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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs mittels eines elektromagnetischen Energieübertragungssystems, dessen Primärspulensystem stationär und dessen Sekundärspulensystem an dem Fahrzeug angebracht ist.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln, das zum Antrieb sowohl über eine Verbrennungsmaschine als auch über einen elektrischen Antrieb verfügt.
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Es ist bekannt, den Energiespeicher eines Fahrzeugs mit Hilfe eines elektromagnetischen Übertragungssystems, das aus einer Primär- und einer Sekundärspule besteht, drahtlos aufzuladen. Um eine effiziente Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule gewährleisten zu können, ist es entweder erforderlich, die Spulen genau zueinander auszurichten oder aber aufgrund einer abweichenden Position von Primär- und Sekundärspule das Energieübertragungssystem geeignet abzustimmen. Insbesondere im zuletzt genannten Fall ergibt sich dabei das Problem, dass neben einer verringerten maximal übertragbaren Leistung und einem verringerten Wirkungsgrad sich das elektromagnetische Verhalten verschlechtert. Ein schlecht positioniertes Übertragungssystem führt zu einem weit geöffneten elektromagnetischen Feldverlauf, der mit einem erhöhten Streuungsanteil des Übertragungspfades die Umgebung der feldführenden Spulen beeinflusst.
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Aus der
WO 94/10004 A1 ist eine Anordnung zur berührungslosen Energieübertragung beim Laden der Batterie eines Fahrzeugs mittels eines induktiven Übertragers bekannt, bei dem das Primärelement innerhalb eines vorgegebenen Raumbereichs in allen drei Raumkoordinaten motorisch bewegbar ist. Die Anordnung bezweckt, die elektrische Energie über einen möglichst geringen Luftspalt in der Größenordnung bis etwa 1 cm zwischen Primärspule und Sekundärspule zu übertragen. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass hierzu das Primärspulensystem höhenverstellbar ausgebildet sein muss, um unter das Sekundärspulensystem am Fahrzeug verbracht werden zu können. Neben einer komplexen Mechanik, um das Primärspulensystem in die gewünschte Position relativ zu dem Sekundärspulensystem bringen zu können, ist eine derartige Anordnung nicht geeignet, von einem Fahrzeug, z.B. bei einem Rangiervorgang, überfahren zu werden. Darüber hinaus ist es schwierig, eine derartige Anordnung vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Anordnung ist damit lediglich für spezielle Anwendungen geeignet, bei denen beispielsweise für die Einnahme einer Parkposition keine Gefahr besteht, dass die Anordnung von dem Fahrzeug überfahren wird. Darüber hinaus kann die Anordnung lediglich in geschützten Umgebungen, wie z.B. Parkhäusern oder Garagen eingesetzt werden.
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Um auf eine exakte Ausrichtung von Primärspule und Sekundärspule eines Energieübertragungssystems verzichten zu können, wurden Energieübertragungssysteme entwickelt, welche eine gewisse Positionstoleranz in der elektromagnetischen Auslegung berücksichtigen. Der geforderte Wirkungsgrad der Energieübertragung wird dann bei einem maximalen geometrischen Versatz angegeben. Die abweichende Position von der optimalen Position kann beispielsweise durch eine Veränderung der Arbeitsfrequenz des Energieübertragungssystems kompensiert werden. Andererseits führt ein zu großer Versatz jedoch schnell an die technischen Grenzen der benötigten Kompensation. Eine ausreichende Energieübertragung mit der angegebenen Leistung ist dann nicht mehr möglich. Durch Abschirmungsmassnahmen wird ferner sicher gestellt, dass der negative Einfluss des elektromagnetischen Feldverlaufs bei maximalem Versatz von Primärspule und Sekundärspule minimiert werden kann. Typischerweise werden hierzu Schirmbleche eingesetzt, um auch eine effiziente Energieübertragung sicherzustellen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs mittels eines elektromagnetischen Energieübertragungssystems anzugeben, welches baulich und/oder funktional verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zum Laden eines Energiespeichers eines Fahrzeugs mittels eines elektromagnetischen Energieübertragungssystems vorgeschlagen, dessen Primärspulensystem stationär und dessen Sekundärspulensystem an dem Fahrzeug angebracht ist, wobei das Primärspulensystem in einem gegenüber Umwelteinflüssen hermetisch abgeschlossenen Gehäuse angeordnet ist und in einer x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems, auf welcher Ebene sich das Fahrzeug bewegen kann, bewegbar ist.
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Durch den Einsatz einer Bewegungseinrichtung, welche eine Bewegung des Primärspulensystems in der x-y-Ebene ermöglicht, hängt der Versatz des Energieübertragungssystems lediglich von einem Abstand in z-Richtung ab. Die x-, y- und z-Achse stehen jeweils senkrecht aufeinander, wobei die x-y-Ebene der Ebene des Untergrunds, auf dem sich das Fahrzeug bewegt, entspricht. Die z-Achse stimmt mit der Fahrzeughochachse überein.
