DE102013215046A1

DE102013215046A1 - Lademodul, Elektrofahrzeug und Ladestation

Info

Publication number: DE102013215046A1
Application number: DE102013215046.6A
Authority: DE
Inventors: Franz Eiermann; Klaus Huber; Richard Roskosch; Johanna Dorothee Schöpfer; Claus Seisenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Das Lademodul zum induktiven Laden insbesondere eines Elektrofahrzeugs umfasst eine Ladespule (5) sowie eine magnetische Antenne (50, 150, 160, 190), wobei die magnetische Antenne (50, 150, 160, 190) zur Kopplung an ein Antennenmagnetfeld (BSA) nahezu oder vollständig optimiert angeordnet oder ausgebildet ist, welches senkrecht zu einer solchen Richtung orientiert ist, in welche sich am Ort der Antenne (50, 150, 160, 190) bei einer Bestromung der Ladespule allein das magnetische Feld der Ladespule (5) richtete.

Description

Beim induktiven Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen sind zusätzlich zu einer Ladespule zum induktiven Laden auch Antennen für bestimmte Peripherieanwendungen erforderlich.
Solche Peripherieanwendungen stellen etwa eine Positionskontrolle des Elektrofahrzeugs zur Ladefreigabe oder aber eine Überwachung eines Luftspalts, durch welches hindurch sich beim induktiven Laden ein induktives Ladefeld von der Ladestation zum Elektrofahrzeug hin erstreckt, dar. Eine solche Überwachung überwacht den Luftspalt auf Materialien oder Lebewesen innerhalb des Luftspalts. Ferner können solche Peripherieanwendungen in einem Datenaustausch von Ladestation und Ladeempfangsstation am Elektrofahrzeug bestehen.
Antennen für Peripherieanwendungen sind naturgemäß von Ladespulen beabstandet, da das induktive Magnetfeld der Ladespulen diese erhitzen und beschädigen kann. Ferner können solche Antennen den Wirkungsgrad beim induktiven Laden herabsetzen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Lademodul zum induktiven Laden insbesondere von Elektrofahrzeugen anzugeben. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein entsprechend verbessertes Elektrofahrzeug sowie eine verbesserte Ladestation zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Lademodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Elektrofahrzeug mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Ladestation mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Lademodul zum induktiven Laden insbesondere eines Elektrofahrzeugs umfasst eine Ladespule sowie eine magnetische Antenne, wobei die magnetische Antenne zur Kopplung an ein Antennenmagnetfeld nahezu oder vollständig optimiert angeordnet oder ausgebildet ist, welches senkrecht zu einer solchen Richtung orientiert ist, in welche sich am Ort der Antenne bei einer Bestromung der Ladespule allein das magnetische Feld der Ladespule richtete.
Bei dem erfindungsgemäßen Lademodul ist es vorteilhaft nicht erforderlich, Antennen für Peripherieanwendungen einerseits und Ladespulen andererseits voneinander beabstandet vorzusehen. Zugleich koppeln das magnetische Feld der Ladespule sowie das magnetische Feld der zumindest einen magnetischen Antenne miteinander nicht.
Unter einem Magnetfeld im Sinne dieser Erfindung ist stets das Feld der magnetischen Induktion (konventionell als „B-Feld“ bezeichnet) zu verstehen.
Unter einer nahezu optimierten Anordnung im Sinne dieser Erfindung ist vorzugsweise eine Anordnung zu verstehen, die von einer optimalen Anordnung um höchstens 5 Winkelgrad, vorzugsweise um höchstens 2 Grad und idealerweise um höchstens ein halbes Grad von der optimalen Anordnung abweicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Lademodul zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen mit einer Ladespule und mit einer Schmetterlingsantenne,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lademoduls mit einer Ladespule und mit mehreren Schleifenantennen,
3 eine magnetische Antenne mit zwei elektrisch miteinander gekoppelten Schleifen als Bestandteil weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lademodule,
