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Die Erfindung betrifft eine Abschirmeinrichtung zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, die bei einer kontaktlosen Energieübertragung von einer stationär in oder an einem Bereich eines Bodens angeordneten Primärspule zu einer an einem Fahrzeug angeordneten Sekundärspule entsteht.
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Elektromobilität gewinnt insbesondere bei Kraftfahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Herausforderung im Rahmen der Elektromobilität ist es, Lademöglichkeiten in ausreichender Zahl für elektrisch betriebene Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen. Besonders komfortabel sind für Benutzer dabei Energieübertragungseinrichtungen, die eine kontaktlose Energieübertragung ermöglichen. In diesem Fall müssen keine Kabel oder Ähnliches mit dem Fahrzeug verbunden werden, sondern es ist ausreichend, das Fahrzeug in einem Bereich abzustellen, in dem benachbart zum Fahrzeug, insbesondere im Boden, auf dem sich das Kraftfahrzeug befindet, also beispielsweise in einer Straße, einem Parkplatz oder Ähnlichem, eine Primärspule angeordnet ist, wobei in einem entsprechenden Bereich des Kraftfahrzeugs eine typischerweise bei der Energieübertragung der Primärspule gegenüberliegende Sekundärspule vorgesehen ist. Bei Betrieb der Primärspule mit einer Wechselspannung werden elektromagnetische Wechselfelder erzeugt, die eine Spannung an der Sekundärspule im Kraftfahrzeug und damit insbesondere einen Ladestrom für eine Batterie erzeugen.
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Um ein schnelles Laden von Fahrzeugbatterien zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, bei einer derartigen kontaktlosen Energieübertragung starke Wechselfelder zu nutzen. Dabei ist jedoch nachteilig, dass ein Einbringen von leitfähigen Gegenständen, auch von gering leitfähigen Gegenständen wie Körperteilen, in diese starken Wechselfelder dazu führt, dass diese Gegenstände stark erhitzt werden. Zudem können insbesondere Hochfrequenzfelder mit einer großen Amplitude weitere elektronische Komponenten stören. Daher ist es bei der kontaktlosen Energieübertragung häufig notwendig, die Feldstärke der Wechselfelder derart zu begrenzen, dass die Möglichkeit von Verletzungen von Körperteilen, Beschädigungen von in das Feld eingebrachten Gegenständen oder die Störung weiterer Elektronik verhindert werden. Eine derartige Begrenzung der maximalen Feldstärke führt jedoch zugleich dazu, dass in der Sekundärspule geringere Spannungen induziert werden, womit auch geringere Ströme zum Laden einer Batterie oder zum Betrieb weiterer Komponenten zur Verfügung stehen. Lange Ladezeiten, die aufgrund der Nutzung geringer Ladeströme notwendig sind, können jedoch zu Akzeptanzproblemen für Elektrofahrzeuge führen.
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Dabei ist es bekannt, für Transformatoren, die ebenfalls kontaktlos Energie zwischen zwei Spulen übertragen, ein Gehäuse zur elektromagnetischen Abschirmung vorzusehen, in dem die Primär- und die Sekundärspule angeordnet sind. Eine Nutzung dieser Anordnung ist zur Energieübertragung von einer stationären Primärspule zu einer in einem Fahrzeug angeordneten Sekundärspule jedoch sehr aufwendig, da zumindest vor und nach einer Energieübertragung eine Bewegung des Fahrzeugs relativ zur stationären Primärspule möglich sein muss. Ein entsprechendes Gehäuse müsste also vor einer Energieübertragung aufgebaut und anschließend wieder abgebaut werden.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Abschirmeinrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abschirmeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie als Rahmen ausgebildet ist und derart an einem Boden, in oder an einem Bereich dessen stationär eine Primärspule angeordnet ist, befestigbar oder befestigt ist, dass sie den Bereich rahmenförmig umfasst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Abschirmeinrichtung derart auszubilden, dass sie Teil einer Energieübertragungseinrichtung ist bzw. an einer solchen befestigbar ist. Dabei ist die erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung zur Nutzung mit einer Energieübertragungseinrichtung vorgesehen, die eine in einem Bereich eines Bodens angeordnete Primärspule zur Energieübertragung nutzt. Die Primärspule kann also in oder an jedem durch das Fahrzeug befahrbaren Untergrund angeordnet sein, beispielsweise in oder an Straßen, Parkplätzen oder Schienen. Derartige Energieübertragungseinrichtungen sind besonders vorteilhaft zur Ladung von Kraftfahrzeugen, da sie beispielsweise auf Parkplätzen vorgesehen sein können, womit ein Laden von Kraftfahrzeugen einfach durch ein Abstellen des Kraftfahrzeugs auf dem Parkplatz möglich ist. Eine derartige Energieübertragung kann jedoch auch für Schienenfahrzeuge genutzt werden. So können elektrisch betriebe Züge in einem Abstellbereich geladen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Züge während der Fahrt durch eine derartige Energieübertragungseinrichtung mit Energie zu versorgen.