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Durch die Anpassung der Positionierung von Primärspulensystem und Sekundärspulensystem in der x-y-Ebene ist eine präzise Abstimmung der Arbeitsfrequenz möglich, wodurch die Effizienz der Energieübertragung insgesamt verbessert werden kann. Andererseits kann dadurch, dass lediglich eine Bewegung in x-y-Ebene vorgesehen werden muss, die Bewegungseinrichtung, die die Bewegung des Primärspulensystems in Richtung der x- und/oder y-Achse ermöglicht, in einem geschlossenen Gehäuse vorgesehen werden. Das geschlossene Gehäuse kann auf einfache Weise hermetisch gegenüber Umwelteinflüsse, wie z.B. Feuchtigkeit und/oder Wasser und dergleichen, abgedichtet werden. Da insbesondere das Gehäuse keine beweglichen Teile aufweist, kann dieses auf einfache Weise derart stabil ausgebildet werden, dass das Fahrzeug ohne Weiteres darüber fahren kann. Beispielsweise kann das Gehäuse dann im Untergrund einer Parkfläche versenkt werden.
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Durch die genauere geometrische Position des Primärspulensystems und des Sekundärspulensystems – im Vergleich einem steuerbaren Energieübertragungssystems – werden weit aufgespannte elektromagnetische Feldverläufe vermieden. Dadurch ist die elektromagnetische Verträglichkeit der Umgebung besser gewährleistet. Zudem erlaubt eine verbesserte Positionierung von Primärspulensystem und Sekundärspulensystem in der x-y-Ebene die Minimierung der Abschirmung in Form von Schirmflächen an der Fahrzeugunterseite. Dadurch kann insbesondere das Sekundärspulesystem an dem Fahrzeug mechanisch weniger komplex und insbesondere mit verringertem Gewicht ausgebildet werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die geometrischen Abmessungen des am Fahrzeug angebrachten Sekundärspulensystems verringert werden können, da der zu berücksichtigende Feldradius gegenüber einem herkömmlichen Übertragungssystemen, bei dem ein Versatz von Primärspulensystem und Sekundärspulensystem in x-y-Ebene erlaubt ist, kleiner ist.
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Je nach Ausgestaltung der Sensorik und der Bewegungseinrichtung, welche die Bewegung des Primärspulensystems innerhalb des Gehäuses relativ zu dem Sekundärspulensystem vornimmt, kann der Positionsversatz in der x-y-Ebene auf 0 minimiert werden. Dadurch kann sowohl in x- als auch y-Richtung der bestehende Versatz vollständig, jedoch zumindest teilweise ausgeglichen werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Energieübertragungssystem in Bezug auf seine Übertragungseigenschaften auf einen konstanten Abstand in Richtung einer z-Achse, welche sich senkrecht zu der x-y-Ebene erstreckt, ausgelegt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass keine gesonderte Abstimmung des Energieübertragungssystems zusätzlich erforderlich ist. Sofern die Positionierung von Primärspulensystem und Sekundärspulensystem in der x-y-Ebene optimiert durchgeführt wurde, liegen optimierte Übertragungseigenschaften vor, welche auch durch eine weitere Abstimmung des Energieübertragungssystems nicht mehr weiter verbessert werden können.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der in dem Gehäuse x- und/oder y-Richtung durch das Primärspulensystem verfahrbare Weg größer als der Spulendurchmesser in der jeweiligen Richtung. Hierdurch ergibt sich eine größtmögliche Freiheit bei der Platzierung der Sekundärspule. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass das Fahrzeug in einer besonders genauen Position relativ zu dem Primärspulensystem zum Stehen kommt. Es ist ausreichend, wenn durch das Fahrzeug lediglich eine Grobpositionierung vorgenommen wurde. Die Feinanpassung erfolgt dann mittels der Bewegungseinrichtung und der Bewegung des Primärspulensystems in der x-y-Ebene innerhalb des Gehäuses. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zudem größere Freiheitsgrade bei der Positionierung des Sekundärspulensystems in Fahrzeuglängs- und/oder -querrichtung an dem Fahrzeug bestehen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung entspricht die in x-Richtung eingenommene Fläche des Gehäuses einer Länge einer Parkfläche des Fahrzeugs. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Sekundärspulensystem von dem Hersteller des Fahrzeugs in Richtung der Fahrzeuglängsachse an einer beliebigen Stelle im Bereich des Unterbodens positioniert werden kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist in dem Gehäuse eine mit dem Primärspulensystem verformbare Abstützung vorgesehen, welche in z-Richtung eine auf dem Deckel des Gehäuses wirkende Kraft aufnehmen kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Energieübertragungssystems, in dem das Primärspulensystem angeordnet ist, eine große Fläche einnimmt, welche von einem Fahrzeug grundsätzlich überfahrbar sein soll. Dadurch kann dem Gehäuse mehr Stabilität verliehen werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Gehäuse derart dimensioniert, dass dieses von dem Fahrzeug überfahrbar ist. Die Dimensionierung betrifft beispielsweise die Stärke des Materials des Gehäuses in z-Richtung sowie dessen Struktur und insbesondere dessen in x-y-Ebene überfahrbaren Bauteils.
