DE102011118397A1

DE102011118397A1 - Vorrichtung zum kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011118397A1
Application number: DE102011118397A
Authority: DE
Inventors: Markus Hermann; Matthias Kronewitter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-12
Filing date: 2011-11-12
Publication date: 2012-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (3), mit einer Primärspule (4), welche zum Laden des Energiespeichers (2) mit einer fahrzeugseitigen Sekundärspule (5) induktiv koppelbar ist, und mit einer Positioniereinrichtung (7) zum automatischen Bewegen der Primärspule (4) in einen vorbestimmten Ladebereich (11) relativ zur Sekundärspule (5), gekennzeichnet durch eine sensorlose mechanische Justiereinrichtung (12) zur Feineinstellung einer relativen Position der Primärspule (4) bezüglich der Sekundärspule (5), so dass die Primärspule (4) in dem Ladebereich (11) in eine vorbestimmte Ladeposition relativ zur Sekundärspule (5) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist eine Primärspule auf, welche zum Laden des Energiespeichers mit einer fahrzeugseitigen Sekundärspule induktiv koppelbar ist. Eine Positioniereinrichtung ist zum automatischen Bewegen der Primärspule in einen vorbestimmten Ladebereich relativ zur Sekundärspule ausgebildet.
Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge sind bereits Stand der Technik. Sie beinhalten eine elektrische Antriebsvorrichtung – etwa einen Elektromotor –, welche zum Antreiben des Kraftfahrzeugs dient. Zum Versorgen der elektrischen Antriebsvorrichtung mit elektrischer Energie ist ein elektrischer Energiespeicher bereitgestellt, nämlich eine so genannte Traktionsbatterie. Während die herkömmlichen Kraftfahrzeuge mit Kraftstoff getankt werden müssen, muss bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen der Energiespeicher mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Zu diesem Zwecke dienen Ladevorrichtungen, die aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt sind. So sind beispielsweise Ladeeinrichtungen bekannt, bei denen der Energiespeicher über ein Kabel aufgeladen wird, welches an eine Anschlusseinrichtung (etwa eine Buchse) des Kraftfahrzeugs angeschlossen wird. Andererseits sind auch so genannte kabellose Ladevorrichtungen bekannt, welche das Auflade des Energiespeichers ohne ein Kabel ermöglichen. Derartige Ladevorrichtungen arbeiten nach dem Prinzip eines Transformators und beinhalten eine fahrzeugexterne Primärspule, welche mit einer fahrzeuginternen bzw. im Kraftfahrzeug angeordneten Sekundärspule magnetisch gekoppelt werden kann. Befindet sich die Primärspule in einem geringen Abstand zur Sekundärspule, so findet eine Energieübertragung von der Primärspule hin zur Sekundärspule und hierdurch hin zum Energiespeicher des Kraftfahrzeugs statt. Der Energiespeicher ist nämlich mit der Sekundärspule elektrisch verbunden.
Um die Positionierung der Primärspule relativ zur Sekundärspule zu vereinfachen, wurden im Stand der Technik bereits Ladevorrichtungen entwickelt, welche spezielle Positioniereinrichtungen aufweisen. Eine Vielzahl von solchen Positioniereinrichtungen sind beispielsweise aus dem Dokument US 5 821 731 A bekannt. Eine Möglichkeit besteht hier darin, ein selbstangetriebenes, frei bewegliches Fahrzeug einzusetzen, welches die Primärspule trägt und sich auch unterhalb des Kraftfahrzeugs bewegen kann. Mithilfe eines derartigen autonomen Fahrzeugs kann die Primärspule in den Ladebereich unmittelbar unterhalb der im Bodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Sekundärspule gebracht werden, sodass sich die Primärspule in Überlappung mit der Sekundärspule befindet. Zur Erkennung der Position der Sekundärspule wird in dieser Druckschrift eine Vielzahl von sensorbasierten Methoden vorgeschlagen; die Ermittlung der Position der Sekundärspule bzw. die Ermittlung des Ladebereichs erfolgt beispielsweise mithilfe eines Magnetsensors, eines optischen Sensors und dergleichen.
