Anteil bezogen auf den vollständig aufgeladen Zustand die Batterie aufgeladen ist, oder eine Information über eine Ladegröße, wie z. B. den Batteriestrom und/oder die Batteriespannung, bereitgestellt. Diese Information wird über die Fahrzeugspule an die Ladevorrichtung übertragen. Auf diese Weise kann der von der fahrzeugexternen Ladevorrichtung an die Fahrzeugspule induktiv übertragene Ladestrom geregelt werden.
  • Somit wird fahrzeugseitig keine zusätzliche Leistungselektronik, wie z. B. Hoch- oder Tiefsetzsteller, benötigt, um die Amplitude des Ladestroms an den Ladezustand der Batterie anzupassen. Daher können die ansonsten hierfür anfallenden Kosten eingespart werden und das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden. Das von der Ladestation an die Fahrzeugspule übertragene Wechselsignal soll zum Laden der Batterie gleichgerichtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Fahrzeug zu diesem Zweck einen Gleichrichter, insbesondere einen passiven Gleichrichter.
  • Darüber hinaus wird erfindungsgemäß für die Aufgabe bereitgestellt eine Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mit
    • – einer Einspeiseinrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms,
    • – einer Ladekommunikationseinrichtung zum Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladens der Batterie und
    • – einer Ladespule, mit der der Ladestrom von der Einspeiseinrichtung induktiv an das Fahrzeug übertragbar ist, wobei
    • – die von der Ladekommunikationseinrichtung bereitgestellte Information über die Ladespule induktiv an das Fahrzeug übertragbar ist.
  • Die Einspeiseeinrichtung der Ladevorrichtung ist mit einem Wechselspannungsnetz verbunden und überträgt den Ladestrom an die Ladespule, mittels welcher der Ladestrom für das Fahrzeug bereitgestellt wird. Die Ladekommunikationseinrichtung stellt hierzu eine Information über das Laden der Batterie bereit, welche ebenfalls über die Ladespule an das Fahrzeug übertragen wird.
  • Die Übertragung der Information zwischen der Ladekommunikationseinrichtung und der Fahrzeugkommunikationseinrichtung erfolgen über die induktive Kopplung der Ladespule und der Fahrzeugspule, über welche zugleich die elektrische Energie bzw. der Ladestrom zum Laden der Batterie des Fahrzeugs übertragen wird. Somit können einerseits von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung eine Information über den Ladezustand oder die Ladegröße an die Ladekommunikationseinrichtung übertragen werden, andererseits übermittelt die Ladekommunikationseinrichtung eine Information über das Laden der Batterie an die Fahrzeugkommunikationseinrichtung.
  • Durch diese bidirektionale Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation kann der Ladestrom, welcher im Fahrzeug bereitgestellt wird, bereits durch die Einspeiseeinrichtung in der Ladestation geregelt werden. Vorzugesweise ist die zeitliche Dauer des Bereitstellens, die Spannung und/oder die Amplitude des Ladestroms durch die Einspeiseinrichtung anhand einer über die Ladespule von dem Fahrzeug erhaltene Information einstellbar.
  • Durch die galvanische Trennung des Wechselstromnetzes und der Batterie des Fahrzeugs, welche durch die induktive Kopplung gegeben ist, bedarf es keiner aufwendigen Maßnahmen, um einen möglichen Fehlerstrom an der Batterie zu erkennen und zu verhindern.
  • Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs durch
    • – induktives Aufnehmen eines Ladestroms für die Batterie durch eine Fahrzeugspule und
    • – Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladezustands oder einer Ladegröße der Batterie, wobei
    • – die bereitgestellte Information über die Fahrzeugspule induktiv an eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragen wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung werden hierbei zusätzliche Informationen bezüglich einer Identifikation des Fahrzeugs und/oder einer Kostenabrechnung über die Fahrzeugspule an die fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragen. Durch die Nahfeldkommunikation zwischen der Fahrzeugspule und der Ladespule und einer zusätzlichen Verschlüsselung der Daten wird eine besonders sichere Art der Kommunikation ermöglicht.
  • Schließlich wird erfindungsgemäß die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs durch
    • – Bereitstellen eines Ladestroms,
    • – Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladens der Batterie und
    • – induktives Übertragen des Ladestroms durch eine Ladespule an das Fahrzeug, wobei
    • – die bereitgestellte Information über die Ladespule induktiv an das Fahrzeug übertragen wird.