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Ein dem Fahrzeug zugewandter Deckel des Gehäuses besteht gemäß einer weiteren Ausgestaltung aus einem nicht-metallischen Material. Der Deckel aus nicht-metallischen Material ermöglicht den Durchgang der elektrischen Feldlinien zur Übertragung von Energie von dem Primärspulensystem auf das Sekundärspulensystem. Darüber hinaus kann der Deckel, der gegenüber den restlichen Gehäusekomponenten, z.B. durch eine Verschraubung, und die Verwendung entsprechender Dichtungen, abgedichtet ist, dazu genutzt werden, auf einfache Weise die Bewegungsvorrichtung in dem Gehäuse zu platzieren und dicht zu verschließen und bei einem möglichen Defekt zu reparieren.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bewegung des Primärspulensystems in x- und/oder y-Richtung dazu ausgebildet, die Bewegung des Primärspulensystems in x- und/oder y-Richtung anhand der Auswertung des Übertragungsverhaltens von elektrischen Parametern des Energieübertragungssystems zu steuern. Hierzu kann beispielsweise während eines Positioniervorgangs eine kontinuierliche Überwachung des Übertragungsverhaltens von elektrischen Parametern erfolgen. Verbessern sich die elektrischen Parameter während einer Bewegung des Primärspulensystems in x- und/oder y-Richtung, so wird die gerade gewählte Bewegungsrichtung beibehalten. Sobald eine Verschlechterung der Übertragungsparameter feststellbar ist, erfolgt eine Umkehr der Bewegungsrichtung. Hierdurch kann eine Annäherung an das Optimum gefunden werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Steuerung der Bewegung des Primärspulensystems nach vorausgegangener Grobpositionierung des Sekundärspulensystems über dem Gehäuse der Vorrichtung durchführbar ist. Die Grobpositionierung des Sekundärspulensystems wird durch einen entsprechenden Bewegungsvorgang des Fahrzeugs, z.B. einen Einparkvorgang, realisiert. Hierbei kann der Fahrer des Fahrzeugs beispielsweise durch Sensoren des Fahrzeugs oder extern angebrachte Sensoren unterstützt werden, welche ihn beim Auffinden der bestmöglichen Position des Fahrzeugs relativ zu dem Primärspulensystem unterstützen.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines in einem Gehäuse angeordneten Primärspulensystems, und
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2 ein erfindungsgemäßes drahtloses Energieübertragungssystem, umfassend ein Primärspulensystem und ein Sekundärspulensystem.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf eine sog. Bodeneinheit eines elektromagnetischen Energieübertragungssystems. Die Bodeneinheit umfasst ein, lediglich beispielhaft, kreisförmig ausgebildetes Primärspulensystem 10, das in einem gegenüber Umwelteinflüssen hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 13 angeordnet ist. In dem Gehäuse sind ferner eine Bewegungseinrichtung 11 sowie eine Bewegungseinrichtung 12 angeordnet, welche über eine geeignete mechanische Kopplung eine Bewegung des Primärspulensystems 10 in x-Richtung bzw. in y-Richtung ermöglichen.
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Das Gehäuse 13 setzt sich aus einer lediglich beispielhaft in etwa quadrisch ausgebildeten Gehäusewand 16 und einem, z.B. mittels einer Vielzahl an Schrauben 15 mit der Gehäusewand 16 fest verbundenen Deckel 14 zusammen. Die Gehäusewand 16 erstreckt sich in die Zeichenebene, welche der x-y-Ebene entspricht, hinein. x- und y-Richtung stehen orthogonal zueinander. Während das Gehäuse 16 beispielsweise aus einem metallischen Material besteht oder zumindest dessen Wandungen mit einem metallischen Material ausgekleidet sind, besteht der Deckel 14 aus einem nicht metallischen Material. Hierdurch kann der elektromagnetische Feldverlauf günstig beeinflusst werden. Es versteht sich, dass lediglich zur Erläuterung der Erfindung, der Deckel 14 in der vorliegenden Darstellung durchsichtig ausgebildet ist.
