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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung und einer damit induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Vorrichtung wird zum berührungslosen Laden einer Energiespeichereinheit eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, wie beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs, eines Lastkraftfahrzeugs, eines Fahrrads, eines Zweiradkraftfahrzeugs (Motorrades, Rollers oder dergleichen), eines Dreiradkraftfahrzeugs (Trikes oder dergleichen), eines Flugzeuges oder eines Wasserkraftfahrzeuges verwendet. Sie weist üblicherweise eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, die jeweils in einem plattenförmigen Gehäuse angeordnet sind und derart gegenüberliegend angeordnet werden kann, dass mittels dem Verfahren der Gegeninduktion eine mit der Sekundärspule verbundene. Energiespeichereinheit geladen wird. Die Primärspule ist dabei mit einem Energiequelle, wie beispielsweise einem öffentlichen Stromnetz verbunden.
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Zur optimierten Energieübertragung ist es erforderlich, dass die plattenförmigen Gehäuse der Primärspule und der Sekundärspule im Wesentlichen derart gegenüberliegend in zwei zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet werden, dass die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule optimiert ist.
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Realisiert wird das Prinzip der berührungslosen Energieübertragung vorzugsweise mittels des Prinzips der Gegeninduktion, bei welcher eine Stromänderung in der Spule des Primärspulensystems eine Veränderung des Flusses durch die Spule des Sekundärspulensystems, in welcher dann eine Spannung erzeugt wird, bewirkt wird. Durchsetzt der von der Primärspule erzeugte magnetische Fluss die Sekundärspule entsteht nämlich eine magnetische Kopplung der beiden Spulensysteme.
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Dabei ist die Sekundärspule vorzugsweise in einem Bereich des Fahrzeuges und die Primärspule in einem Bereich außerhalb des Fahrzeuges, wie beispielsweise einem Boden-, Wand- oder Deckenbereich einer Garage oder eines Stellplatzes bzw. eines Parkplatzes des Fahrzeuges angeordnet.
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Bekannte Vorrichtungen beziehungsweise diskret gewickelte Spulensysteme bestehen aus einem Kupferdraht, welcher um einen Wickelkörper zur Ausbildung von Spulenwicklungen angeordnet ist, wobei diese Spulen bekannterweise eine Höhe bzw. Dicke von ca. mindestens 1,5cm bis 2cm aufweisen. Weitere für das Gesamtsystem erforderliche elektrische Bauteile und/oder Schaltungen müssen unter Verwendung einer definiert ausgelegten Verdrahtung extern an dieses Spulensystem angeordnet werden.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die kompakt baut sowie eine sichere und zuverlässige Energieübertragung von einer Primär zu einer Sekundärspulenanordnung gewährleistet.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Durch die Erfindung ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung und einer damit induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung geschaffen, wobei die Sekundärspulenanordnung an einem eine Energiespeichereinheit aufweisenden Fahrzeug anordenbar ist und die Primärspulenanordnung eine Energiequelle, wie beispielsweise einem öffentlichen beziehungsweise nichtöffentlichem Stromnetz, zuordenbar ist und wobei die Primärspulenanordnung auf einer ersten Leiterplatte und die Sekundärspulenanordnung auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet ist.
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Zur Energieübertragung selbst ist es erforderlich, dass mindestens die Primärspulenanordnung und die Sekundärspulenanordnung im Wesentlichen übereinander in zwei zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet werden.
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Dabei ist die Sekundärspulenanordnung in einem Bereich des Fahrzeuges und die Primärspulenanordnung in einem Außenbereich des Fahrzeuges, wie beispielsweise einem Boden, Wand- oder Deckenbereich einer Garage oder eines Stellplatzes bzw. eines Parkplatzes des Fahrzeuges angeordnet.
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Die Leiterplatte einer Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung weist eine Spule als Leiterbahnstruktur auf einem Leiterplattenmaterial auf, wobei die Spule vorzugsweise als Planarspule ausgebildet ist. Die gesamte Höhe des leiterplattenbasierten Spulensystem beträgt nur noch maximal 1,2cm bis 1,5cm, so dass die Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung vorteilhaft in der Dicke bzw. Höhe verringert wird.
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Folglich zeichnet sich die Vorrichtung durch eine eine Primärspulenanordnung und/oder eine Sekundärspulenanordnung aufweisende Leiterplatte und die darin angeordnete Planarspulen durch eine extrem flache Bauweise, eine mechanische Robustheit und ein geringes Gewicht aus. Zudem können derartige leiterplattenbasierten Vorrichtungen im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, kostenreduziert mit bestehenden Leiterbahnherstellungsverfahren hergestellt werden, ohne ein wesentlich prozessunsicheres Wickeln des Drahtes auf den Spulenkörper durchführen zu müssen.
