DE102016219476A1

DE102016219476A1 - Induktive Ladeeinheit für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016219476A1
Application number: DE102016219476.3A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer; Detlef Helm; Florian Niedermeier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Also published as: US11667205B2; CN109843635B; WO2018065435A1; CN109843635A; US20190225098A1

Abstract

Es wird eine induktive Ladeeinheit (100) für ein Fahrzeug angegeben. Die Ladeeinheit (100) umfasst einen wannenförmigen Grundträger (130) mit einer Grundfläche und die Grundfläche lateral umschließende Seitenwände, wobei die Grundfläche und die Seitenwände eine Wanne bilden. Ferner umfasst die Ladeeinheit (100) eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche, eine Primärspule (103) zur induktiven Kopplung mit einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule (203), wobei die Primärspule (103) in der Wanne angeordnet ist, und ein in der Wanne angeordnetes Füllmaterial (107), welches die Primärspule (103) mechanisch fixierend umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladeeinheit für ein Fahrzeug.
An induktive Ladeeinheiten für Fahrzeuge sind oftmals hohe Anforderungen gestellt, die zu einer komplexen und kostenintensiven Herstellung der Ladeeinheiten führen.
In der Druckschrift EP 30 26 682 A1 ist eine Bodeneinheit eines kontaktlosen Energieübertragungssystems beschrieben.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine induktive Ladeeinheit für ein Fahrzeug zu schaffen, die beiträgt, Komplexität und Kosten bei ihrer Herstellung gering zu halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine induktive Ladeeinheit für ein Fahrzeug, welche einen wannenförmigen Grundträger umfasst. Der Grundträger weist eine Grundfläche sowie die Grundfläche lateral umschließende Seitenwände auf. Die Grundfläche und die Seitenwände bilden hierbei eine Wanne.
Die Ladeeinheit umfasst ferner eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche und eine Primärspule. Die Primärspule ist zur induktiven Kopplung mit einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule ausgebildet und in der Wanne angeordnet.
Schließlich umfasst die Ladeeinheit ein in der Wanne angeordnetes Füllmaterial, welches die Primärspule mechanisch fixierend umgibt.
Bei der Ladeeinheit kann es sich um eine Bodeneinheit, insbesondere um eine sogenannte „on-ground“ Bodeneinheit handeln.
Bei dem Grundträger kann es sich beispielsweise um ein Stanzblech handeln.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Ladeeinheit eine einfache, kostengünstige Herstellung. Hierbei kann insbesondere auf zusätzliche Bauteile, die zu einer hohen Komplexität und zu hohen Kosten beitragen, wie Abschirmbleche, Abstandshalter um Spulenteile auf einheitlicher Höhe zu halten und Dichtungen um ein Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu verhindern, verzichtet werden. Als weitere, lediglich optionale Zusatzbauteile sind beispielsweise stabilisierende Bodenstrukturen zum Schutz der Ladeeinheit vor Biegungen, sowie stützende Strukturen zum Schutz vor Beschädigungen bei Überfahrt durch ein Fahrzeug, wie zum Beispiel Stützsäulen zu nennen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Grundträger eine von der Grundfläche hin zu der Deckfläche gerichtete Wölbung auf.
Beispielsweise entsteht aufgrund der Wölbung ein Luftraum unter der Bodeneinheit. In vorteilhafter Weise können so Material, Gewicht und Kosten eingespart werden. Eine derartige Wölbung kann besonders einfach, beispielsweise mittels Tiefziehen oder Stanzen, ausgebildet werden. Insbesondere kann der Grundträger mehrere solcher Wölbungen aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Grundträger am Rand der Wölbung eine Aufstandsfläche auf. Die Primärspule und die Wölbung des Grundträgers sind zueinander derart angeordnet, dass bei Überfahrt durch das Fahrzeug auftretende mechanische Kräfte von der Deckfläche hin zu der Aufstandsfläche an der Primärspule vorbeigeleitet werden.
In vorteilhafter Weise trägt dies zu einer Robustheit der Ladeeinheit bei, so dass eine Überfahrsicherheit der Ladeeinheit mit wenig Aufwand sichergestellt werden kann. Beispielsweise ist in dem Bereich der Aufstandsfläche lediglich Füllmaterial in der Wanne angeordnet, so dass die Kräfte über das Füllmaterial in den Boden abgeleitet werden können. In anderen Worten ist dieser Bereich der Wanne insbesondere frei von von weiteren Bauteilen wie einem Ferrit der Ladeeinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der Seitenwände des Grundträgers durch die Wölbung des Grundträgers gebildet. In vorteilhafter Weise ermöglicht die Wölbung als Seitenwand eine einstückige Ausbildung des Grundträgers, und damit eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung.
Die die Seitenwand des Grundträgers bildende Wölbung weist insbesondere einen Abschnitt des Grundträgers auf, welcher eine Außenseite der Ladeeinheit bildet, sowie einen weiteren Abschnitt des Grundträgers auf, welcher eine Innenseite der Ladeeinheit bildet. Die beiden Abschnitte können beispielsweise einen Luftraum mit dem Boden einschließen. Die beiden Abschnitte können sich an einer der Grundfläche abgewandten Oberkante der Seitenwand treffen. An ihrem jeweiligen der Oberkante abgewandten Ende weisen die Abschnitte beispielsweise eine Aufstandsfläche auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die durch die Wölbung des Grundträgers gebildete Seitenwand des Grundträgers eine der Wanne abgewandte Außenseite auf, die als Rampe zur Überfahrt durch das Fahrzeug ausgebildet ist. Bei der Außenseite handelt es sich insbesondere um vorgenannten Abschnitt des Grundträgers, welcher mit der Grundfläche einen vorgegebenen Auffahrwinkel einschließt. Der Auffahrwinkel beträgt beispielsweise zwischen 0° und 45°. Insbsondere kann die Außenseite in diesem Zusammenhang gekrümmt ausgebildet sein und einen der Wanne zugewandt betragsmäßig zunehmenden Auffahrwinkel aufweisen. In vorteilhafter Weise kann so ein Verschieben der Ladeeinheit bei einer Überfahrt weitgehend verhindert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt eine der Grundfläche abgewandte Oberkante der Seitenwände jeweils mit der Deckfläche ab. In vorteilhafter Weise überragt die Seitenwand so die Primärspule und/oder einen Ferrit der Ladeeinheit. Mit Vorteil kann die Seitenwand dadurch als seitliches Abschirmblech für ein im Betrieb der Ladeeinheit bereitgestelltes Magnetfeld dienen, so dass zu einem effizienten Laden bei induktiver Kopplung mit der dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule beigetragen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Grundträger einstückig ausgebildet. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine einfache und kostengünstige Herstellung der Ladeeinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Grundträger als tiefgezogenes Blech ausgebildet. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Ladeeinheit.
Insbesondere ist das Blech leitfähig ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium, um eine seitliche und zum Boden gerichtete Abschirmung des Magnetfelds zu gewährleisten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Ladeeinheit eine Ferritstruktur mit einem Ringkörper und quer zu dem Ringkörper verlaufenden Radialelementen. Die Radialelemente sind über den Ringkörper miteinander gekoppelt und voneinander beabstandet angeordnet.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine Einsparung von Material, Bauraum, Gewicht und Kosten bei nahezu gleichbleibender Funktionalität der Ladeeinheit. Insbesondere kann der freibleibende Bauraum im Hinblick auf einen flächigen Ferrit durch Füllmaterial ersetzt werden, so dass eine Abführung von Kräften vorbei an der Ferritstruktur ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ferritstruktur unterhalb einer der Grundfläche abgewandten Oberkante der Seitenwände angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Ferritstruktur beabstandet zu einer jeweiligen, der Wanne zugewandten Innenseite der Seitenwände des Grundträgers angeordnet.
