DE102015209576A1 - Überfahrschutz für Kabel - Google Patents

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Abstract

Primärspuleneinheit (1) für ein Induktivladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule (2), eine Steuereinheit, ein Gehäuse und ein elektrisches Versorgungskabel (3) umfasst, wobei die Primärspule einen Kabelkanal (4) für das Versorgungskabel umfasst, der Kabelkanal mit dem Gehäuse verbindbar ist, um eine Kanal-Gehäuse-Verbindung herzustellen, und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Kanal-Gehäuse-Verbindung elektrisch zu überwachen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Primärspuleneinheit für ein Induktivladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule, eine Steuereinheit, ein Gehäuse und ein elektrisches Versorgungskabel umfasst.
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des induktiven Ladens einer aufladbaren Batterie eines Fahrzeugs. Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, umfassen aufladbare Batterien zur Speicherung elektrischer Energie. Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom fahrzeugäußeren Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion, die Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs überbrückend, elektrische Energie zum Laden der Batterie übertragen wird. Das Fahrzeug umfasst eine sogenannte Sekundärspule im Bereich des Fahrzeugunterbodens, außerhalb des Fahrzeugs befindet sich eine Primärspuleneinheit, relativ zu der das Fahrzeug mit der Sekundärspule zum Laden zu positionieren ist. Die Primärspuleneinheit kann auch als Basis- oder Bodeneinheit bezeichnet werden, da die Primärspuleneinheit in geeigneter Weise mit dem Untergrund, z.B. einem Parkplatz, verbunden ist, siehe z.B. die Schrift DE 10 2007 033 654 A1 .
  • Eine hohe Ladeeffizienz kann nur erreicht werden, wenn zum Laden die Sekundärspule relativ zur Primärspuleneinheit genau positioniert wird, d.h. im Bereich einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Nach der Schrift DE 10 2012 2016 660 A1 wird der Nutzer des Fahrzeugs beim Abstellen durch technische Verfahren unterstützt, um diese genaue Positionierung zu erreichen.
  • Bei einfachen Induktivladesystemen wird es dem Benutzer ermöglicht, die Primärspuleneinheit selbst zu installieren, z.B. bei Stellplätzen im häuslichen Bereich. Es sind im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten der mechanischen Bodenbefestigung der Primärspuleneinheit beschrieben, siehe etwa DE 102013221648 A1 .
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Primärspuleneinheit für ein Induktivladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule, eine Steuereinheit, ein Gehäuse und ein elektrisches Versorgungskabel umfasst, anzugeben. Es soll insbesondere eine zuverlässige Heiminstallation einer Primärspuleneinheit ermöglicht werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Primärspuleneinheit für ein Induktivladesystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Primärspule einen Kabelkanal für das Versorgungskabel, wobei der Kabelkanal mit dem Gehäuse verbindbar ist, um eine Kanal-Gehäuse-Verbindung herzustellen, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Kanal-Gehäuse-Verbindung elektrisch zu überwachen.
  • Das Versorgungskabel der Primärspule verläuft bei installierter Primärspuleneinheit im Kabelkanal, der am Gehäuse der Primärspuleneinheit angebracht ist. Bei korrekter Anbringung des Kabelkanals an dem Gehäuse sowie des Versorgungskabels an der Primärspule kann das Versorgungskabel ausschließlich innerhalb des Kabelkanals verlaufen. Dies wird dadurch gewährleistet, dass andernfalls ein Anschluss des Versorgungskabels am Kabelkanal nicht möglich ist, indem der Kanal das Kabel „schrumpfschlauchartig“ umschließt. Wird das Kabel also nicht vom Kanal umschlossen, ist entweder der Kanal am Gehäuse oder das Kabel an der Primärspule nicht befestigbar. Durch die Steuereinheit ist die Kanal-Gehäuse-Verbindung elektrisch erfassbar. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Steuerelektronik der Primärspule über einen Schalter erfasst, ob der Kanal an der Primärspule eingeklipst ist. Alternativ zu einem Schalter kann ein Hall-Element mit einem magnetischen Element am Kanal zur Sensierung eine angeschlossenen Kanals verwendet werden. Zusätzlich kann von der Steuereinheit die Verbindung des Kabels mit der Primärspule erfasst werden.
  • Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst ein Induktivladesystem eine solche Primärspuleneinheit und eine Sekundärspule, die in ein Fahrzeug integrierbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Primärspuleneinheit kann also Bestandteil eines Induktivladesystems sein, das weiterhin eine Sekundärspule umfasst, die in ein Fahrzeug integriert werden kann.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn dieses Fahrzeug mit einer Sekundärspule eines solchen Induktivladesystems ausgestattet ist und das Fahrzeug oder das Induktivladesystem Bestimmungsmittel umfasst, durch die die relative räumliche Lage der Primärspuleneinheit zur Sekundärspule bestimmbar ist.
  • Bestimmungsmittel für die Positionsbestimmung können Funkantennensysteme sein, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeiten. Beispielsweise kann das Fahrzeug oder die Sekundärspule zwei Sendeantennen umfassen, die jeweils ein definiertes elektromagnetisches Positionierungssignal aussenden. Zwei Empfänger können im Bereich der Primärspule befindlich sein, um Stärke und Richtung z.B. des Magnetfeldvektoren der jeweils ausgesandten Signale zu detektieren. Anhand der detektierten Feldstärke ist die relativ Lage der Primärspule zur Sekundärspule ermittelbar.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Ist zur induktiven Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule das Fahrzeug relativ zur Primärspuleneinheit in einer vorgegebenen Ladeposition positionierbar, es ist in der Ladeposition die Längsrichtung des Fahrzeugs im Wesentlichen parallel zur Ausrichtung des Kabelkanals angeordnet und es ist die Länge des Kabelkanals mindestens größer als der Abstand von der Sekundärspule in Längsrichtung des Fahrzeugs zu der der Sekundärspule nächstgelegenen Fahrzeugachse.
  • Dies bedeutet, dass in der vorgegebenen Ladeposition des Fahrzeugs der Kabelkanal in x-Richtung relativ zum Fahrzeug eine bestimmte Mindestlänge einnimmt. Mindestens um diese Länge ist das Kabel innerhalb des Kanals von der Primärspuleneinheit weggeführt.
  • Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist zum Erreichen der Ladeposition durch das Fahrzeug, durch die Bestimmungsmittel die relative räumliche Lage der Primärspuleneinheit zur Sekundärspule bestimmbar, wobei das Fahrzeug Anzeigemittel umfasst und es durch die Anzeigemittel anzeigbar ist, wenn die Primärspule zur Sekundärspule eine solche relative räumliche Position einnimmt, ausgehend von welcher die Ladeposition nur durch ein Fahrmanöver mit mehr als einem Zug erreichbar ist.
  • Dadurch ist sichergestellt, dass das der Kabelkanal und damit das Versorgungskabel vor Überrollen durch ein Rad des Fahrzeugs geschützt effektiv geschützt wird. Durch die Länge des Kabelkanals in Relation zur Position der Sekundärspule im Bereich des Unterbodens des betreffenden Fahrzeugs ist zudem gewährleistet, dass ein freier, nicht im Kabelkanal befindlicher Teil des Versorgungskabels ebenfalls vor einem Überrollen geschützt ist. Infolge der Länge des Kabelkanals ist ein solches aus dem Kabelkanal von der der Primärspule abgewandten Seite des Kabelkanals so weit von der Achse des Fahrzeugs weggeführt, dass ein Überrollen nur möglich ist, wenn das Kabel außerhalb des Kanals in Richtung der Primärspule „zurückgeführt“ wird. Außerdem ist durch die Positionsbestimmung der Sekundärspule relativ zur Primärspule bei einer Annäherung des Fahrzeugs in die Ladeposition dem Nutzer anzeigbar, wenn die Ladeposition nicht in einem Zug, d.h. in einem einzigen Fahrmanöver in Vorwärtsfahrt unter Lenkbewegungen, erreichbar ist. Dies soll ein Rangieren des Fahrzeugnutzers im Bereich der Primärspuleneinheit verhindern und ein frühzeitiges Rangieren mit Einleitung einer wiederholten Anfahrt der Primärspule gewährleisten. Ein Rangieren im Bereich der Primärspule birgt ein erhöhtes Risiko des Überrollens des Kabelkanals und/oder des freien, aus dem Kabelkanal austretenden freien Kabelendes.