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Des Weiteren können vorteilhaft zusätzliche für das Gesamtsystem erforderliche Bauteile, wie beispielsweise oberflächenmontierte Bauteile (SMD - surface mounted device) und/oder bedrahtete Bauteilen in Durchsteckmontage (THT - through hole technology), d.h. beispielsweise elektrische bzw. elektronische Komponenten, wie Widerstände, Transistoren. Kondensatoren, Relais usw. in die Leiterplatte/n integriert werden. Dies kann beispielsweise erfolgen nachdem die die Spule enthaltene Leiterplatte mittels den zur Verfügung stehenden Leiterplattentechnologien hergestellt worden ist, indem auf einer äußeren Schicht (Layer) der Leiterplatte die Bauteile angeordnet und verlötet bzw. verdrahtet werden; oder auch während der Herstellung der Leiterplatte selbst, so dass die besagten Bauteile beispielsweise auf einer inneren Schicht der Leiterplatte aufgebracht bzw. integriert werden. Demzufolge ist es möglich, dass die Bauelemente direkt als Kupferschichtstruktur ausgebildet werden, während beispielsweise Widerstände mittels spezieller Pasten auf der Oberfläche oder in die verdeckten Schichten eingedruckt werden, wodurch nicht nur Bauelemente, sondern auch deren Bestückung gespart werden kann. Auch ist es denkbar, dass auf oder in den Leiterplatten Schaltkreise direkt platziert sind (chip on board / chip in board), welche direkt zur Platine gebondet und durch beispielsweise einen Tropfen Kunstharz geschützt sind.
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Dadurch kann die gesamte Leistungselektronik zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der die Primärspulenanordnung und/oder die Sekundärspulenanordnung aufweisenden Leiterplatte aufgebracht beziehungsweise darin, insbesondere in einer zwischen zwei Außenschichten der jeweiligen Leiterplatte eingebetteten Innenschicht, angeordnet werden. Es ist als keine separate Verdrahtung der Leistungselektronik mehr notwendig.
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Vorzugsweise weist die Leiterplatte deshalb eine Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten auf, wobei die Primärspulenanordnung und/oder die Sekundärspulenanordnung sowie eventuell auch weitere elektrische bzw. elektronische Bauteile in bzw. auf einer durch mindestens zwei Außenschichten eingeschlossenen Innenschichten angeordnet bzw. in dieser Innenschicht integriert sind.
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Zum Laden der Energiespeichereinrichtung des Fahrzeuges, welche beispielsweise eine Akkumulatoreinheit oder eine Batterie sein kann, wird das Fahrzeug zumindest bereichsweise über die Leiterplatte mit der Primärspulenanordnung bewegt, so dass die dem Fahrzeug zugeordnete Leiterplatte mit der Sekundärspulenanordnung vorzugsweise parallel oberhalb der Primärspulenanordnung ausgerichtet ist, um mittels induktiver Übertragung eine berührungslose Übertragung von elektrischer Energie von der Primärspulenanordnung an die Sekundärspulenanordnung zu ermöglichen.
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Die berührungslose bzw. kontaktlose Verbindung bzw. Übertragung zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspulenanordnung verursacht im Schnittstellenbereich zwischen den beiden Spulenanordnungen vorteilhaft keinen Verschleiß der Vorrichtungen bzw. Bauteile durch Reibung etc. sowie ebenfalls auch keine Beeinträchtigung der Übertragung durch beispielsweise auftretende Korrosion.
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Die Spulen bzw. die Wicklungen der Spulen, insbesondere der Planarspulen der Leiterplatten sind vorteilhaft gegen Verschmutzungen durch Fremdstoffe, Flüssigkeiten oder Gase durch die Außenschichten der jeweiligen Leiterplatte, welche die Spule selbst im Wesentlichen hermetisch abdichten, geschützt.
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Die mit der kontaktlosen Verbindung einhergehende galvanische Trennung ermöglicht, dass die Übertragung von elektrischer Energie auch in Bereichen mit Explosionsschutz eingesetzt werden kann, wobei jedoch bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu beachten ist, dass zwischen elektrischen Leitern der Umgebung Funken entstehen könnten.
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Vorzugsweise ist mindestens eine Spule, insbesondere eine Planarspule, mit einer im Wesentlichen in zwei übereinander liegenden Ebenen angeordneten Wicklung in beziehungsweise auf der Leiterplatte angeordnet.
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Zur Vereinfachung der Platzierung bzw. erfindungsgemäß Ausrichtung der Sekundärspulenanordnung und oder der Primärspulenanordnung weist die erste Leiterplatte ein Mittel auf, um die Leiterplatte in der Ebene ihrer Längserstreckung zu verschwenken. Es werden also im Wesentlichen beweglich angeordnete Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung geschaffen.
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Dieses Mittel ist erfindungsgemäß als Drehpunkt ausgebildet, welcher in einem Eckbereich der ersten Leiterplatte angeordnet ist. Dabei ist die Primärspulenanordnung oder auch eine entsprechende Bodenplatte, in welcher die Primärspulenanordnung eingebracht ist, vorzugsweise um einen Drehpunkt drehbar beziehungsweise schwenkbar gelagert werden, so dass eine Positionierung der Primärspulenanordnung in x-, sowie in y-Richtung ermöglicht wird.
