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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit einer fahrzeugseitigen Energieempfangseinrichtung, welche mit einer Energieübertragungseinrichtung über einen Luftspalt induktiv koppelbar ist, wobei ein in der Energieübertragungseinrichtung erzeugter magnetischer Fluss über den Luftspalt an die fahrzeugseitige Energieempfangseinrichtung übertragbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug sowie eine Ladeanordnung.
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Beim induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, wird in der Regel über die Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs Energie übertragen. Als Bodenfreiheit wird dabei üblicherweise der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt der Karosserie des Kraftfahrzeugs und der Stellfläche des Kraftfahrzeugs bezeichnet. Beim induktiven Laden ist zumeist eine sogenannte Primärspule in der Stellfläche des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem Ladeparkplatz, und eine sogenannte Sekundärspule in oder an dem Kraftfahrzeug angeordnet, sodass über den von der Bodenfreiheit gebildeten Luftspalt Energie von der Primärspule zur Sekundärspule nach dem Transformatorprinzip übertragen werden kann. Hierzu muss das Kraftfahrzeug in der Regel sehr genau über der Primärspule positioniert werden.
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Da die Bodenfreiheit von manchen Kraftfahrzeugen sehr groß sein kann, ergibt sich daraus ein stark vergrößerter Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule. Dadurch wird der Kopplungsfaktor, welcher die Stärke der Kopplung einer Übertragungsstrecke zwischen der Primärspule und der Sekundärspule beschreibt, stark verringert und damit eine effiziente Energieübertragung erschwert. Um den Kopplungsfaktor zu vergrößern, kann das Spulensystem verändert werden, indem beispielsweise größere Spulen verwendet werden. Diese weisen jedoch einen großen Platzbedarf auf. Alternativ kann der Luftspalt verringert werden. Dies ist jedoch in der Regel nur mit einem erheblichen Aufwand zu realisieren.
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Um den Kopplungsfaktor zwischen der Primärspule und der Sekundärspule zu vergrößern, zeigt die
DE 10 2013 217 636 A1 eine induktive Ladespulenanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Primärspule und einer Sekundärspule. Die Primärspule ist dabei in einer Basisplatte angeordnet, welche einen erhobenen Teil zum Fokussieren des Magnetflusses auf die Sekundärspule bildet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum induktiven Laden zu realisieren, mittels welcher ein effizienteres Laden mit einem hohen Kopplungsfaktor ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, ein Kraftfahrzeug sowie eine Ladeanordnung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs. Ein solcher Energiespeicher kann beispielsweise eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Die Vorrichtung umfasst eine fahrzeugseitige Energieempfangseinrichtung, welche mit einer Energieübertragungseinrichtung über einen Luftspalt induktiv koppelbar ist, wobei ein in der Energieübertragungseinrichtung erzeugter magnetischer Fluss über den Luftspalt an die fahrzeugseitige Energieempfangseinrichtung übertragbar ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Koppelverstärkungseinrichtung, welche ein magnetisches Material aufweist und welche in dem Luftspalt zwischen der Energieempfangseinrichtung und der Energieübertragungseinrichtung derart positionierbar ist, dass der von der Energieübertragungseinrichtung erzeugte magnetische Fluss das magnetische Material der Koppelverstärkungseinrichtung durchdringt.
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Die Energieübertragungseinrichtung, welche beispielsweise in einer Stellfläche für das Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, kann dabei eine erste Spule, eine sogenannte Primärspule, aufweisen. Die Energieempfangseinrichtung, welche im und/oder am Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, kann eine zweite Spule, eine sogenannte Sekundärspule, aufweisen. Zum Laden des Energiespeichers kann das Kraftfahrzeug auf der Stellfläche positioniert werden, wodurch die Energieempfangseinrichtung über der Energieübertragungseinrichtung positioniert wird. Dadurch bildet die Energieübertragungseinrichtung eine Primärseite eines Transformators und die Energieempfangseinrichtung eine Sekundärseite des Transformators, wobei die Energieempfangseinrichtung und die Energieübertragungseinrichtung über den Luftspalt galvanisch voneinander getrennt sind.
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Die Energie wird über den Luftspalt von der Primärspule zur Sekundärspule übertragen, indem beispielsweise mittels einer Wechselspannung in der Primärseite ein wechselnder magnetischer Fluss erzeugt wird, welcher auf der Sekundärseite eine Wechselspannung induziert. Diese induzierte Wechselspannung kann zum Laden des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Um beispielsweise den Kopplungsfaktor zwischen der Primärseite und der Sekundärseite zu vergrößern, wird der magnetische Fluss im Luftspalt fokussiert, indem die Koppelverstärkungseinrichtung in dem Luftspalt zwischen der Primärspule, als der Energieübertragungseinrichtung, und der Sekundärspule, also der Energieempfangseinrichtung, angeordnet wird.