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Wie einleitend erwähnt, ist es dabei bei der Übertragung von großen Mengen von Energie vorteilhaft, wenn verhindert wird, dass Fremdgegenstände in den Bereich zwischen der Primär- und der Sekundärspule eindringen. Zudem ist es vorteilhaft, wenn Streufelder der Primärspule abgeschirmt werden. Daher wird erfindungsgemäß eine Abschirmeinrichtung vorgeschlagen, die als dreidimensionaler Rahmen ausgebildet ist, wobei der Rahmen eine Innenfläche begrenzt und eine Höhe aufweist. Als Höhe wird im Rahmen der Erfindung die Ausdehnung des Rahmens in Richtung senkrecht zum Boden bezeichnet. Der Rahmen kann dabei insbesondere durch eine umlaufende oder mehrere Wände gebildet sein. Vorteilhaft steht die Wand bzw. stehen die Wände dabei senkrecht zum Boden, es ist jedoch auch möglich, eine oder mehrere Wände schräg anzuordnen, so dass die Wand mit einer Senkrechten zum Boden einen Winkel < 90° einschließt. Die vom Rahmen begrenzte Fläche des Rahmens bzw. die Form des Rahmens kann dabei insbesondere rechteckig sein, es ist jedoch auch möglich, Rahmen mit kreisförmiger Fläche oder andere Rahmenformen vorzusehen. Dabei ist die Fläche insbesondere so zu wählen, dass die Primärspule im am Boden befestigten Zustand der Abschirmeinrichtung in Horizontalrichtung vollständig von dem Rahmen umfasst ist. Die Höhe kann dabei mehrere Zentimeter, insbesondere wenigstens 5 cm betragen. Die Höhe kann so gewählt werden, dass sie etwas geringer ist als die Bodenfreiheit eines üblichen Fahrzeugs, an das Energie übertragen werden soll. Es ist jedoch auch möglich, die Höhe anpassbar zu gestalten, indem die Abschirmeinrichtung aus mehreren Teilen, beispielsweise vertikal gegeneinander verschiebbaren Teilrahmen, gebildet ist. Die Abschirmeinrichtung kann auch in Vertikalrichtung gegenüber dem Boden verschiebbar sein, um die Höhe der Bodenfreiheit eines Fahrzeugs anzupassen. Es ist dabei möglich, verschiedene Abschirmeinrichtungen für verschiedene Fahrzeugtypen vorzusehen. So kann eine Abschirmeinrichtung zur Energieübertragung an einen Sportwagen beispielsweise eine Höhe zwischen 5 und 10 cm aufweisen und eine Abschirmeinrichtung zur Energieübertragung an ein SUV eine Höhe zwischen 15 und 20 cm aufweisen.
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Die Abschirmeinrichtung kann zusätzlich eine Bodenplatte aufweisen. Diese kann als Abdeckung für die Primärspule oder zur Stabilisierung der Abschirmeinrichtung dienen. Dabei ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Bodenplatte ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung in einem Frequenzbereich, der zur Energieübertragung genutzt wird, nur sehr gering oder gar nicht abzuschirmen.
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Durch Nutzung der erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung können zwei wesentliche Vorteile erreicht werden. Zum einen kann die Möglichkeit des Eindringens von Fremdgegenständen in den Bereich zwischen Primär- und Sekundärspule verringert werden, da zumindest Teile des Volumens zwischen Primär- und Sekundärspule seitlich durch die Abschirmeinrichtung begrenzt bzw. abgesperrt sind, zum Anderen werden durch die Abschirmeinrichtung Streufelder der Primärspule abgeschirmt. Dabei kann während der Energieübertragung an ein Fahrzeug durch das Fahrzeug, den Boden und die Abschirmeinrichtung das Volumen zwischen Primär- und Sekundärspule vollständig abgeschlossen werden. Alternativ ist es möglich, dass ein insbesondere schmaler Spalte zwischen Abschirmeinrichtung und Fahrzeug verbleibt.
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Abhängig von der Bodenfreiheit des Fahrzeugs und der Höhe über dem Boden, die die Abschirmeinrichtung im am Boden befestigten Zustand erreicht, ist es daher möglich, dass der Unterboden des Fahrzeugs oder weitere Teile des Fahrzeugs, wie beispielsweise Stoßstangen, mit der Abschirmeinrichtung in Berührung kommen. Dabei soll eine Beschädigung des Fahrzeugs vermieden werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Abschirmeinrichtung zumindest abschnittsweise aus einem elastisch biegbaren Material gebildet ist. Als elastisch biegbare Materialien können dabei beispielsweise Silikon, Gummi, Elastomere, Thermoplasten oder Ähnliches genutzt werden. Die verwendeten Materialien sollten dabei flexibel sein und ein Rückstellvermögen aufweisen, so dass sie nach einer Verformung und einem Kontakt mit dem Fahrzeug oder einem anderen Gegenstand in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Dabei kann die Abschirmeinrichtung vollständig aus dem elastisch biegbarem Material gebildet sein, so dass beispielsweise ein problemloses Überfahren der Abschirmeinrichtung ohne Beschädigung des Fahrzeugs und der Abschirmeinrichtung möglich ist. Es ist jedoch auch möglich, nur einen Abschnitt oder mehrere Abschnitte der Abschirmeinrichtung aus einem elastisch biegbaren Material zu bilden, insbesondere im am Boden befestigten Zustand bodenabgewandte Abschnitte, die potentiell bei der normalen Nutzung der Abschirmeinrichtung mit einem Fahrzeug in Kontakt kommen.