  • Insgesamt vermindern die Länge des Kabelkanals in Relation zum Integrationsbauraum der Sekundärspule im Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs sowie die vorbestimmte Ladeposition in Verbindung mit der Unterstützung der Einnahme der Ladeposition in einem Zug in Vorwärtsfahrt die Wahrscheinlichkeit, dass der Kabelkanal selbst oder das aus dem Kabelkanal, der Primärspule abgewandte Ende des Versorgungskabels von einem Rad des Fahrzeugs überrollt werden. Auf diese Weise wird der Verschleiß der Primärspuleneinheit wirkungsvoll reduziert und die Funktionszuverlässigkeit der Primärspuleneinheit erhöht.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    Beim induktiven Laden von PHEV- und BEV-Fahrzeugen scheint sich ein Induktivladesystem durchzusetzen, bei dem von einer Primärspule am Boden zu einer Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs induktiv Energie übertragen wird. Zur kostenoptimierten Realisierung solcher Systeme im Bereich von kleinen Ladeleistungen gibt es Lösungsansätze, die die vollständige primärseitige Ansteuerelektronik in die Primärspule integrieren können. Dies ermöglicht einen einfachen Anschluss des Systems über einen haushaltsüblichen Stromstecker an eine Steckdose. Dadurch sind Installationskosten sehr gering. Auch ein Wechsel des Ladeortes z.B. bei Umzug des Nutzers oder Verkauf des Fahrzeugs an einen anderen Nutzer ist mit minimalem Umzugsaufwand der Primärseite möglich.
  • Da kein elektrotechnisches Vorwissen zur Installation der Primärseite an der haushaltsüblichen Stromversorgung notwendig ist, wird eine Installation ohne einen elektrotechnischen Fachmann bzw. durch einen elektrotechnischen Laien gezielt ermöglicht. Wenn durch den Laien die Primärspule installiert wird, ist nicht ohne Weiteres sichergestellt, dass jedwede Sicherheitsaspekte strikt beachtet sind. So könnte z.B. das Anschlusskabel so verlegt werden, dass ein regelmäßiges Überfahren des Anschlusskabels beim Ein- und Ausparken zu Beschädigungen am Kabel führt. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß des Kabels. Im Extremfall könnte auch das Risiko eines elektrischen Schlags für den Anwender oder andere Personen entstehen, die sich im Bereich des Anschlusskabels aufhalten. Dies würde unabhängig davon gelten, ob geladen wird oder nicht.
  • Es werden Maßnahmen vorgestellt, die eine sichere Verlegung des Anschlusskabels sicherstellen. Es wird ein überfahrsicherer Kabelkanal an die Primärspule angebracht. Die Konstruktion ist so ausgeführt, dass das Anschlusskabel durch den Kanal geführt werden muss. Zudem überwacht ein Sensor, ob der Kanal angeschlossen ist. Ist das nicht gegeben, wird ein Laden unterbunden und eine entsprechende Fehleranzeige an der Primärspule oder im Fahrzeug zeigt die nicht richtige Installation an. Zusätzlich wird zur Unterstützung der Anfahrt zum Ladeort, d.h. wo die Primärspule montiert ist, und zur Überwachung der relativen Position des Fahrzeugs zur Primärspule eine relative Positionsbestimmung durchgeführt, die bereits einige Meter vor Erreichen der Zielposition einsetzt. Über diese Positionsbestimmung des Induktivladesystems wird beim Anfahren der Parkposition überwacht, ob der Bereich, in dem ein Überfahren des Anschlusskabels möglich ist, vermieden wird. Die Primärspule enthält Informationen über die Orientierung des Ladekabels und das Fahrzeug die Information über die Lage der Sekundärspule am Fahrzeug. Damit lässt sich ein Bereich bestimmen, der beim Parkvorgang zum Überfahren des Kabels bzw. Kabelkanals führen kann. Dies wird dem Fahrer angezeigt und optional das Laden im Folgenden unterbunden. Damit ist der Anwender vor Inbetriebnahme der Primärspule gezwungen, die Primärspule mit dem Anschlusskabel richtig zu installieren.