4 ein erfindungsgemäßes Elektroauto sowie
5 eine erfindungsgemäße Ladestation für Elektroautos.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Lademodul 1 umfasst eine induktive Ladespule 5. Die Ladespule 5 erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, mittels welchem Induktionsspannungen zwecks drahtloser Energieübertragung in einer zur dargestellten Ladespule korrespondierenden und nicht dargestellten Ladespule eines Elektrofahrzeugs induziert werden. Die Ladespule des Elektrofahrzeugs ist mit einer Elektrobatterie des Elektrofahrzeugs leitend verbunden.
Die Ladespule 5 weist einen Ferritkern 10 auf, welcher die Gestalt eines quaderförmigen Flachteils mit zwei einander abgewandten Flachseiten 20, 25 und zwei einander abgewandten Schmalseiten 30, 35 aufweist. Die Ladespule weist Windungen 40 auf, welche den Ferritkern 10 umfänglich entlang der Flachseiten 20, 25 und entlang der Schmalseiten 30, 35 umwinden. Die Windungen verlaufen dabei geschraubt, d.h. umfänglich um die sowie längs entlang der Richtung einer Spulenachse A, welche sich mittig zwischen und parallel zu den Schmalseiten 30, 35 sowie mittig zwischen und parallel zu den Flachseiten 20, 25 durch Stirnseiten 43, 46 des Ferritkerns 10 hindurch erstreckt.
Wie in 1 dargestellt umfasst das erfindungsgemäße Lademodul 5 zudem eine magnetische Antenne in Gestalt einer magnetischen Schmetterlingsantenne 50. Die Schmetterlingsantenne 50 weist die Topologie einer zu einer 8-förmigen Schleife verdrillten Kreisschleife auf.
Die Schmetterlingsantenne 50 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Schleifenebene, welche parallel zu einer Flachseite 20 der Ladespule 5 orientiert und um weniger als die Dicke, d.h. das Schmalmaß einer Schmalseite 30, des Ferritkerns 10 von der Flachseite 20 befindlich ist. In Richtung der Spulenachse A ist die Schmetterlingsantenne 50 etwa mittig zwischen den Stirnseiten 43, 46 des Ferritkerns angeordnet.
Die magnetische Schmetterlingsantenne 50 ist wie an sich bekannt optimiert orientiert für eine Kopplung mit einem Magnetfeld B_SA, welches senkrecht zur Schleifenebene der Schmetterlingsantenne 50 orientiert ist. Am Ort der Schmetterlingsantenne verlaufen die magnetischen Feldlinien des Magnetfeldes der Ladespule 5 nahezu genau entlang der Spulenachse A und somit nahezu genau in der Schleifenebene. Somit ist dasjenige Magnetfeld, für dessen Kopplung die Schmetterlingsantenne 50 optimiert orientiert ist, am Ort der Schmetterlingsantenne 50 nahezu senkrecht zum Magnetfeld B_LS der Ladespule 5, mithin auch senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds B_LS der Ladespule 5, orientiert.
Wie in 2 anhand des Lademoduls 100 dargestellt kann das Lademodul 1 anstelle einer Schmetterlingsantennen 50 auch eine andere Schleifenantenne, etwa eine Schleifenantenne 150 mit einer einfachen ringförmigen Schleife aufweisen. Auch diese ringförmigen Schleifenantenne 150 ist etwa mittig zwischen den Stirnseiten 43, 46 des Ferritkerns 10 angeordnet und erstreckt sich mit ihrer Schleife entlang einer Schleifenebene, welche parallel zur der Schleifenantenne 150 nahen Flachseite 20 des Ferritkerns 10 orientiert ist. Auch die Schleifenantenne 150 ist um weniger als die Dicke, d.h. das Schmalmaß einer Schmalseite 30, des Ferritkerns 10 von der Flachseite 20 beabstandet angeordnet.
Auch in diesem Falle ist die Schleifenantenne 150 wie an sich bekannt optimiert orientiert für eine Kopplung mit einem Magnetfeld, welches senkrecht zur Schleifenebene der Schleifenantenne 150 orientiert ist. Auch im in 2 dargestellten Fall verlaufen am Ort der Schleifenantenne die magnetischen Feldlinien des Magnetfeldes der Ladespule 5 nahezu genau entlang der Spulenachse A und somit nahezu genau in der Schleifenebene der Schleifenantenne 150. Somit ist dasjenige Magnetfeld, für dessen Kopplung die Schleifenantenne 150 optimiert orientiert ist, am Ort der Schleifenantenne 150 nahezu senkrecht zum Magnetfeld der Ladespule 5, mithin auch senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds der Ladespule 5, orientiert.
