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Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System.
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Viele moderne Fahrzeuge sind Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Gerade solche Fahrzeuge weisen häufig elektrische Energiespeicher mit einer hohen Ladekapazität auf. Um einen Ladevorgang der elektrischen Energiespeicher zu vereinfachen ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Energiespeicher kabellos geladen werden können.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges zu schaffen, die kompakt und robust ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Die Spuleneinheit umfasst ein Gehäuse. Die Spuleneinheit umfasst des Weiteren eine Spule, die zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist. Die Spule umfasst mehrere Wicklungen mindestens einer elektrischen Leitung, wobei die elektrische Leitung zwei Enden aufweist. Beide Enden der elektrischen Leitung sind aus dem Gehäuse herausgeführt zum Verbinden mit einer Elektronikeinheit.
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Das Verbinden mit der Elektronikeinheit umfasst hierbei ein direktes Verbinden mit der Elektronikeinheit oder ein Verbinden über ein weiteres Verbindungsstück mit der Elektronikeinheit.
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Die Spule kann eine sogenannte Primärspule sein, die Außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist. Insbesondere ist die Spule eine sogenannte Sekundärspule, die in oder an dem Fahrzeug angeordnet ist.
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Die Spuleneinheit kann beispielsweise in den Fahrzeugunterboden integriert werden. Hier ergeben sich allerdings starke Bauraum-Restriktionen. Zum einen muss die Spuleneinheit, falls sie in den Fahrzeugunterboden integriert werden soll, hohe Belastungen, insbesondere Stöße aushalten, welche beispielsweise bei Kontakt des Unterbodens mit Steinen entstehen können. Des Weiteren ist der Bauraum im Unterboden sehr begrenzt.
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Da die Spuleneinheit die Elektronikeinheit nicht umfasst, können alle empfindlichen Elektronikteile an einer anderen Stelle im Fahrzeug verbaut werden, hierdurch kann der Bauraum effizienter genutzt werden und die Spuleneinheit ist robuster.
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Allerdings liegen bei einem Ladevorgang sehr hohe Frequenzen und Spannungen an der elektrischen Leitung an. Die Frequenz beträgt beispielsweise 85 kHz und die Spannungen liegen beispielsweise in einem Bereich von bis zu 1000 V–2000 V. Indem die beiden Enden der elektrischen Leitung aus dem Gehäuse herausgeführt sind zum Verbinden mit der Elektronikeinheit, müssen die hohe Frequenzen und Spannungen nicht über konventionelle Kabelverbindungen zu der Elektronikeinheit geführt werden. Hierdurch kann die Sicherheit und Effizienz bei einem Ladevorgang erhöht werden und gleichzeitig ein kompakter und robuster Aufbau gewährleistet werden.
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Gemäß einer optionalen Ausgestaltung umfasst die elektrische Leitung eine HF-Litze.
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Eine HF-Litze, auch Hochfrequenzlitze genannt, ist eine Litze, welche eine größere Anzahl voneinander isolierter Drähte umfasst. Die Drähte sind insbesondere so verflochten, dass im Mittel jeder Einzeldraht möglichst jede Stelle im Gesamtquerschnitt der Litze gleich oft einnimmt. Hierdurch weist die Litze eine sehr große Anzahl an leitfähiger Oberfläche auf, so dass trotz des Skin-Effekts eine hohe Effizienz erreicht werden kann.
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Eine HF-Litze weist insbesondere zudem deine durchgehende Leitungsisolation auf. Hierdurch kann auf zusätzliche Dichtungen gegen Feuchtigkeit und Kriechströme verzichtet werden. Eine durchgehende Leitungsisolation kann auch bei einer elektrischen Leitung ohne HF-Litze verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist ein Schirmgeflecht um den aus dem Gehäuse herausgeführten Teil der elektrischen Leitung angeordnet.
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Durch das Schirmgeflecht wird ermöglicht, dass eine restliche Fahrzeugelektronik nicht von einem elektromagnetischen Feld, das von der elektrischen Leitung erzeugt wird, gestört wird.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Gehäuse eine Außenseite aus Metall und das Schirmgeflecht ist mit der Außenseite verbunden.
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Hierdurch kann auf besonders einfache Weise eine sehr gute Leitungsabschirmung erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist die Spuleneinheit einen Ferrit auf, der zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist und das Schirmgeflecht ist mit dem Ferrit verbunden.
