DE102015208834A1 - Kraftfahrzeug mit einer Induktionsspule - Google Patents

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Abstract

Erfindungsgemäß umfasst eine Induktionsspule (4) eines Kraftfahrzeugs in Fahrzeughöhenrichtung (z) gesehen auf der Oberseite ein Abschirmelement (10), welches wenigstens einen Schirmbereich zum Abschirmen elektromagnetischer Felder aufweist. Die Induktionsspule (4) ist in eine andere Baugruppe des Kraftfahrzeugs integriert, sodass ein Bauteil dieser anderen Baugruppe zugleich das Abschirmelement (10) bildet. Durch die Integration der Induktionsspule (4) in die andere Baugruppe kann ein Bauteil dieser Baugruppe zugleich als Abschirmelement (10) der Induktionsspule (4) zur Abschirmung der elektromagnetischen Felder beim Laden dienen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit eine Induktionsspule zum induktiven Laden eines Energiespeichers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Induktionsspulen dienen zum berührungslosen Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, wobei das Kraftfahrzeug zum Laden des Energiespeichers lediglich über einen längeren Zeitraum über einer Ladevorrichtung zu platzieren ist, welche ein sich änderndes Magnetfeld emittiert. Derartige Ladevorrichtungen können beispielsweise an öffentlichen Parkplätzen vorgesehen sein, um den Energiespeicher (Fahrzeugbatterie) während des Parkens des Kraftfahrzeugs zu laden. Gerade im Vergleich zum Tankvorgang beim Betanken von Kraftwagen mit fossilen Brennstoffen ergeben sich dann sowohl Vorteile darin, dass keine spezielle Tankstelle aufgesucht werden muss, um den Energiespeicher zumindest teilweise zu füllen, als auch, dass das Laden des Energiespeichers berührungslos erfolgt und dementsprechend besonders ergonomisch und ohne weiteres Zutun durch den Fahrer vonstattengehen kann. Des Weiteren werden im Gegensatz zum Betanken mit fossilen Brennstoffen während des Tankvorgangs beziehungsweise während des Ladens des Energiespeichers keine Kraftstoffdämpfe freigesetzt.
  • Allerdings kann es infolge der elektromagnetischen Strahlung beziehungsweise durch sich ändernde Magnetfelder beziehungsweise elektrischer Felder beim Laden zu Unverträglichkeiten mit anderen elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs beziehungsweise zu deren Fehlfunktion kommen.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2014 203 037 A1 ist eine Anordnung bekannt, durch die die beim Laden emittierte elektromagnetische Strahlung begrenzt werden kann. Dazu ist es vorgesehen, dass die Anordnung ein Abschirmelement oberhalb der Induktionsspule aufweist, welches wenigstens einen Schirmbereich zum Abschirmen elektromagnetischer Felder der Induktionsspule aufweist.
  • Ferner ist es aus der ebenfalls nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 226 830 A1 bekannt, dass die Induktionsspule in Fahrzeughochrichtung nach unten zumindest teilweise durch wenigstens einen Unterfahrschutz überdeckt ist. Mittels dieses Unterfahrschutzes kann vermieden werden, dass die Induktionsspule des Kraftwagens beispielsweise durch Fremdeinwirkung auf Schlechtwegstrecken beschädigt wird, beziehungsweise größere Mengen an Spritzwasser an elektronische Komponenten wie die Induktionsspule gelangen. Somit wird durch den Unterfahrschutz vermieden, dass die Induktionsspule beschädigt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Anordnungen einer Induktionsspule an einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Kraftfahrzeug mit zumindest einer Induktionsspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß umfasst eine Induktionsspule eines Kraftfahrzeugs in Fahrzeughöhenrichtung gesehen auf der Oberseite ein Abschirmelement, welches wenigstens einen Schirmbereich zum Abschirmen elektromagnetischer Felder aufweist. Die Induktionsspule ist in eine andere Baugruppe des Kraftfahrzeugs integriert, sodass ein Bauteil dieser anderen Baugruppe zugleich das Abschirmelement bildet. Durch die Integration der Induktionsspule in die andere Baugruppe kann ein Bauteil dieser Baugruppe zugleich als Abschirmelement der Induktionsspule zur Abschirmung der elektromagnetischen Felder beim Laden dienen. Die Induktionsspule muss also kein separates Abschirmelement mehr aufweisen, das keine anderen Funktionen außer der Abschirmung hat. Durch den hohen Integrationsgrad kann die Induktionsspule außerordentlich flach gehalten werden, da kein separates Abschirmelement die Masskette in der Höhenerstreckung der Induktionsspule vergrößert. Zugleich reduzieren sich durch den hohen Integrationsgrad die Toleranzen.
