DE102015221582A1 - Verfahren zur induktiven Energieübertragung und Vorrichtung zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur induktiven Energieübertragung und Vorrichtung zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung Download PDF

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Achim Henkel
Tobias Diekhans
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendevorrichtung zu einer von der mindestens einen Sendevorrichtung beabstandeten mindestens einen Empfangsvorrichtung, wobei die Sendevorrichtung aus vier Einzelspulen besteht, wobei jede der vier Einzelspulen ein Spulenzentrum aufweist. Jeweils zwei Spulenzentren liegen auf einer ersten Achse A und zwei Spulenzentren auf einer zweiten Achse B. Beide Achsen A und B kreuzen sich und jede der mindestens vier Einzelspulen ist jeweils mit einem separaten Resonanzkondensator versehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Elektrofahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss nachteilig von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.
  • Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt.
  • Beim induktiven Laden der Elektrofahrzeuge sind im oder auf dem Boden eine oder mehrere Spulen (Sendespulen, Sendevorrichtung) verbaut. Weiterhin sind im Elektrofahrzeug ebenfalls eine oder mehrere Spulen (Empfangsspule, Empfangsvorrichtung) angeordnet. Wird ein Elektrofahrzeug über der Sendespule abgestellt, sendet diese ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von der Empfangsspule innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin durch die kontaktlose Energieübertragung eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden. Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter.
  • Luftspalte sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung hängt unter anderem vom Luftspalt (Abstand) zwischen der/den im Boden und der/den im Fahrzeugboden verbauten Spulen ab. Je kleiner der Luftspalt, desto größer ist der zu erreichende Wirkungsgrad. Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann gegebenenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induktive Leistungsübertragung verwendet werden. Beim induktiven Laden soll insgesamt ein hoher Komfort und eine möglichst hohe Automatisierung des Ladevorgangs erreicht werden. Die Spulen werden daher so ausgelegt, dass sie eine möglichst hohe Toleranz gegen Positionsversatz anbieten. Bei Zirkularspulen kann dies durch eine entsprechende Vergrößerung des Durchmessers erreicht werden. Ein alternativ bekannter Ansatz ist die Verwendung von Bipolarspulen. Die Druckschrift DE102011010049 A1 offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird. Nachteilig am Stand der Technik ist, dass der Bauraum oft stark begrenzt ist und die Spulen somit nicht beliebig groß ausgelegt werden können.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, die eine möglichst gute Versatztoleranz aufweist bei gleichzeitig minimal benötigtem Bauraum.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Versatztoleranz in Längsrichtung verbessert wird. Weiterhin werden die Vorteile der bekannten bipolaren Spule, eine gute Versatztoleranz in Querrichtung aufzuweisen, erhalten.
  • Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung von mindestens einer Sendevorrichtung zu einer von der mindestens einen Sendevorrichtung beabstandeten mindestens einen Empfangsvorrichtung, wobei die Sendevorrichtung aus vier Einzelspulen besteht, wobei jede der vier Einzelspulen ein Spulenzentrum aufweist, zwei Spulenzentren auf einer ersten Achse und zwei Spulenzentren auf einer zweiten Achse aufweist, wobei die zwei Achsen sich kreuzen und jede der mindestens vier Einzelspulen jeweils mit einem separaten Resonanzkondensator versehen ist. Dieses vorgeschlagene Konzept einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung sieht statt des bekannten Spulenpaares eine exzentrische Vierfachspule vor.
  • Damit kann das Magnetfeld vorteilhafterweise in unterschiedlicher Weise an den Parkversatz in alle Raumrichtungen angepasst werden. Werden alle vier Spulen bestromt, entsteht ein Magnetfeld, welches sich in Fahrtrichtung deutlich stärker ausdehnt als das gewohnte bipolare Magnetfeld. Die Erfindung erweitert das bekannte bipolare Spulenpaar, bei dem die Sendespule eine Spule aufweist und die Empfangsspule eine weitere Spule aufweist zu einer Vierfachspule die auch „Kleeblattspule“ genannt wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Vorteilhafterweise können die Einzelspulen als Planarspulen ausgeführt werden.
  • Planarspulen haben den Vorteil, dass sie flach ausgeführt werden und somit einen geringen Bauraum benötigen.
  • Weiterhin werden die vier Einzelspulen synchron betrieben. Dies hat den Vorteil, dass die Anordnung der vier Spulen dann der parallelen Anordnung von vier einzelnen Zirkularspulen entspricht.
  • Vorteilhafterweise können die vier Einzelspulen auch mit einer Phasenverschiebung von 90° betrieben werden. Durch die gezielte Ansteuerung der separaten Leistungselektronik/Einzelinverter ergibt sich somit vorteilhafterweise ein mehrphasiges Magnetfeld.