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Verbunden umfasst in diesem Zusammenhang, dass ein Spalt zwischen Ferrit und Schirmgeflecht sehr klein ist (z.B. ≤ 1mm).
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Hierdurch kann auch bei Gehäusen ohne Metall auf besonders einfache Weise eine sehr gute Leitungsabschirmung erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist das Schirmgefecht mittels eines Flansches mit der Außenseite oder dem Ferrit verbunden.
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Hierdurch lässt sich das Schirmgefecht sehr einfach an der Spuleneinheit befestigt. Die elektrische Leitung wird einfach durch den Flansch geführt und anschließend wird der Flansch an der Außenseite oder dem Ferrit befestigt.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung sind innerhalb des Schirmgeflechts eine oder mehrere Signalleitungen angeordnet.
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Hierdurch können beispielsweise zusätzliche Sensoren in der Spuleneinheit angesteuert und/oder ausgelesen werden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist die Spuleneinheit einen Ferrit auf, der zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Ferrit eine Aussparung aufweist. Eines der Enden der elektrischen Leitung ist durch die Aussparung des Ferrits aus dem Gehäuse herausgeführt.
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Durch die Aussparung kann das eine Ende der elektrischen Leitung besonders platzsparend aus dem Gehäuse herausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung sind die Enden der elektrischen Leitung um einen Winkel zwischen 45° und 135° aus dem Gehäuse herausgeführt.
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Falls, beispielsweise bei einem Service, eine Person von unten an den Motorbereich des Fahrzeuges herankommen muss, muss die Spuleneinheit entfernt werden. Da dies aufwendig sein kann, ist es vorteilhaft, wenn die Spuleneinheit um eine Achse weggedreht werden kann. Wenn die Enden der elektrischen Leitung um einen Winkel zwischen 45° und 135° aus dem Gehäuse herausgeführt sind, kann die Spuleneinheit sehr einfach um eine Achse gedreht werden ohne die elektrische Leitung zu beschädigen.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung sind die Enden der elektrischen Leitung im Wesentlichen gerade aus dem Gehäuse herausgeführt. Hierdurch ist ein sehr einfacher Aufbau möglich. Im Wesentlichen bedeutet hierbei beispielsweise ±5°.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist die Spuleneinheit einen Stecker zum Anschluss an eine Buchse der Elektronikeinheit auf, wobei die beiden Enden der elektrischen Leitung mit dem Stecker verbunden sind. Mithilfe des Steckers lässt sich die Spuleneinheit sehr einfach mit der Elektronikeinheit verbinden. Alternativ können auch die beiden Enden der elektrischen Leitung mit einer weiteren Leitung verbunden sein und die weitere Leitung ist mit dem Stecker verbunden.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist die Spuleneinheit eine Zugentlastung auf, die mit dem Stecker und der Spuleneinheit verbunden ist.
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Hierdurch kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Spule erhöht werden. Die Zugentlastung kann auch durch das Schirmgeflecht realisiert sein.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist der Stecker Mittel zum Spannungsfreischalten auf im Falle eines Trennens der Steckverbindung.
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Derartige Mittel sind beispielsweise eine dafür vorgesehene Hardware-Schaltung, vorauseilende Kontakte, ein HV-Interlock oder der Gleichen.
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Ein HV-Interlock ist beispielsweise dazu ausgebildet, die korrekte Verbindung von Steckverbindungen zu überwachen mit dem Ziel, eine elektrische Gefährdung durch unbeabsichtigtes, unsachgemäßes oder anderweitig bedingtes Trennen der Steckverbindung bei aktiver HV-Anlage zu unterbinden. Um dies zu erreichen, verfügt der HV-Interlock beispielsweise über eine Sicherheitslinie. Dabei handelt es sich um eine Reihenschaltung. Wird der Stromkreis der Sicherheitslinie durch Abziehen des Steckers unterbrochen, so wird das von einer HV-Interlocksteuereinheit erkannt. Die HV- Interlocksteuereinheit ist dazu ausgebildet umgehend ein Relais zu öffnen um die elektrische Leitung spannungsfrei zu schalten.