Ferner sind im in 2 dargestellten Falle Schleifenantennen 160, welche ebenfalls mit einer einfachen ringförmigen Schleife ausgebildet sind, am Randbereich der Ladespule 5, d.h. den Stirnseiten 43, 46 des Ferritkerns 10 näher als der axialen Mitte des Ferritkerns 10 entlang der Spulenlängsachse A, angeordnet. Auch diese Schleifenantennen 160 am Randbereich der Ladespule 5 sind um weniger als die Dicke, d.h. das Schmalmaß einer Schmalseite 30, des Ferritkerns 10 von der ihnen nahen Flachseite 20 des Ferritkerns 10 beabstandet befindlich. An den Randbereichen der Ladespule 5 weicht die Richtung des Magnetfeldes der Ladespule B_LS von derjenigen Richtung, entlang welcher sich die Spulenlängsachse A erstreckt, in an sich bekannter Weise deutlich ab, d.h., die magnetischen Feldlinien verlaufen schräg zur Spulenlängsachse A. Die Schleifenantennen 160 am Randbereich der Ladespule 5 sind mit ihren Schleifenebenen derart gegenüber der ihnen nahen Flachseite des Ferritkerns 10 geneigt, dass diese Schleifenantennen 160 zur Kopplung mit einem Magnetfeld B_SA optimiert orientiert sind, welches senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes B_LS der Ladespule 5, also senkrecht zum Magnetfeld B_LS der Ladespule 5, orientiert ist. Auch die Schleifenantennen 160 am Randbereich sind somit hinsichtlich des magnetischen Feldes von dem Magnetfeld B_LS vollständig entkoppelt.
Eine Optimierung der Orientierung der Schleifenantenne kann auch wie an sich bekannt elektronisch erfolgen. Wie in 3 dargestellt ist eine Schleifenantenne 190 dazu mit zwei Schleifen 200, 210 gebildet, welche sich entlang zueinander orthogonaler Ebenen erstrecken. Die zwei Schleifen 200, 210 sind jeweils für sich allein genommen jeweils zur Kopplung mit einem Magnetfeld B_SA ²⁰⁰ und B_SA ²¹⁰ optimiert angeordnet. Infolge der vektoriellen Addition der zueinander orthogonalen Magnetfelder B_SA ²⁰⁰, B_SA ²¹⁰ resultiert ein effektives Magnetfeld B_EFF.
Die beiden Schleifen 200, 210 sind zur vektoriellen Addition der Magnetfelder B_SA ²⁰⁰ und B_SA ²¹⁰ elektrisch miteinander über ein Widerstandsnetzwerk WNW gekoppelt. Mittels des Widerstandsnetzwerks WNW lassen sich die beiden zueinander orthogonalen Magnetfelder B_SA ²⁰⁰, B_SA ²¹⁰ derart abgleichen, dass das effektive Magnetfeld B_EFF senkrecht zu einem Magnetfeld der Ladespule B_LS orientiert ist.
Grundsätzlich kann die Schleifenantenne 190 auch mit zwei oder mehr Schleifen gebildet sein, welche sich nicht entlang zueinander orthogonaler Ebenen sondern entlang zueinander beliebig schräger, zumindest nicht paralleler Ebenen erstrecken. Entsprechend bleibt die Widerstandsanpassung der Schleifen der Schleifenantenne mittels des Widerstandsnetzwerks WNW zu modifizieren.
Die Schleifenantenne 190 kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen die Schleifenantennen 160 am Randbereich der Ladespule 5 ersetzen.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen Lademodule 1, 100 mit primären Ladespulen. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Lademodule 1, 100 stattdessen sekundäre Ladespulen auf; beispielsweise handelt es sich um Lademodule 1, 100 eines Elektrofahrzeugs.
Das in 4 dargestellte Elektrofahrzeug 400 weist ein Lademodul 1 auf. In einem weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Elektrofahrzeug anstelle eines Lademoduls 1 ein Lademodul 100 auf.
Die in 5 dargestellte Ladestation 500 ist als Ladestation 500 zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs, beispielsweise des Elektrofahrzeugs 400 gem. 4, ausgebildet. Die Ladestation 500 weist ein Lademodul 1 auf. In einem weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Ladestation 500 anstelle eines Lademoduls 1 ein Lademodul 100 auf.