  • Beide Maßnahmen stellen in Kombination eine korrekte Installation und einen korrekten Betrieb des von einem elektrotechnischen Laien installierbaren Induktivladesystems sicher. Dadurch werden ein geringer Verschleiß des Systems sowie eine gefährdungssichere Installation für den Anwender und Dritte erreicht.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch 1 Induktivladesystem und Einnahme einer Ladeposition durch ein Fahrzeug
  • Es zeigt 1 eine Primärspuleneinheit (1) eines Induktivladesystems. Die Primärspuleneinheit umfasst eine Primärspule (2), ein Gehäuse der Primärspule sowie ein Versorgungskabel (3) für die Primärspule. Die Primärspuleneinheit ist dazu geeignet, im Heimbereich durch einen Anwender installiert zu werden. In Betracht kommt beispielsweise der Bodenbereich einer häuslichen Garage oder eines häuslichen Stellplatzes. Durch die Konstruktion der Primärspuleneinheit und die Anwendung der Primärspuleneinheit sollen eine fachgerechte und eine zuverlässige Installation für den Induktivladebetrieb ermöglicht werden.
  • Dies wird erreicht durch einen Kabelkanal (4). Das Versorgungskabel ist durch den Kabelkanal zu führen. Ein Ende des Versorgungskabels ist der Primärspule zugewandt, das andere Ende weist einen Stecker (9) auf, der als Schukostecker für eine 230 Volt-Schukosteckdose (10) ausgeführt sein kann.
  • Weiterhin weist die Primärspuleneinheit eine Steuereinrichtung auf. Durch die Steuereinrichtung kann überwacht werden, ob der Kabelkanal mit dem Gehäuse verbunden ist. Dies kann durch einen Überwachungsstromkreis erfolgen, der unterbrochen ist, wenn der Kabelkanal nicht bestimmungsgemäß mit dem Gehäuse verbunden ist. Ein Ladebetrieb des Induktivladesystems wird in diesem Zustand von der Steuereinheit verhindert. Ein Ladebetrieb ist ohnehin nur möglich, wenn das Versorgungskabel mit der Primärspule verbunden ist. Eine Verbindung des Versorgungskabels mit der Primärspule bei bestimmungsgemäß hergestellter Verbindung zwischen dem Kabelkanal und dem Gehäuse ist nur möglich, wenn das Kabel innerhalb des Kabelkanals verläuft. Bei außerhalb des Kanals verlaufendem Kabel müsste das Kabel durch die Kabelkanal-Gehäuse-Verbindung gequetscht werden bzw. ist durch die Dicke des Kabels und die Passgenauigkeit der Kabelkanal-Gehäuse-Verbindung eine solche Quetschung ohne Zerstörung des Kabels nicht möglich.
  • Der Kabelkanal zeigt bei bestimmungsgemäßer Installation in die Richtung x‘. Er weist die Länge d‘ auf.
  • In ein Fahrzeug (6) ist eine Sekundärspule (5) im Bereich des Unterbodens integriert. Die Primärspuleneinheit und die Sekundärspule bilden ein Induktivladesystem, mit dem eine Hochvoltbatterie des Fahrzeugs berührungslos geladen werden kann.
  • Zum induktiven Laden hat das Fahrzeug relativ zur Primärspuleneinheit eine Ladeposition einzunehmen, in der sich die Sekundärspule und die Primärspule möglichst ohne Versatz in x- und y-Richtung gegenüberstehen. Hierbei bezeichnet die x-Richtung die Längsachse des Fahrzeugs und die y-Richtung die Querachse des Fahrzeugs.
  • Das Fahrzeug weist Funksender oder -empfänger auf, die mit Funkempfängern oder -sendern der Primärspuleneinheit korrespondieren. Durch dieses Funksystem sind Daten zwischen einem Steuergerät des Fahrzeugs und der Steuereinheit der Primärspuleneinheit austauschbar. Insbesondere erfolgt eine Positionsbestimmung des Fahrzeugs und damit der Sekundärspule relativ zur Primärspuleneinheit mittels des Funksystems. Diese Positionsbestimmung kann in Echtzeit während der Annäherung des Fahrzeugs an die Primärspuleneinheit erfolgen. Im Detail erfolgt die Positionsbestimmung durch Triangulation, indem ein elektromagnetischer Feldvektor am Empfangsort in Bezug auf Richtung und Stärke gemessen wird und anhand der Messung eine Berechnung der relativen Lage von Sender und Empfänger erfolgt. Die Berechnung wird von einem Steuergerät des Fahrzeugs durchgeführt. Die Positionsbestimmung dient als wesentliche Eingangsgröße für die Berechnung einer Fahrtrajektorie (8) in Vorwärtsfahrt von der aktuell bestimmten Fahrzeugposition in die Ladeposition. Die Ladeposition ist durch den Endpunkt der mit dem Pfeil gekennzeichneten Trajektorie angegeben.