  • Zusätzlich wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert, da die beim Aufladen in der Induktionsspule entstehende Wärme direkt in das Bauteil der anderen Baugruppe abgeleitet werden kann, ohne dass dabei ein separates Abschirmelement die Wärmeleitfähigkeit behindert.
  • Vorteilhafterweise dient ein Druckgussgehäuse der anderen Baugruppe zugleich als Abschirmelement der Induktionsspule. Dabei kann günstigerweise das Druckgussgehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Ein Druckgussgehäuse aus Aluminium ist deutlich leichter als ein Druckgussgehäuse aus einem Eisenwerkstoff. Zudem kann Aluminium elektromagnetische Felder sehr gut abschirmen. Dabei weist der Bereich des Druckgehäuses, der zugleich als Abschirmelement der Induktionsspule dient, bevorzugt eine Wandstärke von mindestens drei Millimetern auf. Eine Mindestwandstärke von drei Millimetern hat sich als ausreichend für die erforderliche Abschirmung beim Aufladen über eine Induktionsspule herausgestellt, sodass keine anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs beschädigt oder in ihrer Funktion gestört werden.
  • Idealerweise erstreckt sich die andere Baugruppe vollflächig oberhalb der Induktionsspule. So kann auf sehr einfache Weise eine sehr gute Abschirmung sichergestellt werden. Wenn die Induktionsspule dabei zudem vollflächig an der anderen Baugruppe anliegt, ist eine optimale Ableitung der beim Aufladen in der Induktionsspule entstehenden Wärme gewährleistet.
  • Allgemein darf die beim Aufladen in der Induktionsspule entstehende Wärmemenge nicht unterschätzt werden. Insbesondere beim Aufladen mit einer hohen Leistung kann eine erhebliche Wärme in der Induktionsspule entstehen. Idealerweise weist daher die andere Baugruppe eine Kühlvorrichtung auf. Diese Kühlvorrichtung kühlt günstigerweise die andere Baugruppe zumindest auch in dem Bereich, in den die Induktionsspule integriert ist. Auf diese Weise kann die in der Induktionsspule entstehende Wärme in die andere Baugruppe abgeleitet werden, die wiederum gekühlt ist. Auf diese Weise kann sowohl die Induktionsspule als auch die andere Baugruppe vor Überhitzung geschützt werden.
  • Da die Induktionsspule normalerweise auf der Unterseite des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, haben sich insbesondere die folgenden Baugruppen als besonders geeignet zur Integration der Induktionsspule herausgestellt: Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die andere Baugruppe ein Schaltgetriebe, das eine Wasserkühlung aufweist. Das Schaltgetriebe ist relativ tief im Kraftfahrzeug eingebaut und weist üblicherweise ein großes Aluminiumdruckgussgehäuse auf. Zudem gibt es mehr und mehr Bestrebungen, derartige Schaltgetriebe mit einer Wasserkühlung zu versehen. Aufgrund der tiefen Einbaulage ist der Abstand zwischen der Induktionsspule und einer am Boden unterhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Aufladeeinrichtung relativ gering, sodass entsprechend hohe Leistungen durch Induktion übertragen werden können. Somit ist das Schaltgetriebe zur Integration der Induktionsspule prädestiniert. Die während des Aufladens entstehende Wärme kann gut abgeführt werden und das Aluminiumgehäuse kann zugleich gut als Abschirmelement elektromagnetische Felder der Induktionsspule abschirmen.
  • Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist die andere Baugruppe eine Brennkraftmaschine bzw. eine Ölwanne einer Brennkraftmaschine. Auch eine Brennkraftmaschine bzw. eine zur Brennkraftmaschine gehörende Ölwanne, die unterhalb der eigentlichen Brennkraftmaschine angebracht ist, sind relativ tief eingebaut und weisen üblicherweise ein Druckgussgehäuse aus einem Leichtmetall auf. Somit ist die Ölwanne einer Brennkraftmaschine ebenfalls gut zur Integration der Induktionsspule geeignet.