Als nachteilig an derartigen Systemen ist der Umstand anzusehen, dass mittels der genannten Sensoren die Position der am Kraftfahrzeug angebrachten Sekundärspule nur grob ermittelt bzw. der Ladebereich nur grob eingeschätzt werden kann. Zwar kann die Primärspule in den Ladebereich unterhalb der Sekundärspule gebracht werden, jedoch ist eine millimetergenaue Ausrichtung bzw. Zentrierung der beiden Spulen relativ zueinander durch die Genauigkeit der Sensoren beschränkt. Entsprechend ist auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung eingeschränkt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung der Wirkungsgrad bei der Energieübertragung auf ein Maximum gebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Demnach weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sensorlose mechanische Justiereinrichtung auf, welche zur Feineinstellung einer relativen Position der Primärspule bezüglich der Sekundärspule ausgebildet ist, sodass die Primärspule in dem Ladebereich in eine vorbestimmte Ladeposition relativ zur Sekundärspule bewegbar ist.
Der erfindungsgemäße Effekt wird somit dadurch erzielt, dass nach dem Bewegen der Primärspule in den vorbestimmten Ladebereich – dies kann beispielsweise mithilfe von Sensoren erfolgen bzw. der Ladebereich kann mithilfe von Sensoren ermittelt werden – eine zusätzliche Feineinstellung der relativen Position der Primärspule relativ zur Sekundärspule vorgenommen wird, und zwar mithilfe einer sensorlosen mechanischen Justiereinrichtung. Somit kann eine millimetergenaue Zentrierung der beiden Spulen relativ zueinander erreicht werden, sodass auch der Wirkungsgrad bei der Energieübertragung von der Primärspule an die Sekundärspule auf ein Maximum gebracht werden kann.
Unter einer sensorlosen Justiereinrichtung wird hier eine solche verstanden, die ohne einen Sensor auskommt und ausschließlich mechanische Bauteile aufweist.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Justiereinrichtung einen Zentrierkegel aufweist, der zur Feineinstellung der relativen Position in eine Aussparung des Kraftfahrzeugs aufnehmbar ist. Der Zentrierkegel kann mit der Primärspule verbunden sein, sodass beim Bewegen der Primärspule auch der Zentrierkegel mitbewegt wird. Wird ein Bereich – nämlich die Spitze – eines derartigen Zentrierkegels in die Aussparung des Kraftfahrzeugs – etwa ein kreisförmiges Loch – aufgenommen, so zentriert sich die Primärspule quasi selbsttätig relativ zur Sekundärspule des Kraftfahrzeugs. Die Feineinstellung der relativen Position erfolgt somit selbsttätig durch Bewegen des Zentrierkegels in axialer Richtung in die Aussparung des Kraftfahrzeugs. Der Einsatz eines Zentrierkegels ermöglicht eine millimetergenaue Justage der Primärspule relativ zur Sekundärspule, und die Primärspule kann mit größter Präzision konzentrisch zur Sekundärspule ausgerichtet werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dargestellt zusammen mit einem Kraftfahrzeug; und
2 und 3 in schematischer Darstellung eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines selbstangetriebenen Fahrzeugs mit einer daran angebrachten Primärspule der Vorrichtung gemäß 1.
In 1 ist in schematischer und höchst abstrakter Darstellung eine Vorrichtung 1 dargestellt, welche zum Aufladen eines Energiespeichers 2 eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 3 ausgebildet ist. Mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 2 wird eine in 1 nicht dargestellte elektrische Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs 3 versorgt. Der Energiespeicher 2 ist eine Fahrzeugbatterie, nämlich insbesondere eine Hochvoltbatterie.
