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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf eine zu dieser korrespondierenden Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf eine dazu korrespondierende Vorrichtung eines Fahrzeugs.
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Zur Übertragung elektrischer Energie kann bekanntermaßen feldgebundene Energieübertragung eingesetzt werden. Insbesondere die induktive Übertragung von Energie hat aufgrund einer hohen Energiedichte Vorteile gegenüber anderen Übertragungsarten. Bei dieser wird die elektrische Energie über ein magnetisches Wechselfeld innerhalb eines luftspaltbehafteten Systems übertragen. Das Spulensystem besteht aus zwei Spulen: einer Primärspule, die über eine Stromquelle gespeist wird und eine Sekundärspule, die dem Verbraucher die elektrische Energie zur Verfügung stellt.
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Soll die Vorrichtung im Umfeld von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, so ist die Primärspule üblicherweise in einer Ladestation am Boden angeordnet. Die Sekundärspule befindet sich typischerweise im Kraftfahrzeug. Der Luftspalt des Spulensystems hängt von der geometrischen Ausgestaltung der Komponenten ab, in denen die Primärspule und die Sekundärspule integriert sind. Bei der Ladung des Energiespeichers eines Fahrzeugs ist der Luftspalt des Systems typischerweise durch die Bodenfreiheit des Fahrzeugs bestimmt.
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Allgemein hängt die elektrische Auslegung der Primärspule vom Gesamtspulensystem ab. Der mechanische Aufbau wird durch die speziellen Anforderungen eventuell bestehender Richtlinien bestimmt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die kontaktlose Übertragung von Energie auf eine zu dieser korrespondierenden Vorrichtung baulich und/oder funktional verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf eine zu dieser korrespondierenden Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Spule, deren Spulenwicklungen in einer Ebene angeordnet sind. Die Spule ist über eine Ferritschicht auf einer ersten Hauptseite einer metallischen Trägerplatte angeordnet. Die Trägerplatte umfasst einen Randschirm, der eine Höhe aufweist, die zumindest bis zum Abschluss der Oberkante der Spule reicht.
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Die Trägerplatte und der Randschirm bilden zusammen eine Schirmwanne aus. Die Trägerplatte und der Randschirm können einteilig ausgebildet sein. Ebenso können die Trägerplatte und der Randschirm als zwei getrennt voneinander hergestellte Bauteile bereitgestellt werden, welche dann in der Vorrichtung mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Verbindung von Bodenplatte und Randschirm kann kraft- und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgen. Vorzugsweise unterscheidet sich die Gestalt der aus zwei Bauteilen hergestellten Schirmwanne nicht von einer einteilig hergestellten Schirmwanne.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die im Betrieb der Spule erzeugten Flusslinien durch die Trägerplatte in einer Richtung senkrecht zur Trägerplatte abgeschirmt werden. Zusätzlich wird durch den Randschirm der Trägerplatte auch eine Schirmwirkung parallel zur Ebene der Spule, d.h. in seitlicher Richtung, erzielt. Hierdurch kann die Vorrichtung mit hoher Leistung betrieben werden, wobei sichergestellt ist, dass in einem Bereich seitlich außerhalb der Spulen keine Flusslinien auftreten können.
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Dies wird zusätzlich dadurch begünstigt, dass die Spule über die Ferritschicht auf der Trägerplatte angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch den Skin-Effekt entstehende Wirbelströme das im Inneren der Schirmwanne erzeugte magnetische Feld hauptsächlich innerhalb dieser Schirmwanne gehalten werden kann, wodurch entsprechende magnetische Grenzwerte eingehalten werden können.
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Vorzugsweise verläuft der Randschirm entlang eines Rands der Trägerplatte. Wahlweise kann der Randschirm auf einer ersten Hauptseite der Trägerplatte oder um die erste Hauptseite herum verlaufen. Weiter bevorzugt ist es, wenn der Randschirm den Rand der Trägerplatte zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umläuft. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine erwünschte oder maximierte Schirmwirkung zur Seite der Spule hin erzielt werden kann.
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Aus Gewichtsgründen ist es zweckmäßig, wenn die Trägerplatte und der Randschirm aus Aluminium bestehen. Alternativ kämen als Materialien auch alle anderen elektrisch leitfähigen Materialien in Betracht.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die geometrische Form der Ferritschicht von der geometrischen Form der Spule abweicht, wobei die Ferritschicht zumindest eine, über die äußerste Spulenwicklung hinausragende Fläche umfasst, so dass die Fläche der Ferritschicht größer als die Fläche der Spule ist. Gemäß dieser Ausgestaltung weisen die Trägerplatte und die Ferritschicht insbesondere eine gleiche geometrische Form auf. Dadurch, dass die von der Trägerplatte und der Ferritschicht eingenommene Fläche größer ist als die von der Spulenwicklung eingenommene Fläche kann eine höhere Kopplung zwischen der Spule der Vorrichtung und einer Spule einer korrespondierenden Vorrichtung erfolgen. Insbesondere weist die Ferritschicht über die Spule überstehende Ecken auf, welche die Feldführung durch den höheren Kopplungsgrad zwischen Primär- und Sekundärspule positiv beeinflussen.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Spulenwicklungen in einer spiralförmigen Nut eines Spulenträgers aufgenommen sind. Es versteht sich, dass der Spulenträger aus einem nichtleitenden Material besteht, um keinen Kurzschluss zwischen den einzelnen Spulen hervorzurufen. Die Anordnung der Spulenwicklungen in dem Spulenträger ermöglicht eine hohe mechanische Belastbarkeit der Vorrichtung, ohne dass die Spulen aufgrund der Belastung beschädigt werden. Hierdurch bedingt kann die Vorrichtung als Ladevorrichtung für ein Fahrzeug eingesetzt werden, welche auch mit einem Fahrzeug überfahrbar ist.
