DE102015213096A1

DE102015213096A1 - Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung

Info

Publication number: DE102015213096A1
Application number: DE102015213096.7A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer; Tobias Müller; Hartmut Eggers; Cornelius Johan Kalle Keil; Stefan Opl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-01-19
Also published as: CN107836028B; WO2017009135A1; CN107836028A

Abstract

Es ist eine Spuleneinheit zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt. Die Spuleneinheit umfasst eine Spule, eine Flussführungseinheit und eine Streufeldabschirmung, die fest miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander vergossen, verpresst oder verschraubt oder Kombinationen davon. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung zu schaffen, die einen guten Schutz vor mechanischen Beschädigungen aufweist. Erfindungsgemäß umfasst eine Spuleneinheit (4) zur induktiven Energieübertragung zumindest eine Spulenwicklung (8) und einen Ferritkern (9). Diese zumindest eine Spulenwicklung (8) und der Ferritkern (9) sind von einer Struktur (11) aus einem faserverstärkten Kunststoff umgeben. Faserverstärkte Kunststoffe weisen eine hohe Steifigkeit auf. Entsprechend schützt die Struktur (11) aus dem faserverstärkten Kunststoff die zumindest eine Spulenwicklung (8) und den Ferritkern (9) zuverlässig vor Beschädigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Spuleneinheiten 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 primären Spuleneinheit als 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.
Aus der DE 10 2013 101 150 A1 ist eine Spuleneinheit zur induktiven Übertragung elektrischer Energie bekannt. Die Spuleneinheit umfasst eine Spule, eine Flussführungseinheit und eine Streufeldabschirmung, die fest miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander vergossen, verpresst oder verschraubt sind oder eine Kombinationen davon.
Ferner ist aus der DE 10 2010 050 935 A1 eine Spuleneinheit bekannt, bei der die Spulenwicklungen und ein ebener Ferritbereich in eine Vergussmasse eingegossen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung zu schaffen, die einen guten Schutz vor mechanischen Beschädigungen aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einer Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst eine Spuleneinheit zur induktiven Energieübertragung zumindest eine Spulenwicklung und einen Ferritkern. Diese zumindest eine Spulenwicklung und der Ferritkern sind von einer Struktur aus einem faserverstärkten Kunststoff umgeben. Faserverstärkte Kunststoffe weisen eine hohe Steifigkeit auf. Entsprechend schützt die Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff die zumindest eine Spulenwicklung und den Ferritkern zuverlässig vor Beschädigungen, insbesondere wenn die Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff die zumindest eine Spulenwicklung und den Ferritkern vollständig umgibt. Zusätzlich kann die Spuleneinheit bei entsprechender Dimensionierung der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff eine hohe Eigensteifigkeit aufweisen, sodass die Spuleneinheit nicht durch zusätzliche Bauteile versteift werden muss. Vor allem der Ferritkern ist sehr spröde und kann bereits bei geringen Beanspruchungen brechen. Durch die steife Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff wird der Ferritkern zuverlässig geschützt.
Jeder faserverstärkte Kunststoff beinhaltet Fasern und eine Matrix, in die die Fasern eingebettet sind. Die Fasern leiten die Kräfte. Durch ihre im Vergleich zur Matrix hohe Steifigkeit ziehen sie die Last auf sich. Da die Faser eine höhere Steifigkeit als die Matrix hat, wird die Last entlang der Fasern geleitet. Quer zur Faser haben Matrix und Faser oft ähnliche Elastizitätsmodule. Zusätzlich müssen die Kräfte durch Adhäsivkräfte über die Faser-Matrix-Grenzfläche geleitet werden. Daher findet quer zur Faser in der Regel keine Verstärkungswirkung statt. Als Fasern eignen sich insbesondere Polymerfasern, Glasfasern oder Kohlestofffasern. Bei der Verwendung von Kohlestofffasern sollte allerdings sichergestellt werden, dass die Fasern keine elektrisch leitenden geschlossenen Schleifen bilden. Dies kann zum Beispiel durch ein Lackieren der Fasern erfolgen. Auch ist eine Funktionstrennung möglich, indem die Kohlenstofffasern außerhalb des Induktionsfeldes eingesetzt werden.