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Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist der Stecker derart ausgebildet, dass er im gesteckten Zustand Luft und Kriechstrecken von ≥ 15 mm, insbesondere 20 mm, aufweist. Da bei gesteckten Zustand sehr hohe Spannungen anliegen, ist es vorteilhaft, sicherzustellen, dass selbst bei einem Ladevorgang keine Gefahr für eine Person besteht, die den Stecker berührt. Hierzu weist der Stecker beispielsweise mindestens eine Ausnehmung auf, die radial außerhalb eines Steckkontakts der elektrischen Leitung angeordnet ist. Die Buchse weist ein zur Ausnehmung passendes Gegenstück auf. Hierdurch muss die Luft zuerst ungefähr den inneren Umfang der Ausnehmung zurücklegen, bevor sie aus dem Stecker austreten kann da das Gegenstück der Buchse den direkten Weg aus Stecker und Buchse versperrt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein System zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Das System weist die Spuleneinheit oder eine optionale Ausgestaltung der Spuleneinheit auf. Das System weist des Weiteren die Elektronikeinheit auf.
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Gemäß einer optionalen Ausgestaltung umfasst die Elektronikeinheit einen Resonanzkondensator.
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Der Resonanzkondensator ist ein Bauelement, das mit der Spule einen Resonanzkreis bildet. Ist dieser Resonanzkondensator in der Elektronikeinheit angeordnet, bedeutet dies, dass in der Spuleneinheit lediglich die Spule selbst angeordnet sein muss. Somit können alle anderen elektrischen Bauteile in der Elektronikeinheit angeordnet sein, womit eine sehr kompakte und robuste Spuleneinheit erreicht wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Aufbau eines induktiven Ladesystems,
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2 eine Spuleneinheit,
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3 die Spuleneinheit mit herausgeführter elektrischer Leitung,
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4 die Spuleneinheit, wobei die Enden der elektrischen Leitung um einen Winkel aus dem Gehäuse herausgeführt sind,
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5 die Spuleneinheit, wobei die Enden der elektrischen Leitung im Wesentlichen gerade aus dem Gehäuse herausgeführt sind,
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6 die Spuleneinheit mit einer Aussparung in einem Ferrit,
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7 System mit der Spuleneinheit und einer Elektronikeinheit,
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8 einen Stecker,
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9 den Stecker in offener Position,
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10 den Stecker in gesteckter Position,
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11 einen Zusammenbau von Spuleneinheit und Schirmgeflecht,
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12 einen Querschnitt der elektrischen Leitung mit Schirmgeflecht.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt ein Aufbau eines induktiven Ladesystems. Das Ladesystem besteht aus einer Bodeneinheit 100 und einer Fahrzeugeinheit 200, die mit einer Fahrzeugbatterie 300 verbunden ist.
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Die Bodeneinheit 100 umfasst eine Spannungsquelle 101, einen Wechselrichter 103, eine Kompensationseinheit 105, und einen Resonanzkreis 107.
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Die Spannungsquelle 101 ist dazu ausgebildet eine Spannung UDC bereitzustellen.
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Die Kompensationseinheit 105 umfasst beispielsweise einen Filter. Der Resonanzkreis 107 umfasst einen Resonanzkondensator und eine Primärspule L1.
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Die Fahrzeugeinheit 200 umfasst einen Resonanzkreis 201, eine Kompensationseinheit 203 und einen Gleichrichter 205, der mit der Fahrzeugbatterie 300 verbunden ist zum Laden der Fahrzeugbatterie 300.
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Die Kompensationseinheit 203 der Fahrzeugeinheit 200 umfasst beispielsweise einen Filter. Der Resonanzkreis 201 der Fahrzeugeinheit 200 umfasst ebenfalls einen Resonanzkondensator und eine Sekundärspule L2.
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Bei einem Ladevorgang weisen die Sekundärspule L2 und die Primärspule L1 eine induktive Kopplung k auf.
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Die Kompensationseinheit 203 der Fahrzeugeinheit 200, der Resonanzkondensator der Fahrzeugeinheit 200 und der Gleichrichter 205 können auch als Sekundärelektronik bezeichnet werden.
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2 zeigt eine Spuleneinheit 1 zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Die Spuleneinheit 1 umfasst ein Gehäuse 3. Die Spuleneinheit 1 umfasst des Weiteren, eine Spule 5, die zumindest teilweise in dem Gehäuse 3 angeordnet ist. Die Spule 5 ist insbesondere die Sekundärspule L2.