  • Gemäß einer dritten Ausgestaltung ist die andere Baugruppe ein Hochvoltspeicher, der eine Kühlung mit einem Kältemittel aufweist. Moderne Hochvoltspeicher weisen üblicherweise sowieso eine Kühlung auf, da es in einem Hochvoltspeicher bei einer schnellen Leistungsentnahme ebenfalls zu einer erheblichen Wärmeentwicklung kommen kann, sodass über die Kühlung eine Überhitzung vermieden werden muss. Die Integration der Induktionsspule hat zudem den Vorteil, dass die Wege zwischen den Speicherzellen des Hochvoltspeichers und der Induktionsspule sehr kurz sind, sodass unter Umständen Hochvoltleitungen und ggfs. Steuerleitungen innerhalb des Kraftfahrzeugs entfallen können.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzelnen Figuren zeigen in schematischer Darstellungsweise:
  • 1 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer Induktionsspule, das über eine Ladevorrichtung parkt,
  • 2 ein vereinfachter Schnitt durch die Induktionsspule,
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Schaltgetriebes,
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Ölwanne und
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines Hochvoltspeichers.
  • In 1 ist ein in einer Garage 1 abgestelltes Kraftfahrzeug 2 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Hochvoltbatterie 3 auf, die über eine auf der Fahrzeugunterseite angebrachte Induktionsspule 4 induktiv aufgeladen werden kann. Dazu ist die Induktionsspule 4 über eine Hochvoltleitung 5 mit der Hochvoltbatterie 3 verbunden. Unterhalb der Induktionsspule 4 befindet sich eine als Ladevorrichtung dienende Primärspule 6, die am Boden 7 der Garage 1 angeordnet ist. Zwischen der Primärspule 6 am Boden 7 der Garage 1 und der Induktionsspule 4 an der Unterseite des Kraftfahrzeugs 2 verbleibt ein Luftspalt. Zum Aufladen der Hochvoltbatterie 3 emittiert die Primärspule 6 ein sich änderndes Magnetfeld. Durch Induktion entsteht dadurch in der Induktionsspule 4 der zum Laden des Hochvoltspeichers 2 erforderliche Ladestrom. Dabei ist die berührungslos von der Primärspule 6 in die Induktionsspule 4 übertragbare Leistung umso höher, je geringer der Luftspalt zwischen der Primärspule 6 und der Induktionsspule 4 ist, und je genauer sich die Induktionsspule 4 ohne Versatz in Fahrzeuglängs- oder Fahrzeugquerrichtung oberhalb der Primärspule 6 befindet.
  • In 2 ist ein schematischer Schnitt durch die Induktionsspule 4 gezeigt. Die Induktionsspule 4 umfasst im Wesentlichen die eigentlichen Wicklungen 8, einen Ferritkern 9, der die Wicklungen 8 umgibt, und ein Abschirmelement 10. Dabei sind zumindest die eigentlichen Wicklungen 8 und der Ferritkern 9 von einem Schutzmantel 11 aus einem faserverstärkten Kunststoff umgeben. Der Schutzmantel 11 behindert die gewünschte Induktion praktisch nicht, schützt aber die Wicklungen 8 und den Ferritkern 9 vor Beschädigungen durch mechanische Einflüsse und durch Spritzwasser und Schmutz. Der Schutzmantel 11 kann zugleich einen Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs 2 bilden. Je nach der Form der Wicklungen 8 und des Ferritkerns 9 kann die Induktionsspule 4 im Wesentlichen rund, oval oder rechteckig ausgeführt werden. Erfindungsgemäß ist die Induktionsspule 4 in eine andere Baugruppe des Kraftfahrzeugs integriert, sodass das Abschirmelement 10 von einem Bauteil dieser anderen Baugruppe gebildet wird. Dabei erstreckt sich das Abschirmelement 10 über den gesamten Bereich oberhalb des Ferritkerns 9.