Die Matrix bettet die Fasern ein. Einbetten meint dabei, dass sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, beispielsweise gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit bieten sich insbesondere zwei Verfahren an: Die mindestens eine Spulenwicklung und der Ferritkern werden mit Prepregs umgeben, die dann unter Druck und Temperatur in die gewünschte Form gepresst werden und dabei aushärten. Prepregs sind mit Reaktionsharzen vorimprägnierte Fasermatten. Die Reaktionsharze bestehen aus einer meist hochviskosen, jedoch noch nicht polymerisierten duroplastischen Kunststoffmatrix. Die enthaltenen Fasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Alternativ werden die Fasern in trockenem Zustand auf die mindestens eine Spulenwicklung und den Ferritkern beispielsweise als Matten aufgebracht und anschließend mit Matrixmaterial umgeben. Hierzu eignet sich zum Beispiel das Infusions- oder RTM-Verfahren.
Je nach Gestaltung der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff und der Auswahl der Fasern und der Matrix lassen sich so gezielt die mechanischen Eigenschaften der Struktur einstellen, sodass sie die gewünschte Biege- und / oder Torsionssteifigkeit aufweist.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich in die Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff zumindest eine Sensorspule eingebettet. Diese zumindest eine Sensorspule ist bevorzugt innerhalb der zumindest einen Spulenwicklung angeordnet. Eine solche Sensorspule dient dazu, Störungen im Magnetfeld und damit das Vorhandensein von metallischen Fremdkörpern zu detektieren.
Bevorzugt sind die zumindest eine Spulenwicklung und der Ferritkern über einen Kunststoffschaum miteinander verbunden, wobei die zumindest eine Spulenwicklung, der Ferritkern und der Kunststoffschaum von der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff umgeben sind. Ein solcher Kunststoffschaum ist wesentlich elastischer als die Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff. Sie schützt somit den spröden Ferritkern vor mechanischen Beanspruchungen, die zu einer Beschädigung des Ferritkerns führen könnten. Idealerweise ist der Ferritkern vollständig mit dem Kunststoffschaum umgeben, um diesen optimal zu schützen.
Die Spuleneinheit dient vorteilhafterweise als eine Sekundärspule, die an der Unterseite eines Kraftfahrzeugs angebracht ist. Aufgrund der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff sind sowohl die zumindest eine Spulenwicklung als auch der Ferritkern gut vor mechanischen Beschädigungen sowie vor Verschmutzung und Korrosion durch Schmutz, Staub, Spritzwasser, Streusalz, etc. geschützt. Zudem kann die Struktur so ausgelegt sein, dass die Spuleneinheit als ein tragendes Bauteil des Kraftfahrzeugs dient. Dabei kann die Struktur beanspruchungsgerecht durch eine geeignete Auswahl und Ausrichtung der Fasern und eine geeignete Wahl der Matrix gestaltet werden. Idealerweise sind die Fasern der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff entsprechend der Hauptbelastungsrichtung der Spuleneinheit ausgerichtet.
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 sekundären Spulen einheit, das über einer primären Spuleneinheit als Ladevorrichtung parkt,
2 eine schematischer Höhenschnitt durch die sekundäre Spuleneinheit,
3 einen Querschnitt durch die sekundäre Spuleneinheit,
4 eine vergrößerte Detailansicht des in 3 gezeigten Querschnitts,
5 eine schematische Draufsicht auf ein Sensorspulengeflecht und
6 eine schematische Darstellung des magnetischen Flusses an der sekun dären Spuleneinheit.
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 sekundäre Spuleneinheit 4 induktiv aufgeladen werden kann. Dazu ist die sekundäre Spuleneinheit 4 über eine Hochvoltleitung 5 mit der Hochvoltbatterie 3 verbunden. Unterhalb der sekundären Spuleneinheit 4 befindet sich eine als Ladevorrichtung dienende primäre Spuleneinheit 6, die am Boden 7 der Garage 1 angeordnet ist. Zwischen der primären Spuleneinheit 6 am Boden 7 der Garage 1 und der sekundären Spuleneinheit 4 an der Unterseite des Kraftfahrzeugs 2 verbleibt ein Luftspalt. Zum Aufladen der Hochvoltbatterie 3 emittiert die primäre Spuleneinheit 6 ein sich änderndes Magnetfeld. Durch Induktion entsteht dadurch in der sekundären Spuleneinheit 4 der zum Laden des Hochvoltspeichers 2 erforderliche Ladestrom. Dabei ist die berührungslos von der primären Spuleneinheit 6 in die sekundäre Spuleneinheit 4 übertragbare Leistung umso höher, je geringer der Luftspalt zwischen der primären Spuleneinheit 6 und der sekundären Spuleneinheit 4 ist, und je genauer sich die sekundäre Spuleneinheit 4 ohne Versatz in Fahrzeuglängs- oder Fahrzeugquerrichtung oberhalb der primären Spuleneinheit 6 befindet.