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Um einerseits die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern und andererseits einen festen Sitz der Spulenwicklungen in dem Spulenträger im späteren Betrieb der Vorrichtung sicherstellen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Nut auf einer ersten Hauptseite des Spulenträgers, welche der Ferritschicht zugewandt ist, an ihren gegenüberliegenden Kanten zumindest eine Einführschräge aufweist, sich in Richtung des Nutinneren zunächst verjüngt und dann, insbesondere kreisförmig erweitert. Durch diese besondere Form wird erreicht, dass die Spulenwicklung ohne weitere Befestigungsmittel in der Nut gehalten wird, auch wenn die Öffnungen der Nut in Schwerkraftrichtung nach unten weisen.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn auf einer zweiten Hauptseite, welche der ersten Hauptseite gegenüberliegt, eine oder mehrere Positionierspulen angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Spulenträger auch zum Schutz der Positionierspule(n) zu nutzen. In bekannter Weise dienen die Positionierspulen dazu, die relative Lage von Primär- und Sekundärspule zu bestimmen, um eine optimale Kopplung zwischen den beiden Spulen zu ermöglichen.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist zwischen der Spule und der Ferritschicht zumindest eine elastische Schicht, insbesondere eine Gummiplatte, angeordnet. Die elastische Schicht nimmt eventuell auf die Ferritschicht wirkende Kräfte auf, wie diese beim Überfahren der Vorrichtung mit einem Fahrzeug auftreten könnten. Insbesondere kann durch die elastische Schicht die Gefahr einer Beschädigung der Ferritschicht verringert werden.
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Die Gefahr der Beschädigung der Ferritschicht wird weiterhin dadurch verringert, dass die Ferritschicht aus einer Vielzahl an über einen Spalt voneinander beabstandeten Ferritelemente gebildet ist, wobei die Ferritelemente an der Trägerplatte, insbesondere über eine Klebeschicht, fixiert sind.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn auf der Trägerplatte zumindest eine elektronische Komponente, insbesondere eine Kondensatoranordnung und eine Gleichrichteranordnung, vorgesehen sind. Aus der Vorrichtung wird dann eine Gleichspannung ausgegeben. Dies bedeutet, es ist keine hochfrequente Wechselspannung außerhalb der Vorrichtung zu verarbeiten. Eine Vorrichtung zur Übertragung großer Energien kann damit billiger bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist die Handhabung der Vorrichtung im Montage- oder Fehlerfall sicherer.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Vorrichtung in einem elektrisch isolierenden und gegenüber Umwelteinflüssen abgedichteten Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse ist vorzugsweise zweiteilig aus einem Bodenteil und einem Deckelteil gebildet, welche miteinander verschraubt sind. Insbesondere wird als Material glasfaserverstärktes Epoxidharz verwendet. Dies erlaubt es, die Vorrichtung mit einer hohen Stabilität bereitzustellen, so dass auch das Überfahren der Vorrichtung mit einem Fahrzeug möglich ist.
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Um eventuell auftretende Druckbelastungen aufnehmen zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen der Spule und dem Deckelteil zumindest eine unter Druck komprimierbare Schicht angeordnet ist.
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Ebenso ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse ein Druckausgleichselement umfasst, über das ein Innenraum des Gehäuses mit der Umgebung verbunden ist. Ein Druckausgleichselement, welches beispielsweise aus einer Goretex-Membran gebildet sein kann, ermöglicht einerseits einen Druckausgleich und verhindert andererseits gleichzeitig das Eindringen von Feuchtigkeit und Wasser. Ein Druckausgleich ist insbesondere bei Temperaturänderungen und Luftdruckschwankungen zu gewährleisten. Das Druckausgleichselement ist vorzugsweise in einem sog. Anschlussfeld, über das die elektrische Kontaktierung der Vorrichtung erfolgt, vorgesehen.
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In einer Variante stellt die Vorrichtung eine erste Übertragereinheit dar, bei der die Spule eine Primärspule einer Ladevorrichtung für ein Fahrzeug ist, wobei die erste Übertragereinheit am Boden eines Stellplatzes für ein Fahrzeug angeordnet ist und eine Sekundärspule in einer korrespondierenden zweiten Übertragereinheit des Fahrzeugs angeordnet ist.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die Vorrichtung eine zweite Übertragereinheit, bei der die Spule eine Sekundärspule eine Ladevorrichtung ist, welche am Boden eines Fahrzeugs angeordnet ist und eine Primärspule in einer korrespondierenden ersten Übertragereinheit angeordnet ist.