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Zwischen dem Deckel 14 und der Gehäusewand 16 kann beispielsweise ein Dichtmittel in Form eines O-Rings oder einer Labyrinthdichtung vorgesehen sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass in das Innere des Gehäuses 13, in dem das Primärspulensystem 10 angeordnet ist, keine Feuchtigkeit und insbesondere kein Wasser eindringen kann. Eine elektrische Versorgung des Primärspulensystems 10 erfolgt über eine aus dem Gehäuse 13 herausgeführte Leitung 17. Die Leitung 17 ist über einen Wandler an ein öffentliches Stromversorgungsnetz angeschlossen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung, in der die Bodeneinheit aus 1 auf einem Boden 5 angeordnet ist, auf dem sich ein Fahrzeug 1 bewegt. Grundsätzlich könnte die Bodeneinheit auch in dem Boden 5, teilweise oder vollständig versenkt, angeordnet sein. Wie aus der Querschnittsdarstellung ohne Weiteres hervorgeht, ist das Primärspulensystem 10 benachbart zu dem Deckel 14 des Gehäuses 13 angeordnet. Dadurch, dass das Primärspulensystem 10 an dem Deckel 14 angeordnet ist, wird ein in z-Richtung gebildeter fester Abstand 30 zu einem an dem Fahrzeug 1 befestigten Sekundärspulensystem so klein wie möglich gehalten.
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2 zeigt eine Darstellung, in der eine Grobpositionierung zwischen dem Primärspulensystem 10 bzw. der Bodeneinheit und dem Sekundärspulensystem 20 des Fahrzeugs 1 vorgenommen ist. Hierzu kann der Fahrer des Fahrzeugs beispielsweise durch Fahrzeug-eigene oder Fahrzeug-externe Sensoren in eine entsprechende Parkposition eingewiesen werden. Sobald die Grobpositionierung abgeschlossen ist, erfolgt eine Bewegung des Primärspulensystems 10 innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Gehäuses 13 entlang der x- und y-Richtung durch die entsprechenden Bewegungseinrichtungen 11, 12.
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Eine Positionierung kann beispielsweise über eine kontinuierliche Erfassung der an das Sekundärspulensystem 20 übertragbaren Leistung und/oder des gerade erreichten Wirkungsgrads realisiert werden. Die Feinpositionierung erfolgt somit über die Erfassung des Übertragungsverhaltens elektrischer Parameter des Energieübertragungssystems. Insbesondere erfolgt zu diesem Zweck eine Kommunikation zwischen einer entsprechenden, nicht näher dargestellten Recheneinheit des Fahrzeugs und einer Recheneinheit bzw. Steuerung der Bodeneinheit.
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Das Energieübertragungssystem ist in Bezug auf seine Übertragungseigenschaften auf den konstanten Abstand 30 in Richtung der z-Achse, welche sich senkrecht zu der x-y-Ebene erstreckt, ausgelegt. Die Versatztoleranz des Gesamtsystems beschränkt sich damit lediglich auf den Abstand 30 in z-Richtung, da ein Positionsversatz in der x-y-Ebene des drahtlosen Energieübertragungssystems nach Möglichkeit auf 0 minimiert wird. Aus diesem Grund kann das Primärspulensystem 10 geometrisch kleiner realisiert werden, da eine zu berücksichtigende Versatztoleranz in x- und y-Richtung entfällt. Der feste Abstand in z-Richtung kann z.B. zwischen 8 cm und 15 cm, insbesondere zwischen 8 cm und 12 cm, betragen.
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Um eine möglichst große Wahrscheinlichkeit der Minimierung des Positionsversatzes in x- und y-Richtung auf 0 zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn, wie in 1 und 2 ersichtlich, die Seitenlängen des Gehäuses 13 in x- und y-Richtung wesentlich größer als der Durchmesser des Primärspulensystems 10 sind. Grundsätzlich kann jedoch auch eine Bodeneinrichtung realisiert werden, bei der eine Erstreckung des Gehäuses in x- und/oder y-Richtung lediglich eine Bewegung eines Teils des Spulendurchmessers 10 zulässt, d.h. die maximal mögliche Bewegungslänge innerhalb des Gehäuses ist kleiner als der zweifache Durchmesser des Primärspulensystems.
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Die vorgeschlagene Bodeneinrichtung und das daraus sich ergebende Energieübertragungssystem ist mechanisch einfach zu realisieren. Dadurch, dass lediglich eine Bewegung in x- und y-Ebene vorgesehen ist, ergibt sich eine vergleichsweise geringe mechanische Komplexität. Insbesondere ist es dadurch möglich, das Primärspulensystem in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse zu realisieren. Dies ermöglicht den Einsatz nicht nur in gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmten Umgebungen, wie z.B. Garagen oder Parkhäusern, sondern auch im Freien. Insbesondere ist es dadurch auch möglich, das Gehäuse mechanisch derart zu realisieren, dass dieses von einem Fahrzeug ohne Beschädigung überfahren werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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