In 2 ist ein schematischer Höhenschnitt und in 4 ein Querschnitt durch die sekundäre Spuleneinheit 4 gezeigt. Die Spuleneinheit 4 weist eine rechteckige Grundfläche auf und ist in Fahrzeughöhenrichtung z insgesamt außerordentlich flach. Die Spuleneinheit umfasst mehrere Spulenwicklungen 8, ein Ferritkern 9 und mehrere Sensorspulen 10, die eine Struktur 11 aus einem faserverstärkten Kunststoff eingebettet sind.
Die Spulenwicklungen 8 sind ringförmig ineinander in einer Ebene senkrecht zur Fahrzeughöhenrichtung z um eine freie Mitte angeordnet. Dabei nutzen die Spulenwicklungen 8 die rechteckige Grundfläche soweit als möglich aus. Der Ferritkern 9 erstreckt sich vollflächig annähernd über die gesamte Grundfläche der Spuleneinheit 4. Er weist eine ringförmige nach oben ausbeulende Rinne 13 auf, in die Spulenwicklungen 8 angeordnet sind. Dabei sind die Spulenwicklungen 8 und der Ferritkern durch eine dünne Schicht der Struktur 11 aus dem faserverstärkten Kunststoff voneinander getrennt.
In 4 ist ein vergrößerter Schnitt des Bereichs A in 3 gezeigt. In dieser vergrößerten Darstellung ist gut erkennbar, dass in Fahrzeughöhenrichtung z unterhalb des Ferritkerns 9 und den Spulenwicklungen 8 in der Struktur 11 aus dem faserverstärkten Kunststoff mehrere Sensorspulen 10 in einer Ebene parallel zum Ferritkern 9 eingebracht sind, die sich in dem Bereich innerhalb der Spulenwicklungen 8 erstrecken. Die Sensorspulen 10 decken aufgrund ihrer Anordnung zueinander den gesamten Bereich innerhalb der Spulenwicklungen 8 systematisch ab, wie es in der Draufsicht auf die in die Spuleneinheit 4 eingebrachten Sensorspulen 10 in 5 gut erkennbar ist.
Die Struktur 11 aus dem faserverstärkten Kunststoff umgibt die Spulenwicklungen 8, den Ferritkern 9 und die Sensorspulen 10 vollständig, sodass diese vor Schmutz, Staub, Spritzwasser, Feuchtigkeit, etc. gut geschützt sind. Der faserverstärkte Kunststoff ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Bei der Herstellung werden hierbei zwischen die Glasfaserlagen die Sensorspulen 10, die Spulenwicklungen 8 und der Ferritkern 9 eingelegt, bevor dann in einem Werkzeug unter Druck ein Harz als Matrix in einem RTM-Verfahren injiziert wird. Nach dem Aushärten des Harzes bilden die Glasfaserlagen und die Matrix zusammen die Struktur 11, in die die Sensorspulen 10, die Spulenwicklungen 8 und der Ferritkern 9 eingebettet sind.
Die Struktur aus dem glasfaserverstärkten Kunststoff weist eine außerordentlich hohe Steifigkeit auf. Daher sind zur Gewährleistung der erforderlichen Steifigkeit der Spuleneinheit 4 keine weiteren Bauteile nötig, die Spuleneinheit 4 selber ist ausreichend steif. Die Steifigkeit der Spuleneinheit 4 kann hierbei sogar so groß dimensioniert werden, dass die Spuleneinheit 4 als tragendes Bauteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs 2 eingesetzt werden kann.
Beim induktiven Laden 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. Daher ist die Spuleneinheit 4 so an der Fahrzeugunterseite des Kraftfahrzeugs 2 angebracht, dass die Randbereiche der Spuleneinheit 4 eine Überlappung mit einem angrenzenden Bodenblech 12 des Kraftfahrzeugs bilden. Das Bodenblech ist dabei aus einem paramagnetischen, leitenden Metall (niedrige Permeabilität) ausgeführt. Die induzierten Wirbelströme erzeugen eine Schirmwirkung. Die Überlappung ist so gestaltet, dass in Fahrzeughöhenrichtung z von unten gesehen im gesamten Bereich der Spuleneinheit 4 und in dessen Umgebung stets eine Abschirmung der magnetischen Strahlung entweder durch den Ferritkern 9 oder durch das Bodenblech 12 gegeben ist. In 6 ist gezeigt, wie der Ferritkern 9 und das angrenzende Bodenblech 12 die magnetische Strahlung M stets gut abschirmen, sodass die Strahlung keine elektrischen Baugruppen des Kraftfahrzeugs 2 stören kann.
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 102013101150 A1 [0003]
DE 102010050935 A1 [0004]