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Die Vorrichtung ist in der ersten Variante am Erdboden angeordnet. In der zweiten Variante ist die Vorrichtung am Fahrzeugboden befestigt. Zum Laden eines Energiespeichers des Fahrzeugs fährt ein Fahrzeug mit der zweiten Übertragereinheit über die erste Übertragereinheit, so dass in der oben beschriebenen Weise eine Übertragung elektromagnetischer Energie erfolgen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie,
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2 eine perspektivische Darstellung einer fertiggestellten bodenseitigen Übertragereinheit,
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3 eine auseinandergezogene Darstellung der bodenseitigen Übertragereinheit gemäß 2,
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Anschlussfeldes der bodenseitigen Übertragereinheit gemäß 2,
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5 eine auseinandergezogene Darstellung einer Spuleneinheit der bodenseitigen Übertragereinheit von unten,
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6 eine auseinandergezogene Darstellung der Spuleneinheit von 5 von oben,
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7 einen Schnitt durch eine in 5 und 6 dargestellte Spuleneinheit,
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8 eine perspektivische Darstellung einer in einer Schirmwanne der bodenseitigen Übertragereinheit angeordneten Ferritschicht,
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9 eine perspektivische Darstellung einer fahrzeugseitigen Übertragereinheit,
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10 eine auseinandergezogene Darstellung der fahrzeugseitigen Übertragereinheit in 9,
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11 eine Schirmwanne der fahrzeugseitigen Übertragereinheit, in der eine Ferritschicht und elektronische Komponente angeordnet sind, und
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12 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung einer Spuleneinheit der fahrzeugseitigen Übertragereinheit aus 9.
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1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf eine nicht dargestellte dazu korrespondierende Vorrichtung. Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung kann es sich sowohl um eine bodenseitige Übertragereinheit 10, wie diese nachfolgend in den 2 bis 8 beschrieben wird, oder eine fahrzeugseitige Übertragereinheit 20, welche in den 9 bis 12 beschrieben wird, handeln.
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In 1 sind zu einer bodenseitigen Übertragereinheit 10 gehörige Elemente mit einem Bezugszeichen im 100-Bereich gekennzeichnet. Elemente, die zu einer fahrzeugseitigen Übertragereinheit gehörig sind, sind mit einem Bezugszeichen im 200-Bereich gekennzeichnet. In den weiteren Figuren sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Trägerplatte 100, 200. Entlang eines Rands der Trägerplatte 100, 200 ist ein Randschirm 110, 210 angeordnet. Der Randschirm 110, 210 umläuft den Rand der Trägerplatte 100, 200 vorzugsweise vollständig. Der Randschirm 110. 210 und die Trägerplatte 100, 200 können einteilig ausgebildet sein. Ebenso können diese als getrennte Bauteile bereitgestellt werden, welche in einem gesonderten Verarbeitungsschritt kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Zusammen bilden die Bodenplatte 100, 200 und der Randschirm 110, 210 eine Schirmwanne aus.
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Die Trägerplatte 100, 200 und der Randschirm 110, 210 können prinzipiell aus einem beliebigen, leitfähigen Material, wie z.B. einem Metallblech, bestehen. Insbesondere bei einer als fahrzeugseitige Übertragereinheit 20 ausgebildeten Vorrichtung 1 wird aus Gewichtsgründen Aluminium verwendet.
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Auf dem Boden der Schirmwanne bzw. der Trägerplatte 100, 200 ist eine Ferritschicht 108, 208 angeordnet. Die Ferritschicht kann beispielsweise mittels eines Klebers oder eines doppelseitigen Klebebandes mit der Trägerplatte 100, 200 verbunden sein.
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Auf der von der Trägerplatte abgewandten Hauptseite der Ferritschicht 108, 208 ist eine Spule 102, 202 angeordnet. Handelt es sich um eine Primärspule der bodenseitigen Übertragereinheit 10, so ist diese mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnet. Eine Sekundärspule der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 ist mit dem Bezugszeichen 202 gekennzeichnet.
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In der schematischen Darstellung besteht die Spule 102, 202 aus vier Spulenwicklungen 104, 106 bzw. 204, 206, wobei die tatsächliche Anzahl der Spulenwindungen von der Auslegung des Übertragersystems abhängt. Diejenigen Spulenabschnitte, bei denen ein Strom in die Blattebene hinein verläuft, sind mit dem Bezugszeichen 104, 204 gekennzeichnet. Spulenabschnitte, bei denen der Strom aus der Blattebene heraus verläuft, sind mit den Bezugszeichen 106, 206 gekennzeichnet.