In vorteilhafter Weise kann die Seitenwand dadurch als seitliches Abschirmblech für ein im Betrieb der Ladeeinheit bereitgestelltes Magnetfeld dienen. Durch Beabstandung der Seitenwand von der Ferritstruktur wird ferner dazu beigetragen, dass lediglich ein geringer Anteil des bereitgestellten Magnetfelds abgeschirmt wird, so dass ein Beitrag zu einem effizienten Laden bei induktiver Kopplung mit der dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule geleistet wird. Insbesondere ist das Blech in diesem Zusammenhang leitfähig ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium, um die beschriebene Abschirmung des Magnetfelds zu gewährleisten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Füllmaterial als Vergussmasse aus GFK oder aus Kurzfaser mit Epoxidharz ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Füllmaterial die Deckfläche der Ladeeinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Ladeeinheit eine Deckplatte, die die Deckfläche der Ladeeinheit bildet. Die Deckplatte weist einen Überstand auf, der die Seitenwände des Grundträgers jeweils lateral überragt. Der Überstand weist ferner jeweils eine Biegung hin zu der Grundfläche des Grundträgers auf, so dass der Überstand jeweils eine der Wanne abgewandte Außenseite der Seitenflächen bedeckt. In vorteilhafter Weise trägt dies zu einer Robustheit und Wasserfestigkeit der Ladeeinheit bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Deckfläche eine von der Grundfläche abgewandte Ausbuchtung auf. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies den Ablauf von Regenwasser.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Ladeeinheit ein flexibles Sensorgewebe zur Detektion von metallischen Fremdkörpern im Bereich des Magnetfelds der Primärspule.
Insbesondere kann es sich bei dem flexiblen Sensorgewebe um ein Maschenwerk handeln. Das Maschenwerk umfasst eine Mehrzahl an Sensorleitungen, die in einer ersten Richtung parallel zueinander, aneinander gereiht angeordnet sind. Die Sensorleitungen spannen in einer zu der ersten Richtung quer verlaufenden zweiten Richtung mehrere Maschen auf. Die Maschen benachbarter Sensorleitungen sind jeweils miteinander gekoppelt, so dass die Sensorleitungen das Maschenwerk bilden.
In vorteilhafter Weise ermöglicht das Maschenwerk eine zuverlässige Detektion von Fremdkörpern in dem Magnetfeld. Hierfür ist jedoch keine Platine erforderlich, so dass ein Materialaufwand, Gewicht, Bauraumvolumen und Kosten einer Vorrichtung zur Objekterkennung in einem Magnetfeld gering gehalten werden können. Insbesondere ermöglicht das Maschenwerk eine hohe Flexibilität bei der Anpassung einer solchen Vorrichtung an die Fläche einer Energieübertragungsspule einer induktiven Ladeeinheit im Hinblick auf eine standardisierte Leiterplattenfertigung und -größe. Das Maschenwerk kann mit Vorteil unter Nutzung etablierter Konzepte und Maschinen einfach und kostengünstig hergestellt werden. Hierbei kann insbesondere eine Windungszahl und Maschengröße der Aufgabenstellung einfach angepasst werden.
Die Sensorleitungen sind in der ersten Richtung im Wesentlichen parallel angeordnet. Die zweite Richtung ist insbesondere senkrecht zu der ersten Richtung. Die gekoppelten Maschen spannen ein Maschenwerk auf, das sich in die erste und zweite Richtung erstreckt. Die Maschen bilden insbesondere Sensorspulen einer Vorrichtung zur Objekterkennung in einem Magnetfeld. Die Sensorleitung ist bevorzugt aus einem Lackdraht ausgebildet. Einzelne Sensorspulen können hierbei in Reihe geschaltet sein. Insbesondere können die in Reihe geschalteten Sensorspulen gleichsinnig gewickelt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 Aufbau eines induktiven Ladesystems in Schnittansicht,
2 eine induktive Ladeeinheit in Draufsicht,
3 die induktive Ladeeinheit in Detailansicht,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel der induktiven Ladeeinheit in Schnittansicht,
5 und 6 Ausbreitung von Magnetfeldlininen bei induktiven Ladesystemen in Schnittansicht,
7 bis 10 ein zweites Ausführungsbeispiel der induktiven Ladeeinheit in perspektivischer Schrägansicht, Draufsicht, und Schnittansicht,
11 und 12 ein drittes Ausführungsbeispiel der induktiven Ladeeinheit in Schnittansicht und vergrößerter Schnittansicht,
13 ein viertes Ausführungsbeispiel der induktiven Ladeeinheit in Schnittansicht,
14 ein konventionalles Gehäuse einer induktiven Ladeeinheit in Schnittansicht, und
15 bis 40 ein Maschenwerk, eine Vorrichtung umfassend das Maschenwerk, ein Verfahren zur Herstellung des Maschenwerks sowie eine Ladeeinheit mit dem Maschenwerk.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Aufbau eines induktiven Ladesystems, umfassend eine erste Ladeeinheit 100, die beispielsweise am Boden angeordet ist und auch als Bodeneinheit bezeichnet werden kann, sowie eine zweite Ladeeinheit 200, die beispielsweise einem Fahrzeug zugeordnet und an dessen Unterboden angeordnet ist.
Die erste Ladeeinheit 100 weist ein Gehäuse 101, eine im Gehäuse 101 angeordnete Primärspule 103 sowie einen Ferrit 105 auf. Analog hierzu weist die zweite Ladeeinheit 200 ebenfalls ein Gehäuse 201, eine Sekundärspule 203 sowie einen Ferrit 205 auf.
Zum induktiven Laden des Fahrzeugs werden die zwei Ladeeinheiten 100, 200 in einem vorgegebenen Abstand d übereinander angeordnet. Eine Energieübertragung erfolgt über magnetische Kopplung der Primär- und Sekundärspule 103, 203. Aufgrund des großen Luftspalts zwischen den Ladeeinheiten 100, 200 sind die Spulen 103, 203 nur lose verkoppelt.
2 zeigt beispielhaft einen Aufbau der ersten Ladeeinheit 100 in Draufsicht. Die zweite Ladeeinheit 200 weist prinizipell einen gleichen, jedoch vertikal gespiegelten Aufbau wie die erste Ladeeinheit 100 auf. Die zweite Ladeeinheit 200 sollte unter anderem an ihrer Unterseite Schutz vor Steinschlag und Aufsetzen des Fahrzeugs an Bordsteinkanten oder ähnlichem bieten.
An die erste Ladeeinheit 100 sind hohe mechanische Anforderungen gesetzt, wie beispielsweise Überfahrfestigkeit, Wasserdichtheit und Beständigkeit gegen aggressive Medien. Auch sollte eine Oberseite der ersten Ladeeinheit 100 Schutz gegen Eindrücken von Steinen bieten. Erschwerend kommt hinzu, dass die erste Ladeeinheit 100 relativ groß ist, typischerweise größer als die zweite Ladeeinheit 200, und sehr empfindliche Bauteile enthält. Als solche sind insbesondere der Ferrit 105 zu nennen, da Ferrite typischerweise aus sehr sprödem Material ausgebildet sind.
3 zeigt die erste Ladeeinheit 100 nochmals in schematischer Detailansicht mit zusätzlichen Funktionskomponenten. Neben der Primärspule 103 und dem Ferrit 105 (hier nicht näher dargestellt) weist die erste Ladeeinheit 100 beispielsweise einen Resonanzkondensator 111 auf, der mit der Primärspule 103 gekoppelt ist. Ferner umfasst die erste Ladeeinheit 100 beispielsweise eine Positionierungseinheit 113 zur Führung und/oder Positionierung des Fahrzeugs mit der zweiten Ladeeinheit 200 über der ersten Ladeeinheit 100, beispielhaft aufweisend sechs Sensorspulen, eine FOD-einheit 115, („Foreign Object Detection“, FOD) zur Detektion von Fremdkörpern im Magnetfeld der ersten Ladeeinheit 100, beispielhaft aufweisend sechzig Sensorspulen, einen Temperatursensor 117 sowie eine Steuereinheit 119 zur Signalauswertung. Alternativ oder zusätzlich zu der FOD-einheit 115 kann auch eine LOD-einheit, („Living Object Detection“, LOD) zur Detektion von Tieren im Luftspalt oder wenn ein Mensch in den Luftspalt greift, zum Einsatz kommen. Zum Schutz der beiden Ladeeinheiten 100, 200 kann im Falle, dass die FOD-einheit 115 einen metallischen Fremdkörper detektiert, die Primärspule 103 abgeschaltet werden.
