DE102016215503A1

DE102016215503A1 - Elektromagnetisches Entkoppeln einer Antenneneinheit eines Kraftfahrzeugs von einer Energiekopplungseinrichtung

Info

Publication number: DE102016215503A1
Application number: DE102016215503.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rinkleff; Kai FRIEDRICH
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-02-22
Also published as: CN107768826B; US10384551B2; CN107768826A; US20180050595A1

Abstract

Kraftfahrzeug (10) mit einer Karosserie (12), die zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist, einer von der Karosserie (12) elektrisch isoliert angeordneten elektrischen Anlage (14) mit eine Gleichrichtereinheit (16), einer an der Karosserie (12) elektrisch isoliert angeordneten Energiekopplungseinrichtung (18) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Anlage (14), wobei die Energiekopplungseinrichtung (18) eine Spule (20) zum drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld (44) bereitstellenden Energiequelle (22) aufweist, wobei die Spule (20) an die Gleichrichtereinheit (16) der elektrischen Anlage (14) angeschlossen ist, und einer ein Antennenelement (24) aufweisenden, an der Karosserie (12) und gegenüber der elektrischen Anlage (14) elektrisch isoliert angeordneten Antenneneinheit (26) zum Bereitstellen einer funkbasierten Kommunikationsverbindung zwischen einem kraftfahrzeugseitigen Kommunikationsendgerät und einer kraftfahrzeugexternen Kommunikationsgegenstelle, gekennzeichnet durch eine Entkopplungseinrichtung (28, 30, 32, 34, 36) zum elektromagnetischen Entkoppeln der Spule (20) von der Antenneneinheit (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Karosserie, die zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist, einer von der Karosserie elektrisch isoliert angeordneten elektrischen Anlage mit einer Gleichrichtereinheit, einer an der Karosserie elektrisch isoliert angeordneten Energiekopplungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Anlage, wobei die Energiekopplungseinrichtung eine Spule zum drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld bereitstellenden Energiequelle aufweist, wobei die Spule an die Gleichrichtereinheit der elektrischen Anlage angeschlossen ist, und einer ein Antennenelement aufweisenden, an der Karosserie und gegenüber der elektrischen Anlage elektrisch isoliert angeordneten Antenneneinheit zum Bereitstellen einer funkbasierten Kommunikationsverbindung zwischen einem kraftfahrzeugseitigen Kommunikationsendgerät und einer kraftfahrzeugexternen Kommunikationsgegenstelle.
Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art mit einer Energiekopplungseinrichtung zum drahtlosen magnetischen Koppeln der kraftfahrzeugexternen Energiequelle zum drahtlosen Übertragen von Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes sind dem Grunde nach bekannt, sodass es hierzu eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises nicht bedarf. Das Kraftfahrzeug weist die Energiekopplungseinrichtung auf, damit dem Kraftfahrzeug Energie zugeführt werden kann, die vorzugsweise in dem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs zum Zwecke der Ausführung seines bestimmungsgemäßen Betriebs, beispielsweise des Fahrbetriebs, gespeichert werden kann. Die Energie wird mittels der kraftfahrzeugexternen Energiequelle, beispielsweise einer Ladestation oder dergleichen, bereitgestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an ein öffentliches Energieversorgungsnetz, an einen elektrischen Generator, an eine Batterie und/oder dergleichen angeschlossen ist. Die Ladestation erzeugt das magnetische Wechselfeld unter Aufnahme elektrischer Energie der elektrischen Energiequelle. Die Energiekopplungseinheit des Kraftfahrzeugs erfasst das magnetische Wechselfeld mittels der Spule, entnimmt diesem Energie und stellt elektrische Energie kraftfahrzeugseitig bereit, insbesondere, um den elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder auch eine elektrische Maschine der Antriebseinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
Das Kraftfahrzeug weist in der Regel eine elektrische Anlage auf, die insbesondere bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug eine elektrische Antriebseinheit für das Kraftfahrzeug umfasst. Darüber hinaus umfasst die elektrische Anlage in der Regel auch den elektrischen Energiespeicher, der üblicherweise als Akkumulator ausgebildet ist. Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist der elektrische Energiespeicher häufig durch eine Hochvoltbatterie gebildet. Die Hochvoltbatterie kann beispielsweise einen Lithium-Ion-Akkumulator oder dergleichen umfassen. Der elektrische Energiespeicher stellt neben anderen für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Anlage die elektrische Energie zur Verfügung.
Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art umfassen die Energiekopplungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Anlage. Zunehmend finden Energiekopplungseinrichtungen Einsatz, die eine Spule zum drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld bereitstellenden Energiequelle aufweisen. Dadurch ist eine elektromechanische Kopplung des Kraftfahrzeugs mit der kraftfahrzeugexternen Energiequelle zum Zuführen von elektrischer Energie, beispielweise ein Anschließen des Kraftfahrzeugs an eine Ladestation mittels eines Ladekabels oder dergleichen, nicht mehr erforderlich. Gleichwohl kann sie weiterhin optional vorgesehen sein. Hinsichtlich der Bedienung für den Nutzer des Kraftfahrzeugs ergeben sich hierdurch Vorteile, weil nämlich zum Zwecke des Energiekoppelns eine mechanische Verbindung, beispielsweise mittels eines Ladekabels oder dergleichen, nicht vorgenommen zu werden braucht. Damit die Energiekopplungseinrichtung mittels des magnetischen Wechselfeldes zugeführte Energie in elektrische Energie wandeln und der elektrischen Anlage zuführen kann, ist die Spule an eine Gleichrichtereinheit der elektrischen Anlage angeschlossen.
Da die Karosserie in der Regel zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Blech, insbesondere Metallblech, gebildet ist, ist in der Regel vorgesehen, dass die elektrische Anlage sowie auch die Energiekopplungseinrichtung elektrisch isoliert gegenüber der Karosserie angeordnet sind.
In Systemen, bei denen Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes übertragen wird, auch induktive Energieübertragung genannt, verändern sich durch Variation des Abstandes und/oder eines Versatzes Induktivitäten von beteiligten Spulenschaltungen.
Während eines Betriebs eines Systems zur drahtlosen Energiekopplung, insbesondere zur induktiven Energiekopplung, kann eine Vielzahl von Störungen, insbesondere elektromagnetischer Wechselwirkungen, beispielsweise Funkstörungen und/oder dergleichen verursachen. Energiequellenseitig können diese Störungen mit klassischen Maßnahmen der Störunterdrückung, beispielsweise Entstörfiltern und/oder dergleichen gut gedämpft werden, sodass eine erforderliche elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) diesbezüglich in der Regel durch geeignetes Dämpfen oder dergleichen erreicht werden kann, sodass der bestimmungsgemäße Betrieb sämtlicher elektrischer Einrichtungen im Wesentlichen zuverlässig gewährleistet werden kann.
Aufgrund des Wandlungsprinzips ergeben sich kraftfahrzeugseitig jedoch Störaussendungen, die einerseits nur schlecht unterdrückt werden können und darüber hinaus klassischen Filtermaßnahmen häufig nur unzureichend zugänglich sind. Eine Störungsquelle ergibt sich beispielsweise dadurch, dass entsprechend des magnetischen Wechselfeldes die Spule der Energiekopplungseinrichtung eine elektrische Wechselspannung an ihren Anschlüssen bereitstellt, die zum Zwecke der Energiezuführung zur elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs mittels der Gleichrichtereinheit gleichgerichtet wird. Üblicherweise umfasst die Gleichrichtereinheit einen Brückengleichrichter. Es können Spannungssprünge auftreten, die zu unerwünschten Störaussendungen führen können. Solche Probleme können jedoch auch bei Betrieb an einem Einweggleichrichter, einem Zweiweggleichrichter oder dergleichen Schaltungen auftreten.
Als Problem erweist es sich dabei unter anderem, dass aufgrund der Gleichrichtungsfunktion die elektrische Spannung an den Anschlüssen der Spule hohen Änderungsgeschwindigkeiten unterliegen kann, die sich aufgrund des bestimmungsgemäßen Betriebs ergeben können. Hierdurch können Störaussendungen sowohl leitungsgebunden als auch nicht-leitungsgebunden freigesetzt werden, die in Frequenzbereiche hineinragen, in denen funkbasierte Kommunikation stattfindet, beispielsweise Mittelwelle, Kurzwelle, UKW, Fernsehen (TV), DAB (digital audio broadcasting) und/oder dergleichen.
Das Kraftfahrzeug weist in der Regel die Antenneneinheit auf, die dem Bereitstellen einer funkbasierten Kommunikationsverbindung dient. Durch die Anordnung der Antenneneinheit an der Karosserie, die in der Regel ebenfalls elektrisch isoliert angeordnet ist, kann durch elektromagnetische, insbesondere kapazitive, Kopplung ein Einkoppeln der von der Spule im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugten Störungen erfolgen, sodass in die Antenneneinheit Störspannungen eingekoppelt werden, die den bestimmungsgemäßen Betrieb der Antenneneinheit zum Bereitstellen der funkbasierten Kommunikationsverbindung stören können, wenn nicht sogar gänzlich verhindern.
Ferner offenbart die WO 2010/060062 A1 eine reduzierte Störung zwischen Empfängern und drahtlosen Leistungssendern. Weiterhin offenbart die DE 10 2013 225 241 A1 eine Feldabschirmung bei induktivem Laden. Weiterhin offenbart die WO 2016/030114 A1 ein induktives Energieübertragungssystem. Schließlich offenbart die EP 2 808 196 A1 ein Übertragerelement.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Betrieb der funkbasierten Kommunikationsverbindung bei Betrieb der Energiekopplungseinrichtung zu verbessern.
Als Lösung schlägt die Erfindung ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 vor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Kraftfahrzeugseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Kraftfahrzeug eine Entkopplungseinrichtung zum elektromagnetischen Entkoppeln der Spule von der Antenneneinheit aufweist.