  • Somit kann auf eine besonders einfache und effektive Weise das Laden einer Batterie des Fahrzeugs an der entsprechenden Ladevorrichtung ermöglicht und kontrolliert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, diese zeigt einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs mit einer Ladevorrichtung.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung zum kabellosen Laden einer Batterie eines Fahrzeugs ist in zwei Stromkreise 10, 12 unterteilt. Der erste Stromkreis 10 ist hierbei dem hier nicht dargestellten Fahrzeug zugeordnet. Eine hier nicht gezeigte Ladevorrichtung umfasst den zweiten Stromkreis 12. Diese Ladevorrichtung kann beispielweise in Form einer stationären oder einer mobilen Ladestation realisiert werden. Ebenso ist es denkbar, dass die Ladevorrichtung unterhalb der Oberfläche eines Stellplatzes des Fahrzeugs angeordnet ist. Die räumliche Trennung zwischen dem ersten Stromkreis 10 und dem zweiten Stromkreis 12 ist in der Fig. durch die gestrichelte Line 14 veranschaulicht.
  • Der erste Stromkreis 10 umfasst eine Batterie 16, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Ebenso soll jede andere Art einer Batterie 16 bzw. eines Akkumulators eines Fahrzeugs berücksichtigt sein. Die Batterie 16 kann als eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metall-Hybrid-Batterie, eine Bleibatterie oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist eine Anordnung bzw. Verschaltung von mehreren Batterien denkbar.
  • Des Weiteren umfasst der erste Stromkreis 10 eine Fahrzeugspule 18, welche den Ladestrom induktiv von der Ladevorrichtung aufnimmt. Am Ausgang der Fahrzeugspule 18 liegt der Ladestrom in Form eines Wechselsignals an, welches durch den Gleichrichter 20 gleichgerichtet wird. Somit kann der Ladestrom als Gleichsignal für das Laden der Batterie 16 bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist der Gleichrichter 20 als passiver Gleichrichter bzw. als nicht steuerbarer Gleichrichter ausgelegt, da der Ladestrom – wie im Weiteren noch erläutert – nicht durch den Gleichrichter 20 an den Ladezustand der Batterie 16 angepasst wird.
  • Parallel zu dem Gleichrichter ist eine Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 angeordnet, welche eine Information bezüglich des Ladezustandes oder einer Ladegröße der Batterie 16 bereitstellt. Die Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 ist hierzu mit einer Datenverbindung 24 mit der Batterie 16 verbunden. Für diese Datenverbindung 24 kann beispielsweise der CAN-Bus des Fahrzeugs genutzt werden. An der Batterie 16 soll hierzu eine entsprechende Vorrichtung zum Bestimmen des Ladezustands vorgesehen sein. Darüber hinaus soll eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Ladegröße, wie beispielsweise den Batteriestrom oder die Batteriespannung, an der Batterie 16 angeordnet sein.
  • Die Information bezüglich des Ladezustandes oder der Ladegröße der Batterie 16 wird von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 über die Fahrzeugspule 18 induktiv an die fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragen.
  • Der zweite Stromkreis 12 umfasst eine Ladespule 26, welche mit einer Einspeiseeinrichtung 28 mit einem Wechselstromnetz verbunden ist. Die Verbindung zu dem Wechselstromnetz ist in der Fig. durch den Pfeil 30 angedeutet. Mit der Einspeiseeinrichtung 28 wird die Übertragung des Ladestroms von dem Wechselstromnetz an die Ladespule 26 gesteuert, mittels welcher der Ladestrom induktiv an das Fahrzeug übertragen wird. Parallel zu der Einspeiseeinrichtung 28 ist eine Ladekommunikationseinrichtung 32 angeordnet, welche eine Information über das Laden der Batterie 16 bereitstellt. Diese Information über das Laden wird über die Ladespule 26 induktiv an das Fahrzeug übertragen.
  • Zum einen wird eine Information bezüglich des Ladezustandes oder der Ladegröße von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 an die Ladekommunikationseinrichtung 32 übermittelt. Ausgehend von dieser Information kann die zeitliche Dauer des Bereitstellens, die Spannung und/oder die Amplitude des Ladestroms von der Einspeiseeinrichtung 28 eingestellt werden. Zum anderen wird diese Information über das Laden von der Ladekommunikationseinrichtung 32 an die Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 übermittelt. Durch diese bidirektionale Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladevorrichtung kann der Ladevorgang der Batterie 16 des Fahrzeugs besonders einfach und effektiv geregelt werden.