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Der Randschirm 110, 210 ist von der Höhe derart bemessen, dass er zumindest bis zum Abschluss der Oberkante der Spule 102, 202 reicht. Prinzipiell ist es möglich, den Randschirm deutlich über den Abschluss der Oberkante der Spule 102, 202 hinaus zu ziehen. Keinesfalls sollte der Randschirm 110, 210 niedriger sein, da ansonsten eine durch den Randschirm 110, 210 bezweckte Schirmwirkung nicht erzielt wird.
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Durch die aus der Trägerplatte 100, 200 und den Randschirm 110 gebildete Schirmwanne wird eine Schirmwirkung von Flusslinien ermöglicht, die in zeichnerischer Darstellung nicht nur nach unten, sondern auch seitlich über die Ränder der Vorrichtung 1 hinaus wirkt. In Verbindung mit der in der Schirmwanne angeordneten Ferritschicht kann das im Inneren der Schirmwanne erzeugte magnetische Feld innerhalb der Schirmwanne gehalten werden. Insbesondere ist es hierdurch auch möglich, magnetische Grenzwerte einzuhalten. Die Ferritschicht verhindert zudem die Erwärmung der Wanne durch Wirbelströme. Die Wanne reduziert den Einfluss des Fahrzeugbodens auf das Gesamtsystem.
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Darüber hinaus ist die beschriebene Anordnung von einem isolierenden Gehäuse 112, 212 umgeben. Hierdurch ist ein mechanischer Schutz und ein Berührschutz gegeben.
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Die Festlegung von Spulengeometrie und Spulenparameter erfolgt sowohl für die bodenseitige Übertragereinheit 10 als auch für die fahrzeugseitige Übertragereinheit anhand von Systemkenngrößen, wie einer maximalen Ausgangsleistung, einem Wirkungsgrad, einem Frequenzbereich und dem zur Verfügung stehenden Bauraum. Sind diese Systemgrößen bekannt, so wird zunächst die Spulengeometrie festgelegt. Diese ist vornehmlich verantwortlich für die Einhaltung internationaler Richtlinien für magnetische Felder (ICNIRP) und hängt von dem zur Verfügung stehenden Bauraum der Sekundärspule in der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 ab. Anschließend wird die Windungszahl der beiden Spulenhälften festgelegt, die aus den Systemkenngrößen ermittelt werden kann. Da es sich bei der beschriebenen Vorrichtung um ein Resonanzwandlersystem handelt, kann in einem nächsten Schritt eine notwendige Serienkapazität errechnet werden. Mit diesem ausgelegten Spulensystem wird nun eine auftretende Verlustleistung abgeschätzt und es wird eine auftretende Temperaturerwärmung und -verteilung im Betrieb des Systems errechnet. Um Grenzwerte für magnetische Felder mit diesem System einhalten zu können, wird der in Verbindung mit 1 beschriebene mechanische Aufbau verwendet, der die Einhaltung der Grenzwerte garantiert.
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Die nachfolgend beschriebene bodenseitige Übertragereinheit 10 umfasst neben der reinen Energieübertragung (d.h. der Primärspule) ein Positioniersystem, da das Spulensystem – bestehend aus Primär- und Sekundärspule – nur innerhalb eines bestimmten lateralen Versatzes die elektrische Energie auf die Sekundärspule der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 übertragen werden kann. Hierzu ist in der bodenseitigen Übertragereinheit 10 eine Sendespule mit einer Verstärkereinheit vorgesehen, die ein Sendesignal aussendet. Dieses wird dann von Positionierspulen der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 empfangen und weiter verarbeitet.
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In der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 ist somit neben der Sekundärspule ebenfalls ein Positioniersystem vorgesehen. Dieses umfasst eine Mehrzahl an Empfangsspulen mit einer Signalverarbeitungseinheit, die die aktuelle relative Position der Sendespule der bodenseitigen Übertragereinheit zu einer der Empfangsspulen der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 bestimmt. Erst bei ausreichender Übereinstimmung der Position von bodenseitiger und fahrzeugseitiger Übertragereinheit 10, 20 erfolgt eine Freigabe für das Laden. Über die Positionsspulen der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 können dabei frühzeitig Informationen zur Positionskorrektur für das Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird zunächst der mechanische Aufbau der bodenseitigen Übertragereinheit 10 anhand der 2 bis 8 erläutert.
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2 zeigt die erfindungsgemäße bodenseitige Übertragereinheit 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Übertragereinheit 10 ist hierbei in ihrem endmontierten Zustand dargestellt. Erkennbar ist das isolierende Gehäuse 112, welches aus einem Deckelteil 114 und einem Bodenteil 116 besteht. Das Deckelteil 114 bildet ein Gehäuseoberteil, das Bodenteil 116 ein Gehäuseunterteil aus. In der perspektivischen Darstellung von 2 sind in dem Deckelteil 114 in eine Nut 115 eingelassene Metallschienen 118 zu erkennen. Jede der Metallschienen 18 weist eine Anzahl an Aussparungen auf, über welche eine Schraubverbindung des Deckelteils 114 mit dem Bodenteil 116 erfolgt. Entsprechende Metallschienen und korrespondierende Aussparungen können ebenfalls in dem Bodenteil 116 vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Schraubverbindungen als Senkschrauben ausgebildet. An der Unterseite des Bodenteils 116 sind Befestigungsstifte 128 angeordnet. Die Befestigungsstifte 128 können auch als Bolzen ausgeführt sein. Über die Befestigungsstifte 128 erfolgt eine mechanische Befestigung der bodenseitigen Übertragereinheit 10 am Boden. Die umlaufenden Ränder des Deckelteils 114 und des Bodenteils 116 sind mit einer Fase versehen, um beim Überfahren der Übertragereinheit 10 eine Beschädigung des Gehäuses oder anderer Komponenten zu vermeiden.