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Die Abschirmeinrichtung kann wenigstens eine metallische Platte und/oder wenigstens eine metallische Folie und/oder metallische Partikel und/oder wenigstens ein metallisches Gewebe umfassen. Durch die Nutzung von leitfähigen, insbesondere flächigen, Strukturen in der Abschirmeinrichtung wird eine besonders effiziente Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung erreicht. Die metallischen Materialien können dabei auch magnetisch sein, aber auch nicht magnetische leitende Materialien wie Aluminium oder Kupfer sind nutzbar. Wie eingangs erwähnt ist es, insbesondere, wenn die Energieübertragung zum Laden von Fahrzeugbatterien dient, vorteilhaft, relativ starke elektromagnetische Felder zur Energieübertragung zu nutzen. Zur Abschirmung starker Felder ist es vorteilhaft, flächige metallische oder anderweitig leitende Strukturen zu nutzen. Dabei können insbesondere flächige Platten, Folien oder, insbesondere engmaschige, Gewebe genutzt werden. Die Platten, Folien und Gewebe können dabei auch durchbrochen sein, wobei jedoch der Flächenanteil des leitenden Materials größer sein sollte als der des nicht leitenden Materials bzw. der Zwischenräume bzw. Durchbrechungen.
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Neben der abschirmenden Wirkung haben insbesondere metallische Platten und/oder metallische Gewebe zusätzlich eine mechanische Stabilisierungswirkung. Dadurch führt die Nutzung derartiger metallischer Materialien auch zu einer großen Stabilität und Haltbarkeit der Abschirmvorrichtung.
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Die Abschirmeinrichtung kann zumindest abschnittsweise aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere einem Laminat gebildet sein, wobei die metallische Platte und/oder die metallische Folie und/oder die metallischen Partikel und/oder das metallische Gewebe in einer Matrix aus elastisch biegbarem Material aufgenommen sind.
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Die Abschirmeinrichtung kann zudem als elastisch biegbares Material und/oder als Stabilisierungsmaterial ein Textilgewebe umfassen, das eine metallische Platte oder eine metallische Folie und/oder ein metallisches Gewebe und/oder ein elastisch biegbares Material ummantelt oder in ein elastisch biegbares Material zur Stabilisierung eingebracht ist.
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Insbesondere kann die metallische Platte und/oder die metallische Folie und/oder die metallischen Partikel und/oder das metallische Gewebe zumindest teilweise von dem oder einem elastisch biegbaren Material umhüllt sein. Damit können die genannten metallischen Bestandteile der Abschirmeinrichtung insbesondere derart umhüllt sein, dass sie vor Flüssigkeiten oder Luft geschützt sind, um eine Oxidation bzw. Korrosion der metallischen Materialien zu verhindern. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Kern aus einem elastisch biegbaren Material von metallischem Gewebe oder metallischer Folie ummantelt sein.
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Die Abschirmeinrichtung kann insbesondere wenigstens eine metallische Platte umfassen, wobei die Abschirmeinrichtung einen im am Boden befestigten Zustand der Abschirmeinrichtung bodenzugewandten und einen bodenabgewandten Abschnitt des Rahmens aufweist, wobei die metallische Platte im bodenzugewandten Abschnitt vertikal verlaufend angeordnet ist und der bodenabgewandte Abschnitt aus elastisch biegbarem Material gebildet ist. Durch die Nutzung wenigstens einer metallischen Platte im bodenzugewandten Abschnitt kann eine besonders hohe Stabilität der Abschirmeinrichtung und eine besonders gute Absorption elektromagnetischer Strahlung durch die Abschirmeinrichtung erreicht werden. Zugleich wird durch die Nutzung von elastisch biegbarem Material im bodenabgewandten Abschnitt und damit dem einem Fahrzeug, an das Energie übertragen werden soll, zugewandten Abschnitt effektiv eine Beschädigung des Fahrzeugs verhindert, da dieses nur mit dem elastisch biegbaren Material in Kontakt kommen kann.