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Die Koppelverstärkungseinrichtung kann beispielsweise als eine Platte aus einem magnetischen Material ausgestaltet sein, welches bevorzugt eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Die Platte wird dabei derart platziert, dass der in der Primärspule erzeugte magnetische Fluss die Platte, insbesondere das magnetische Material, durchdringt, und somit fokussiert auf die fahrzeugseitige Sekundärspule geleitet wird. Beim Durchdringen des magnetischen Materials wird also der magnetische Fluss fokussiert und damit die magnetische Flussdichte vergrößert. Durch die Verstärkung der magnetischen Flussdichte bzw. durch die Fokussierung des magnetischen Flusses bleiben die Energieverluste bei der Energieübertragung von der Energieübertragungseinrichtung bzw. der Primärspule zur Energieempfangseinrichtung bzw. zur Sekundärspule gering. Somit kann auch über einen großen Luftspalt, also über einen großen Abstand zwischen Energieübertragungseinrichtung und Energieempfangseinrichtung, effizient Energie übertragen werden. Durch die Verwendung der Koppelverstärkungseinrichtung müssen auch bei variierenden Luftspaltgrößen keine Änderungen an dem Spulensystem vorgenommen werden. Außerdem kann durch die Fokussierung des magnetischen Flusses auf die Sekundärspule die Größe der Sekundärspule in vorteilhafter Weise stark reduziert werden und somit Bauraum im Kraftfahrzeug gewonnen werden.
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Besonders bevorzug weist die Koppelverstärkungseinrichtung als magnetisches Material ein ferromagnetisches Material auf. Ein ferromagnetisches Material weist eine magnetische Permeabilität bzw. magnetische Leitfähigkeit auf, deren Wert deutlich größer als Eins ist. Insbesondere weist ein ferromagnetisches Material eine magnetische Permeabilität zwischen 300 und 300000 auf. Solche Materialien können weichmagnetische Stoffe, beispielsweise Eisen, Ferrite, Kobalt und Nickel sein. Die Koppelverstärkungseinrichtung aus dem ferromagnetischen Material ist dabei derart geformt, dass der magnetische Fluss mittels der Koppelverstärkungseinrichtung effektiv auf die Sekundärspule, also die Energieempfangseinrichtung, geleitet wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Verstelleinrichtung bzw. einen Verstellmechanismus aufweist, an welcher die Koppelverstärkungseinrichtung angeordnet ist und welche von einer Verstaustellung in eine Gebrauchstellung bewegbar ist. Dabei befinden sich die Verstelleinrichtung und damit die Koppelverstärkungseinrichtung beispielsweise während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs in der Verstaustellung. In der Verstaustellung kann die Koppelverstärkungseinrichtung beispielsweise in einer Aussparung eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs versenkt sein, also in das Kraftfahrzeug eingefahren sein. Zum Laden des Energiespeichers, also wenn sich das Kraftfahrzeug mit der Energieempfangseinrichtung beispielsweise auf der mit Energieübertragungseinrichtung ausgestatteten Stellfläche befindet, kann die Verstelleinrichtung in die Gebrauchstellung bewegt werden. In der Gebrauchstellung positioniert die Verstelleinrichtung die Koppelverstärkungseinrichtung in dem Luftspalt zwischen der Energieübertragungseinrichtung und der Energieempfangseinrichtung.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung als Verstelleinrichtung eine hydraulische Einrichtung auf. Mittels der hydraulischen Einrichtung bzw. der hydraulischen Einheit kann die Koppelverstärkungseinrichtung in alle drei Raumrichtungen innerhalb des Luftspaltes bewegt werden. Dadurch kann die Koppelverstärkungseinrichtung flexibel in dem Luftspalt angeordnet werden. Somit können Positioniertoleranzen des Kraftfahrzeugs auf der Stellfläche, und damit der fahrzeugseitigen Energieempfangseinrichtung über der stellflächenseitigen Energieübertragungseinrichtung, ausgeglichen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, mittels welcher die Verstelleinrichtung und/oder die Koppelverstärkungseinrichtung ansteuerbar ist. Mittels der Steuereinrichtung kann die Koppelverstärkungseinrichtung automatisch zwischen der Primärspule und der Sekundärspule positioniert werden. Dadurch kann der Kopplungsfaktor, also die Stärke der Kopplung zwischen Energieübertragungseinrichtung und Energieempfangseinrichtung, erhöht und damit die Kopplung optimiert werden. Durch diese automatisierte Kopplungsoptimierung der Kopplungsverstärkungseinrichtung kann also ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung eingestellt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine Ladeanordnung mit einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und einer Energieübertragungseinrichtung, welche in und/oder auf einer Stellfläche für das Kraftfahrzeug anordenbar ist. Eine solche Stellfläche kann ein Ladeparkplatz sein, auf welchem das Kraftfahrzeug zu Laden des Energiespeichers parken kann.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie die erfindungsgemäße Ladeanordnung. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ladeanordnung gemäß dem Stand der Technik; und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt eine Ladeanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik. Die Ladeanordnung 10 dient zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs (hier nicht dargestellt). Die Ladeanordnung 10 weist eine Energieübertragungseinrichtung 12 und eine Energieempfangseinrichtung 14 auf. Die Energieübertragungseinrichtung 12 kann eine erste Spule aufweisen, welche auch als Primärspule bezeichnet wird. Die Energieempfangseinrichtung 14 kann eine zweite Spule aufweisen, welche auch als Sekundärspule bezeichnet wird.