Die Vorrichtung 1 dient zum kabellosen Laden des Energiespeichers 2 nach dem Transformatorprinzip. Dazu beinhaltet die Vorrichtung 1 eine Primärspule 4, welche mit einer im Kraftfahrzeug 3 angeordneten Sekundärspule 5 induktiv koppelbar ist. Die Sekundärspule 5 des Kraftfahrzeugs 3 ist in einem Bodenbereich angeordnet und über eine elektrische Leitung 6 mit dem Energiespeicher 2 elektrisch verbunden.
Die Primärspule 4 ist durch ein selbst angetriebenes, frei bewegliches Fahrzeug 7 mit mindestens drei, insbesondere mit vier, Rädern 8 getragen. Die Primärspule 4 ist beispielsweise auf einem plattenartigen Träger des Fahrzeugs 7 angeordnet.
Die Primärspule 4 bzw. das Fahrzeug 7 ist mit einer Basisstation 9 beispielsweise über ein Kabel 10 elektrisch verbunden. Die Basisstation 9 stellt elektrische Energie bereit, welche über die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 hin zum Energiespeicher 2 übertragen wird. Dazu muss die Primärspule 4 mithilfe des Fahrzeugs 7 in einen Ladebereich 11 unterhalb der Sekundärspule 5 gebracht werden. Der Ladebereich 11 ist also ein Überlappungsbereich mit der Sekundärspule 5. Eine weitere Voraussetzung besteht darin, dass der vertikale Abstand zwischen den beiden Spulen 4, 5 in Fahrzeughochrichtung 12 so gering wie möglich sein soll, um den Wirkungsgrad auf ein Maximum zu bringen. Des Weiteren soll die Primärspule 4 möglichst konzentrisch zu der Sekundärspule 5 positioniert werden, damit der Wirkungsgrad weiterhin optimiert werden kann.
Das selbstangetriebene Fahrzeug 7 stellt eine Positioniereinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Der Ladebereich 11 ist also ein Raumbereich, der sich in unmittelbarer Nähe der Sekundärspule 5 befindet und dessen Position somit abhängig von der Position der Sekundärspule 5 abhängt. Zur Ermittlung des Ladebereichs 11 muss daher die Position der Sekundärspule 5 bestimmt werden. Um den Ladebereich 11 bzw. die Position der Sekundärspule 5 zu ermitteln, kann an dem Fahrzeug 7 zumindest ein Sensor angebracht sein, nämlich beispielsweise eine Kamera und/oder ein Magnetsensor. Optional kann auch die Primärspule 4 als ein derartiger Sensor dienen. Anhand von Sensordaten dieser Sensoren kann dann die Position der Sekundärspule 5 und somit der Ladebereich unterhalb der Sekundärspule 5 ermittelt werden, und das Fahrzeug 7 kann mit der Primärspule 4 in diesen Ladebereich 11 bewegt werden, wie dies beispielsweise in der Druckschrift US 5 821 731 A beschrieben ist.
Die Ermittlung der Position der Sekundärspule 5 kann beispielsweise so aussehen, dass eine Referenzmarke am Boden des Kraftfahrzeugs 3 angebracht ist, welche dann in den durch die Kamera aufgenommenen Bildern identifiziert wird. Diese Positionsmarke kann dann auf die Position der Sekundärspule 5 hinweisen. Ergänzend oder alternativ kann die Sekundärspule 5 auch ein magnetisches Feld erzeugen, welches dann durch die Primärspule 4 und/oder den genannten Magnetsensor detektiert wird. Die grobe Positionierung der Primärspule 4 erfolgt also insgesamt mithilfe von Sensordaten zumindest eines Sensors.