  • Ist die Batterie 16 des Fahrzeugs beispielsweise vollständig geladen, wird diese Information von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 an die Ladekommunikationseinrichtung 32 übermittelt. In Folge dessen wird von der Einspeiseeinrichtung 28 der Ladestrom nicht mehr an die Ladespule 26 übertragen und somit der Ladevorgang der Batterie 16 gestoppt. Ebenso kann auf diese Weise die Amplitude und/oder die zeitliche Dauer des Ladestroms bereits in der Ladevorrichtung durch die Einspeiseeinrichtung 28 so geregelt werden, dass der entsprechende Ladestrom für den aktuellen Ladezustand der Batterie 16 im Fahrzeug erzeugt wird.
  • Aus diesem Grund kann auf eine entsprechende Leistungselektronik zur Anpassung des Ladestroms verzichtet werden. Somit können die Bauteile und die damit verbundenen Kosten eingespart werden und zusätzlich das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden.
  • Die induktive Kopplung der Ladespule 26 und der Fahrzeugspule 18 werden einerseits zur Übertragung der elektrischen Energie und anderseits für eine Nahfeldkommunikation zwischen der Ladevorrichtung und dem Fahrzeug genutzt. Aufgrund dieser Doppelfunktion können die ansonsten dafür benötigten Bauteile, deren Kosten und deren Zusatzgewicht eingespart werden.
  • Die Wicklungen und/oder die Kerne der Fahrzeugspule 18 und der Ladespule 26 sollen so ausgelegt sein, dass sowohl der Ladestrom, als auch die Daten mit den jeweiligen Informationen übertragen werden können. Die Übermittlung der jeweiligen Information zwischen der Fahrzeugkommunikationseinrichtung 22 und der Ladekommunikationseinrichtung 32 können beispielsweise durch eine Modulation des Wechselsignals des Ladestroms bzw. der Spannung oder durch Übermittlung einer entsprechenden Pulsfolge realisiert werden.
  • Die Nahfeldkommunikation kann ebenso zur Identifikation des Fahrzeugs und zur einer Kostenabrechnung genutzt werden. Hierzu können die Daten entsprechend verschlüsselt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Stromkreis
    12
    Stromkreis
    14
    Linie
    16
    Batterie
    18
    Fahrzeugspule
    20
    Gleichrichter
    22
    Fahrzeugkommunikationseinrichtung
    24
    Datenverbindung
    26
    Ladespule
    28
    Einspeiseeinrichtung
    30
    Pfeil
    32
    Ladekommunikationseinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4496896 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Fahrzeug mit – einer Batterie (16), – einer Fahrzeugspule (18) zum induktiven Aufnehmen eines Ladestroms für die Batterie (16), – einer Fahrzeugkommunikationseinrichtung (22) zum Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladezustands oder einer Ladegröße der Batterie (16), dadurch gekennzeichnet, dass – die von der Fahrzeugkommunikationseinrichtung (22) bereitgestellte Information über die Fahrzeugspule (18) induktiv an eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragbar ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Gleichrichter (20), insbesondere einen passiven Gleichrichter, zum Gleichrichten des Ladestroms für die Batterie (16) umfasst.
  3. Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs mit – einer Einspeiseinrichtung (28) zum Bereitstellen eines Ladestroms, – einer Ladekommunikationseinrichtung (32) zum Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladens der Batterie (16) und – einer Ladespule (26), mit der der Ladestrom von der Einspeiseinrichtung (28) induktiv an das Fahrzeug übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die von der Ladekommunikationseinrichtung (32) bereitgestellte Information über die Ladespule (26) induktiv an das Fahrzeug übertragbar ist.
  4. Ladevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Dauer des Bereitstellens, die Spannung und/oder die Amplitude des Ladestroms durch die Einspeiseinrichtung anhand einer über die Ladespule (26) von dem Fahrzeug erhaltene Information einstellbar ist.
  5. Verfahren zum Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs durch – induktives Aufnehmen eines Ladestroms für die Batterie (16) durch eine Fahrzeugspule (18) und – Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladezustands oder einer Ladegröße der Batterie (16), dadurch gekennzeichnet, dass – die bereitgestellte Information über die Fahrzeugspule (18) induktiv an eine fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Informationen bezüglich einer Identifikation des Fahrzeugs und/oder einer Kostenabrechnung über die Fahrzeugspule an die fahrzeugexterne Ladevorrichtung übertragen werden.
  7. Verfahren zum Laden einer Batterie (16) eines Fahrzeugs durch – Bereitstellen eines Ladestroms, – Bereitstellen einer Information bezüglich des Ladens der Batterie (16) und – induktives Übertragen des Ladestroms durch eine Ladespule (26) an das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellte Information über die Ladespule (26) induktiv an das Fahrzeug übertragen wird.
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