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Die in das Deckelteil 114 eingelassenen Metallschienen 118 sorgen für eine geringe Flächenpressung bei der Verschraubung von Deckelteil 114 und Bodenteil 116. Um eine Kerbwirkung zu vermeiden und damit ein Abreißen des Deckelrands beim Überfahren mit einem Fahrzeug zu verhindern, sind sowohl die Metallschienen 118 als auch die Nut 115 im Deckel mit umlaufenden Radien versehen. Die in dem Bodenteil 116 zur Verschraubung vorgesehenen Gewinde können als Gewindeeinsatzbuchsen ausgeführt sein.
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Das Deckelteil 114 und das Bodenteil 116 sind vorzugsweise aus einem glasfaserverstärktem Epoxidharz gebildet. Dieses ist in der Lage, mechanische Kräfte, wie diese beim Überfahren mit einem Fahrzeug auftreten, aufzunehmen. Ebenso kann ein derartiges Gehäuse den Umwelteinflüssen im Freien standhalten. Insbesondere ist das isolierende Gehäuse temperaturbeständig von –30 °C bis +80 °C. Glasfaserverstärktes Epoxidharz ist zudem UV- und Salzwasser-beständig. Zwischen dem Deckelteil 114 und Bodenteil 116 ist ein O-Ring als Dichtung eingelegt. Hierdurch ist das Gehäuse spritz- und strahlwasserbeständig.
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Mit dem Bezugszeichen 122 ist ein Anschlussfeld gekennzeichnet. Dieses ist in 4 vergrößert dargestellt. Das Anschlussfeld 122 umfasst eine Anzahl an Kabelverschraubungen 124, über die eine elektrische Kontaktierung der Spule im Inneren des Gehäuses und der weiteren elektrischen Komponenten erfolgen kann. Das Anschlussfeld 122 ist vorzugsweise mit dem Bodenteil 116 verschraubt und über O-Ringe abgedichtet. Durch die Kabelverschraubungen 124 hindurchgeführte Kabel werden ebenfalls abgedichtet. Darüber hinaus ist in dem Anschlussfeld 122 ein Druckausgleichselement 126 vorgesehen. Dieses kann beispielsweise als Goretex-Membran realisiert sein. Hierdurch wird bei Temperaturänderungen oder Luftdruckschwankungen ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der umgebenden Atmosphäre gewährleistet. Neben dem Druckausgleich verhindert das Druckausgleichselement weiterhin das Eindringen von Wasser.
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3 zeigt die in 2 dargestellte, bodenseitige Übertragereinheit 10 in einer auseinandergezogenen Darstellung. Nachfolgend erfolgt eine Beschreibung der Komponenten von oben nach unten.
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Das oberste Teil der bodenseitigen Übertragereinheit 10 bildet das bereits beschriebene Deckelteil 114. In dieser Darstellung ist die in das Deckelteil 114 eingelassene Nut 115 ersichtlich, in welche die korrespondierend ausgebildete Metallschiene(n) 118 samt der Mehrzahl an Schraubverbindungen 120 zur Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Bodenteil 116 eingelassen wird oder werden.
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Unterhalb des Deckelteils 114 sind zwei optionale elastische Schichten 134, 136 vorgesehen. Unterhalb der elastischen Schichten 134, 136 ist ein Spulenträger 130 angeordnet, in welchem die in 3 nicht näher dargestellte Primärspule eingelegt ist. Die beiden elastischen Schichten 134, 136 sind vorzugsweise geschlossen-porige Zellgummiplatten, optional unterschiedlicher Dicke. Hierdurch können durch die Kombination verschiedener Dicken die Toleranzen zwischen den in der Schirmwanne vorgesehenen Einbauten und dem Deckelteil 116 ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird die im Inneren des Gehäuses befindliche Luft im zusammengebauten Zustand der Übertragereinheit minimiert. Die elastischen Schichten 134, 136 unterstützen zudem das Deckelteil 114 und verteilen Druck, welcher auf das Deckelteil ausgeübt wird, nach unten.