Wird die Primärspule 4 durch das Fahrzeug 7 in den Ladebereich 11 gebracht, also grob relativ zur Sekundärspule 5 ausgerichtet, so erfolgt anschließend eine Feineinstellung der relativen Position der Primärspule 4 bezüglich der Sekundärspule 5. Diese Feinzentrierung erfolgt mithilfe einer sensorlosen mechanischen Justiereinrichtung 12, welche im Ausführungsbeispiel einen Zentrierkegel 13 aufweist, welcher in eine Aussparung 14 des Kraftfahrzeugs 3 in Form eines kreisförmigen Lochs aufgenommen werden kann. Der Zentrierkegel 13 ist dabei mit der Primärspule 4 verbunden. Der Zentrierkegel 13 erstreckt sich in vertikaler Richtung bzw. in Fahrzeughochrichtung 12, sodass seine Spitze in Fahrzeughochrichtung 12 nach oben zeigt. Wird nun die Spitze des Zentrierkegels 13 in die Aussparung 14 aufgenommen, so zentriert sich die Primärspule 4 relativ zur Sekundärspule 5, und die Primärspule 4 kann mit höchster Präzision konzentrisch zur Sekundärspule 5 positioniert werden.
Um den Zentrierkegel 13 in die Aussparung 14 aufzunehmen und gleichzeitig auch den vertikalen Abstand zwischen den beiden Spulen 4, 5 auf ein Minimum zu reduzieren, weist das Fahrzeug 7 eine Hubeinrichtung (in den Figuren nicht näher dargestellt) auf, mittels welcher die Primärspule 4 zusammen mit dem Zentrierkegel 13 in Fahrzeughochrichtung 12 bewegt werden kann. Um die Bewegung der Primärspule 4 unterhalb des Kraftfahrzeugs 3 zu ermöglichen, befindet sich die Hubeinrichtung zunächst in einer Ausgangsposition, in welcher die Spitze des Zentrierkegels niedriger als der Boden des Kraftfahrzeugs liegt. Erst wenn die Primärspule 4 in den Ladebereich 11 gelangt, wird die Primärspule 4 mit dem Zentrierkegel 13 in Fahrzeughochrichtung 12 nach oben bewegt, sodass die Spitze des Zentrierkegels 13 in die im Boden des Kraftfahrzeugs 3 ausgebildete Aussparung 14 gelangt. Die Primärspule 4 wird zusammen mit dem Zentrierkegel 13 so lange nach oben bewegt, bis die Hubeinrichtung einen mechanischen Widerstand detektiert. Dieser mechanische Widerstand kann im Normalfall durch den Zentrierkegel 13 selbst erzeugt werden. Der Zentrierkegel 13 weist nämlich einen in axialer Richtung immer größer werdenden Durchmesser auf, der an einer Stelle gleich dem Durchmesser der Aussparung 14 ist. Gelangt diese Stelle in die Aussparung 14, so berührt der Zentrierkegel 13 den Rand der Aussparung 14, so dass ein mechanischer Widerstand erzeugt wird. Nach Erkennen dieses Widerstands durch die Hubeinrichtung wird die Primärspule 5 angehalten. Diese Endposition der Primärspule 4 entspricht einer gewünschten Ladeposition, die durch die geometrische Ausgestaltung des Zentrierkegels 13 vorbestimmt ist.
Optional kann der mechanische Widerstand auch mithilfe von an dem Fahrzeug 7 angebrachten Stiften 15 erzeugt werden kann. Die Stifte 15 dienen jedoch bevorzugt ausschließlich zur Erkennung von Fremdkörpern zwischen dem Fahrzeug 7 einerseits und dem Boden des Kraftfahrzeugs 3 andererseits. Sie erstrecken sich dabei ebenfalls in Fahrzeughochrichtung 12, also parallel zur Achse des Zentrierkegels 13. Berühren die Stifte 15 einen Fremdkörper, so entsteht ein mechanischer Widerstand, welcher durch die Hubeinrichtung detektiert wird. Dann wird die Primärspule 4 angehalten.