Darüber hinaus verfügt die erste Ladeeinheit 100 über einen Versorgungseingang 121, beispielsweise eine HF-Litze, über den die erste Ladeeinheit 100 mit elektrischer Energie versorgt wird, beispielhaft mit einer Frequenz von 85 kHz. Weiterhin verfügt die erste Ladeeinheit 100 über einen Schutzleitereingang 123 sowie über Kommunikationseingänge 125, 127 und 129. Beispielhaft sind die Kommunikationseingänge 125 zur Kommunikation mittels CAN-Protokoll ausgebildet während an dem Eingang 127 eine Spannung von 12V und an dem Eingang 129 ein Bezugspotential anliegt. Optional kann ein Teil der Elektronik oder die gesamte Elektronik der ersten Ladeeinheit 100 beispielsweise auch extern in einer Wandeinheit 120 (sogenannte „Wallbox“) angeordnet und über die Eingänge 121–129 mit der ersten Ladeeinheit 100 gekoppelt sein.
Die Primärspule 103 wird typischerweise in einem sehr robusten Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse muss über eine gesamte Spulenfläche stabil genug sein, um Belastungen vom Spulenkörper fern zu halten. Dies hat einen hohen Material-, Gewichtsaufwand und Raumbedarf zur Folge und kann dennoch die Ferrite vor harten Belastungen nicht vollständig schützen.
In Summe führen all diese Anforderungen zu einem hochkomplexen Aufbau der ersten Ladeeinheit 100 mit der Primärspule 103. Aufgrund vieler technisch hoch anspruchsvollen Bauteilen führt dies zu sehr hohen Fertigungsaufwendungen und Herstellkosten.
Es wird daher eine Aufbautechnik für die erste Ladeeinheit 100 vorgeschlagen, die mit einfachen Mitteln die oben genannten Anforderungen mit wenigen Bauteilen erfüllt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel (4) weist die erste Ladeeinheit 100 einen wannenförmigen Grundträger 130 auf. Der Grundträger 130 ist beispielsweise aus Aluminium ausgebildet, beispielhaft aus einem 2mm dicken Blech.
Der Grundträger 130 weist mehrere Wölbungen 131, 133 auf, die beispielsweise durch Tiefziehen und/oder Stanzen des Grundträgers 130 ausgebildet sind. Die äußeren Wölbungen 131 bilden dabei Seitenwände der ersten Ladeeinheit 100 und begrenzen zusammen mit einer Bodenfläche des Grundträgers und einer Deckfläche 140 ein Wannenvolumen des Grundträgers 130.
In dem Wannenvolumen können neben der Primärspule 103 und dem Ferrit 105 beispielsweise die FOD-einheit 115 oder die LOD-einheit sowie weitere Bauteile 151 wie Elektronik und Sensoren angeordnet sein. Der Versorgungseingang 121 ragt ferner wie schematisch dargestellt in das Wannenvolumen hinein.
Das Wannenvolumen ist mit einer Vergussmasse 107 befüllt. Insbesondere sind die Primärspule 103, der Ferrit 105 sowie die weiteren Bauteile 151 samt HF-Litze des Versorgungseingangs 121 in der Vergussmasse 107 eingegossen und damit in der ersten Ladeeinheit 100 fixiert. Als Vergussmasse 107 können Materialien verwendet werden, die kompatibel mit elektronischen Bauelementen sind wie Platinenmaterial oder Materialien in den Bauteilen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder ein anderer Faser-Kunststoff-Verbund, beispielhaft Kurzfaser mit Epoxidharz.
Die Vergussmasse 107 bildet insbesondere ein Gehäuse für die Primärspule 103 und/oder den Ferrit 105 und/oder die weiteren Bauteile 151 im Wanenvolumen der ersten Ladeeinheit 100. Hierbei kann die Vergussmasse 107 die einzelnen Bauelemente 103, 105, 151 sowohl einschließen als auch an Position und/oder in Form halten, so dass weitere Trägerkonstruktionen vermieden werden können.
In vorteilhafter Weise können insbesondere empfindliche Bauteile durch eine elastische Ummantelung von mechanischen Belastungen durch die Vergussmasse 107 geschützt werden.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die ausgehärtete Vergussmasse 107 eine Deckfläche der ersten Ladeeinheit 100 bilden. In der dargestellten Ausführungsvariante ist auf der Vergussmasse 107 eine Deckplatte 140 angeordnet, bei der es sich beispielsweise um eine GFK-Platte handelt. Die Deckplatte 140 weist an ihren Enden jeweils einen Überstand 141 bezüglich einer Oberkante der Wölbungen 131 auf, der ebenfalls gewölbt ausgebildet ist und sich einer dem Ferrit 105 abgewandten Seite der Wölbungen 131 anschmiegt. In vorteilhafter Weise wird so dazu beigetragen, einen Wassereintritt in das Wannenvolumen zu vermeiden.
An seinen Aufstandflächen 137 (vgl. 10) auf dem Boden weist die erste Ladeeinheit 100 darüber hinaus Gummiauflagen 135 auf, die eine weiche, rutschfeste Lagerung am Boden ermöglichen.
Ein durch die Wölbungen 131, 133 gebildeter Holraum zwischen dem Grundträger 130 und dem Boden dient der Reduktion von Materialaufwand und Gewicht. Durch die mittigen Wölbungen 133 kann überdies eine Steifheit des Grundträgers 130 beziehungsweise eine Gesamtbiegefähgikeit der ersten Ladeeinheit 100 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Insbesondere ist die Formgebung dabei so gestaltet, dass gegenenfalls in Kombination mit der Deckplatte 140 eine erforderliche Biegesteifigkeit der ersten Ladeeinheit erreicht wird, so dass eine Anpassung an Bodenunebenheiten und ein Nachgeben bei Überfahrt möglich ist.
5 und 6 zeigen jeweils die Ausbreitung von Magnetfeldlininen B im Betrieb von induktiven Ladesystemen.
Die erste Ladeeinheit 100 wie in 5 dargestellt weist ein konventionelles Gehäuse 101 ohne abschirmenden Rand auf. Die Feldlinien B breiten sich zu den Seiten des induktiven Ladesystems sehr weit aus, da keine Abschirmung vorhanden ist.
Die erste Ladeeinheit 100 wie in 6 dargestellt weist hingegen ein Gehäuse mit wannenförmigen Grundträger 130 analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Die Ausbreitung der Feldlinien B hin zu den Seiten des induktiven Ladesystems ist im Vergleich zu der ersten Ladeeinheit 100 gemäß 5 deutlich reduziert. Dies ist auf die Wölbung 131 zurückzuführen, die als Abschirmblech fungiert.
Insbesondere ist die erste Ladeeinheit 100 derart ausgebildet, dass die Wölbung 131 den Ferrit 105 in vertikaler Richtung überragt. Darüber hinaus ist die erste Ladeeinheit 100 bevorzugt derart ausgebildet, dass nur ein sehr kleiner Prozentsatz der Feldlinien B von der Wölbung 131 abgeschirmt wird, so dass ein Wirkungsgrad des induktiven Ladesystems hoch gehalten werden kann. Beispielsweise ist der Ferrit 105 hierzu mit einem vorgegebenen Abstand A zu einer dem Ferrit 105 zugewandten Seite der Wölbung 131 angeordnet.