  • Bei heutigen Kraftfahrzeugen 2 ist üblicherweise der zur Verfügung stehende Bauraum stets knapp. Wenn nun bei einem Kraftfahrzeug 2 mit einer Brennkraftmaschine zusätzlich ein Hochvoltspeicher 3 und eine Induktionsspule 4 untergebracht werden müssen, um einen Hybridantrieb zu ermöglichen, müssen diese Baugruppen möglichst platzsparend untergebracht werden. Der zur Unterbringung der Induktionsspule 4 zur Verfügung stehende Bauraum ist insbesondere in Fahrzeughöhenrichtung z außerordentlich knapp bemessen. Die Induktionsspule 4 kann hierbei nicht einfach nach unten abragend an der Fahrzeugunterseite angebracht werden, da sonst die erforderliche Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs nicht mehr gegeben ist. Die erfindungsgemäße Integration der Induktionsspule 4 in eine andere Baugruppe ermöglicht insbesondere in Fahrzeughöhenrichtung z eine außerordentlich platzsparende Bauweise.
  • Jede Induktionsspule 4 muss ein Abschirmelement 10 aufweisen, das die beim Aufladen entstehenden elektromagnetischen Felder abschirmt, um andere elektrische und elektronische Bauteile des Kraftfahrzeugs vor Beschädigungen und/oder Fehlfunktionen zu schützen. Statt nun ein separates Abschirmelement 10 vorsehen zu müssen, dient ein Bauteil der anderen Baugruppe zugleich als Abschirmelement 10 der Induktionsspule 4. Dadurch kann die Induktionsspule 4 in Fahrzeughöhenrichtung z gesehen außerordentlich flach ausgeführt werden. Die gesamte Höhe der Induktionsspule 4 ohne das Abschirmelement kann zwanzig Millimeter oder weniger betragen.
  • In 3 bis 5 sind beispielhaft konkrete Varianten der anderen Baugruppe dargestellt.
  • In der in 3 gezeigten Ausführung ist die Induktionsspule 4 in Fahrzeughöhenrichtung z gesehen in die Unterseite eines Schaltgetriebes 12 des Kraftfahrzeugs 2 integriert. Normalerweise befindet sich bei heutigen Kraftfahrzeugen die Brennkraftmaschine im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs. Das Schaltgetriebe 12 ist dann in Fahrzeuglängsrichtung x gesehen hinten an die Brennkraftmaschine angeflanscht. Es befindet sich damit meist im Bereich zwischen Vorderwagen und Fahrgastzelle. In Fahrzeughöhenrichtung z ragt es ziemlich weit nach unten, sodass es ein prädestinierter Einbauort für die Induktionsspule 4 ist. Allerdings ist der in Fahrzeughöhenrichtung x zur Verfügung stehende Bauraum sehr knapp, sodass nur durch die Integration der Induktionsspule 4 in das Schaltgetriebe 12 als andere Baugruppe die erforderliche Bodenfreiheit gewährleistet werden kann. Die Unterseite des Druckgussgehäuses aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung des Schaltgetriebes 12 bildet dabei zugleich das Abschirmelement 10 der Induktionsspule 4. Dazu ist die Unterseite des Druckgussgehäuses im Bereich der Induktionsspule 4 flächig und größtenteils eben gestaltet, sodass sich das Druckgussgehäuse vollflächig oberhalb der Wicklungen 8 und des Ferritkerns 9 erstreckt. In diesem Bereich weist das Gehäuse an Wanddicke von mindestens drei Millimetern auf. Diese Wanddicke des Druckgussgehäuses ist ausreichend, um zugleich als Abschirmelement 10 der Induktionsspule 4 zu dienen.
  • Während des Aufladens können hohe Temperaturen in der Induktionsspule 4 entstehen. Durch die Integration der Induktionsspule 4 in das Schaltgetriebe 12 kann der Wärmeeintrag in das Schaltgetriebe 12 abgeleitet werden, sodass die Induktionsspule 4 vor Überhitzung geschützt ist. Zudem weisen moderne Schaltgetriebe 12 vermehrt eine Kühlvorrichtung auf. Wenn das Schaltgetriebe 12 eine solche Kühlvorrichtung aufweist, kann diese zusätzlich das Druckgussgehäuse des Schaltgetriebes 12 im Bereich der Induktionsspule 4 kühlen und so die überschüssige Wärme abführen.
