DE102012209898A1

DE102012209898A1 - Anordnung zur induktiven drahtlosen Abgabe von Energie

Info

Publication number: DE102012209898A1
Application number: DE102012209898A
Authority: DE
Inventors: Thomas Komma
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-19
Also published as: FR2992113A1; JP2013258897A; US20130334891A1; CN103490526B; US9412514B2; CN103490526A; JP5822868B2

Abstract

Es wird eine Anordnung zur induktiven drahtlosen Übertragung von Energie auf eine Empfängerspule eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angegeben, umfassend eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige erste Spule, wobei die erste Spule mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden ist, und eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige zweite Spule, die ebenfalls mit der Stromversorgung verbunden ist, wobei die Verbindung der zweiten Spule mit der Stromversorgung derart gestaltet ist, dass die Stromrichtung in der zweiten Spule der Stromrichtung in der ersten Spule entgegen gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven drahtlosen Abgabe von Energie, insbesondere auf eine Empfängerspule eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, umfassend eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige Spule, wobei die Spule mit einer Stromversorgung verbindbar ist.
Bei der drahtlosen Ladung von Elektrofahrzeugen werden Wicklungen entweder im zirkularen Design oder im solenoiden Design verwendet. Zirkulares Design bezeichnet dabei eine Spule, bei der die Leitungen in einer Ebene spiralförmig verlaufen, solenoides Design bezeichnet eine Wicklung nach Art einer Spule. Eine Mischung beider Varianten ist wegen der nicht optimalen Kopplung nachteilig. Das solenoide Design ist bei gleicher Kopplung kleiner, verursacht jedoch höhere magnetische Flussdichten, was zu unzulässiger Erwärmung metallischer Körper im Bereich des Magnetfelds führen kann. Das zirkulare Design besitzt aufgrund seiner größeren Fläche weniger Flussdichte, ist jedoch schlechter am Fahrzeug montierbar.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur induktiven drahtlosen Übertragung von Energie anzugeben, mit der die Vermeidung der eingangs genannten Nachteile ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur induktiven drahtlosen Übertragung von Energie auf eine Empfängerspule eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs umfasst eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige erste Spule, wobei die erste Spule mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden ist. Weiterhin umfasst die Anordnung eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige zweite Spule, die ebenfalls mit der Stromversorgung verbunden ist, wobei die Verbindung der zweiten Spule mit der Stromversorgung derart gestaltet ist, dass die Stromrichtung in der zweiten Spule der Stromrichtung in der ersten Spule entgegen gerichtet ist.
Dabei handelt es sich bei der Anordnung bevorzugt um eine im Boden eingelassene Ladestation für elektrisch betrieben Fahrzeuge.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass durch die Aufteilung einer bodenseitigen zirkularen Wicklung auf zwei zirkulare Wicklungen mit unterschiedlichen Stromrichtungen die magnetisch aktive Fläche vergrößert und damit die Flussdichte verringert werden kann. Es entstehen zwei magnetische Feldstärkekeulen mit unterschiedlichen Richtungen, über denen jetzt auch vorteilhaft eine kleinere solenoide Wicklungsbauform – insbesondere eine fahrzeugseitige Wicklung – betrieben werden kann. Gleichzeitig wird dabei eine mögliche Erwärmung metallischer Fremdköroper, die über zulässige Maße hinausgeht, vermieden.
Die zirkulare Wicklung ist dabei eine Wicklung, bei der der elektrische Leiter im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist. Dabei kann die zirkulare Wicklung im Wesentlichen kreisförmig oder auch im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch ausgestaltet sein. Mit solenoider Bauform wird die Bauform bezeichnet, bei der die Wicklung nach Art einer Helix im Wesentlichen auf einem Zylindermantel verläuft.
Bevorzugt sind die erste und die zweite Spule in einer Ebene angeordnet. Hierdurch wird der nötige Bauraum minimiert und die Bauform flach, was beispielsweise dem Einbau als bodenseitige Ladestation zum Befahren mit elektrisch betriebenen Fahrzeugen entgegenkommt. Die Spulen sind dann zweckmäßig nebeneinander angeordnet.
Es ist ebenfalls zweckmäßig, die erste und die zweie Spule gleich groß zu gestalten. Da die elektrische Ansteuerung der Spulen deren Maße und Geometrie berücksichtigen muss, sorgt die gleichartige Gestaltung beider Spulen dafür, dass die Steuerung nicht unnötig komplex gestaltet werden muss.
Bevorzugt sind die Spulen derart zueinander angeordnet, dass der Abstand ihrer Mittelpunkte wenigstens so groß ist wie das eineinhalbfache ihres Durchmessers. Insbesondere ist der Abstand an die Spulengröße der fahrzeugseitigen Spulen angepasst.
Es ist zweckmäßig, ein Eisenkernelement, insbesondere Ferritelement, so anzuordnen, dass es vom Zentralbereich der ersten Spule bis zum Zentralbereich der zweiten Spule reicht.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
1 eine bodenseitige Spulenanordnung sowie eine fahrzeugseitige Spulenanordnung in Aufsicht,
2 die bodenseitige Spulenanordnung sowie eine fahrzeugseitige Spulenanordnung in Seitenansicht.
Die Figuren zeigen eine bodenseitig angeordnete Ladeeinrichtung für Elektrofahrzeuge zusammen mit einer fahrzeugseitigen solenoiden Spule, die dem Empfang von angebotener Energie dient. Die fahrzeugseitige Spule ist dabei an einem nicht weiter dargestellten Fahrzeug befestigt, während die bodenseitige Ladeeinrichtung in den Boden 10 eingelassen ist. 1 zeigt eine Sicht von oben auf die genannten Komponenten, während 2 eine Seitenansicht der Komponenten darstellt.
Die bodenseitig angeordnete Ladeeinrichtung umfasst eine erste zirkulare Wicklung 11 sowie eine koplanar angeordnete zweite zirkulare Wicklung 12. Beide Wicklungen 11, 12 sind gleich groß und im Prinzip gleichartig aufgebaut. Die Mittelpunkte der beiden Wicklungen 11, 12 liegen dabei etwas weiter auseinander, als ein fahrzeugseitiger Ferritkern 15 lang ist. Die zirkularen Wicklungen dieses Beispiels sind kreisförmig gestaltet. In einer alternativen Ausführungsform sind die zirkularen Wicklungen quadratisch aufgebaut, d.h. die elektrischen Leiter verlaufen abseits der Ecken der Wicklung geradlinig.
Ein Ferritelement 13 verbindet die Zentralbereiche der beiden Wicklungen 12, 13. Dazu umfasst das Ferritelement 13 zylinderförmige Stücke, die im Zentrum der beiden Wicklungen 12, 13 angeordnet sind und ein Verbindungsstück, das mechanisch fest mit den beiden zylinderförmigen Stücken gekoppelt ist und unterhalb der Wicklungen 12, 13 im Boden 10 verläuft.
Beide Wicklungen 12, 13 sind mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Die steuerbare Stromversorgung sorgt für die Ansteuerung der Wicklungen 12, 13, damit eine induktive Energieübertragung mit geeigneter Frequenz und damit Leistung ermöglicht wird. Dazu wird ein gesteuertes Wechselfeld an die Wicklungen 12, 13 angelegt, sofern ein Ladevorgang erwünscht ist. Hierzu umfasst die Ladeeinrichtung bevorzugt auch eine Kommunikationseinrichtung, die erlaubt, Parameter für den Ladevorgang wie die maximale Leistung o.ä. mit dem Elektrofahrzeug auszutauschen. Die steuerbare Stromversorgung ist dabei derart mit den Wicklungen 12, 13 verbunden, dass in den Wicklungen 12, 13 stets eine gegenläufige Stromrichtung herrscht. Es ist dabei zweckmäßig, dass anderweitig die Stromparameter in beiden Wicklungen 12, 13 gleich sind, d.h. die Stromstärke ist stets gleich, lediglich die Richtung vertauscht. Diese Situation wird durch die Stromrichtungspfeile 16 im Bereich der beiden Wicklungen 12, 13 verdeutlicht.
Normalerweise ist eine gleichzeitige Verwendung zirkularer und solenoider Wicklungen zur Ladung von Elektrofahrzeugen unvorteilhaft wegen der nicht optimalen magnetischen Kopplung. Durch die Anordnung und den Betrieb der Wicklungen 12, 13 wie im vorliegenden Beispiel dargestellt kann jedoch nun im Elektrofahrzeug eine verkleinerte solenoide Wicklung 14 mit einem passenden Ferritkern 15 verwendet werden. Diese wird idealerweise über den magnetischen Feldstärkekeulen angeordnet. Der vereinfachte Lauf des magnetischen Flusses 17 ist in 2 zur Verdeutlichung dargestellt. Die solenoide Wicklung 14 ist vorteilhaft einfacher im Elektrofahrzeug zu verbauen als eine vergleichbare zirkulare Wicklung.