In vorteilhafter Weise wird so durch den Grundträger 130 eine effiziente Abschirmung der Magnetfeldlinien B sowohl in Richtung der Aufstandsfläche der ersten Ladeeinheit 100, als auch zur Seite gewährleistet.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der ersten Ladeeinheit 100 in einem induktiven Ladesystem in perspektivischer Schrägansicht. Die erste Ladeeinheit 100 ist beispielsweise analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet und unterscheidet sich lediglich in der Form des Ferrits 105. Dieser weist in der dargestellten Ausführungsvariante eine sternförmige Struktur auf. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen N95 Ferrit der Firma EPCOS, welcher gesintert oder geschnitten ist. In anderen Ausführungsvarianten (8) kann der Ferrit 105 auch eine Vielzahl an Radialelementen 1051 aufweisen, die über einen Ring 1053 miteinander verbunden sind. Abweichend von den dargestellten Ausführungsvarianten sind eine Vielzahl anderer Ferritstrukturen denkbar, die ähnliche Eigenschaften aufweisen.
Insbesondere weist der Ferrit 105 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine nicht flächige Struktur auf, welche an einen Verlauf der Magnetfeldlininen B einer flächigen Ferritstruktur angepasst ist. Hierdurch lässt sich insbesondere Material, Bauvolumen und Gewicht bei nahezu gleichbleibendem Wirkungsgrad des induktiven Ladesystems einsparen.
9 zeigt die erste Ladeeinheit 100 entlang des Schnitts A-A‘ der 8. Wie bereits anhand der 6 erläutert ist das Blech des Grundträgers 130 so geformt, dass die Magnetfeldlinien B hin zu der Sekundärspule 203 gut verlaufen, und in horizontaler Richtung aufgrund der Schirmwirkung des hohen „Blechrandes“ blockiert werden.
Die Vergussmasse 107 ist insbesondere magnetisch neutral ausgebildet und trägt zusammen mit dem Ferrit 105 zu einer optimalen Leitung der Magnetfeldlinien B für eine effiziente Kopplung mit der Sekundärspule 203 bei.
10 zeigt die erste Ladeeinheit 100 der 9 unter mechanischer Belastung. Die Primärspule 103, der Ferrit 105 beziehungsweise die Radialelemente 1051, und die Aufstandsflächen 137 sind derart zueinander, angeordnet, dass mechanische Kräfte wie Zug-, Druck-, und Scherkräfte an empfindlichen Bauteilen wie dem Ferrit 105 vorbeigeleitet werden können. 10 zeigt exemplarisch Druckkräfte F bei Überfahrt durch ein Fahrzeug, die an dem Ferrit 105 und der Primärspule 103 vorbei geleitet werden. Die Wölbungen 133 sind hierzu insbesondere derart gestaltet, dass die Druckkräfte F gezielt an empfindlichen Bauteilen vorbei in den Boden geführt werden.
Die erste Ladeeinheit 100, insbesondere der Ferrit 105, ist dabei vorteilhaft so gestaltet, dass genügend Raum für Vergussmasse 107 vorhanden ist, um die Kräfte F um den Ferrit 105 herumzuführen.
Dass Kräfte in Bauteile 151 der Elektronik der ersten Ladeeinheit 100 (vgl. 12) eingeleitet werden kann dadurch verhindert werden, dass die Bauteile 151 der Elektronik in Bereichen mit Kraftfreiheit angeordnet und gegebenenfalls mit einem elastischem Material wie der Vergussmasse 107 umhüllt werden.
11 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der ersten Ladeeinheit 100 in Schnittansicht. Die erste Ladeeinheit 100 ist beispielsweise analog zu dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet und unterscheidet sich in der Form der Deckplatte 140. Diese weist eine Ausbuchtung 143 mit schrägen Deckflächen auf, um ein Ablaufen von Regenwasser sicherzustellen.
Darüber hinaus weist die erste Ladeeinheit 100 zur Detektion von Fremdkörpern eine flexibel ausgebildete FOD-einheit 115 auf, die beispielhaft einlaminiert ist und entlang der Ausbuchtung 143 der Deckplatte 140 verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsvariante bildet die einlaminierte FOD-einheit 115 die Deckplatte 140. Die flexible FOD-einheit kann mit Vorteil durch das Vergussmaterial 107 in Form gehalten werden.
Die flexible FOD-einheit 115 kann insbesondere ein flexibles Sensorgewebe wie ein Maschenwerk umfassen. Ein solches Maschenwerk, eine Vorrichtung umfassend das Maschenwerk, ein Verfahren zur Herstellung des Maschenwerks sowie eine Ladeeinheit mit dem Maschenwerk ist anhand der 15 bis 40 näher erläutert.
12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 11. Ein oder mehrere Bauteile 151 der Elektronik der ersten Ladeeinheit 100 sind zwischen dem Ferrit 105 und dem Grundträger 130 angeordnet, um deren Schirmwirkung zur Schirmung der Bauteile 151 zu nutzen.
Die Bauteile 151 können hierbei beispielsweise direkt mit einlaminiert werden. Insbesondere können in diesem Zusammenhang eine komplette Platine der Elektronik der ersten Ladeeinheit 100 oder große Einzelelemente wie Folienkondensatoren von der Vergussmasse 107 verkapselt und fixiert werden. Die Eigenschaften der Vergussmasse wie z.B. Wärmeausdehnung sind entsprechend zu wählen.
13 zeigt schließlich ein viertes Ausführungsbeispiel der ersten Ladeeinheit 100 in Schnittansicht. Die erste Ladeeinheit 100 ist beispielsweise analog zu dem ersten, zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet und unterscheidet sich in der Form der Wölbung 131. Diese ist auf ihrer dem Ferrit 105 (hier nicht näher dargestellt) abgewandten Seite abgeflacht ausgebildet, so dass kaum Horizontalkräfte beim Befahren durch ein Fahrzeug auftreten. Durch das Gewicht des Fahrzeugs in vertikale Richtung wird eine hohe Vertikallast erzeugt. In anderen Worten ist der Rand der ersten Ladeeinheit 100 als Rampe mit flachem Winkel ausgebildet, so dass bei einer Überfahrt das Verschieben der Bodeneinheit weitgehend verhindert wird.
Bei einem konventionellen Gehäuse 101 (14) ist eine solche Formgebung hingegen schwieriger, beispielsweise aufgrund von Aluminiumprofilen als Rahmenelemente. Diese weisen oftmals eine steilere Rampe auf.
15 zeigt das Ladesystem nochmals in perspektivischer Schrägansicht. Die zwei Ladeeinheiten 100, 200 erstrecken sich parallel zueinander in eine erste Richtung X und eine zweite Richtung Y, beabstandet voneinander in einer dritten Richtung Z. Ein Raum zwischen den zwei Ladeeinheiten 100, 200 zur Energieübertragung ist in deren Betrieb mit magnetischer Flussdichte „durchflutet“. Sind dort metallische oder leitende Fremdkörper 10 (16) vorhanden, würden diese erwärmt. Um dies grundsätzlich oder zumindest übermäßiges Erhitzen zu verhindern wird der Raum mit der FOD-einheit 115 überwacht. Bei Anwesenheit von metallischen Objekten 10 kann die Energieübertragung beziehungsweise das Magnetfeld abgeschaltet werden. Optional kann eine Warnung an einen Nutzer übermittelt werden.
In 16 sind einige wenige Magnetfeldlinien B exemplarisch dargestellt. Die Flussdichte des Magnetfelds im Betrieb der zwei Ladeeinheiten 100, 200 ist dabei betraglich hoch in den Ferriten 105, 205. Nahe den Windungen der Spulen 103, 203 ist die Flussdichte betraglich bereits geringer, und nimmt innerhalb des Luftspalts zwischen den zwei Ladeeinheiten 100, 200 weiter ab. Außerhalb des Luftspalts ist die Flussdichte betraglich sehr gering. Das in 16 dargestellte elektrisch leitende und/oder ferromagnetische Objekt 10 befindet sich im Bereich hoher Feldstärke.
Bei dem Objekt 10 handelt es sich beispielsweise um eine flache Scheibe wie eine Münze (17). In dem Objekt 10 wird nach dem Induktionsgesetz
eine Spannung im Umfang des Objekts 10 induziert, die einer Änderung des magnetischen Flusses durch seine Fläche entspricht. Der Effekt wird demnach also kleiner, wenn die Scheibe nicht senkrecht zu den Magnetfeldlinien B steht (weniger Fluss durch die Scheibe) und verschwindet nahezu vollständig, wenn die Scheibe parallel zu den Magnetfeldlinien B orientiert ist.