Kraftfahrzeuge im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug wie ein Plug-In-Hybridfahrzeug, ein Mild-Hybridfahrzeug oder dergleichen, welches sowohl elektrisch als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, oder dergleichen. Auch wenn sich die Erfindung vorzugsweise an elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge richtet, ist sie dem Grunde nach auch bei anderen Kraftfahrzeugen einsetzbar, denen drahtlos mittels eines magnetischen Wechselfeldes Energie zugeführt werden kann.
Die Anwendung der Erfindung ist aber nicht auf Kraftfahrzeuge begrenzt. Sie kann ebenso bei Geräten zu Einsatz kommen, denen drahtlos Energie zugeführt werden soll, beispielsweise elektronische tragbare Geräte wie Mobilfunkendgeräte, Diktiergeräte, Messgeräte und/oder dergleichen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Schirmung der Spule nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, da die Spule natürlich dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt sein muss, damit in bestimmungsgemäßer Weise drahtlos Energie übertragen werden kann. Zwar wäre auch eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an Anschlüssen der Spule mittels eines Filters denkbar, beispielsweise in einer Anschlussleitung zwischen der Spule und der Gleichrichtereinheit beziehungsweise zwischen der Gleichrichtereinheit und einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage, jedoch würde sich ein solches Filter nachteilig auf die Energieübertragung auswirken, beispielsweise indem Resonanzen hervorgerufen werden könnten, und wäre nicht oder nur mit ganz erheblichem Aufwand realisierbar.
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass das Antennenelement der Antenneneinheit eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Antenneneinheit und der Karosserie erfasst. Die elektrische Anlage und die Energiekopplungseinheit sind von der Karosserie und der Antenneneinheit elektrisch isoliert angeordnet. Eine Verbindung zwischen der Energiekopplungseinheit und der Antenneneinheit beziehungsweise der Karosserie besteht deshalb im Wesentlichen lediglich kapazitiv, das heißt, durch parasitäre Kapazitäten.
Die Erfindung berücksichtigt, dass die elektrische Anlage, insbesondere ungeschirmte Bereiche der elektrischen Anlage, symmetrisch ausgelegt werden können, sodass die elektrische Anlage so beaufschlagt werden kann, dass deren elektrische Potentiale mit einem reinen Gegentaktungssignal beaufschlagt werden können, sodass eine Störaussendung im Idealfall null werden kann.
Diesem Zweck dient die Entkopplungseinrichtung zum elektrischen Entkoppeln der Spule von der Antenneneinheit. Mit der Entkopplungseinrichtung kann nämlich die unerwünschte Kopplung durch die parasitären Kapazitäten reduziert wenn nicht sogar vollständig unterdrückt werden. Durch die Reduzierung beziehungsweise Unterdrückung der unerwünschten Kopplung kann erreicht werden, dass in die Antenneneinheit, insbesondere das Antennenelement eingekoppelte Störungen reduziert oder unterdrückt werden können, sodass auch während des Betriebs der Energiekopplungseinrichtung ein zuverlässiger Betrieb der Antenneneinheit gewährleistet werden kann, sodass auch das Bereitstellen der funkbasierten Kommunikationsverbindung weitgehend ungestört realisiert werden kann.
Die Entkopplungseinrichtung dient somit dazu, ein Koppeln durch die parasitäre Kapazitäten in geeigneter Weise zu beeinflussen, damit die elektromagnetische Kopplung, insbesondere die kapazitive Kopplung der Spule zur Antenneneinheit reduziert, wenn nicht sogar vollständig unterdrückt werden kann.