  • In 4 ist die andere Baugruppe eine Ölwanne 14 einer Brennkraftmaschine 13. Jede Brennkraftmaschine 13 weist in Fahrzeughöhenrichtung z an der Unterseite eine Ölwanne 14 auf, in die die Induktionsspule 4 integriert ist. Die Ölwanne 14 weist ein Gehäuse aus Aluminiumdruckguss auf. Dieses Gehäuse aus Aluminium ist das Bauteil der anderen Baugruppe, das zugleich als Abschirmelement 10 der Induktionsspule 4 dient. Dabei ist die Gehäuseunterseite im Bereich der Induktionsspule flächig und eben ausgeführt, sodass das Gehäuse der Ölwanne 14 einerseits eine gute Abschirmung bildet und andererseits die entstehende Wärme während des Aufladens gut in die Ölwanne 14 abgeführt werden kann. Die Brennkraftmaschine 13 weist sowieso eine Kühlung auf, sodass das Öl und damit auch die Ölwanne 13 nie zu heiß werden kann. Somit ist die in die Ölwanne 14 integrierte Induktionsspule 4 gut vor Überhitzung geschützt.
  • In 5 ist die andere Baugruppe eine Hochvoltbatterie 3 des Kraftfahrzeugs 2. Die Hochvoltbatterie 3 befindet sich unterhalb einer hinteren Sitzreihe des Kraftfahrzeugs 2. Zum Schutz der eigentlichen Speicherzellen der Hochvoltbatterie 3 sind diese von einem stabilen Gehäuse aus Aluminium umgeben. Die in die Hochvoltbatterie 2 integrierte Induktionsspule 4 verwendet in Fahrzeughöhenrichtung z gesehen die Unterseite des Gehäuses der Hochvoltbatterie 3 als Abschirmelement 10. Auch hier ist das Gehäuse des Hochvoltbatterie 4 im Bereich der Induktionsspule flächig und eben ausgeführt, sodass das Gehäuse optimal als Abschirmelement 10 dienen und die Abwärme der Induktionsspule 4 beim Aufladen aufnehmen kann. Derartige Hochvoltbatterien 3 entwickeln selber bei einer schnellen Leistungsentnahme eine hohe Abwärme. Daher weisen solche Hochvoltbatterien 3 einen eigene Kühlvorrichtung mit einem Kältemittel auf, um eine Überhitzung der Hochvoltbatterie 3 zu vermeiden. Idealerweise kann die Kühlvorrichtung so konzipiert sein, dass sie auch das Gehäuse im Bereich der Induktionsspule 4 kühlt, sodass eine Überhitzung der Induktionsspule 4 ausgeschlossen werden kann. Die Integration der Induktionsspule 4 in die Hochvoltbatterie 3 hat zudem den Vorteil, dass keine Hochvoltleitung 5 zur Verbindung der Induktionsspule 4 mit der Hochvoltbatterie 3 erforderlich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014203037 A1 [0004]
    • DE 102013226830 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Kraftfahrzeug mit einer Induktionsspule (4), die in Fahrzeughöhenrichtung (z) gesehen auf der Oberseite ein Abschirmelement (10) aufweist, welches wenigstens einen Schirmbereich zum Abschirmen elektromagnetischer Felder aufweist wobei die Induktionsspule (4) in eine andere Baugruppe (3, 12, 14) des Kraftfahrzeugs (2) integriert ist, sodass ein Bauteil dieser anderen Baugruppe (3, 12, 14) zugleich das Abschirmelement (10) bildet.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgussgehäuse der anderen Baugruppe (12, 14) zugleich als Abschirmelement (10) der Induktionsspule (4) dient.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussgehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Druckgehäuses, der zugleich als Abschirmelement (10) der Induktionsspule (4) dient, eine Wandstärke von mindestens 3 mm aufweist.
  5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe (3, 12, 14) sich vollflächig oberhalb der Induktionsspule (4) erstreckt.
  6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe (3, 12, 14) eine Kühlvorrichtung aufweist.
  7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe (3, 12, 14) zumindest mit der Kühlvorrichtung auch in dem Bereich gekühlt wird, in den die Induktionsspule (4) integriert ist.
  8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe ein Schaltgetriebe (12) ist, das eine Wasserkühlung aufweist.
  9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe eine Brennkraftmaschine (13) bzw. eine Ölwanne (14) einer Brennkraftmaschine (13) ist.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Baugruppe ein Hochvoltspeicher (3) ist, der eine Kühlung mit einem Kältemittel aufweist.
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