Wie in 18 dargestellt, führt dies zu einem Stromfluss I am Rand des Objekts 10 bis zu einer Eindringtiefe T aufgrund des Skin-Effekts. Im Inneren des Objekts 10 verbleibt ein feldfreier Bereich 11. Der Stromfluss I erzeugt wiederum ein gegengerichtetes Magnetfeld, das sich mit den Magnetfeldlinien B überlagert, so dass ein feldfreier Bereich um das Objekt 10 entsteht, siehe 19. Durch ohmsche Verluste am Widerstand des durch den Skin-Effekt eingeschnürten Stromflusses I am Umfang des Objektes 10 ergeben sich Verluste.
Zur Detektion des Objekts 10 können beispielsweise Sensorspulen-Arrays als FOD-einheit 115 eingesetzt werden, die ähnlich einem konventionellen Metall-Detektor funktionieren wie anhand der 20A–20D dargestellt. Insbesondere sind dabei verschiedene Messmethoden denkbar:
20A zeigt (von links nach rechts) eine Sensorspule 1151, einen Erregungspuls sowie ein Ersatzschaltbild bei Pulsmessung; als typische Kenngröße kommt hier eine Abklingzeitkonstante in Betracht.
20B zeigt (von links nach rechts) zwei gekoppelte Sensorspulen 1151 sowie ein Ersatzschaltbild bei Messung mittels Wechselstromerregung; als typische Kenngröße kommen hier Induktionsspannung und Phase in Betracht.
20C zeigt (von links nach rechts) eine Sensorspule 1151 sowie ein Ersatzschaltbild bei Resonanzmessung unter Wechselstromerregung; als typische Kenngröße kommt hier eine Resonanzfrequenz in Betracht.
20D zeigt schließlich mehrere Sensorspule 1151 sowie eine Primärspule 103 (alternativ kann auch eine Sekundärspule 203 eingesetzt werden) bei Analyse des Magnetfelds der Energieübertragung; als typische Kenngröße kommen hier Induktionsspannung und Phase in Betracht.
Wie bereits in 16 dargestellt kann die FOD-einheit 115 in einer Ebene unmittelbar oberhalb der Primärspule 103 innerhalb des Gehäuses 101 angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann analog hierzu auch eine FOD-einheit 215 in einer Ebene unmittelbar unterhalb der Sekundärspule 203 innerhalb des Gehäuses 201 angeordnet werden. Ein Aufbau dieser FOD-einheiten 115, 215 kann beispielhaft mittels einer Leiterplatte erfolgen, die eine gesamte Fläche über beziehungsweise unter der Spule 103, 203 abdeckt. Mittels entsprechend ausgeformter Leiterbahnen werden Sensorspulen 1151 zur Detektion des Objekts 10 mittels der anhand 20A–20D beschrieben Messmethoden realisiert. Mit der großen, zur Energieübertragung genutzten Fläche über beziehungsweise unter der Spule 103, 203 wird der Bereich betraglich hoher magnetischer Flussdichte überwacht. Für die Leiterplatte ist mindestens eine zweilagigkeit gefordert, um Überkreuzungen darstellen zu können. Bauelemente müssen abgesehen von der Kontaktierung nicht bestückt werden.
Um alle relevanten Fremdkörper 10 in allen möglichen Lagen erkennen zu können, können beispielsweise sehr viele Sensorspulen 1151 auf der Leiterplatte realisiert werden. Hierbei ist zu beachten, dass kleine Sensorspulen 1151 zwar empfindlich gegenüber kleinen Objekten 10, jedoch insensitiv gegenüber Objekten 10 sind, die weit von den Sensorspulen 1151 entfernt sind. Weiterhin können große Sensorspulen 1151 schlecht kleine Objekte 10 detektieren. Einheitliche Sensorspulen 1151 berücksichtigen keine Inhomogenität des Magnetfeldes im Betrieb der Ladeeinheiten 100, 200. Eine Vielzahl von Spulengrößen und -formen der Sensorspulen 1151 erfordert aufgrund der unterschiedlichen Empfindlichkeiten wiederum einen hohen Applikationsaufwand. Schließlich beeinflussen die Objekte 10 im Luftspalt je nach Lage und Größe eine Vielzahl von Sensorspulen 1151 gleichzeitig.
21 zeigt eine beispielhafte FOD-einheit 115 in Draufsicht mit sechsunddreißig Sensorspulen 1151, welcher entsprechend der Anzahl der Sensorspulen 1151 sechsunddreißig verschiedene Messwerte für die in 20A–20D angegebenen Kenngrößen liefert.
Um die Anzahl von Auswerteschaltungen und -Vorgängen nicht über die Maßen ansteigen zu lassen, können die Sensorspulen 1151 daher in Reihe geschaltet werden. In 22 wurden die sechsunddreißig Sensorspulen 1151 zu zehn Spulenreihen 1153 zusammengefasst. Wie anhand der Pfeile schematisch dargestellt sind hierbei jeweils abwechselnd gegensinnig gewickelte Sensorspulen 1151 zu einer Spulenreihe 1153 zusammengefasst.
23 zeigt eine Spulenreihe 1153 mit gegensinnig gewickelten Sensorspulen 1151. Die Spulenreihe 1153 ist beispielsweise durch eine Sensorleitung 1150 realisiert, die mit ihrem Anfang und Ende mit der Steuereinheit 119 Auswerteelektronik gekoppelt ist. Die Sensorleitung 1150 bildet exemplarisch fünf Maschen 21, wobei der gestrichelt dargestellte Teil der Sensorleitung 1150 jeweils einen im Hintergrund verlaufenden Teil der Sensorleitung 1150 symbolisiert. Jede Masche 21 weist vorliegend lediglich eine Windung auf. Abweichend hiervon können die Maschen 21 auch mehrere Windungen, verallgemeinert also n Windungen aufweisen (vgl. 23). Jede der Spulenreihen 1153 kann dabei so über der jeweiligen Spule 103, 203 angeordnet sein, dass sich die durch die Energieübertragung induzierten Spannungen gegenseitig nahezu vollständig kompensieren.
Aufgrund der Größe des zu überwachenden Bereiches sind sehr große Leiterplatten nutwendig, oder es müssen sogar mehrere verwendet werden. Dies führt zu hohen Kosten, da einerseits die Fläche der Leiterplatte(n) hohe Kosten verursacht. Bei mehreren Leiterplatten ist eine zusätzliche Verbindungstechnik notwendig. Zusätzlich ist aufgrund der Größe und Standard-Herstellungs-Abmessungen ein hoher Verschnitt zu Berücksichtigen. Darüber hinaus muss die Leiterplatte durch entsprechende Vorrichtungen im entsprechenden Gehäuse 101, 201 befestigt werden. Insbesondere müssen bei der ersten Ladeeinheit 100 eine Überfahrfestigkeit und bei der zweiten Ladeeinheit 200 Fahrzeugunterbodenanforderungen wie gefahrfreies Aufsetzen auf Poller oder ähnlichem gewährleistet sein. Dies führt zu einer zusätzlichen mechanischen Komplexität der Ladeeinheiten 100, 200.
Es wird vorgeschlagen, an Stelle einer Platine ein Maschenwerk 20 aus Kupferlackdraht herzustellen (24 bis 38) und dieses Maschenwerk 20 in das Gehäuse 101, 201 der jeweiligen Spule 103, 203 zu integrieren (39 und 40).
Hierbei wird insbesondere folgende Erkenntnis genutzt: Deckt eine Spulenreihe 1153 beide Richtungen des Magnetfeldes im Betrieb der Ladeeinheiten 100, 200 ab, so kompensieren sich auch bei gleichsinnigen Wicklungen die induzierten Spannungen nahezu vollständig. Die Spulenreihe 1153 ist hierfür derart anzuordnen, dass die Summe der Flächenelemente der Sensorspulen 1151 der jeweiligen Spulenreihe 1153 multipliziert mit der Flussdichte senkrecht dazu annähernd Null ist. Dies ist beispielsweise bei Anordnung wie in 16 dargestellt der FOD-einheit 115 aus 24 bei Kopplung der Sensorspulen 1151 zu Spulenreihen 1153 nach 25 der Fall.