Zu diesem Zweck besteht die Möglichkeit, eine kapazitive Kopplung der Spule zur Karosserie möglichst groß gegenüber einer kapazitiven Kopplung der Antenneneinheit zur Karosserie zu machen oder umgekehrt. In der Regel dürfte jedoch der erste Fall zweckmäßiger zu realisieren sein, weil bereits in der Version ohne Entkopplungseinrichtung die kapazitive Kopplung der Antenneneinheit zur Spule in der Regel bereits deutlich kleiner als die kapazitive Kopplung der Spule zur Karosserie sein dürfte. Dabei nutzt diese Ausgestaltung, dass die Antenneneinheit üblicherweise einen Impedanzwandler aufweist. Hierdurch kann zumindest ein Teil eines Spannungsabfalls am Impedanzwandler, der von der Störaussendung abhängig ist, reduziert werden, sodass eine Störung der Kommunikationsverbindung dadurch ebenfalls reduziert werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass unerwünschte parasitäre Gleichtaktsignale im Bereich der elektrischen Anlage und der Energiekopplungseinrichtung reduziert werden können, beispielsweise durch geeignete Entkopplungsmaßnahmen der Energiekopplungseinrichtung, insbesondere der Spule, und/oder dergleichen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass die Entkopplungseinrichtung zwei elektrische Kondensatoren mit gleicher elektrischer Kapazität aufweist und ausgebildet ist, die Spule mittels der elektrischen Kondensatoren galvanisch getrennt an die Gleichrichtereinheit anzuschließen. Mittels der elektrischen Kondensatoren kann die Spule beispielsweise so an die Gleichrichtereinheit angeschlossen werden, dass an jedem ihrer Anschlüsse jeweils einer der beiden Kondensatoren in Serie geschaltet ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Spule galvanisch getrennt an die Gleichrichtereinheit angeschlossen ist. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung dann, wenn bereits ein Serienkondensator ohnehin schon zum Anschließen der Spule an die Gleichrichtereinheit vorgesehen ist. Durch das Vorsehen des zweiten Kondensators in einer Leitung, die ansonsten einen der Spulenanschlüsse elektrisch leitend mit der Gleichrichtereinheit verbinden würde, kann somit die galvanische Trennung der Spule von der Gleichrichtereinheit erreicht werden. Dadurch kann die elektrische Spannung an der Spule symmetrisiert werden, wodurch die durch die parasitären Kapazitäten erzeugte unerwünschte Kopplung ebenfalls reduziert werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei einer Spule mit einer Wicklung aus wenigstens einem in mehreren Windungen angeordneten elektrischen Leiter die Entkopplungseinrichtung dadurch gebildet ist, dass der wenigstens eine elektrische Leiter verdrillt ist. Durch das Verdrillen des wenigstens einen Leiters kann erreicht werden, dass die unerwünschten parasitären Kapazitäten hinsichtlich ihres Kapazitätswert angeglichen werden, wodurch die Einwirkung auf die Antenneneinheit ebenfalls reduziert werden kann.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Entkopplungseinrichtung ein im Bereich der Spule angeordnetes, elektrisch leitfähiges Koppelelement zum kapazitiven Koppeln der Spule mit der Karosserie aufweist. Auch hierdurch kann eine Reduzierung der unerwünschten Störung erreicht werden, weil durch das elektrisch leitfähige Koppelelement die kapazitive Kopplung der Spule zur Karosserie in günstiger Weise beeinflusst werden kann. Das Koppelelement kann beispielsweise durch ein elektrisch isolierendes Bauteil gebildet sein, welches eine möglichst hohe dielektrische Permittivität aufweist. Das Koppelelement kann beispielsweise einen Werkstoff aus einem Kunststoff wie Polyethylen, Polytetrafluorethylen (PTFE) oder dergleichen, einer Keramik wie zum Beispiel Steatit, Aluminiumoxid, Glimmer oder dergleichen, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen umfassen. Darüber hinaus kann das Koppelelement aber auch durch einen elektrischen Leiter gebildet sein, der insbesondere in der Nähe der Spule beziehungsweise deren Wicklung angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Koppelelement eine einen im Koppelelement erzeugbaren Wirbelstrom unterdrückende Struktur aufweist. Die Struktur kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass das Koppelelement elektrisch isolierende Bereiche umfasst, die elektrisch leitfähige Bereiche des Koppelelements elektrisch voneinander trennen. Bei einem elektrischen Leiter als Koppelelement kann vorgesehen sein, dass dieser keine geschlossene Leiterschleife ausbildet. Ferner kann das Koppelelement zu diesem Zweck aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die in geeigneter Weise zum Koppelelement zusammengefügt sind. Dabei sind Abmessungen der Bereiche in geeigneter Weise angepasst gewählt, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugte Wirbelströme hinreichend klein sind, damit keine unerwünschten signifikanten Wirkungen auf die Energieübertragung erfolgen können. Beispielsweise können Abmessungen des Koppelelements in geeigneter Weise gewählt werden, zum Beispiel bei einem elektrischen Leiter als Koppelelement ein Durchmesser kleiner als eine Eindringtiefe und/oder dergleichen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Koppelelement eine elektrisch leitfähige Platte aufweist, die sich zumindest im Bereich der Wicklung erstreckt und die die Karosserie lediglich an einer einzigen Stelle elektrisch kontaktiert. Dadurch kann erreicht werden, dass sich keine Masseschleifen ausbilden, die zu unerwünschten Masseströmen und/oder dergleichen führen. Dadurch kann die Wirkung des Koppelelements weiter verbessert werden. Die elektrisch leitfähige Platte kann durch eine Metallplatte aber auch durch eine Platte aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einem geeignet ausgebildeten Verbundwerkstoffe und/oder dergleichen sein.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Koppelelement, insbesondere die elektrisch leitfähige Platte, ein Metalldrahtgeflecht aus Einzeldrähten aufweist. Vorzugsweise sind die Einzeldrähte gegenüber einander elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere kontaktieren die Einzeldrähte die Karosserie lediglich an einer einzigen Stelle elektrisch. Auch hierdurch kann erreicht werden, dass die parasitäre Kapazität in geeigneter Weise angepasst werden kann. Dadurch, dass die Einzeldrähte gegenüber einander elektrisch isoliert angeordnet sind, kann ferner vermieden werden, dass sich signifikante Wirbelströme ausbilden können. Hierdurch kann zugleich eine geeignete, Wirbelströme unterdrückende Struktur ausgebildet werden. Ferner erlaubt es die Art der Kontaktierung der Einzeldrähte, dass Masseschleifen vermieden werden können. Die Einzeldrähte können an einer gemeinsamen Stelle die Karosserie kontaktieren. Es kann darüber hinaus aber auch vorgesehen sein, dass einzelne der Einzeldrähte oder auch paare von Einzeldrähten die Karosserie an unterschiedlichen Stellen in geeigneter Weise kontaktieren.
