DE102013103157A1 - Kontaktloses Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Kraftfahrzeugs (1), mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14). Um das kontaktlose Aufladen eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher zu vereinfachen, ist die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) bewegbar, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands (16) zwischen der Primäreinheit (13) und der Sekundäreinheit (14) zu reduzieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit und einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit einer vorab beschriebenen Ladevorrichtung und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit.
  • Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich zum Beispiel um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, der über den elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Der elektrische Energiespeicher kann mit Hilfe einer Ladevorrichtung aufgeladen werden, wie sie zum Beispiel in der japanischen Veröffentlichung JP 2000-152512 offenbart ist. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 20011 003 436 A1 ist eine Ladesäule für ein Elektrofahrzeug offenbart, welche zum Aufladen des Elektrofahrzeugs über ein Ladekabel mit dem Elektrofahrzeug verbindbar ist, wobei die Ladesäule bezüglich eines Raums, insbesondere eines Hohlraums, ein- und ausfahrbar ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das kontaktlose Aufladen eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher zu vereinfachen.
  • Die Aufgabe ist bei einer Ladevorrichtung zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit, dadurch gelöst, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit bewegbar ist, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit zu reduzieren. Das kontaktlose Aufladen des fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeichers erfolgt vorzugsweise induktiv von der Primäreinheit über die Sekundäreinheit. Dabei soll unter induktiv insbesondere auch resonant induktiv verstanden werden. Die Primäreinheit und die Sekundäreinheit umfassen vorzugsweise jeweils mindestens eine elektrische Spule, die ein induktives Bauelement darstellt, und optional eine Kapazität bzw. ein kapazitives Bauelement zur Darstellung eines resonanten Schwingkreises. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, der aus dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei dem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs handelt es sich vorzugsweise um eine Traktionsbatterie. Die vorzugsweise fest installierte Primäreinheit ist vorzugsweise an ein stationäres Stromnetz angeschlossen. Die Primäreinheit und die Sekundäreinheit umfassen des Weiteren vorzugsweise jeweils eine Leistungselektronik. Durch eine geeignete Anordnung des Kraftfahrzeugs in Bezug auf die Primäreinheit wird die Sekundäreinheit in der Nähe zur Primäreinheit angeordnet. Wenn die Sekundäreinheit nahe genug bei der Primäreinheit angeordnet ist, dann stellen die Primäreinheit und die Sekundäreinheit einen Transformator dar, dessen Luftspalt durch den Abstand zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit definiert wird. Wenn der Luftspalt ausreichend klein ist, kann auf (resonant) induktivem Weg elektrische Energie vom stationären Stromnetz über die Primäreinheit und die Sekundäreinheit in den elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Durch die Bewegung der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit kann die Größe des Luftspalts zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit auf einfache Art und Weise minimiert werden. Das wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad bei der induktiven Energieübertragung aus.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit mit Hilfe einer fahrzeugseitigen Absenkeinrichtung auf die außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnete Primäreinheit zu bewegbar ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass das Absenken der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit überraschenderweise Vorteile bringt gegenüber einem Anheben der Primäreinheit relativ zu der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit. Beim Anheben der Primäreinheit hat sich die Positionierung der Primäreinheit relativ zu der Sekundäreinheit als nicht unkritisch erwiesen, insbesondere im Hinblick auf als Wirbelströme ausgebildete Fehlströme aufgrund von Metallteilen im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs, die sich ungünstig auf den Wirkungsgrad bei der (resonant) induktiven Energieübertragung auswirken. Die Positionierung muss daher sehr genau erfolgen, was diese sehr aufwendig macht.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung eine fluidtechnische Einrichtung umfasst. Die fluidtechnische Einrichtung kann zum Beispiel mindestens einen Fluidzylinder, zum Beispiel einen Hydraulikzylinder, umfassen, mit welchem die Sekundäreinheit abgesenkt werden kann.