26 zeigt eine Spulenreihe 1153 mit gleichsinnig gewickelten Sensorspulen 1151 analog zu 23. Die Spulenreihe 1153 ist wiederum beispielsweise durch eine Sensorleitung 1150 realisiert, die mit ihrem Anfang und Ende mit der Steuereinheit 119 Auswerteelektronik gekoppelt ist. Die Sensorleitung 1150 bildet exemplarisch fünf Maschen 21. Jede Masche 21 weist vorliegend lediglich eine Windung auf. Abweichend hiervon können die Maschen 21 auch mehrere Windungen, verallgemeinert also n Windungen aufweisen (vgl. 26). Jede der Spulenreihen 1153 kann dabei so über der jeweiligen Spule 103, 203 angeordnet sein, dass sich die durch die Energieübertragung induzierten Spannungen gegenseitig nahezu vollständig kompensieren.
27 zeigt ein erstes Beispiel eines Maschenwerks 20, exemplarisch bestehend aus fünfzig Sensorspulen 1151, zusammengefasst zu zehn Spulenreihen 1153 mit je fünf Sensorspulen 1151. Die Spulenreihen 1153 sind parallel zueinander in der ersten Richtung X aneinander gereiht angeordnet und erstrecken sich jeweils in die zweite Richtung Y.
Jede Spulenreihe 1153 weist hierbei analog zu 26 eine Sensorleitung 1150 mit gleichsinnig gewickelten Sensorspulen 1151 auf, die beispielsweise aus Kupferlackdraht ausgebildet ist. Im Gegensatz zu 26 kreuzt sich die Sensorleitung 1150 in einer ersten Variante (28) jedoch jeweils am Anfang beziehungsweise Ende jeder Masche 21 bezüglich der zweiten Richtung Y in einem Überkreuzungspunkt 22, so dass ein Geflecht analog zu einem Maschendrahtzaun entsteht.
Zusätzlich oder alternativ kann die Spulenreihe 1153 in einer zweiten Variante (29) jeweils am Anfang beziehungsweise Ende jeder Masche 21 bezüglich der zweiten Richtung Y einen Halter oder Klips 26 aufweisen, durch den die Maschen 21 zusammengehalten werden.
Wie anhand von 30 dargestellt kann ein derartiger Aufbau des Maschenwerks 20 durch einen Abstandshalter 27 ergänzt werden. Dadurch können beispielsweise weitere Flächenausprägungen erzeugt werden, wie in einem zweiten Beispiel (31) ein hexagonales Maschenwerk 20.
In einem dritten Beispiel (32) kann das Maschenwerk 20 alternativ auch mittels Stricken oder in einem vierten Beispiel (34) auch webe-ähnlich hergestellt werden. Bei Herstellung mittels Stricken können die Maschen 21 beispielsweise zusätzlich durch Halter oder Klipse 26 (vgl. 29 bis 31) in Form gehalten werden. Bei webe-ähnlicher Herstellung kommt ein Kettenfaden 28 und Schussfaden 29 zum Einsatz. Anders als beim Weben ist jedoch ein nicht sehr „weitmaschiges“ Erzeugnis gewünscht. Die Schussfäden 29 können zusammen mit einem Kamm 24, 25 (vgl. 36A–36E) dazu verwendet werden, dass der Schussfaden 29 entsprechende Maschen 21 aufspannt.
34 zeigt zwei parallel angeordnete Spulenreihen 1153 gemäß der ersten Variante des ersten Beispiels, wobei analog zu der 23 wiederum der gestrichelt dargestellte Teil der Sensorleitung 1150 jeweils einen im Hintergrund verlaufenden Teil der Sensorleitung 1150 symbolisiert. Analog zu der Kreuzung der jeweiligen Sensorleitung 1150 zwischen den Maschen 21 der jeweiligen Spulenreihe 1153 sind hier auch die Sensorleitungen 1150 untereinander am Anfang beziehungsweise Ende jeder Masche 21 bezüglich der ersten Richtung X in einem Überkreuzungspunkt 22 verkettet.
Zusätzlich kann das Maschenwerk 20 am Rand Fixierpunkte 23 aufweisen, an denen es aufgespannt werden kann.
Ein freier Raum zwischen den zwei parallelen Spulenreihen 1153 kann beispielsweise durch in der ersten und zweiten Richtung X, Y versetztes Übereinanderlegen in der dritten Richtung Z einer zusätzlichen Spulenreihe 1153 eines weiteren Maschenwerks abgedeckt werden.
Alternativ kann wie anhand der 35 dargestellt in einem fünften Beispiel das Maschenwerk 20 der 34 zu einem komplexeren Maschenwerk 20 vervollständigt werden, in dem eine weitere Spulenreihe 1153 in die bestehenden Überkreuzungspunkte 22 eingeflochten wird.
Anhand der 36A bis 36E ist im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung des Maschenwerks 20 der 34 dargestellt.
In einem ersten Schritt (36A) wird eine Sensorleitung 1150 durch bestehendes Maschenwerk 20 in die zweite Richtung Y durchgeführt, wobei bestehende Maschen 21 auseinander gedrückt werden.
In einem darauffolgenden zweiten Schritt (36B) zieht ein erster Kamm 24 einen durchgeführten Abschnitt der Sensorleitung 1150 in die erste Richtung X.
In einem darauffolgenden dritten Schritt (36C) wird ein restlicher Abschnitt der Sensorleitung 1150 durch die durch den zweiten Schritt neu aufgespannten Maschen 21 entgegen der zweiten Richtung Y zurück gefädelt. Wie in dem ersten Schritt werden diese Maschen 21 dazu senkrecht zur Darstellungsebene auseinander gedrückt.
In einem darauffolgenden vierten Schritt (36D) zieht ein zweiter Kamm 25 nun den im dritten Schritt eingefädelten Abschnitt der Sensorleitung 1150 in die erste Richtung X herunter, so dass wiederum neue Maschen 21 aufgespannt werden.
Ein darauffolgender fünfter Schritt (36E) entspricht im Wesentlichen dem ersten Schritt. Der erste bis vierte Schritt wird zur Realisierung von mehreren Windungen wiederholt.
37 zeigt ein sechstes Beispiel eines Maschenwerks 20 in Draufsicht und Schnittansicht oberhalb der Primärspule 103. Zusätzlich zu den vorigen Beispielen weist das Maschenwerk 20 unterschiedlich große Maschen 21 auf. Insbesondere ist eine Fläche in einem Bereich 12 erhöhter Flussdichte über den Wicklungen der Primärspule 103 an die Flussdichte angepasst.
Alternativ oder zusätzlich können, wie bereits im Zusammenhang mit den 34, 35 erwähnt, überdies mehrere Maschenwerke übereinander angeordnet werden. In dem in 38 dargestellten siebten Beispiel sind zwei Maschenwerke 20, 30 unterschiedlicher Maschengrößen übereinandergelegt und leicht gegeneinander verschoben dargestellt. Die Maschen 21 des ersten Maschenwerks 20 sind in etwa doppelt so groß wie die Maschen 31 des zweiten Maschenwerks 30.
39 zeigt ein Beispiel einer ersten induktiven Ladeeinheit 100. Die erste Ladeeinheit 100 weist ein Gehäuse 101 mit beispielhaft zwei Druckgussformteilen auf.
Die Deckfläche des Gehäuses 101, die bei Kopplung mit einer zweiten induktiven Ladeeinheit dieser zugewandt ist, ist insbesondere aus einem nicht-leitendem Material ausgebildet wie Kunstsoff oder Faserverbundwerkstoffen. Dies ermöglicht eine einfache Integration des Maschenwerks 20 in das Gehäuse 101. Insbesondere kann das Maschenwerk 20 mittels Einlaminieren in Kunststoff in das Gehäuse 101 integriert werden.