Die Entkopplungseinrichtung kann vorzugsweise einen Trenntransformator aufweisen und ausgebildet sein, die Spule mittels des Trenntransformators galvanisch getrennt an die Gleichrichtereinheit anzuschließen. Dadurch kann nicht nur eine Verbesserung hinsichtlich einer Beaufschlagung mittels eines Gleichtaktsignals erreicht werden, sondern es kann zugleich auch eine elektrische Trennung der Spule von der Gleichrichtereinheit erreicht werden, die eine Anpassung hinsichtlich der elektrischen Spannung ermöglicht. Dadurch ist es möglich, die Spule unabhängig von der für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Anlage erforderlichen Spannungshöhe auszubilden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Entkopplungseinrichtung ein Gleichtaktentstörelement aufweist. Das Gleichtaktentstörelement ist vorzugsweise ebenfalls wie der Trenntransformator im Bereich der Spule, und hier vorzugsweise zwischen der Spule und der Gleichrichtereinheit, angeordnet beziehungsweise angeschlossen. Durch das Gleichtaktentstörelement kann erreicht werden, dass die Spule hinsichtlich einer Gleichtaktbeaufschlagung entkoppelt werden kann. Zumindest kann die Kopplung diesbezüglich reduziert werden. Das Gleichtaktentstörelement kann beispielsweise durch eine Drossel und/oder dergleichen gebildet sein.
Das Gleichtaktentstörelement kann vorzugsweise eine Gleichtaktdrossel sein. Die Gleichtaktdrossel kann an die Spulenanschlüsse und die Gleichrichtereinheit angeschlossen sein und eine hohe Induktivität für eine Gleichtaktbeaufschlagung bereitstellen. Sie kann insbesondere auch mit der Drossel kombiniert sein. Insgesamt lässt sich hierdurch die Gleichtaktunterdrückung weiter verbessern.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Anlage, insbesondere die Gleichrichtereinheit, und der Trenntransformator beziehungsweise das Gleichtaktentstörelement eine separate Abschirmung aufweisen. Dadurch kann die Entkopplungswirkung weiter verbessert werden. Die Abschirmung kann durch geeignet ausgebildete, elektrisch leitfähige Gehäuse, insbesondere Blechkonstruktionen wie zum Beispiel nach Art einer Tunerbox, und/oder dergleichen gebildet sein. Insbesondere kann die Abschirmung zumindest teilweise auch durch die Karosserie gebildet sein. Vorzugsweise sind sie derart ausgebildet, dass eine Kopplung zwischen der elektrischen Anlage, insbesondere der Gleichrichtereinheit, einerseits und dem Trenntransformator beziehungsweise dem Gleichtaktentstörelement andrerseits reduziert oder gänzlich unterdrückt werden. Die Abschirmung kann natürlich auch mit den zuvor genannten weiteren Merkmalen kombiniert werden.
Weitere vorteilhafte Wirkungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Findung und sollen diese nicht beschränken.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einer Energiekopplungseinrichtung zum drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld bereitstellenden Energiequelle sowie mit einer ein Antennenelement aufweisenden Antenneneinheit,
2 in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Ersatzschaltbild einer elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs gemäß 1,
3 ein Ersatzschaltbild in Bezug auf eine Störungskopplung des Kraftfahrzeugs gemäß 1,
4 in einer schematischen Prinzipdarstellung das Funktionsprinzip der drahtlosen Energiekopplung,
5 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine detailliertere Darstellung des Funktionsprinzips gemäß 4,
6 ein schematisches Prinzipschaltbild für den Anschluss einer Spule der Energiekopplungseinrichtung gemäß 5 an eine Gleichrichtereinheit gemäß 5 mit einer Entkopplungseinrichtung basierend auf zwei Kondensatoren mit gleicher Kapazität, wobei die Spule einen verdrillten Leiter aufweist,
7 in einer Draufsicht eine schematische Darstellung auf eine Spule mit einem elektrisch leitfähigen Koppelelement zum kapazitiven Koppeln der Spule mit der Karosserie gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, wobei eine Wicklung der Spule einen verdrillten Leiter aufweist,
8 eine weitere Ausgestaltung einer Energiekoppeleinrichtung mit der elektrischen Anlage gemäß der Erfindung, wobei die Spule der Energiekoppeleinrichtung mittels eines Trenntransformators mit der Gleichrichtereinheit galvanisch getrennt gekoppelt ist und die elektrische Anlage zumindest im Bereich des Trenntransformators und der Gleichrichtereinheit mit einer Abschirmung versehen ist,
9 eine Ausgestaltung basierend auf 8, bei der anstelle des Trenntransformators eine Gleichtaktdrossel als Gleichtaktentstörelement vorgesehen ist,
10 ein schematisches Ersatzschaltbild basierend auf 3 und
11 eine alternative Darstellung des Ersatzschaltbildes gemäß 10.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Karosserie 12, die vorzugsweise aus einem Eisenblech als elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner eine von der Karosserie 12 elektrisch isoliert angeordnete elektrische Anlage 14 mit einer Gleichrichtereinheit (2). Ferner umfasst das Kraftfahrzeug 10 eine an der Karosserie 12 elektrisch isoliert angeordnete Energiekopplungseinrichtung 18 zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Anlage 14. Die Energiekopplungseinrichtung 18 weist zu diesem Zweck eine Spule 20 auf, die dem drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld 44 bereitstellenden Energiequelle 22 aufweist. Die Energiequelle ist vorliegend durch eine Ladestation gebildet, die an ein öffentliches Energieversorgungsnetz angeschlossen ist, um die Energie mittels des magnetischen Wechselfeldes 44 bereitstellen zu können. Die Spule 20 ist an die Gleichrichtereinheit 16 der elektrischen Anlage 14 angeschlossen.
Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner eine ein Antennenelement 24 aufweisende, an der Karosserie 12 und gegenüber der elektrischen Anlage 14 elektrisch isoliert angeordnete Antenneneinheit 26, die dem Bereitstellen einer funkbasierten Kommunikationsverbindung zwischen einem kraftfahrzeugseitigen Kommunikationsendgerät und einer kraftfahrzeugexternen Kommunikationsgegenstelle dient. Das Kommunikationsendgerät und die Kommunikationsgegenstelle sind in den Figuren nicht dargestellt.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Spule 20 parallel an einen Kondensator 46 angeschlossen ist. Die Parallelschaltung aus der Spule 20 und dem Kondensator 46 ist über einen einzelnen Kondensator 48 an die Gleichrichtereinheit 16 angeschlossen. Mittels der Spule 20 wird dem magnetischen Wechselfeld 44 Energie entnommen, die als elektrische Energie an den Spulenanschlüssen bereitgestellt wird. Durch die Kondensatoren 46 und 48 erfolgt eine geeignete Anpassung für die Gleichrichtereinheit 46. Die Gleichrichtereinheit 16 ist vorliegend durch einen Brückengleichrichter gebildet.
Die Spule 20 stellt an ihren nicht bezeichneten Anschlüssen eine Wechselspannung mit einer Frequenz bereit, die der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes 44 entspricht. Vorliegend beträgt die Frequenz etwa 120 kHz. Insofern bilden die Kondensatoren 46 und 48 eine Anpassschaltung.
Gleichspannungsseitig ist die Gleichrichtereinheit 16 an einen Gleichspannungszwischenkreis 50 der elektrischen Anlage 14 angeschlossen, der einen Zwischenkreiskondensator 52 aufweist. Ferner ist der Gleichspannungszwischenkreis 50 auf eine Filterschaltung 54 geführt, die die von der Gleichrichtereinheit 16 bereitgestellte Gleichspannung weiter filtert. Die Filtereinheit 54 stellt die gefilterte Gleichspannung elektrischen Einheiten 56 der elektrischen Anlage 14 zur Verfügung, die vorliegend eine elektrische Antriebseinrichtung umfassen, mittels der das Kraftfahrzeug 10 elektrisch antreibbar ist. Darüber hinaus können andere elektrische Verbraucher vorgesehen sein, die von der elektrischen Anlage 14 umfasst sind.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild in einer schematischen Schaltbilddarstellung, die Kopplungspfade für eine Störeinkopplung in die Antenneneinheit 26 darstellt. Vorliegend ist ersichtlich, dass die Antenneneinheit 26 einen Impedanzwandler 58 aufweist, an dem das Antennenelement 24 angeschlossen ist. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Karosserie 12 mittels Kondensatoren C₁ und C₂, die stellvertretend für parasitäre Kapazitäten stehen, an die Spule 20, insbesondere deren Anschlüsse, kapazitiv gekoppelt ist. Entsprechend ist das Antennenelement 24 über parasitäre Kapazitäten C₃ und C₄ an die Spule 20 angekoppelt, die ebenfalls parasitäre Kapazitäten darstellen. Am Impedanzwandler 58 stellt sich eine Störspannung UStör ein (10). 11 zeigt eine alternative Darstellung zu 10, woraus ersichtlich ist, wie die Kapazitäten C₁ bis C₄ auf die Störspannung UStör am Impedanzwandler 58 wirken. Hierzu wird im Folgenden noch ausgeführt.
4 zeigt eine Darstellung wie 1, bei der jedoch schematisch auch die elektrische Anlage 14 dargestellt ist. Ergänzend zu den bisherigen Darstellungen ist aus 4 ersichtlich, dass das Kraftfahrzeug 10 beziehungsweise dessen elektrische Anlage 14 eine Hochvoltbatterie 64 als elektrischen Energiespeicher umfasst, der gleichspannungsseitig am Zwischenkreis 50 der elektrischen Anlage 14 angeschlossen ist.