Das Fahrzeug 7 mit der daran angebrachten Primärspule 4 ist auch in den 2 und 3 näher dargestellt. Während in 2 eine Draufsicht auf das Fahrzeug 7 dargestellt ist, zeigt 3 ähnlich wie 1 eine Seitenansicht des Fahrzeugs 7. Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, kann das Fahrzeug 7 frei bewegt werden, nämlich sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung, wie mit Pfeildarstellungen 16 dargestellt ist. Es sind im Ausführungsbeispiel insgesamt vier Stifte 15 bereitgestellt, welche den mechanischen Widerstand beim Bewegen der Primärspule 4 nach oben erzeugen. Der Zentrierkegel 13 ist konzentrisch zur Primärspule 4 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Energiespeicher
3: Kraftfahrzeug
4: Primärspule
5: Sekundärspule
6: elektrische Leitung
7: selbstangetriebenes Fahrzeug
8: Räder
9: Basisstation
10: Kabel
11: Ladebereich
12: Fahrzeughochrichtung
13: Zentrierkegel
14: Aussparung
15: Stifte
16: Pfeildarstellungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5821731 A [0003, 0021]

Claims

Vorrichtung (1) zum kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (3), mit einer Primärspule (4), welche zum Laden des Energiespeichers (2) mit einer fahrzeugseitigen Sekundärspule (5) induktiv koppelbar ist, und mit einer Positioniereinrichtung (7) zum automatischen Bewegen der Primärspule (4) in einen vorbestimmten Ladebereich (11) relativ zur Sekundärspule (5), gekennzeichnet durch eine sensorlose mechanische Justiereinrichtung (12) zur Feineinstellung einer relativen Position der Primärspule (4) bezüglich der Sekundärspule (5), so dass die Primärspule (4) in dem Ladebereich (11) in eine vorbestimmte Ladeposition relativ zur Sekundärspule (5) bewegbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiereinrichtung (12) einen Zentrierkegel (13) aufweist, der zur Feineinstellung der relativen Position in eine Aussparung (14) des Kraftfahrzeugs (3) aufnehmbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (7) eine Hubeinrichtung zum Bewegen der Primärspule (4) in Fahrzeughochrichtung (12) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladebereich (11) ein Bereich unter dem Kraftfahrzeug (3) ist und der Zentrierkegel (13) in vertikaler Richtung derart angeordnet ist, dass seine Spitze in Fahrzeughochrichtung (12) nach oben zeigt, wobei beim Bewegen der Primärspule (4) in Fahrzeughochrichtung (12) nach oben der Zentrierkegel (13) in die in einem Boden des Kraftfahrzeugs (3) ausgebildete Aussparung (14) hineinragt, um die Feineinstellung der relativen Position in Fahrzeuglängsrichtung und in Fahrzeugquerrichtung zu bewirken.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubeinrichtung dazu ausgelegt ist, beim Bewegen der Primärspule (4) in Fahrzeughochrichtung (12) einen mechanischen Widerstand zu erkennen und nach Erkennen des Widerstands die Primärspule (4) anzuhalten.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zumindest einen parallel zum Zentrierkegel (13) angeordneten Stift (15), welcher mittels der Hubeinrichtung zusammen mit dem Zentrierkegel (13) in Fahrzeughochrichtung (12) bewegbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (7) als selbstangetriebenes Fahrzeug (7) mit Rädern (8) ausgebildet ist, welches die Primärspule (4) trägt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (7) zumindest einen Sensor aufweist und dazu ausgelegt ist, den Ladebereich (11) anhand von Sensordaten des Sensors zu ermitteln.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (7) eine Kamera als Sensor aufweist und dazu ausgelegt ist, den Ladebereich (11) anhand von Bildern der Kamera zu ermitteln.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (4) ein Sensor ist und die Positioniereinrichtung (7) dazu ausgelegt ist, den Ladebereich (11) anhand eines Signals der Primärspule (4) zu ermitteln.