Beispielsweise weist das Maschenwerk 20 an seinen Ecken Halteelemente 1155 auf, die das Maschenwerk 20 in der richtigen Position aufspannen. Diese können beispielhaft mit eingegossen werden.
Wie in 40 dargestellt, können Sensorleitungen 1150 als flexible Verbindung 1157 von dem Maschenwerk 20 in entsprechender Länge z.B. auf einen Stecker 1191 geführt sein, der auf einer Platine 119 der Steuereinheit 119 angeordnet ist.
In vorteilhafter Weise ist das Maschenwerk 20 frei von einer Trägerplatine. Die Sensorspulen 1151 sind ferner nicht lediglich auf ein Gelege aufgestickt, vielmehr wird ein Gelege aus Spulenstrukturen erzeugt. Diese können direkt in Kunststoff eingegossen werden. Das Maschenwerk 20 ist also selbst das Gelege.
Einzelne Sensorspulen 1151 können hierbei in Reihe geschaltet sein. Das Maschenwerk 20 kann mit Vorteil einfach in vorhandene Gehäusebauteile integriert werden. Die das Maschenwerk 20 aufspannenden Sensorleitungen 1150 können gleichzeitig zur Ausbildung einer Anschlussleitung 1157 bis zur Steuereinheit 119 der Auswerteelektronik dienen. Zur Herstellung des Maschenwerks 20 können Methoden der Maschendrahtherstellung und/oder zusätzliche Abwandlungen hiervon eingesetzt werden. Auch weitere Methoden, wie aus der Textilherstellung, können hierbei zum Einsatz kommen. Durch Variation der Maschenflächen innerhalb eines Maschenwerks 20 können inhomogene Anforderungen innerhalb der Gesamtfläche einer FOD-einheit 115 berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann eine einfache Anpassung der Geometrie der Maschen 21 durch Verwendung von zusätzlichen Haltern und Klipsen 26 erfolgen. Bei Verwendung mehrerer Maschenwerke 20 übereinander können in vorteilhafter Weise sehr dichte Netze mit unterschiedlichen Maschengrößen realisiert werden.
Das Maschenwerk eignet sich besonders für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Ladeeinheit. Zusammenfassend sind folgende Konzepte des Maschenwerks hervorzuheben:

1. Konzept: Maschenwerk (20) zur Objekterkennung in einem Magnetfeld, umfassend eine Mehrzahl an Sensorleitungen (1150), wobei – die Sensorleitungen (1150) in einer ersten Richtung (X) parallel zueinander, aneinander gereiht angeordnet sind, – die Sensorleitungen (1150) in einer zu der ersten Richtung (X) quer verlaufenden zweiten Richtung (Y) mehrere Maschen (21) aufspannen, und – die Maschen (21) benachbarter Sensorleitungen (1150) jeweils miteinander gekoppelt sind, so dass die Sensorleitungen (1150) das Maschenwerk (20) bilden.
2. Konzept: Maschenwerk (20) nach Konzept 1, bei dem die Maschen (21) benachbarter Sensorleitungen (1150) jeweils ineinander greifen, so dass das Maschenwerk (20) verkettet ausgebildet ist.
3. Konzept: Maschenwerk (20) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 oder 2, umfassend Kopplungselemente (26), bei dem die Maschen (21) benachbarter Sensorleitungen (1150) jeweils mittels eines Kopplungselements (26) miteinander gekoppelt sind.
4. Konzept: Maschenwerk (20) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 bis 3, bei dem die Sensorleitungen (1150) jeweils einen in der zweiten Richtung (Y) verlaufenden ersten Abschnitt sowie einen entgegen der zweiten Richtung (Y) verlaufenden zweiten Abschnitt aufweisen, wobei jede der Maschen (21) aus dem ersten und dem zweiten Abschnitt gebildet ist, und die Sensorleitung (1150) derart ausgebildet ist, dass der zweite Abschnitt an einem Anfang jeder Masche (21) bezüglich der zweiten Richtung (Y) und/oder an einem Ende jeder Masche (21) bezüglich der zweiten Richtung (Y) den ersten Abschnitt überkreuzt.
5. Konzept: Maschenwerk (20) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 bis 4, umfassend Kopplungselemente (26), bei dem die Sensorleitungen (1150) jeweils einen in der zweiten Richtung (Y) verlaufenden ersten Abschnitt sowie einen entgegen der zweiten Richtung (Y) verlaufenden zweiten Abschnitt aufweisen, wobei jede Masche (21) aus dem ersten und dem zweiten Abschnitt gebildet ist, und der zweite Abschnitt an einem Anfang jeder Masche (21) bezüglich der zweiten Richtung (Y) und/oder an einem Ende jeder Masche (21) bezüglich der zweiten Richtung (Y) jeweils mittels eines Kopplungselements (26) mit dem ersten Abschnitt gekoppelt ist.
6. Konzept: Maschenwerk (20) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 bis 5, bei dem die Maschen (21) jeweils eine Fläche einschließen, deren Größe derart variiert, dass ein Größenverhältnis der Flächen zueinander zwischen 0,5 und 2 beträgt.
7. Konzept: Vorrichtung (115) zur Objekterkennung in einem Magnetfeld, umfassend ein erstes Maschenwerk (20) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 bis 6, und eine Auswerteelektronik (119) zur Objekterkennung, die mit den Sensorleitungen (1150) des ersten Maschenwerks (20) signaltechnisch gekoppelt ist.
8. Konzept: Vorrichtung (115) nach Konzept 7, umfassend ein weiteres Maschenwerk (30) nach einem der vorstehenden Konzepte 1 bis 6, wobei das weitere Maschenwerk (30) parallel zu dem ersten Maschenwerk (20) in einer zu der ersten und zweiten Richtung (X, Y) quer verlaufenden dritten Richtung (Z) beabstandet von dem ersten Maschenwerk (20) angeordnet ist und die Sensorleitungen (1150) des weiteren Maschenwerks (30) mit der Auswertelektronik (119) signaltechnisch gekoppelt sind.
9. Konzept: Vorrichtung (115) nach Konzept 8, bei dem die Maschen (21) des ersten Maschenwerks (20) jeweils eine erste Fläche einschließen, und die Maschen (31) des weiteren Maschenwerks (30) jeweils eine weitere Fläche einschließen, wobei ein Größenverhältnis der ersten Fläche zu der weiteren Fläche zwischen 0,5 und 2 beträgt.
10. Konzept: Verfahren zur Herstellung eines Maschenwerks (20) zur Objekterkennung in einem Magnetfeld, bei dem – eine Mehrzahl an Sensorleitungen (1150) bereitgestellt wird, – die Sensorleitungen (1150) in einer ersten Richtung (X) parallel zueinander, aneinander gereiht angeordnet werden, derart, dass die Sensorleitungen (1150) in einer zu der ersten Richtung quer verlaufenden zweiten Richtung (Y) jeweils mehrere Maschen (21) aufspannen, und die Maschen (21) benachbarter Sensorleitungen (1150) jeweils miteinander gekoppelt werden, so dass die Sensorleitungen (1150) das Maschenwerk (20) bilden.