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Bei einer Befestigung der erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung an dem Boden kann insgesamt eine wannenartige Struktur ausgebildet werden. Während diese Struktur einerseits gut geeignet ist, elektromagnetische Felder während der Energieübertragung abzuschirmen, ist es andererseits möglich, dass sich in dieser Struktur bei Benutzung im Außenbereich Wasser oder andere Flüssigkeiten sammeln. Es ist daher vorteilhaft, wenn an der Abschirmeinrichtung Öffnungen vorgesehen sind, um innerhalb des Rahmens angesammeltes oder sich ansammelndes Wasser entweichen zu lassen. Ein besonders guter Ablauf des Wassers ist dabei möglich, wenn sich die Öffnungen in wenigstens einem im am Boden befestigten Zustand zum Boden benachbarten Bereich der Abschirmeinrichtung befinden. Ist eine Verschiebung der Abschirmeinrichtung bezüglich des Bodens in Vertikalrichtung vorgesehen, können vorteilhaft Öffnungen in verschiedenen Bereichen an der Abschirmvorrichtung vorgesehen sein, um unabhängig von der vertikalen Stellung der Abschirmeinrichtung stets einen Wasserablauf zu ermöglichen. Die Öffnungen können dabei Abmessungen von wenigen Zentimetern, insbesondere 1 bis 2 cm haben. Es ist jedoch auch möglich, Öffnungen mit kleineren Durchmessern, beispielsweise von 0,5 mm, oder auch größeren Durchmessern vorzusehen. Es kann besonders einfach sein, kreisförmige Öffnungen vorzusehen, es sind jedoch auch eine Vielzahl anderer Formen möglich. Es können beispielsweise rechteckige, ovale, halbkreisförmige oder halbovalförmige Öffnungen vorgesehen werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnungen direkt am bodenseitigen Rand der Abschirmeinrichtung angeordnet sind.
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Um eine Anpassbarkeit der Höhe der Abschirmeinrichtung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Abschirmeinrichtung wenigstens einen ersten rahmenförmigen und einen zweiten rahmenförmigen Teilrahmen umfasst, wobei im am Boden befestigten Zustand der Abschirmeinrichtung der erste Teilrahmen am Boden befestigt ist und der zweite Teilrahmen derart geführt ist, dass er senkrecht zum Boden gegenüber dem ersten Teilrahmen zur Anpassung der Höhe teleskopartig verschiebbar ist. Dabei ist der zweite Teilrahmen insbesondere am ersten Teilrahmen direkt oder indirekt gelagert. Es ist ergänzend möglich, einen Aktor zur Verschiebung des zweiten Teilrahmens bezüglich des ersten Teilrahmens an der Abschirmeinrichtung vorzusehen. Es ist jedoch auch möglich, die relative Lage des ersten und des zweiten Teilrahmens durch mechanische Rückstellelemente wie Federn oder Ähnliches festzulegen. Wird ein Aktor zur relativen Verschiebung vorgesehen, kann die Steuerung des Aktors dabei insbesondere durch eine Steuereinrichtung erfolgen, die eine Kommunikationseinrichtung umfasst oder mit dieser kommuniziert. Die Kommunikationseinrichtung kann mit einer Komponente eines Fahrzeugs, an das Energie übertragen werden soll, kommunizieren. So ist es beispielsweise möglich, an der Abschirmeinrichtung ein Auslesegerät zum Auslesen eines an einem Fahrzeug angeordneten RFID-Chips vorzusehen. Der Vorteil hierbei ist, dass RFID-Chips rein passiv ausgebildet werden können, so dass an eine Karosserie oder einem Fahrwerk eines Fahrzeugs eine passive Komponente vorgesehen werden kann, die durch die Abschirmeinrichtung ausgelesen werden kann, um eine fahrzeugseitig vorgebbare Höhe der Abschirmeinrichtung einzustellen.
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Selbstverständlich wäre es auch möglich, an der Abschirmeinrichtung Sensoren wie Kraftsensoren, Kameras oder Ähnliches vorzusehen, um eine Höheneinstellung der Abschirmeinrichtung zu steuern.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Energieübertragungseinrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung an ein Fahrzeug, umfassend eine Primärspule zur kontaktlosen Übertragung von Energie über einen Zwischenraum zu einer fahrzeugseitigen Sekundärspule, wobei die Primärspule in oder an einem Bereich des Bodens angeordnet ist, wobei an dem Boden eine erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung relativ zum Boden fest oder in wenigstens eine Richtung verschiebbar befestigt ist, die den Bereich rahmenförmig umgibt.
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Durch die erfindungsgemäße Nutzung einer erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung als Teil der Energieübertragungseinrichtung wird zum einen ein Schutz gegen ein Einbringen von Gegenständen, Körperteilen oder Kleintieren in den Bereich zwischen der Primär- und der Sekundärspule während des Ladevorgangs bereitgestellt. Dadurch wird die Sicherheit beim Betrieb der Energieübertragungseinrichtung erhöht. Zudem wird die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung zur Energieübertragung im Wesentlichen auf den Bereich innerhalb des Rahmens eingeschränkt. Außerhalb des Rahmens ist die elektromagnetische Strahlung stark abgeschirmt. Dadurch kann die erfindungsgemäße Energieübertragungseinrichtung wesentlich stärkere elektromagnetische Wechselfelder zur Energieübertragung nutzen. Insbesondere kann so erreicht werden, dass Batterien eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, schneller geladen werden können.