  • Jeweils zwei der mindestens vier Einzelspulen werden in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung gegenüber den restlichen Einzelspulen mit einer Phasenverschiebung von 180° betrieben. Das resultierende Magnetfeld entspricht in diesem Fall der parallelen Anordnung von zwei bipolaren Spulenpaaren.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, dass jeweils eine der vier Einzelspulen nicht betrieben wird, wohingegen die restlichen drei Einzelspulen mit einer Phasenverschiebung von 120° betrieben werden. Dies wird durch den Verzicht eines einzelnen Inverters erreicht. Durch dieses Vorgehen kann zum Beispiel ein dreiphasiges Magnetfeld erreicht werden.
  • Weiterhin sind die erste Achse (A) und die zweite Achse (B) vorteilhaft im rechten Winkel zueinander angeordnet.
  • Vorteilhafterweise sind die Einzelspulen mit jeweils eigenen Kondensatoren und Resonanzdrosseln versehen. Dadurch ist eine individuelle Blindleistungskompensation möglich.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung;
  • 2: eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung.
  • Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10, wie sie beispielsweise zum Aufladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 umfasst eine Empfangsvorrichtung 11 und eine Sendevorrichtung 12, wobei die Empfangsvorrichtung 11 in einem Fahrzeug/Elektrofahrzeug/Hybridfahrzeug 16 angeordnet ist und wobei die Sendevorrichtung 12 unterhalb des Fahrzeugs 16 angeordnet ist bevorzugt auf dem Unterboden 15 aufliegt bzw. in diesen eingelassen ist. Die Sendevorrichtung 11 besteht aus vier Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 die jeweils ein Spulenzentrum Z1, Z2, Z3, Z4 aufweisen. Jeweils zwei Spulenzentren Z1, Z2 liegen auf einer ersten Achse A wohingegen zwei Spulenzentren Z3 und Z4 auf einer weiteren zweiten Achse B liegen. Beide Achsen A und B kreuzen sich. Jede Einzelspule 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 kann jeweils mit einer separaten Leistungselektronik verbunden sein, als auch mehrere bzw. alle Einzelspulen gemeinsam über eine einzige Leistungselektronik gesteuert werden können. Die Ansteuerung mehrere Spulen aus einer Leistungselektronik heraus wird mit variablen Phasenlagen ermöglicht, um das resultierende Magnetfeld zu formen. Bevorzugt sind die Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 als Planarspulen ausgeführt und werden synchron betrieben. Diese vier Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 können sowohl in der Empfangsvorrichtung 11 als auch in der Sendevorrichtung 12 vorgesehen sein. Jede der Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 kann über die separate Leistungselektronik L1, L2, L3, L4 angesteuert werden. Hingegen ist auch eine gemeinsame Ansteuerung von gebündelten Spulen dieser Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 möglich. Wahlweise verfügen sämtliche Spulen dieser Einzelspulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 über eigene Kondensatoren K1, K2, K3, K4. Desweiteren ist möglich, sie mit jeweils eigenen Resonanzdrosseln R1, R2, R3, R4 zu versehen, mithilfe derer individuelle Blindleistungskompensation erfolgt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 verwendeten Spulenanordnung. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Vorzugsweise liegt die erste Achse A und die zweite Achse B zueinander im rechten Winkel. Allerdings sind auch andere Winkelkonstellationen möglich. Verschiedene Betriebsmodi sind durch eine geeignete Ansteuerung und Synchronisation der einzelnen Inverter möglich.
  • In einem ersten Betriebsmodus werden jeweils die Spulen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 synchron betrieben. In einem zweiten Betriebsmodus werden die Spulen 11.1 und 11.2, sowie die Spulen 11.3 und 11.4 mit einer Phasenverschiebung von 180° betrieben. Die Inverter der Spulen 11.1 und 11.3, sowie 11.2 und 11.4 werden jeweils synchron betrieben, d.h. ohne Phasenverschiebung. Das resultierende Magnetfeld entspricht dabei der parallelen Anordnung von zwei bipolaren Spulenpaaren. Durch eine beliebige andere Ansteuerung können aber auch eine Vielzahl anderer Betriebsmodi erreicht werden. Zum Beispiel können auch die Einzelspulen 11.1 und 11.3, sowie 11.2 und 11.4 jeweils als Bipolarspule betrieben werden. Das resultierende Magnetfeld entspricht dabei einer geometrischen Drehung von zwei Bipolarspulen um 90°.