5 zeigt noch einmal die Komponenten der elektrischen Anlage 14 des Kraftfahrzeugs 10, wobei ergänzen ersichtlich ist, dass die Spule 20, die Kondensatoren 46 und 48, die Gleichrichtereinheit 16 sowie der Zwischenkreis 50 mit seinem Zwischenkreiskondensator 52 und die Filterschaltung 54 in einem Gehäuse 60 angeordnet sind und so eine kompakte Baueinheit bilden. Vorzugsweise ist das Gehäuse zumindest teilweise elektrisch leitfähig, um zumindest teilweise eine Abschirmung zu bewirken.
Die zuvor genannten Kondensatoren 46, 48 sind nicht zwingend für die Funktion der vorgenannten Energiekoppeleinrichtung und der elektrischen Anlage 14 erforderlich, sodass sie gegebenenfalls auch weggelassen werden können.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Spule 20 über die Kondensatoren 46, 48 an die Gleichrichtereinheit 16 angeschlossen ist. Um hier eine Gleichtaktunterdrückung bewirken zu können, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass eine Verbindungsleitung 62 von der Spule 20 zur Gleichrichtereinheit 16 durch einen Kondensator 40 ersetzt ist. Um die Gleichtaktunterdrückung möglichst wirksam zu machen, ist vorgesehen, dass der Kondensator 48 durch einen Kondensator 38 ersetzt ist, der die gleiche Kapazität wie der Kondensator 40 aufweist. Dadurch kann eine Entkopplungseinrichtung 28 bereitgestellt werden. Auch hier ist der Kondensator 46 optional vorhanden und kann je nach Bedarf auch weggelassen werden.
Aus 6 ist ferner ersichtlich, dass die Spule eine Entkopplungseinrichtung 30 aufweist, die dadurch gebildet ist, dass ein Leiter 42, der vorliegend zwei Windungen als Wicklung der Spule 20 bereitstellt, verdrillt ausgebildet ist. Durch das Verdrillen der Wicklung kann erreicht werden, dass die zuvor genannten parasitären Kapazitäten C₁ und C₂ sowie auch die parasitären Kapazitäten C₃ und C₄ etwa den gleichen Kapazitätswert einnehmen. Dadurch kann die Gegentaktkopplung in das Antennenelement 24 reduziert werden.
Darüber hinaus wird durch die Kondensatoren 38, 40 erreicht, dass die elektrische Spannung an der Spule 20 symmetrisiert wird, wodurch eine weitere Reduktion der Störspannung UStör erreicht werden kann.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung, die auch mit den zuvor genannten Ausgestaltungen kombiniert werden kann. Aus 7 ist ersichtlich, dass die Entkopplungseinrichtung ein Koppelelement 34 nach Art einer offenen elektrisch leitfähigen Leiterschleife aufweist, die zumindest teilweise die Wicklung der Spule 20 in deren Ebene umgibt. Um unerwünschte Masseströme zu vermeiden, ist vorgesehen, dass das Koppelelement 34 durch einen elektrisch leitfähigen Draht gebildet ist, der eine offene Leiterschleife ausbildet und lediglich an einer einzigen Stelle elektrisch leitend mit der Karosserie 12 verbunden ist.
Die Kopplung der Spule 20 zur Karosserie 12 ist von lokalen Gegebenheiten abhängig. Durch Einbringen des Koppelelements 34, insbesondere auch eines geeignet ausgebildeten Metalldrahtgeflecht oder eines Metalleinlegers im Bereich der Spule 20 kann die kapazitive Kopplung symmetrisiert werden, sodass die Kapazität C₁ etwa der Kapazität C₂ entspricht. Vorzugsweise sind die beiden Kapazitäten gleich. Durch die Einpunktanbindung des Koppelelements 34 an die Karosserie 12 können Wirbelströme sowie auch Masseschleifen reduziert oder sogar verhindert werden.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die ebenfalls nahezu beliebig mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf der Schaltungsstruktur, wie sie bereits anhand der 2 erläutert wurde. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist hier vorgesehen, dass die Spule 20 mittels eines Trenntransformators 36 an die Gleichrichtereinheit 16 angeschlossen ist. Der Trenntransformator 36 stellt eine galvanische Trennung bereit. Auch hier sind die Kondensatoren 46 und 48 lediglich optional vorhanden und können gegebenenfalls auch weggelassen werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass lediglich einer der beiden Kondensatoren 46, 48 vorhanden ist. Ferner ist vorgesehen, dass der Trenntransformator 36, die optionalen Kondensatoren 46, 48 sowie auch die Gleichrichtereinheit 16 von einer elektromagnetischen Schirmung 70 umgeben sind. Dadurch kann die Störaussendung weiter reduziert werden.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die auf der Ausgestaltung gemäß 8 im Wesentlichen basiert. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 8 ist anstelle des Trenntransformators 36 bei dieser Ausgestaltung gemäß 9 eine Gleichtaktdrossel 32 vorgesehen. In beiden Fällen der Ausgestaltungen gemäß 8 und 9 kann jedenfalls eine Reduzierung der Gleichtaktwirkung erreicht werden. Dadurch stellen sich elektrische Potentiale an den Anschlüssen der Spule 20 ein, die im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf das Bezugspotential, hier der Karosserie 12, sind. Durch die hierdurch erreichte Symmetrie kann die Störspannung UStör reduziert werden. Etwaige Unsymmetrien können durch eine Abschirmung, beispielsweise die Schirmung 70, weiter reduziert werden. Die Schirmung 70 kann nicht nur bei der Ausgestaltung gemäß 8 vorgesehen sein, sondern ebenso bei den Ausgestaltungen der weiteren Ausführungsbeispiele. Vorzugsweise kann das Gehäuse 60 zugleich auch die Schirmung 70 bereitstellen. Dadurch kann eine Störaussendung weiter reduziert werden.