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Durch eine verschiebbare Anordnung der Abschirmeinrichtung am Boden wird insbesondere erreicht, dass die Höhe der Abschirmeinrichtung über den Boden angepasst werden kann, um eine Anpassung der Energieübertragungseinrichtung an Fahrzeuge mit unterschiedlichen Bodenfreiheiten zu ermöglichen. Es ist jedoch auch möglich, die Abschirmeinrichtung horizontal über den Boden verschiebbar anzuordnen, so dass die Abschirmeinrichtung beispielsweise seitlich unter ein über der Energieübertragungseinrichtung angeordnetes Fahrzeug eingebracht werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, da manche Fahrzeuge im Heck bzw. Frontbereich weniger Bodenfreiheit aufweisen als im seitlichen Bereich bzw. dem Bereich der Sekundärspule. Zudem ist es durch ein solches horizontales Einfahren der Abschirmeinrichtung auch möglich, verschiedene Abschirmeinrichtungen vorzusehen und abhängig von der Art und/oder der Bodenfreiheit und/oder der Größe der Sekundärspule des Fahrzeugs unterschiedliche Abschirmeinrichtungen zu wählen und horizontal unter das Fahrzeug zu führen.
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Die Primärspule der Energieübertragungseinrichtung kann dabei in den Boden eingelassen sein, wobei ein direktes Einlassen der Primärspule in den Boden möglich ist, die Primärspule jedoch auch in einem Gehäuse angeordnet sein kann. Zudem ist es möglich, dass die Primärspule in einem separaten Gehäuse oder freiliegend auf dem Boden angeordnet ist.
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Die Abschirmeinrichtung kann dabei gemeinsam mit dem Boden eine wannenförmige Anordnung bilden, die ein einseitig auf der dem Boden abgewandten Seite offenes inneres Volumen begrenzt. Die wannenförmige Anordnung kann dabei abgesehen von der offenen Seite im Wesentlichen geschlossen sein, wobei jedoch Öffnungen zum Wasserabfluss vorgesehen werden können.
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Die Abschirmeinrichtung oder eine Komponente der Abschirmeinrichtung kann dabei senkrecht zum Boden verschiebbar sein. Es ist möglich, dass die Abschirmeinrichtung beispielsweise in den Boden ein- und aus dem Boden ausfahrbar ist. Es ist jedoch auch möglich, dass nur Teile der Abschirmeinrichtung, beispielsweise die oben beschriebenen Teilrahmen, relativ zueinander verschoben werden. Dabei beschreibt eine senkrechte Verschiebung auch solche Verschiebungen, die nur im Wesentlichen senkrecht sind, d. h. bei denen eine Verschiebung mit einem kleinen Winkel zur Senkrechten zum Boden, von insbesondere weniger als 30° erfolgt.
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Die Energieübertragungseinrichtung kann dabei wenigstens einen Aktor zur Verschiebung der Abschirmeinrichtung oder der verschiebbaren Komponente der Abschirmeinrichtung in Richtung senkrecht zum Boden umfassen.
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Es ist insbesondere möglich, dass die Energieübertragungseinrichtung eine Kommunikationseinrichtung zur Drahtloskommunikation mit einem Fahrzeug und eine Steuereinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer durch die Kommunikationseinrichtung empfangenen Kommunikationsinformation den Aktor anzusteuern. Die Kommunikation mit dem Fahrzeug kann dabei erfolgen, wie bereits bezüglich einer relativen Verschiebung von Teilrahmen der Abschirmeinrichtung beschrieben.
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Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die relative Position der Abschirmeinrichtung oder der verschiebbaren Komponenten in Richtung senkrecht zum Boden durch wenigstens ein mechanisches Rückstellelement festgelegt ist. Das mechanische Rückstellelement kann dabei insbesondere eine Feder sein, es ist jedoch auch ein Verschieben gegen ein Gegengewicht oder Ähnliches möglich. Die Positionsfestlegung durch ein Rückstellelement kann auch mit einer Vertikalverschiebung durch einen Aktor kombiniert werden. Beispielsweise kann die grundsätzliche Festlegung der Höhe der Abschirmeinrichtung über dem Boden durch einen Aktor festgelegt werden. Durch ein Anordnen eines Rückstellelements zwischen dem Aktor und der verschiebbaren Komponente bzw. der Abschirmeinrichtung gibt die Abschirmeinrichtung jedoch in Vertikalrichtung nach, wodurch Beschädigungen an der Energieübertragungseinrichtung oder dem Fahrzeug verhindert werden können.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Anordnung zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend ein Fahrzeug mit einer Sekundärspule zur kontaktlosen Energieübertragung, wobei das Fahrzeug derart über einer der beschriebenen Ausführungsformen einer Energieübertragungseinrichtung angeordnet ist, dass die Sekundärspule oberhalb der Primärspule der Energieübertragungseinrichtung angeordnet ist. Damit ist eine kontaktlose Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule möglich, wobei der Bereich zwischen der Primärspule und der Sekundärspule zumindest teilweise von der erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung umgeben ist, wodurch zum einen ein Eindringen von Gegenständen oder Körperteilen in den Bereich zwischen Primärspule und Sekundärspule verhindert werden kann und zum anderen die elektromagnetischen Wechselfelder der Primärspule im Wesentlichen auf den Bereich innerhalb der Abschirmeinrichtung eingeschränkt werden.