Claims

Anordnung zur induktiven drahtlosen Abgabe von Energie, insbesondere auf eine Empfängerspule (14) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, umfassend eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige erste Spule (11), wobei die erste Spule (11) mit einer steuerbaren Stromversorgung verbunden ist, gekennzeichnet durch eine zirkular ausgebildete elektrisch leitfähige zweite Spule (12), die ebenfalls mit der Stromversorgung verbunden ist, wobei die Verbindung der zweiten Spule (12) mit der Stromversorgung derart gestaltet ist, dass die Stromrichtung in der zweiten Spule (12) der Stromrichtung in der ersten Spule (11) entgegen gerichtet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Spule (11, 12) koplanar angeordnet sind.
Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die erste und die zweie Spule (11, 12) gleich groß ausgebildet sind.
Anordnung gemäß Anspruch 3, bei der die erste und die zweite Spule (11, 12) so angeordnet sind, dass der Abstand ihrer Mittelpunkte wenigstens das eineinhalbfache ihres Durchmesser beträgt.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Eisenkernelement (13) so angeordnet ist, dass es vom Zentralbereich der ersten Spule (11) bis zum Zentralbereich der zweiten Spule (12) reicht.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die steuerbare Stromversorgung eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einem elektrisch betriebenen Fahrzeug aufweist, ausgestaltet, Steuerdaten für die elektrische Ladung vom Fahrzeug zu erhalten und daraufhin den in die Spulen (11, 12) gespeisten Strom auszurichten.