10 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild basierend auf 3, mit welchem die Kopplungspfade verdeutlicht werden, die dazu führen, dass am Impedanzwandler 58 die Störspannung UStör anliegt. 11 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung die Struktur gemäß 10 in einer H-Struktur. Dadurch ist auf einfache Weise ersichtlich, wie es aufgrund des bestimmungsgemäßen Betriebs der Energiekopplungseinrichtung 18 zum Ausbilden der Störspannung UStör am Impedanzwandler 58 kommt und wie die Störspannung UStör von den parasitären Kapazitäten C₁ bis C₄ abhängt.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Natürlich können auch einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus können natürlich Vorrichtungsmerkmale auch durch entsprechende Verfahrensschritte angegeben sein.
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

WO 2010/060062 A1 [0011]
DE 102013225241 A1 [0011]
WO 2016/030114 A1 [0011]
EP 2808196 A1 [0011]

Claims

Kraftfahrzeug (10) mit – einer Karosserie (12), die zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist, – einer von der Karosserie (12) elektrisch isoliert angeordneten elektrischen Anlage (14) mit einer Gleichrichtereinheit (16), – einer an der Karosserie (12) elektrisch isoliert angeordneten Energiekopplungseinrichtung (18) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Anlage (14), wobei die Energiekopplungseinrichtung (18) eine Spule (20) zum drahtlosen magnetischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen, ein magnetisches Wechselfeld (44) bereitstellenden Energiequelle (22) aufweist, wobei die Spule (20) an die Gleichrichtereinheit (16) der elektrischen Anlage (14) angeschlossen ist, und – einer ein Antennenelement (24) aufweisenden, an der Karosserie (12) und gegenüber der elektrischen Anlage (14) elektrisch isoliert angeordneten Antenneneinheit (26) zum Bereitstellen einer funkbasierten Kommunikationsverbindung zwischen einem kraftfahrzeugseitigen Kommunikationsendgerät und einer kraftfahrzeugexternen Kommunikationsgegenstelle, gekennzeichnet durch – eine Entkopplungseinrichtung (28, 30, 32, 34, 36) zum elektromagnetischen Entkoppeln der Spule (20) von der Antenneneinheit (26).
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung zwei elektrische Kondensatoren (38, 40) mit gleicher elektrischer Kapazität aufweist und ausgebildet ist, die Spule (20) mittels der elektrischen Kondensatoren (38, 40) galvanisch getrennt an die Gleichrichtereinheit (16) anzuschließen.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spule (20) mit einer Wicklung aus wenigstens einem in mehreren Windungen angeordneten elektrischen Leiter (42) die Entkopplungseinrichtung (30) dadurch gebildet ist, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (42) verdrillt ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung ein im Bereich der Spule (20) angeordnetes, elektrisch leitfähiges Koppelelement (34) zum kapazitiven Koppeln der Spule (20) mit der Karosserie (12) aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (34) eine einen im Koppelelement (34) erzeugbaren Wirbelstrom unterdrückende Struktur aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine elektrisch leitfähige Platte aufweist, die sich zumindest im Bereich der Wicklung erstreckt und die die Karosserie lediglich an einer einzigen Stelle elektrisch kontaktiert.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement ein Metalldrahtgeflecht aus Einzeldrähten aufweist, die gegenüber einander elektrisch isoliert angeordnet sind, wobei die Einzeldrähte die Karosserie (12) lediglich an einer einzigen Stelle elektrisch kontaktieren.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung einen Trenntransformator (36) aufweist und ausgebildet ist, die Spule (20) mittels des Trenntransformators (36) galvanisch getrennt an die Gleichrichtereinheit (16) anzuschließen.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung ein Gleichtaktentstörelement aufweist.
Kraftfahrzeug Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichtaktentstörelement eine Gleichtaktdrossel (32) aufweist.
Kraftfahrzeug einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anlage (14), insbesondere die Gleichrichtereinheit (16), und der Trenntransformator (36) beziehungsweise das Gleichtaktentstörelement eine separate Abschirmung aufweisen.