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Dabei kann sich die Abschirmeinrichtung von dem Boden bis zu einem Unterboden oder einer die Sekundärspule tragenden Komponente des Fahrzeugs erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen der Oberkante der Abschirmeinrichtung und dem Unterboden bzw. der die Sekundärspule tragende Komponente ein schmaler Spalt von wenigen Zentimetern, beispielsweise 1 bis 2 cm vorgesehen ist.
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Insgesamt kann erreicht werden, dass die Abschirmeinrichtung und das Fahrzeug insbesondere der Unterboden des Fahrzeugs, gemeinsam mit dem Boden ein auf allen Seiten abgeschlossenes Volumen begrenzen. Dabei kann das Volumen insbesondere nur im Wesentlichen abgeschlossen sein, wobei, wie oben beschrieben, zum einen Öffnungen für das Ablaufen von angesammeltem Wasser vorgesehen sein können und zum anderen ein schmaler Spalt zwischen dem oberen Rand der Abschirmeinrichtung und dem Fahrzeug vorgesehen sein kann.
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Insgesamt wird in der erfindungsgemäßen Anordnung ein guter Eindringschutz gegen das Eindringen von Gegenständen, Tieren und Körperteilen in den felddurchfluteten Bereich erreicht und es wird der felddurchflutete Bereich im Wesentlichen auf den Bereich innerhalb der Abschirmeinrichtung begrenzt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieübertragungseinrichtung, die eine erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung umfasst,
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2 eine geschnittene Prinzipdarstellung der Abschirmeinrichtung aus 1 entlang der Schnittlinie A-A,
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3 eine geschnittene Prinzipdarstellung der Abschirmeinrichtung aus 1 entlang der Linie B-B,
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4 eine Detailansicht einer Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieübertragungseinrichtung umfassend eine erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung,
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5 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung von oben, und
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6 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäße Anordnung zur kontaktlosen Energieübertragung.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiel einer Energieübertragungseinrichtung 1 zur kontaktlosen Energieübertragung an ein Fahrzeug. Die Energieübertragungseinrichtung 1 umfasst eine Abschirmeinrichtung 2, die an einem Boden 3 befestigt ist, derart, dass sie rahmenförmig einen Bereich oberhalb des Bodens 3 umgibt, in dem eine Primärspule 4 angeordnet ist. Die Abschirmeinrichtung 2 ist ein rechteckiger Rahmen mit vier Seitenwänden und offenen Flächen an der Ober- und Unterseite. Sie weist dabei einen bodenzugewandten Abschnitt 5 und einen bodenabgewandten Abschnitt 9 des Rahmens auf. Im bodenzugewandten Abschnitt 5 sind die vier Seitenwände der Abschirmeinrichtung 2 aus metallischen Platten 6 aus Aluminium gebildet, die von einem elastisch biegbaren Material 8, das Silikon ist, umgeben sind.
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An die Platten 6 ist ein Bereich 7 angeformt, mit dem die Platten am Boden 3 befestigt sind. Die Befestigung erfolgt, indem der Bereich 7 in den Boden 3, der ein Betonboden ist, eingegossen ist. Alternativ wäre es möglich, eine lösbare Verbindung der Abschirmeinrichtung 2 mit dem Boden 3 vorzusehen. Dies wäre beispielsweise möglich, indem an die Platten 6 Erdspieße angeformt sind und der Boden 3 aus Erde besteht. Es wäre jedoch auch möglich, an der Abschirmeinrichtung 2 Befestigungseinrichtungen beispielsweise Klemmen, vorzusehen und am Boden Befestigungseinrichtungen vorzusehen, die zur Verbindung mit den abschirmeinrichtungsseitig vorgesehenen Befestigungseinrichtungen ausgebildet sind. Eine entsprechende lösbare Verbindung kann kraft- und/oder formschlüssig ausgebildet sein.
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Insbesondere ist es möglich, dass eine Befestigung am Boden derart erfolgt, dass eine horizontale Verschiebung der Abschirmeinrichtung unterbunden ist, d. h., dass ein vertikales Einschieben oder Herausziehen der Abschirmeinrichtung 2 in oder aus Aufnahmen im Boden 3 jederzeit möglich ist.