Claims

Spuleneinheit (4) zur induktiven Energieübertragung, die zumindest eine Spulenwicklung (8) und einen Ferritkern (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spulenwicklung (8) und der Ferritkern (9) von einer Struktur (11) aus einem faserverstärkten Kunststoff umgeben sind.
Spuleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (11) aus dem faserverstärkten Kunststoff die zumindest eine Spulenwicklung (8) und den Ferritkern (9) vollständig umgeben.
Spuleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in die Struktur (11) aus dem faserverstärkten Kunststoff zumindest eine Sensorspule (10) eingebettet ist.
Spuleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensorspule (10) innerhalb der zumindest einen Spulenwicklung (8) angeordnet ist.
Spuleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spulenwicklung (8) und der Ferritkern (9) über einen Kunststoffschaum miteinander verbunden sind, wobei die zumindest eine Spulenwicklung (8), der Ferritkern (9) und der Kunststoffschaum von der Struktur (11) aus dem faserverstärkten Kunststoff umgeben sind.
Spuleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (11) aus einem polymerfaserverstärkten, glasfaserverstärkten oder kohlestofffaserverstärkten Kunststoff besteht.
Kraftfahrzeug mit einer Spuleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (4) als Sekundärspule an der Unterseite des Kraftfahrzeugs angebracht ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (4) als ein tragendes Bauteil des Kraftfahrzeugs gestaltet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Struktur aus dem faserverstärkten Kunststoff entsprechend der Hauptbelastungsrichtung der Spuleneinheit (4) ausgerichtet sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spulenwicklung (8) in einer ringförmigen Rinne (13) im Ferritkern (9) angeordnet ist.