  • In einem weiteren Betriebsmodus können die Einzelinverter mit einer Phasenverschiebung von je 90° zueinander (bei vier Einzelspulen) betrieben werden. Dadurch ergibt sich ein mehrphasiges Magnetfeld.
  • Weiterhin ist es auch möglich alle Einzelspulen 11.1–11.4 synchron zueinander zu betreiben. Die Anordnung entspricht dann der parallelen Anordnung von vier einzelnen Zirkularspulen. Es kann auch auf den Betrieb einzelner Inverter verzichtet werden. Damit kann zum Beispiel ein dreiphasiges Magnetfeld (Betrieb von drei Invertern mit 120° Phasenverschiebung) oder ein einzelnes bipolares Magnetfeld (Betrieb von zwei Invertern mit 180° Phasenverschiebung) erreicht werden. Der Vorteil ist, dass das bipolare Magnetfeld dabei beliebig gedreht werden kann, je nachdem welche beiden Spulen betrieben werden. Dadurch kann eine ausgezeichnete Toleranz gegenüber einer Verdrehung der primären (Sendespule bzw. Sendevorrichtung) und sekundären Spule (Empfangsspule bzw. Empfangsvorrichtung) zueinander erreicht werden.
  • Eine weitere Beschaltungsoption ist, dass nur eine Spule der vier Einzelspulen betrieben wird. Dies kann Vorteile bei Parkversatz bringen, weil die am besten geeignetste Spule ausgewählt wird.
  • Es ist weiterhin nicht zwingend erforderlich, dass alle Spulen der vier Einzelspulen die gleichen Charakteristika haben. Vorteilhafterweise sind aber sämtliche Einzelspulen 11.1–11.4 identisch aufgebaut.
  • Dennoch ist denkbar, dass die primäre und die sekundäre Ladespule (Sendespule bzw. Empfangsspule) unterschiedlich aufgebaut sind. So ist möglich, dass die primäre Ladespule (Sendevorrichtung bzw. Sendespule) aus 4 Einzelspulen 11.1–11.2, die sekundäre Ladespule (Empfangsvorrichtung bzw. Ladespule) hingegen aber nur aus zwei, oder einer Einzelspule besteht oder umgekehrt.
  • Während des Betriebes kann das Spulensystem sich in den verschiedenen Konfigurationen selbst optimieren, indem zum Beispiel die Konfiguration mit der besten Kopplung zwischen Sendevorrichtung (Sendespulen) 12 und Empfangsvorrichtung (Empfangsspulen) 11 gesucht und eingestellt wird. Dazu ist eine geeignete Software und Ansteuerung der Inverter vorgesehen. Somit ist es möglich, die vier Einzelspulen 11.1–11.4 unabhängig voneinander zu bestromen, um sie auch der realen Position der Sekundärspule anpassen zu können.
  • Optimierungsgrößen sind dabei die Anzahl der zu verwendenden Einzelspulen, sowie die Phasenverschiebung der einzelnen Inverter zueinander. Es sind also auch andere beliebige Phasenverschiebungen möglich, als in den zuvor genannten Beispielen erläutert.
  • Als weiteres Konzept ist auch eine exzentrische Dreifachspule möglich. Hierbei liegt jede Spule mit ihrem Spulenzentrum auf einer separaten Achse, wobei sich diese Achsen kreuzen.
  • 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 102011010049 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) von mindestens einer Sendevorrichtung (12) zu einer von der mindestens einen Sendevorrichtung (12) beabstandeten mindestens einen Empfangsvorrichtung (11), wobei die Sendevorrichtung (11) aus vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) besteht, wobei jede der vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) ein Spulenzentrum aufweist (Z1, Z2, Z3, Z4), dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulenzentren (Z1, Z2) auf einer ersten Achse (A) und zwei Spulenzentren (Z3, Z4) auf einer zweiten Achse (B) liegen, wobei die Achsen (A) und (B) sich kreuzen und jede der mindestens vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) mit einem separaten Resonanzkondensator (K1, K2, K3, K4) versehen sind.
  2. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) als Planarspulen ausgeführt sind.
  3. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) synchron betrieben werden.
  4. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) mit einer Phasenverschiebung von 90° betrieben werden.
  5. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der mindestens vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) gegenüber den restlichen Einzelspulen mit einer Phasenverschiebung von 180° betrieben werden.
  6. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der vier Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) nicht betrieben wird und die restlichen drei Einzelspulen mit einer Phasenverschiebung von 120° betrieben werden.
  7. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (A) und die zweite Achse (B) zueinander im rechten Winkel angeordnet sind.
  8. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) mit jeweils eigenen Kondensatoren (K1, K2, K3, K4) und Resonanzdrosseln (R1, R2, R3, R4) versehen sind.
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