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Auf der Unterseite des Spulenträgers 130 ist eine weitere isolierende Schicht 132, welche die Aufgabe eines Abstandshalters übernimmt, vorgesehen. Die isolierende Schicht 132 liegt auf der Ferritschicht 108 auf. Die isolierende Schicht 132 kann beispielsweise als Gummiplatte ausgebildet sein und eine Stärke von ca. 1 mm aufweisen. Sie gleicht Unebenheiten in der Ferritschicht aus und verteilt den Druck, der durch das Befahren des Deckelteils 114 entsteht. Da Ferrit sehr spröde ist und leicht brechen kann, sorgt die isolierende und elastische Schicht 132 ebenfalls für eine Druckverteilung, um die Ferritschicht vor Beschädigung zu schützen.
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Die Ferritschicht 108 ist, wie oben bereits erläutert, auf die Trägerplatte 100 aufgeklebt. Die Ferritschicht 108 nimmt nicht die gesamte Fläche der Trägerplatte 100 ein, so dass seitlich benachbart zu der Ferritschicht 108 elektronische Komponenten 138, 140 auf der Trägerplatte angeordnet werden können. Die Höhe der elektronischen Komponenten ist derart bemessen, dass diese ebenfalls nicht über den Randschirm 110 hinausragen. Bei der elektronischen Komponente 138 handelt es sich um Kondensatoren und einen Gleichrichter. Die elektronische Komponente umfasst einen RF-Transmitter für die ebenfalls in dem Spulenträger 130 angeordnete Positionierspule.
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Die Trägerplatte 100, die wie erläutert mit dem Randschirm 110 mechanisch fest verbunden ist, ist eine einer entsprechenden Aussparung des Bodenteils 116 eingelegt. Dabei steht der Randschirm 110 vorzugsweise nicht über die Wand der Ausnehmung des Bodenteils 116 hinaus.
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Mit dem Bezugszeichen 142 ist die zwischen dem Deckelteil 114 und dem Bodenteil 116 angeordnete Dichtung gekennzeichnet. Diese ist, wie erläutert, bevorzugt ein O-Ring.
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Gut erkennbar ist an einer der Stirnseiten des Bodenteils 116 das bereits beschriebene und in 4 vergrößert dargestellte Anschlussfeld 122.
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Eine derartige Vorrichtung kann im Freien eingesetzt werden. Sie ist temperatur-, druck-, UV-beständig sowie gegenüber Salzwasser und Spritz- und Strahlwasser geschützt. Sie nimmt sämtliche für die kontaktlose Übertragung von Energie erforderlichen Komponenten auf. Die Vorrichtung ist mit einem Fahrzeug überfahrbar. Darüber hinaus können die im ICNIRP enthaltenen Anforderungen für magnetische Felder eingehalten werden.
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Die 5 und 6 zeigen jeweils in einer auseinandergezogenen Darstellung die in dem Spulenträger 130 integrierten Komponenten, die zusammen eine Spuleneinheit bilden. 5 zeigt dabei den Spulenträger 130 von unten, d.h. in einer gegenüber der Einbausituation in 4 um 180° gedrehten Darstellung. 6 zeigt den Spulenträger von oben, d.h. in seiner korrekten Einbauposition.
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In dem Spulenträger 130 befindet sich (in Einbaulage) auf seiner Unterseite eine Mehrzahl an Nuten 131‘ für Positionierspulen 131. In der bodenseitigen Übertragereinheit 10 ist in diese Nuten 131‘ nichts eingelegt, da die Positionierspulen lediglich in der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 vorgesehen sind. Sind die Nuten, wie in 5 dargestellt, jedoch in dem Spulenträger 130 vorgesehen, so kann dieser als Gleichbauteil verwendet werden.
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Mit dem Bezugszeichen 144 ist eine Positionierspule 144 dargestellt, welche in eine Nut 131 der Unterseite (in Einbaulage) des Spulenträgers 130 eingelegt ist. Die Positionierspule 144, die größer als die Positionierspulen 244 der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 ist, ist lediglich in der bodenseitigen Übertragereinheit 10 vorgesehen.
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Auf der Oberseite des Spulenträgers 130 (wiederum in Einbaulage betrachtet) ist eine Nut 150 eingebracht, welche dem Verlauf der späteren Spule 102 entspricht (vgl. 6). In diese Nut 150 ist eine die Spule 102 ausbildende Litze eingelegt.
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In den 5 und 6 ist jeweils ferner die erste elastische Schicht 134 dargestellt, die an die Ferritschicht 108 grenzt.
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Die Spuleneinheit setzt sich somit aus dem Spulenträger 130, der Litze zur Ausbildung der eigentlichen Spule 102 und der ersten elastischen Schicht 134 sowie der Sendespule 144 zusammen. Bei der Montage wird die Litze in die spiralförmige Nut 150 des Spulenträgers 130 eingedrückt. Die Positionierspule 144 kann in ihre Nut 131 eingeklebt werden. Die in 7 im Querschnitt dargestellte Nut 150 des Spulenträgers 130 ist derart ausgebildet, dass sie von oben eine Einführschräge 156 besitzt. Nach unten hin verengt sich die Nut und erweitert sich schließlich wieder kreisförmig. Die Verjüngung der Nut ist mit dem Bezugszeichen 158, die kreisförmige Erweiterung mit dem Bezugszeichen 160 gekennzeichnet. Durch diese Form wird erreicht, dass die Litze ohne weitere Befestigungsmittel in der Nut gehalten wird. Dies ist weniger für die Primärspule der bodenseitigen Übertragereinheit 10 von Interesse als vielmehr für die Sekundärspule der fahrzeugseitigen Übertragereinheit, bei welcher die Öffnung der Nut 150 des Spulenträgers in Schwerkraftrichtung nach unten weist.