11. Konzept: Verfahren nach Konzept 10, aufweisend die Schritte: a) Bereitstellen einer ersten Sensorleitung der Mehrzahl an Sensorleitungen (1150), welche mehrere erste Maschen bildet, b) Bereitstellen einer weiteren Sensorleitung der Mehrzahl an Sensorleitungen (1150) mit einem ersten und zweiten Abschnitt, c) Anordnen der Sensorleitungen (1150) in der ersten Richtung (X) parallel zueinander, aneinander gereiht derart, dass die Sensorleitungen (1150) in der zu der ersten Richtung (X) quer verlaufenden zweiten Richtung (Y) jeweils mehrere Maschen (21) aufspannen, und Koppeln der Maschen (21) benachbarter Sensorleitungen (1150) jeweils miteinander, so dass die Sensorleitungen (1150) das Maschenwerk (20) bilden, indem folgende Schritte durchgeführt werden: c1) Durchführen der weiteren Sensorleitung in der zweiten Richtung (Y) durch die ersten Maschen derart, dass die weitere Sensorleitung mit ihrem ersten Abschnitt an einem Anfang jeder ersten Masche bezüglich der zweiten Richtung (Y) und an einem Ende jeder ersten Masche bezüglich der zweiten Richtung (Y) die erste Sensorleitung überkreuzt, c2) Ziehen des ersten Abschnitts der weiteren Sensorleitung mittels eines ersten Kamms (24) jeweils zwischen Überkreuzungspunkten (22) der ersten und weiteren Sensorleitung in die erste Richtung (X), so dass zwischen dem ersten Abschnitt der weiteren Sensorleitung und den ersten Maschen jeweils ein Flächenstück eingeschlossen wird, c3) Durchführen des zweiten Abschnitts der weiteren Sensorleitung entgegen der zweiten Richtung (Y) durch die Flächenstücke, derart, dass die weitere Sensorleitung mit ihrem zweiten Abschnitt an einem Ende jeder ersten Masche bezüglich der zweiten Richtung (Y) und an einem Anfang jeder ersten Masche bezüglich der zweiten Richtung (Y) den ersten Abschnitt der weiteren Sensorleitung überkreuzt, und c4) Ziehen des zweiten Abschnitts der weiteren Sensorleitung mittels eines zweiten Kamms (25) jeweils zwischen Überkreuzungspunkten (22) des ersten und zweiten Abschnitts der weiteren Sensorleitung in die erste Richtung (X), so dass durch den ersten und zweiten Abschnitt der weiteren Sensorleitung jeweils weitere Maschen (21) gebildet werden.
12. Konzept: Verfahren nach Konzept 11, bei dem – ein entgegen der zweiten Richtung (Y) aus dem Maschenwerk (20) herausgeführtes Ende des zweiten Abschnitts als weitere Sensorleitung mit einem jeweiligen ersten und zweiten Abschnitt dient, und – die Schritte c1) bis c4) erneut durchgeführt werden.
13. Konzept: Verfahren nach Konzept 10, bei dem das Maschenwerk (20) durch eines aus Sticken, Weben oder Verklipsen der Sensorleitungen (1150) hergestellt wird.
14. Konzept: Die erfindungsgemäße, induktive Ladeeinheit (100) für ein Fahrzeug, umfassend – eine Primärspule (103) zur induktiven Kopplung mit einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule (203), und – eine Vorrichtung (115) zur Objekterkennung nach einem der vorstehenden Konzepte 7 bis 9.
15. Konzept: Induktive Ladeeinheit (200) für ein Fahrzeug, umfassend – eine Sekundärspule (203) zur induktiven Kopplung mit einer einer Bodeneinheit zugeordneten Primärspule (103), und – eine Vorrichtung (215) zur Objekterkennung nach einem der vorstehenden Konzepte 7 bis 9.
16. Konzept: Ladeeinheit (100, 200) nach einem der vorstehenden Konzepte 14 oder 15, wobei die Vorrichtung (115, 215) derart angeordnet ist, dass sich im Betrieb der Ladeeinheit (100, 200) durch ein Magnetfeld der Primärspule (103) in den Maschen (21) induzierte Spannungen jeweils kompensieren.
17. Konzept: Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Konzepte 14 bis 16, umfassend ein Gehäuse (101) mit Halteelementen (1155), wobei das Maschenwerk (20) mittels der Halteelemente (1155) in dem Gehäuse (101) fixierend aufgespannt ist.

Bezugszeichenliste

100: erste Ladeeinheit
101: Gehäuse
103: Primärspule
105: Ferrit
107: Vergussmasse
111: Resonanzkondensator
113: Positionierungseinheit
115: FOD-einheit
117: Temperatursensor
119: Steuervorrichtung
120: Wandeinheit
121–129: Eingang
130: Grundträger
131, 133: Wölbung
135: Gummiauflage
137: Aufstandfläche
140: Deckplatte
141: Überstand
143: Ausbuchtung
151: Bauteil
200: zweite Ladeeinheit
201: Gehäuse
203: Sekundärspule
205: Ferrit
d: Abstand
B: Magnetfeldlinie
A: Abstand
F: Kraft
X, Y, Z: Richtungen
10: Fremdkörper
11: feldfreier Bereich
12: Bereich erhöhter Flussdichte
20: Maschenwerk
21: Masche
22: Überkreuzungspunkt
23: Fixierpunkt
24: erster Kamm
25: zweiter Kamm
26: Klips
27: Abstandshalter
28: Kettenfaden
29: Schussfaden
30: Maschenwerk
31: Masche
1150: Sensorleitung
1151: Sensorspule
1153: Spulenreihe
1155: Halteelement
1157: Verbindung
1191: Stecker
1193: Platine
215: FOD-einheit
I: Stromfluss
T: Eindringtiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3026682 A1 [0003]

Claims

Induktive Ladeeinheit (100) für ein Fahrzeug, umfassend – einen wannenförmigen Grundträger (130) mit einer Grundfläche und die Grundfläche lateral umschließende Seitenwände, wobei die Grundfläche und die Seitenwände eine Wanne bilden, – eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche, – eine Primärspule (103) zur induktiven Kopplung mit einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule (203), wobei die Primärspule (103) in der Wanne angeordnet ist, und – ein in der Wanne angeordnetes Füllmaterial (107), welches die Primärspule (103) mechanisch fixierend umgibt.
Ladeeinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der Grundträger (130) eine von der Grundfläche hin zu der Deckfläche gerichtete Wölbung (131, 133) aufweist.
Ladeeinheit (100) nach Anspruch 2, wobei der Grundträger (130) am Rand der Wölbung (131, 133) eine Aufstandsfläche (137) aufweist, und die Primärspule (103) und die Wölbung (131, 133) des Grundträgers (130) zueinander derart angeordnet sind, dass bei Überfahrt durch das Fahrzeug auftretende mechanische Kräfte (F) von der Deckfläche hin zu der Aufstandsfläche (137) an der Primärspule (103) vorbeigeleitet werden.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei eine der Seitenwände des Grundträgers (130) durch die Wölbung (131) des Grundträgers (130) gebildet ist.
Ladeeinheit (100) nach Anspruch 4, wobei die durch die Wölbung (131) des Grundträgers (130) gebildete Seitenwand des Grundträgers (130) eine der Wanne abgewandte Außenseite aufweist, die als Rampe zur Überfahrt durch das Fahrzeug ausgebildet ist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei eine der Grundfläche abgewandte Oberkante der Seitenwände jeweils mit der Deckfläche abschließt.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Grundträger (130) einstückig ausgebildet ist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Grundträger (130) als tiefgezogenes Blech ausgebildet ist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Ferritstruktur (105) mit – einem Ringkörper (1053), und – quer zu dem Ringkörper (1053) verlaufenden Radialelementen (1051), die über den Ringkörper (1053) miteinander gekoppelt und voneinander beabstandet angeordnet sind.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ferritstruktur (105) unterhalb einer der Grundfläche abgewandten Oberkante der Seitenwände und/oder beabstandet zu einer jeweiligen, der Wanne zugewandten Innenseite der Seitenwände des Grundträgers (130) angeordnet ist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Füllmaterial (107) als Vergussmasse aus GFK oder aus Kurzfaser mit Epoxidharz ausgebildet ist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei das Füllmaterial (107) die Deckfläche der Ladeeinheit bildet.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend eine Deckplatte (140), die die Deckfläche der Ladeeinheit (100) bildet, wobei die Deckplatte (140) einen Überstand (141) aufweist, der die Seitenwände des Grundträgers (130) jeweils lateral überragt, und der Überstand (141) jeweils eine Biegung hin zu der Grundfläche des Grundträgers (130) aufweist, so dass der Überstand (141) jeweils eine der Wanne abgewandte Außenseite der Seitenflächen bedeckt.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei die Deckfläche eine von der Grundfläche abgewandte Ausbuchtung (143) aufweist.
Ladeeinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14, ferner umfassend ein flexibles Sensorgewebe (115) zur Detektion von metallischen Fremdkörpern im Bereich des Magnetfelds der Primärspule (103).