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In der Abschirmeinrichtung 2 wird als elastisch biegbares Material 9 Silikon verwendet. In dem bodenabgewandten Abschnitt 9 ist die Abschirmeinrichtung 2 ausschließlich aus dem elastisch biegbaren Material 8, d. h. aus Silikon gebildet. Damit wird erreicht, dass bei einem Kontakt eines Fahrzeugs mit der Abschirmeinrichtung 2, beispielsweise des Unterbodens des Fahrzeugs oder einer Stoßstange, dieser Kontakt üblicherweise ausschließlich mit dem bodenabgewandten Abschnitt 9, d. h. mit dem elastisch biegbaren Material 8 erfolgt. Dadurch wird verhindert, dass das Fahrzeug durch die Abschirmeinrichtung 2 beschädigt wird. Da das elastisch biegbare Material 8 ein Rückstellvermögen aufweist, kehrt die Abschirmeinrichtung 2, sobald kein Kontakt zum Fahrzeug oder einem weiteren Gegenstand mehr besteht, in die ursprüngliche Form zurück.
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Durch die Abschirmeinrichtung 2 und den Boden 3 wird gemeinsam ein wannenförmiger Innenraum 10 gebildet. Vorteilhaft wird durch die Nutzung der Abschirmvorrichtung 2 erreicht, dass bei Nutzung der Energieübertragungseinrichtung 1 zur Energieübertragung an ein Fahrzeug zum einen ein Einbringen von Gegenständen, Körperteilen oder Ähnlichem in den Innenraum 10 verhindert wird, zum anderen die elektromagnetischen Wechselfelder, die zur Energieübertragung genutzt werden, im Wesentlichen auf den Innenraum 10 beschränkt sind.
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Zur Verdeutlichung des rahmenförmigen Aufbaus der Abschirmeinrichtung 2 zeigt 2 einen Schnitt durch die Abschirmeinrichtung 2 entlang der Linie A-A, d. h. im bodenzugewandten Abschnitt 5, und 3 einen Schnitt durch die Abschirmeinrichtung 2 entlang der Linie B-B, d. h. im bodenabgewandten Abschnitt 9. Dabei ist 2 zu entnehmen, dass die metallische Platte 6 im bodenzugewandten Abschnitt 5 beidseitig von dem elastisch biegbaren Material 8, d. h. von Silikon, umgeben ist. In der geschnittenen Darstellung in 2 ist auch besonders gut zu erkennen, dass durch die Abschirmvorrichtung 2 der Innenraum 10 vollständig rahmenförmig umgeben wird. 3 zeigt den entsprechenden Schnitt durch die Abschirmeinrichtung 2 im bodenabgewandten Abschnitt 9, in dem die Abschirmeinrichtung 2 vollständig aus dem elastisch biegbaren Material 8 gebildet ist.
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4 zeigt eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Energieübertragungseinrichtung 1 zur kontaktlosen Energieübertragung. Dabei entsprechen der Boden 3 sowie die Primärspule 4 vollständig den mit Bezug auf 1 beschriebenen Elementen. Die Abschirmeinrichtung 11, von der in 3 nur der bodenzugewandte Abschnitt gezeigt ist, ist ähnlich zu der in 1 gezeigten Abschirmeinrichtung 2 aufgebaut. Die Wände der Abschirmeinrichtung 11 sind ebenfalls aus Aluminiumplatten 12 gebildet und weisen Befestigungsabschnitte 13 auf, die im Boden 3 verankert sind. Die metallischen Platten 12 sind hier ebenfalls mit einem elastisch biegbaren Material 14 umgeben. Wesentlicher Unterschied zur in 1 gezeigten Abschirmeinrichtung 2 ist, dass die Abschirmeinrichtung 11 in einem zum Boden benachbarten Bereich Öffnungen 15 aufweist, um angesammeltes oder sich ansammelndes Wasser entweichen zu lassen. Diese Öffnungen 15 durchbrechen sowohl die metallische Platte 12 als auch das elastisch biegbare Material 14. Dabei ist im Bereich 30, der Berandung der Öffnung 15, eine den Rand der Öffnung 15 bildende Schicht aus dem elastisch biegsamen Material vorgesehen, die die metallische Platte 12 von der Öffnung 15 trennt. Damit ist die metallische Platte 12 vollständig von dem elastisch biegbaren Material 14 umschlossen, so dass ein Kontakt mit Luft oder Wasser verhindert wird, wodurch auch eine Oxidation der metallischen Platte 12 verhindert wird.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abschirmeinrichtung 16 zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bei einer kontaktlosen Energieübertragung. Die Abschirmeinrichtung 16 ist dabei aus zwei Teilrahmen 17, 18 gebildet, wobei der innere erste Teilrahmen 18 an einem Boden befestigbar oder befestigt ist und im Wesentlichen aufgebaut ist, wie der bodenzugewandte Abschnitt 5 der in 1 gezeigten Abschirmeinrichtung 2, jedoch zusätzlich ein Führungselement 19 aufweist, das schwalbenschwanzförmig in den äußeren zweiten Teilrahmen 17 eingreift. Der zweite Teilrahmen 17 ist aus elastisch biegbarem Material gebildet und, durch das Führungselement 19 geführt, gegenüber dem am Boden befestigbaren ersten Teilrahmen 18 in Richtung senkrecht zum Boden verschiebbar. Durch diese Verschiebbarkeit kann die Abschirmeinrichtung 16 an die Bodenfreiheit eines Fahrzeugs, zu dem Energie übertragen werden soll, angepasst werden. Im einfachsten Fall ist der zweite Teilrahmen 17 dabei allein durch Reibkraft am ersten Teilrahmen 18 gehaltert. In diesem Fall kann durch ein manuelles Einstellen der Abschirmeinrichtung 16 vor der Nutzung die Abschirmeinrichtung entsprechend dem Fahrzeug, zu dem Energie übertragen werden soll, eingestellt werden.