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Die Spule 5 umfasst mehrere Wicklungen mindestens einer elektrischen Leitung 7. Die elektrische Leitung 7 umfasst beispielsweise eine HF-Litze, insbesondere ist die elektrische Leitung 7 eine HF-Litze.
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Die Spuleneinheit 1 umfasst des Weiteren einen Ferrit 9. Der Ferrit 9 kann auch als Ferritkern der Spule 5 bezeichnet werden. Der Ferrit 9 ist zumindest teilweise in dem Gehäuse 3 angeordnet.
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Das Gehäuse 3 umfasst insbesondere im inneren Kunststoff und eine Außenseite 31 aus Metall, insbesondere zur Abschirmung nach oben, also in Richtung zum Fahrzeug hin. In Richtung zum Boden ist die Außenseite des Gehäuses 3 nicht aus Metall.
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3 zeigt die Spuleneinheit 1 mit herausgeführter elektrischer Leitung 7. Die elektrische Leitung 7 weist zwei Enden 71, 73 auf. Beide Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 sind aus dem Gehäuse 3 herausgeführt zum Verbinden mit einer Elektronikeinheit 80, welche später näher erläutert wird. Mit anderen Worten ist die elektrische Leitung 7 einstückig aus dem Gehäuse 3 herausgeführt. Dies bedeutet, dass kein Steckkontakt oder eine andere Unterbrechung der elektrischen Leitung 7 vorhanden ist.
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In 3 ist zur elektromagnetischen Abschirmung der elektrischen Leitung 7 ein Schirmgeflecht 10 um den aus dem Gehäuse 3 herausgeführten Teil der elektrischen Leitung 7 angeordnet.
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In 3 ist das Schirmgeflecht 10 an der Außenseite 31 des Gehäuses 3 befestigt. Dies ist möglich, wenn das Gehäuse 3 eine Außenseite 31 aus Metall umfasst. Alternativ kann das Schirmgeflecht 10 auch an dem Ferrit 9 befestigt sein.
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Die elektrische Leitung 7 kann auf verschiedene Arten aus dem Gehäuse 3 herausgeführt sein.
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Beispielsweise sind die Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 um einen Winkel zwischen 45° und 135° aus dem Gehäuse 3 herausgeführt. Insbesondere sind die Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 um einen Winkel von im Wesentlichen 90° aus dem Gehäuse 3 herausgeführt wie in 4 gezeigt. Im Wesentlichen bedeutet hierbei beispielsweise ±5°.
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Die Schenkel des Winkels sind hierbei insbesondere eine erste Achse, welcher sich entlang der jeweiligen Spulenwicklung erstreckt, in dem Bereich in dem die elektrischen Leitung 7 herausgeführt ist, und eine zweite Achse welche sich im Wesentlichen in die Richtung erstreckt, in die sich die herausgeführten Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 gegebenenfalls nach einer ersten Biegung im Wesentlichen erstrecken.
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Alternativ sind die Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 im Wesentlichen gerade aus dem Gehäuse 3 herausgeführt wie in 5 gezeigt. Im Wesentlichen bedeutet hierbei beispielsweise ±5°.
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6 zeigt eine platzsparende Möglichkeit um insbesondere ein inneres Ende 71 der elektrischen Leitung 7 aus dem Gehäuse 3 herauszuführen. Der Ferrit 9 weist hierzu eine Aussparung 91 auf und eines der Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7, also insbesondere das innere Ende 71, ist durch die Aussparung 91 des Ferrits 9 aus dem Gehäuse 3 herausgeführt.
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7 zeigt ein System 50 mit der Spuleneinheit 1 und der Elektronikeinheit 80. Die Elektronikeinheit 80 umfasst insbesondere die Sekundärelektronik, also den Resonanzkondensator der Fahrzeugeinheit 200, die Kompensationseinheit 203 der Fahrzeugeinheit 200 und den Gleichrichter 205. Die Elektronikeinheit 80 ist zusätzlich mit der Fahrzeugbatterie 300 verbunden, zum Laden der Fahrzeugbatterie 300.
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Zum Verbinden der Spuleneinheit 1 mit der Elektronikeinheit 80 ist insbesondere an der Elektronikeinheit 80 eine Buchse 81 vorgesehen und die Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 sind mit einem Stecker 20 zum Anschluss an der Buchse 81 verbunden.
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Zusätzlich ist optional eine Zugentlastung vorgesehen, die mit dem Stecker 20 und der Spuleneinheit 1 verbunden ist. Beispielsweise kann die Zugentlastung auch durch das Schirmgeflecht 10 realisiert sein.