  • Die Fahrtrajektorie kann dem Fahrzeuglenker durch ein Anzeigemittel (7) angezeigt werden. Weiterhin sind im Steuergerät die Wendekreiseigenschaften des Fahrzeugs hinterlegt. Anhand der Wendekreiseigenschaften ermittelt das Steuergerät, ob das Fahrzeug der Trajektorie folgen kann. Falls die Trajektorie von dem Fahrzeug nicht fahrbar ist, wird dies dem Fahrer ebenso angezeigt, z.B. mit einem Hinweis im Instrumentenkombi. Der Fahrer wird gleichzeitig aufgefordert, das Fahrzeug von der Primärspuleneinheit zu entfernen und eine neue Anfahrt in die Ladeposition einzuleiten.
  • Dadurch wird verhindert, dass der Nutzer im Bereich der Primärspuleneinheit möglicherweise sogar mehrere Rangiermanöver vornehmen muss, um die Ladeposition zu erreichen.
  • Dadurch wird verhindert, dass beim Einnehmen der Ladeposition der Kabelkanal oder gar das aus dem der Primärspule abgewandten Ende des Kabelkanals austretende Kabel unnötig von dem Fahrzeug überrollt wird. Die mit einfachen Mitteln von einem Laien installierbare Primärspuleneinheit, bei der im installierten Zustand verschiedene Komponenten frei im Bodenbereich liegen, erfährt auf diese Weise eine wirkungsvolle Lebensdauerverlängerung und es ist beim Betrieb eine hohe Systemsicherheit gewährleistet. Das Versorgungskabel wird insbesondere dadurch vor Überrollen geschützt, dass der Abstand d der Sekundärspule in Richtung der Vorderachse (angezeigt durch gestrichelte Linie parallel zur y-Richtung) kleiner ist als die Länge d‘ des Kabelkanal. Somit ist bei eingenommener Ladeposition der freie Teil des Versorgungskabels durch den Kabelkanal so weit von der Primärspule weggeführt, dass das Kabel entlang des Kabelkanals und außerhalb des Kabelkanals in Richtung der Primärspule zurückgeführt werden muss, um in einen von den Rändern des Fahrzeugs erreichbaren Bereich zu gelangen.
  • 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
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    • DE 1020122016660 B1 [0003]
    • DE 102013221648 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Primärspuleneinheit (1) für ein Induktivladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule (2), eine Steuereinheit, ein Gehäuse und ein elektrisches Versorgungskabel (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Primärspule einen Kabelkanal (4) für das Versorgungskabel umfasst, – der Kabelkanal mit dem Gehäuse verbindbar ist, um eine Kanal-Gehäuse-Verbindung herzustellen, und – die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Kanal-Gehäuse-Verbindung elektrisch zu überwachen.
  2. Induktivladesystem umfassend eine Primärspuleneinheit nach Anspruch 1 und eine Sekundärspule (5), die in ein Fahrzeug (6) integrierbar ist.
  3. Fahrzeug mit einer Sekundärspule eines Induktivladesystems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug oder das Induktivladesystem Bestimmungsmittel umfasst, durch die die relative räumliche Lage der Primärspuleneinheit zur Sekundärspule bestimmbar ist.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – zur induktiven Energieübertragung von der Primärspule zur Sekundärspule das Fahrzeug relativ zur Primärspuleneinheit in einer vorgegebenen Ladeposition positionierbar ist, – in der Ladeposition die Längsrichtung des Fahrzeugs im Wesentlichen parallel zur Ausrichtung des Kabelkanals angeordnet ist, und – die Länge des Kabelkanals mindestens größer ist als der Abstand von der Sekundärspule in Längsrichtung des Fahrzeugs zu der der Sekundärspule nächstgelegenen Fahrzeugachse.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – zum Erreichen der Ladeposition durch das Fahrzeug, die Bestimmungsmittel die relative räumliche Lage der Primärspuleneinheit zur Sekundärspule bestimmen, – das Fahrzeug Anzeigemittel umfasst, und – durch die Anzeigemittel eine Anzeige erfolgt, wenn Primärspule zur Sekundärspule eine solche relative räumliche Position einnimmt, ausgehend von welcher die Ladeposition nur durch ein Fahrmanöver mit mehr als einem Zug erreichbar ist.
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