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung eine pneumatische Einrichtung umfasst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich die pneumatische Einrichtung, die zum Beispiel mindestens einen Pneumatikzylinder und/oder eine Pneumatikkammer umfasst, als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung eine aufblasbare Luftkammer umfasst, die so angeordnet, ausgeführt und mit der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit gekoppelt ist, dass eine Sekundärspule der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit beim Aufblasen der Luftkammer auf eine Primärspule der Primäreinheit zu bewegt wird. Die aufblasbare Luftkammer liefert unter anderem den Vorteil, dass sie nur ein geringes Gewicht aufweist. Unerwünschte Nebenströme oder Fehlströme, wie sie beim Anheben der Primäreinheit auftreten können, treten bei einer Verwendung der fahrzeugseitigen Absenkeinrichtung nicht auf, da sich keine sekundären Metallteile in der Nähe der Primäreinheit befinden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung eine Vorspanneinrichtung umfasst, durch welche die fahrzeugseitige Sekundäreinheit in eine Ruhestellung vorgespannt ist. Das liefert den Vorteil, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit auf einfache Art und Weise wieder in ihre Ruhestellung bewegt werden kann, indem einfach Luft aus der aufgeblasenen Luftkammer abgelassen wird. Die Rückstellbewegung der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit wird dann auf einfache Art und Weise durch die Vorspanneinrichtung bewirkt, ohne dass dafür Energie benötigt wird.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung eine Federeinrichtung umfasst. Die Federeinrichtung umfasst zum Beispiel eine Schraubenfeder, insbesondere eine Schraubenzugfeder, die in der aufblasbaren Luftkammer angeordnet, insbesondere eingespannt, ist.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Diese Anordnung hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnete Primäreinheit in oder auf einem Boden angeordnet ist, auf dem das Kraftfahrzeug abstellbar ist. Die Primäreinheit ist zum Beispiel in oder auf dem Boden eines Parkplatzes oder Garagenplatzes angeordnet.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Absenkeinrichtung, eine Primäreinheit und/oder eine Sekundäreinheit für eine vorab beschriebene Ladevorrichtung. Die genannten Bauteile sind separat handelbar.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit, die relativ zu einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit einer vorab beschriebenen Ladevorrichtung bewegbar ist, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit zu reduzieren. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
  • Bei einem Verfahren zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit einer vorab beschriebenen Ladevorrichtung und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Primäreinheit bewegt wird, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit zu reduzieren. Durch die erfindungsgemäße Minimierung des Luftspalts zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit kann die Energieübertragung von der Primäreinheit auf die Sekundäreinheit optimiert werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigen:
  • 1 eine vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, wobei sich eine fahrzeugseitige Sekundäreinheit in ihrer Ruhestellung befindet und
  • 2 das Kraftfahrzeug mit der Ladevorrichtung aus 1, wobei sich die fahrzeugseitige Sekundäreinheit in einer abgesenkten Stellung befindet.
  • In der 1 und 2 ist ein Kraftfahrzeug 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Bei dem Kraftfahrzeug 1 handelt es sich um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor, der aus einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 2 mit Energie versorgt wird.
  • Die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 ist in einem Unterbodenbereich und hier zwischen Vorderrädern 4 und Hinterrädern 5 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Das Kraftfahrzeug 1 steht mit den Vorderrädern 4 und den Hinterrädern 5 auf einem Boden 8. Bei dem Boden 8 handelt es sich zum Beispiel um den Boden einer Garage für das Kraftfahrzeug 1.
  • Das Kraftfahrzeug 1 umfasst in einem Unterbodenbereich 10 zwischen den Vorderrädern 4 und den Hinterrädern 5 eine zweite Spule 12, die an die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 angeschlossen ist. Die zweite Spule 12 des Kraftfahrzeugs 1 ist oberhalb einer ersten Spule 11 angeordnet, die in den Boden 8 eingebettet ist.
  • Die erste Spule 11 dient zur Darstellung einer außerhalb des Kraftfahrzeugs 1 angeordneten Primäreinheit 13. Die zweite Spule 12 dient zur Darstellung einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit 14.
  • Die beiden Spulen 11, 12 beziehungsweise Einheiten 13, 14 sind so ausgeführt und angeordnet, dass elektrische Energie (resonant) induktiv, berührungslos von der ersten Spule 11 auf die zweite Spule 12 übertragen werden kann, um die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 in dem Kraftfahrzeug 1 elektrisch aufzuladen. Eine physische Verbindung zwischen den Spulen 11, 12 ist nicht erforderlich.
  • Die berührungslose oder kontaktlose Übertragung der elektrischen Energie zwischen den Spulen 11 und 12 hat den Vorteil, dass jegliche Steckverbindungen entfallen können. Um bei der kontaktlosen Übertragung der elektrischen Energie zwischen den Spulen 11 und 12 einen guten Wirkungsgrad sicherzustellen, sollte ein Luftspalt oder Abstand 16 zwischen den beiden Spulen 11 und 12 minimiert werden.
  • Zu diesem Zweck ist eine Absenkeinrichtung 20 für die fahrzeugseitige Sekundäreinheit 14 in das Kraftfahrzeug 1 integriert. Die Absenkeinrichtung 20 ermöglicht es, die fahrzeugseitige Sekundäreinheit 14, insbesondere die zweite Spule 12, die auch als Sekundärspule bezeichnet wird, abzusenken, wie in 1 durch einen Pfeil 21 angedeutet ist.
  • Durch die Absenkeinrichtung 20 kann die Sekundäreinheit 14 beziehungsweise die Sekundärspule 12 auf die erste Spule oder Primärspule 11 zu bewegt werden, um den Luftspalt oder Abstand 16 zwischen den beiden Spulen 11, 12 zu minimieren. In 1 ist die Absenkeinrichtung 20 mit der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit 14 in einer Ruhestellung dargestellt.