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Die isolierende Schicht 132, welche einen Abstandshalter ausbildet, stellt den Abschluss der Primärspule nach unten dar und schützt die Litze vor mechanischer Beschädigung.
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8 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Schirmwanne mit darin eingebrachter Ferritschicht 108. Die Ferritschicht 108 besteht aus einer Vielzahl an Ferritelementen 162, zwischen denen jeweils ein kleiner Spalt 164 ausgebildet ist. Hierdurch kann bei einer Temperaturveränderung eine mechanische Spannung zwischen den an die Trägerplatte 100 geklebten Ferritelementen und dem Material der Trägerplatte 110 aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden. Die Verklebung der Ferritelemente 162 mit der Trägerplatte 100 erfolgt vorzugsweise mit einem dauerelastischen doppelseitigen Klebeband. Es ist ausreichend, wenn zwischen den Ferriten ein Luftspalt von etwa 0,2 mm eingehalten ist.
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Der nicht von den Ferritelementen belegte Platz der Trägerplatte 100 wird von den, in 3 dargestellten, elektronischen Komponenten eingenommen.
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Aus der in etwa kreisrunden Gestalt der Primärspule 102 und der rechteckigen Gestalt der Ferritschicht 108 bzw. der Trägerplatte 100 ergibt sich, dass die Ferritschicht mehrere, über die äußerste Spulenwicklung hinausragende Flächen umfasst. Diese überstehenden Flächen der Ferritschicht 108 beeinflussen die Feldführung der Primärspule in positiver Weise. Mit den überstehenden Flächen lässt sich ein höherer Kopplungsgrad zwischen der Primärspule und der Sekundärspule der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 realisieren.
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Der nachfolgend beschriebene Aufbau der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 anhand der 9 bis 12 unterscheidet sich prinzipiell nicht von der vorangegangenen Beschreibung der bodenseitigen Übertragereinheit. Aufgrund der fahrzeugseitigen Befestigung der Übertragereinheit 29 ergeben sich jedoch geringfügige konstruktive Unterschiede.
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Die fahrzeugseitige Übertragereinheit 20 erfüllt folgende Bedingungen. Über die in 9 mit dem Bezugszeichen 228 gekennzeichneten Befestigungsstifte bzw. -bolzen kann eine vibrationssichere Aufhängung der Übertragereinheit an einem Fahrzeugboden erfolgen. Das isolierende Gehäuse 212, das sich aus einem Deckelteil 214 und einem Bodenteil 216 zusammensetzt, ist gegen Spritz- und Strahlwasser resistent. Dadurch, dass sämtliche Bestandteile des isolierenden Gehäuses wiederum aus glasfaserverstärktem Epoxidharz bestehen, ist dieses gegen Steinschlag sicher. Das Material stellt ebenfalls Stabilität gegenüber UV-Strahlung sicher. Durch das Vorsehen eines Druckausgleichselements in einem der mit dem Bezugszeichen 213 gekennzeichneten Kabelauslässe am Deckelteil 214 können aufgrund von Temperatur- und Druckänderungen auftretende Druckschwankungen ausgeglichen werden. Wie die bodenseitige Übertragereinheit nimmt die fahrzeugseitige Übertragereinheit sämtliche mechanischen, elektrischen und elektronischen Komponenten zur Ausbildung der kontaktlosen Übertragung von Energie auf. Ebenso ist die Einhaltung der in ICNIRP enthaltenen Anforderungen für magnetische Felder sichergestellt.
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9 zeigt die fahrzeugseitige Übertragereinheit 20 von der Gehäuseoberseite her, welche an den Fahrzeugunterboden des Fahrzeugs grenzt. Eine Befestigung des Deckelteils 214 an dem Bodenteil 216 erfolgt über eine Schraubverbindung. Hierzu ist in dem Deckelteil 214 eine umlaufende Nut 215 ausgebildet, in die eine Metallschiene 218 mit einer Vielzahl an Schraubverbindungen 220 eingelassen ist.
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Die elektrische Kontaktierung der im Inneren des Gehäuses 212 angeordneten Komponenten erfolgt, wie erläutert, über die Kabelauslässe 213, welche entsprechend dem Anschlussfeld 122 der bodenseitigen Übertragereinheit entsprechende Kabelverschraubungen und das Druckausgleichselement umfassen.