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Alternativ wäre es möglich, zwischen dem ersten Teilrahmen 18 und dem zweiten Teilrahmen 17 ein mechanisches Rückstellelement oder einen Aktor zur relativen Verschiebung der Teilrahmen 17, 18 anzuordnen. Bei einer Nutzung eines Aktors kann die Steuerung des Aktors erfolgen, wie im Folgenden mit Bezug auf 6 für einen Aktor 26 zur vertikalen Verschiebung der gesamten Abschirmeinrichtung 23 beschrieben.
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6 zeigt eine Anordnung zur kontaktlosen Energieübertragung. Die Anordnung zur kontaktlosen Energieübertragung umfasst dabei eine Energieübertragungseinrichtung 20 sowie ein Fahrzeug 21, wobei das Fahrzeug 21 derart über der Energieübertragungseinrichtung 20 angeordnet ist, dass die Sekundärspule 22 des Fahrzeug 21 sich oberhalb der Primärspule 4 der Energieübertragungseinrichtung 20 befindet. Wird nun die Primärspule 4 mit Wechselstrom bestromt, so entstehen im Bereich über der Primärspule 4 elektromagnetisch Wechselfelder, die in der Sekundärspule 22 Spannungen induzieren. Damit stellt die Sekundärspule 22 Ströme bereit, mit denen beispielsweise eine Batterie 31 des Fahrzeug 21 geladen werden kann. Die Energieübertragungseinrichtung 20 umfasst dabei eine Abschirmeinrichtung 23, die die Primärspule 4 rahmenförmig umgibt.
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Die Abschirmeinrichtung 23 ist durch den Aktor 26 in Vertikalrichtung verschiebbar. In 5 ist die Abschirmeinrichtung 23 in einer eingezogenen Stellung gezeigt, in der sie kaum aus dem Boden 3 ragt. Ist die Abschirmeinrichtung 23 eingezogen, entspricht dies ungefähr einer Nutzung einer Energieübertragungseinrichtung, die keine zusätzliche Abschirmeinrichtung aufweist. Um einen möglichst guten Schutz gegen das Einbringen von Gegenständen, Körperteilen und Ähnlichem sowie eine möglichst gute elektromagnetische Abschirmung zu erreichen, soll die Abschirmeinrichtung 23 soweit ausgefahren werden, dass sie im Kontakt mit dem Unterboden 25 des Fahrzeug 21 ist oder dass zwischen dem Unterboden 25 und der Abschirmeinrichtung 23 nur noch ein schmaler Spalt von ca. 1 bis 2 cm vorhanden ist. Dies entspricht dem in 5 gestrichelt dargestellten Zustand 24. Da die Energieübertragungseinrichtung 20 jedoch für verschiedene Fahrzeuge mit verschiedenen Bodenfreiheiten genutzt werden soll, ist der Zustand 24, in dem eine optimale Abschirmung des Bereichs zwischen der Primärspule 4 und der Sekundärspule 22 erreicht wird, für verschiedene Fahrzeuge unterschiedlich.
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In der gezeigten Anordnung ist daher im Fahrzeug 21 ein RFID-Chip vorgesehen. RFID-Chips sind rein passive Schaltkreise, die durch durch Funkwellen bereitgestellte Energie betrieben werden. Die Energieübertragungseinrichtung 20 umfasst dabei eine Kommunikationseinrichtung 28, die als ein RFID-Lesegerät ausgebildet ist und die durch die Steuereinrichtung 27 der Energieübertragungseinrichtung 20 gesteuert wird. Dabei erkennt die Kommunikationseinrichtung 28 das Herannahen des Fahrzeugs 21 und liest drahtlos den RFID-Chip 29 des Fahrzeugs 21 aus. Der RFID-Chip 29 überträgt dabei Informationen über die Bodenfreiheit des Fahrzeugs 21. Abhängig von der durch die Kommunikationseinrichtung 28 empfangenen Bodenfreiheit des Fahrzeugs 21 wird die Abschirmeinrichtung 23 genau soweit ausgefahren, dass sie im optimalen Zustand 24 zur Abschirmung der elektromagnetischen Strahlung und zum Verhindern des Eindringens von Drittgegenständen während der Energieübertragung an das Fahrzeugs 21 ist.