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Die Energieempfangseinrichtung 14 kann in oder an dem Kraftfahrzeug, beispielsweise an einem Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Die Energieübertragungseinrichtung 12 kann auf einer Stellfläche (hier nicht dargestellt) für das Kraftfahrzeug angeordnet sein. Zum Laden des Energiespeichers wird das Kraftfahrzeug auf der Stellfläche positioniert, wodurch die Energieempfangseinrichtung 14 beabstandet über der Energieübertragungseinrichtung 12 positioniert wird. Dadurch bildet die Energieübertragungseinrichtung 12 eine Primärseite eines Transformators und die Energieempfangseinrichtung 14 eine Sekundärseite des Transformators, wobei die Energieempfangseinrichtung 14 und die Energieübertragungseinrichtung 12 über einen Luftspalt 16 galvanisch voneinander getrennt sind. Der Luftspalt 16 entspricht einer sogenannten Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs. Als Bodenfreiheit wird der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug, insbesondere dem tiefsten Punkt der Karosserie des Kraftfahrzeugs, und der Stellfläche bzw. einer Fahrbahn des Kraftfahrzeugs bezeichnet.
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In 1 ist dabei eine Ladeanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug mit einer niedrigen Bodenfreiheit gezeigt, bei welcher die Primärspule und die Sekundärspule einen geringen Abstand zueinander aufweisen. Sobald sich die Energieempfangseinrichtung 14 zumindest bereichsweise über der Energieübertragungseinrichtung 12 befindet, kann Energie von der Energieübertragungseinrichtung 12 an die Energieempfangseinrichtung 14 übertragen werden. Dazu wird beispielsweise mit Hilfe einer Wechselspannung ein magnetischer Fluss 18 in der Primärseite des Transformators, also in der Energieübertragungseinrichtung 12, erzeugt. Der magnetische Fluss 18 induziert über den Luftspalt 16 hinweg in der Sekundärseite, also in der Energieempfangseinrichtung 14, eine Wechselspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Bei der Ladeanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik kann eine effiziente Energieübertragung in der Regel nur dann gewährleistet werden, wenn der Luftspalt 16 bzw. die Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs klein ist.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ladeanordnung 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zum induktiven Laden. Die Vorrichtung 20 kann insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einer sehr hohen Bodenfreiheit, also einem sehr großen Abstand zwischen der fahrzeugseitigen Energieempfangseinrichtung 14 und der stellflächenseitigen Energieübertragungseinrichtung 12, verwendet werden.
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Die Vorrichtung 20 weist eine Koppelverstärkungseinrichtung 22 auf, welche in dem Luftspalt 16 zwischen der Energieempfangseinrichtung 14 und der Energieübertragungseinrichtung 12 positionierbar ist. Die Koppelverstärkungseinrichtung 22 kann beispielsweise eine Platte aus ferromagnetischem Material sein. Die Koppelverstärkungseinrichtung 22 dient dazu, den von der Energieübertragungseinrichtung 12 erzeugten magnetischen Fluss 18 im Luftspalt 16 zu fokussieren und fokussiert auf die Energieempfangseinrichtung 14 zu leiten. Durch die Fokussierung des magnetischen Flusses 18 wird magnetische Flussdichte vergrößert. Somit kann auf besonders verlustarme und effiziente Weise auch über einen großen Luftspalt 16 Energie von der Energieübertragungseinrichtung 12 an die Energieempfangseinrichtung 14 übertragen werden.
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Die Vorrichtung 20 kann zusätzlich eine Verstelleinrichtung (hier nicht dargestellt) aufweisen, an welcher die Koppelverstärkungseinrichtung 22 anordenbar ist. Die Verstelleinrichtung kann von einer Verstaustellung in einer Gerbrauchstellung bewegt werden. In der Verstaustellung der Verstelleinrichtung ist die daran angeordnete Koppelverstärkungseinrichtung 22 beispielsweise in eine Aussparung des Kraftfahrzeugunterbodens versenkt. In der Gebrauchstellung der Verstelleinrichtung ist die Koppelverstärkungseinrichtung 22 in dem Luftspalt 16 zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators angeordnet und dient der Fokussierung des magnetischen Flusses 18. Die Verstelleinrichtung und/oder die Koppelverstärkungseinrichtung 22 kann beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung 24 der Vorrichtung 20 angesteuert werden, sodass die Koppelverstärkungseinrichtung 22 in alle drei Raumrichtungen, also in x-Richtung, in y-Richtung und in z-Richtung, in dem Luftspalt 16 bewegt werden kann und somit flexibel und automatisiert im Luftspalt 16 platziert werden kann. Dadurch wird eine optimierte Energieübertragung zwischen der Energieübertragungseinrichtung 12 und der Energieempfangseinrichtung 14 ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladeanordnung
- 12
- Energieübertragungseinrichtung
- 14
- Energieempfangseinrichtung
- 16
- Luftspalt
- 18
- magnetischer Fluss
- 20
- Vorrichtung
- 22
- Koppelverstärkungseinrichtung
- 24
- Steuereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013217636 A1 [0004]