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Die 8, 9 und 10 zeigen eine Ausgestaltung des Steckers 20.
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Der Stecker 20 weist Mittel 21 auf zum Spannungsfreischalten im Falle eines Trennens der Steckverbindung. Derartige Mittel 21 sind beispielsweise eine dafür vorgesehene Hardware-Schaltung, vorauseilende Kontakte, ein HV-Interlock oder der Gleichen.
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Der Stecker 20 ist beispielhaft derart ausgebildet, dass er im gesteckten Zustand (10) Luft- und Kriechstrecken 90 von ≥ 15 mm, insbesondere 20 mm aufweist. Im ungesteckten Zustand (9) können die Luft- und Kriechstrecken 90 kürzer sein. Für die langen Luft- und Kriechstrecken 90 im gesteckten Zustand weist Stecker 20 beispielsweise mindestens eine Ausnehmung 23a, 23b, 23c auf, die radial außerhalb eines Steckkontakts der elektrischen Leitung 7 angeordnet ist. Die Buchse 81 weist ein zur Ausnehmung 23a, 23b, 23c passendes Gegenstück 83a, 83b, 83c auf. Hierdurch muss die Luft zuerst ungefähr den inneren Umfang der Ausnehmung 23a, 23b, 23c zurücklegen, bevor sie aus dem Stecker 20 austreten kann.
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11 zeigt ein mögliches Vorgehen zum Zusammenbau der Spuleneinheit 1. Die aus dem Gehäuse 3 herausgeführte elektrische Leitung 7 wird in das Schirmgeflecht 10 eingeführt. Anschließend wird das Schirmgeflecht 10 an der Spuleneinheit 1 befestigt. Hierzu weist das Schirmgeflecht 10 beispielsweise einen Flansch 95 auf, mittels den das Schirmgeflecht 10 an der Spuleneinheit 1, also insbesondere an der Außenseite 31 und/oder dem Ferrit 9, befestigt werden kann. Der Flansch 95 wird beispielsweise mittels Schrauben befestigt.
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12 zeigt einen Querschnitt der elektrischen Leitung 7 mit Schirmgeflecht 10. In dem Schirmgeflecht 10 sind beispielsweise zusätzlich eine oder mehrere Signalleitungen 75a, 75b, 75c, 75d angeordnet, beispielsweise zwei oder vier Signalleitungen 75a, 75b, 75c, 75d.
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Da die Spuleneinheit 1 und die Elektronikeinheit 80 zwei separate Bauteile sind, können alle empfindlichen Elektronikteile an einer anderen Stelle im Fahrzeug verbaut werden, hierdurch kann der Bauraum effizienter genutzt werden und die Spuleneinheit ist robuster. Indem die beiden Enden 71, 73 der elektrischen Leitung 7 aus dem Gehäuse 3 herausgeführt sind, müssen die hohe Frequenzen und Spannungen nicht über konventionelle Kabelverbindungen zu der Elektronikeinheit 80 geführt werden. Hierdurch kann die Sicherheit und Effizienz bei einem Ladevorgang erhöht werden und gleichzeitig ein kompakter und robuster Aufbau gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spuleneinheit
- 3
- Gehäuse
- 5
- Spule
- 7
- elektrische Leitung
- 9
- Ferrit
- 10
- Schirmgeflecht
- 20
- Stecker
- 21
- Mittel
- 23a, b, c
- Ausnehmungen
- 31
- Außenseite
- 50
- System
- 71
- Ende der elektrische Leitung
- 73
- Ende der elektrische Leitung
- 75a, b, c, d
- Signalleitungen
- 80
- Elektronikeinheit
- 81
- Buchse
- 83a, b, c
- Gegenstücke
- 90
- Luft- und Kriechstrecken
- 91
- Aussparung
- 95
- Flansch
- 100
- Bodeneinheit
- 101
- Spannungsquelle
- 103
- Wechselrichter
- 105
- Kompensationseinheit
- 107
- Resonanzkreis
- 200
- Fahrzeugeinheit
- 201
- Resonanzkreis
- 203
- Kompensationseinheit
- 205
- Gleichrichter
- 300
- Fahrzeugbatterie
- UDC
- Spannung
- L1
- Primärspule
- L2
- Sekundärspule
- k
- Kopplung