Claims

Lademodul (1, 100) zum induktiven Laden insbesondere eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine Ladespule (5) sowie eine magnetische Antenne (50, 150, 160, 190), wobei die magnetische Antenne (50, 150, 160, 190) zur Kopplung an ein Antennenmagnetfeld (B_SA) nahezu oder vollständig optimiert angeordnet oder ausgebildet ist, welches senkrecht zu einer solchen Richtung orientiert ist, in welche sich am Ort der Antenne (50, 150, 160, 190) bei einer Bestromung der Ladespule allein das magnetische Feld der Ladespule (5) richtete.
Lademodul nach Anspruch 1, bei welchem die magnetische Antenne (50, 150, 160, 190) eine Schleifenantenne (50, 150, 160, 190) ist, welche derart zur Kopplung an ein Antennenmagnetfeld (B_SA) optimiert angeordnet ist, dass die Schleifenantenne (50, 150, 160, 190) zur Kopplung an das Antennenmagnetfeld (B_SA) orientiert angeordnet ist.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ladespule Windungen (40) aufweist, welche sich um einen Spuleninnenbereich winden, wobei die magnetische Antenne (50, 150, 160, 190) um höchstens das kleinste Innenmaß des Spuleninnenbereichs, vorzugsweise um höchstens die Hälfte dieses Innenmaßes von zumindest einer Windung (40) der Ladespule beabstandet angeordnet ist.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die zumindest eine magnetische Antenne eine Schleifenantenne (150, 160) ist.
Lademodul nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die zumindest eine magnetische Antenne eine Schmetterlingsantenne (50) ist.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ladespule Windungen (40) umfasst, welche sich zwischen zwei Enden (43, 46) der Ladespule (5) umfänglich um eine Spulenachse (A) der Ladespule (5) schrauben und bei welchem die magnetische Antenne eine Schleifenantenne (50) mit einer sich entlang einer Schleifenebene erstreckenden Schleife ist, die zumindest einer axialen Mitte der Ladespule (5) entlang der Spulenachse (A) näher als den Enden (43, 46) angeordnet ist, wobei die Schleifenebene parallel zur Spulenachse (A) verläuft.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die magnetische Antenne zumindest zwei Schleifen (200, 210) umfasst, welche sich entlang zueinander schräg verlaufender Schleifenebenen erstrecken, wobei die zumindest zwei Schleifen (200, 210) miteinander elektrisch gekoppelt sind.
Lademodul nach dem vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Schleifen (200, 210) über Widerstände, insbesondere ein Widerstandsnetzwerk (WNW) und/oder vorzugsweise aufeinander abstimmbar, miteinander gekoppelt sind.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die magnetische Antenne eine Kleinsignalantenne ist.
Lademodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ladespule (5) zur induktiven Leistungsübertragung im Kilowattbereich ausgebildet ist.
Elektrofahrzeug (400) mit einem Lademodul (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ladestation (500) zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs mit einem Lademodul (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.