  • In der Ruhestellung der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit 14 ist eine Öffnung zum Absenken der Sekundäreinheit 14 im Unterbodenbereich 10 des Kraftfahrzeugs 1 vorteilhaft durch eine geeignete Abdeckung verschlossen. Die (nicht dargestellte) Abdeckung kann zum Beispiel verschiebbar im Unterbodenbereich 10 des Kraftfahrzeugs 1 geführt sein.
  • In einer Schließstellung der Abdeckung ist die Öffnung im Unterbodenbereich 10 des Kraftfahrzeugs 1 verschlossen. In den 1 und 2 ist die Öffnung im Unterbodenbereich 10 des Kraftfahrzeugs 1 geöffnet dargestellt.
  • Die Absenkeinrichtung 20 ist in den 1 und 2 vereinfacht in Form eines Ausbruchs dargestellt. Die Absenkeinrichtung 20 ist als fluidtechnische, insbesondere pneumatische, Einrichtung 23 ausgeführt. Die fluidtechnische, insbesondere pneumatische, Einrichtung 23 umfasst eine aufblasbare Luftkammer 25.
  • In 1 ist die aufblasbare Luftkammer 25 in einem nicht aktivierten Zustand dargestellt. In 2 ist die Luftkammer 25 aufgeblasen. Durch das Aufblasen der Luftkammer 25 wird die Sekundäreinheit 14, wie man in 2 sieht, auf die Primäreinheit 13 zu bewegt, so dass der Luftspalt oder Abstand 16 zwischen der Primäreinheit 13 und der Sekundäreinheit 14 minimiert wird. Die Absenkeinrichtung 20 umfasst des Weiteren eine Vorspanneinrichtung 26. Die Vorspanneinrichtung 26 umfasst eine vorgespannte Federeinrichtung, die in der aufblasbaren Luftkammer 25 angeordnet beziehungsweise eingespannt ist.
  • Die Federeinrichtung ist in der aufblasbaren Luftkammer 25 so vorgespannt, das die Sekundäreinheit 14 aus ihrer in 2 dargestellten Ladestellung aufgrund der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung 26 automatisch wieder in ihre in 1 dargestellte Ruhestellung zurückgestellt wird. Zu diesem Zweck muss lediglich eine Luftablassöffnung der aufblasbaren Luftkammer 25 geöffnet werden. Durch die Nutzung der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung 26 wird zum Zurückstellen der Sekundäreinheit 14 in ihre Ruhestellung keine zusätzliche Energie benötigt.
  • 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
    • JP 2000-152512 [0002]
    • DE 1020011003436 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Ladevorrichtung zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Kraftfahrzeugs (1), mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) bewegbar ist, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands (16) zwischen der Primäreinheit (13) und der Sekundäreinheit (14) zu reduzieren.
  2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) mit Hilfe einer fahrzeugseitigen Absenkeinrichtung (20) auf die außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordnete Primäreinheit (13) zu bewegbar ist.
  3. Ladevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung (20) eine fluidtechnische Einrichtung (23) umfasst.
  4. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung (20) eine pneumatische Einrichtung (23) umfasst.
  5. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung (20) eine aufblasbare Luftkammer (25) umfasst, die so angeordnet, ausgeführt und mit der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14) gekoppelt ist, dass eine Sekundärspule (12) der fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14) beim Aufblasen der Luftkammer (25) auf eine Primärspule (11) der Primäreinheit (13) zu bewegt wird.
  6. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Absenkeinrichtung (20) eine Vorspanneinrichtung (26) umfasst, durch welche die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) in eine Ruhestellung vorgespannt ist.
  7. Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (26) eine Federeinrichtung umfasst.
  8. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) in einem Unterbodenbereich (10) des Kraftfahrzeugs (1) angeordnet ist.
  9. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordnete Primäreinheit (13) in oder auf einem Boden (8) angeordnet ist, auf dem das Kraftfahrzeug (1) abstellbar ist.
  10. Absenkeinrichtung (20), Primäreinheit (13) und/oder Sekundäreinheit (14) für eine Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (2) und einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14), die relativ zu einer außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) einer Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bewegbar ist, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands (16) zwischen der Primäreinheit (13) und der Sekundäreinheit (14) zu reduzieren.
  12. Verfahren zum kontaktlosen Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Kraftfahrzeugs (1), mit einer außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) einer Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass die fahrzeugseitige Sekundäreinheit (14) relativ zu der außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) angeordneten Primäreinheit (13) bewegt wird, um die Größe eines Luftspalts oder Abstands (16) zwischen der Primäreinheit (13) und der Sekundäreinheit (14) zu reduzieren.
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