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Das Fahrzeug mit der entsprechend angeordneten Sekundärspulenanordnung kann dann auch derart oberhalb Primärspulenanordnung abgestellt werden, dass die Sekundärspulenanordnung und die Sekundärspulen anfänglich nicht zur optimalen Energieübertragung zu der Primärspulenanordnung und den Primärspulen ausgerichtet sind. Durch eine Drehung der Primärspulenanordnung ist es möglich die Primärspulenanordnung zu der Sekundärspulenanordnung zu der Primärspulenanordnung auszurichten, so dass diese im Wesentlichen derart kongruent übereinander - in Höhenrichtung des Fahrzeuges betrachtet positioniert sind, dass die Primärspule zur Übertragung der Energie an die Sekundärspule verwendet werden kann. In diesem Falle wird erfindungsgemäß die Primärspulenanordnung relativ zu der Sekundärspulenanordnung bewegt.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bauteilbestückung in einer Draufsicht;
- 4 Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche beweglich um einen Drehpunkt gelagert ist;
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Bauteilbestückung in einer Draufsicht, wobei die Bauteile 4 hierbei zumindest in den Eckbereichen der Leiterplatte 7, 7' angeordnet sind. Die Spule 3, 9, 9' und insbesondere die erste Wicklung 3a bzw. der erste Wickelbereich 3a zeigt schematisch, dass der vorzugsweise verwendete Kupferdraht, welcher beispielsweise einen Durchmesser von 4mm2 aufweist, von außen nach innen in Richtung des Zentrums der Leiterplattenfläche derart gewickelt ist, dass die Wicklung 3a im Wesentlichen in einer Ebene liegt.
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In einer zweiten Ebene, welcher vorzugsweise in Dickenrichtung D der Leiterplatte 7, 7' betrachtet unterhalb der ersten Ebene liegt, weist die Spule 3, 9, 9' eine zweite Wicklung 3b bzw. einen zweiten Wickelbereich 3b auf, der sich durch eine von innen; d.h. vom Zentrum der Leiterplatte 7, 7' nach außen gerichtete Wicklung auszeichnet. Der Wickeldraht ist zwischen dem ersten Wickelbereich 3a und dem zweiten Wickelbereich 3b nicht unterbrochen, sondern wird vom ersten Wickelbereich 3a im Wesentlichen senkrecht in die zweite Ebene geführt, um dort als zweiter Wickelbereich 3a in Schneckenform nach außen gerichtet gewickelt zu werden.
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Wie in 1 dargestellt, ist der zweite Wickelbereich 3b der Wicklung zumindest, in Längsrichtung L betrachtet, leicht seitlich zu dem ersten Wickelbereich 3a der Wicklung versetzt, so dass die Wicklungen des zweiten Wickelbereiches 3a im Wesentlichen zwischen den Wicklungen des ersten Wickelbereiches 3a liegen, wodurch eine entsprechende Wicklungsdichte erzeugt werden kann, ohne dass ein erforderlicher Abstand A zwischen den Drahtbereichen der Wicklung unterschritten werden muss.
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Der Abstand A zwischen den Drahtbereichen der Wicklung kann beispielsweise mit einem Füllmaterial, wie beispielsweise Epoxidharz, gefüllt werden, um eine Positionierung und ausreichende Abschirmung der Drahtbereiche zueinander zu gewährleisten.
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In der 4 ist eine Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, welches beweglich um einen Drehpunkt 10 gelagert ist.
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Die Spulenanordnung 1 weist hierbei lediglich eine Spule 3, 9 auf und ist mittels eines Eckbereiches der Leiterplatte 7 oder auch eines Tragelementes (hier nicht gezeigt) der Leiterplatte 7 an einem Drehelement (hier nicht gezeigt) angeordnet. Dieses Drehelement ist lediglich einen Vorsprung oder einen Zahnradelement, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird, um eine Drehung der Leiterplatte 7 zu bewirken.
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Eine Drehung der Leiterplatte 7 kann ebenfalls aufgrund der entstehenden Induktion oder Kapazität in den Spulen, d.h. durch das ausgelöste Magnetfeld bewirkt werden, wenn eine zweite Spulenanordnung (hier nicht gezeigt), welches beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet ist, über die hier gezeigte Spulenanordnung 1, 2 positioniert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärspulenanordnung
- 2
- Sekundärspulenanordnung
- 3
- Spule
- 3a
- erster Wicklungsbereich
- 3b
- zweiter Wicklungsbereich
- 4
- Bauteil
- 7
- Leiterplatte
- 7'
- Leiterplatte
- 9
- Planarspule
- 9'
- Planarspule
- 18
- Mittel
- 19
- Drehpunkt
- A
- Abstand
- D
- Dickenrichtung
- L
- Längsrichtung
- R
- Drehrichtung
- x
- x-Richtung
- y
- y-Richtung