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10 zeigt die fahrzeugseitige Übertragereinheit 20 in einer perspektivischen auseinandergezogenen Darstellung. Die Übertragereinheit 20 umfasst von oben nach unten das Gehäuseoberteil 214, die Trägerplatte 200, den mit der Trägerplatte 200 zu verbindenden Randschirm 210, eine auf der Trägerplatte 200 angeordnete elektronische Komponente 238, eine elastische Kleberschicht 209, die Ferritschicht 208, eine isolierende Schicht 232 als Abstandshalter, einen Spulenträger 230 mit darin integrierter Sekundärspule und einer Anzahl an Positionierspulen, das Gehäuseunterteil 216, welches Befestigungsstifte bzw. -bolzen 217 für den Spulenträger 230 umfasst sowie einen Gewindestreifen 218‘ zur Befestigung sämtlicher Komponenten über die Schraubverbindungen 220.
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Das Deckelteil 214 und das Bodenteil 216 können alternativ oder zusätzlich zu einer Verschraubung auch verschweißt und/oder verklebt sein. Zwischen dem Deckelteil und dem Bodenteil ist wiederum ein O-Ring als Dichtung eingelegt. Um die Flächenpressung zwischen den Schraubverbindungen 220 und den Gehäuseteilen 214, 216 möglichst gering zu halten, verteilen die Metallschienen 218, 218‘ die Schraubkräfte.
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Die Trägerplatte 200 sowie der Randschirm 210 werden vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, um ein möglichst geringes Gewicht der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 zu erhalten. Aus Stabilitätsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Trägerplatte 8 mm oder größer ist, da die Trägerplatte eine tragende Funktion bei der Aufhängung der fahrzeugseitigen Übertragereinheit am Fahrzeugunterboden hat. Darüber hinaus dient die Trägerplatte als Wärmespreiz- und Entwärmungsfunktion für die Leistungselektronik der fahrzeugseitigen Übertragereinheit.
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Die elektrischen Leitungen werden über eine oder mehrere Kabelauslässe 213 aus der Übertragereinheit 220 herausgeführt. Die Deckel der Auslässe werden mit einem O-Ring auf den Kabelauslass geschraubt und abgedichtet. Vorzugsweise enthält jeder Kabelauslass eine PG-Verschraubung, um die herauszuführenden Kabel ebenfalls abzudichten. Das Druckausgleichselement entspricht dem in Verbindung mit der bodenseitigen Übertragereinheit beschriebenen Druckausgleichselement.
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11 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die auf der Trägerplatte 200 angeordnete bzw. verklebte Ferritschicht 208. Diese ist wiederum – wie bei der bodenseitigen Übertragereinheit – aus einer Anzahl an Ferritsegmenten 262 gebildet, welche über einen Spalt 264 voneinander beabstandet sind. Es ist ausreichend, wenn ein Luftspalt von 0,2 mm eingehalten ist. Die Ferritelemente 262 werden mit einem dauerelastischen doppelseitigen Klebeband auf die Trägerplatte 200 aufgeklebt. Die zwischen der Trägerplatte und dem verschraubten Spulenträger 130 angeordneten Ferritelemente werden von beiden Teilen zusätzlich noch geklemmt. Die Ausgestaltung der Ferritschicht mittels Ferritelementen ermöglicht bei Temperaturänderungen die Aufnahme mechanischer Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Trägerplatte und der Ferrite.
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Der Randschirm ist kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit der Trägerplatte 200 verbunden. Aus Fertigungsgründen und der beispielhaft von einem Rechteck abweichenden Grundform ist die Schirmwanne bei der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 zweiteilig ausgeführt. Dies ist jedoch nicht zwingend.
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Die nicht von den Ferritelementen eingenommene Fläche der Platte wird wiederum von elektronischen Komponenten 238, 240 ausgenutzt. Die mit dem Bezugszeichen 238 gekennzeichnete elektronische Komponente umfasst Kondensatoren und eine Gleichrichteranordnung. Die elektronische Komponente 240 stellt einen RF-Transmitter für die Positionierung dar.
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12 zeigt schließlich den Aufbau der Sekundärspule, bestehend aus dem Spulenträger 230, der Litze zur Ausbildung der Sekundärspule 202 der isolierenden Schicht 232 sowie der Empfangsspulen 244 der Positioniereinheit. Wie in Verbindung mit der bodenseitigen Übertragereinheit 10 beschrieben, wird bei der Montage die Litze in die spiralförmige Nut 250 des Spulenträgers 230 eingedrückt. Die Nut ist wiederum wie in Verbindung mit 7 beschrieben ausgebildet. Die isolierende Schicht 232 dient als elektrische Isolation gegenüber den Ferriten.
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Auf der Unterseite des Spulenträgers 230 sind die in 5 dargestellten Nuten 131‘ zur Aufnahme der Empfangsspulen 244 der Positioniereinheit vorgesehen. Die Spulen 244 werden in die entsprechend ausgebildeten Nuten 131‘ eingeklebt.
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Die Gestalt der Nut 250 verhindert, dass die Litze aus der Nut herausgleitet, da die Öffnung der Nut in Einbauposition der fahrzeugseitigen Übertragereinheit 20 in Schwerkraftrichtung nach unten zum Liegen kommt.
