DE102016226134B4

DE102016226134B4 - Ladeeinrichtung für eine elektrische Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016226134B4
Application number: DE102016226134.7A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Achhammer; Tobias Graßl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2036-12-24
Also published as: DE102016226134A1

Abstract

Ladeeinrichtung (10, 12) für eine elektrische Anlage (14, 16) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit:- einer Kopplungseinheit (24) zum Koppeln eines magnetischen Wechselfeldes einer Ladestation und zum Bereitstellen einer von dem magnetischen Wechselfeld abhängigen Wechselspannung, wobei die Kopplungseinheit (24) ausgebildet ist, mittels des magnetischen Wechselfeldes zugeführte Energie als elektrische Energie wechselspannungsseitig bereitzustellen, sowie- einer Gleichrichtereinheit (26) zum Gleichrichten einer der Gleichrichtereinheit (26) zugeführten elektrischen Wechselspannung und zum Bereitstellen einer der zugeführten elektrischen Wechselspannung entsprechenden elektrischen Gleichspannung, wobei die Ladeeinrichtung (10, 12) modular ausgebildet ist, zu welchem Zweck die Ladeeinrichtung (10, 12) wenigstens eine Modulaufnahme aufweist, wobei die Modulaufnahme zum Aufnehmen eines die Gleichrichtereinheit (26) bildenden Gleichrichtermoduls (20, 22) ausgebildet ist, wobei die Ladeeinrichtung (10, 12) ausgebildet ist, einen Wechselspannungsanschluss (28) der Kopplungseinheit (24) mit einem Eingangsanschluss (30) des in der Modulaufnahme angeordneten Gleichrichtermoduls (20, 22) und einen Ausgangsanschluss (32) des Gleichrichtermoduls (20, 22) mit einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage (14, 16) elektrisch zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit (24) als Kopplungsmodul (18) ausgebildet und in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet ist und das Gleichrichtermodul (20, 22) in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet ist, wobei das Kopplungsmodul (18) und das Gleichrichtermodul (20, 22) jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine elektrische Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer Kopplungseinheit zum Koppeln eines magnetischen Wechselfeldes einer Ladestation und zum Bereitstellen einer von dem magnetischen Wechselfeld abhängigen Wechselspannung, wobei die Kopplungseinheit ausgebildet ist, mittels des magnetischen Wechselfeldes zugeführte Energie als elektrische Energie wechselspannungsseitig bereitzustellen, sowie einer Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten einer der Gleichrichtereinheit zugeführten elektrischen Wechselspannung und zum Bereitstellen einer der zugeführten elektrischen Wechselspannung entsprechenden elektrischen Gleichspannung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die eine elektrische Antriebseinrichtung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs umfasst, und einer Ladeeinrichtung zum Zuführen von Energie von einer Ladestation zur elektrischen Anlage.
Ladeeinrichtungen der gattungsgemäßen Art sowie Kraftfahrzeuge mit solchen Ladeeinrichtungen, die insbesondere für ein drahtloses Übertragen von Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes ausgebildet sind, sind dem Grunde nach bekannt. Das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug weist die Ladeeinrichtung auf, damit dem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug Energie zugeführt werden kann. Die Energie dient dem bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck die Energie in einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs beziehungsweise der elektrischen Anlage gespeichert werden kann.
Die Energie wird vorliegend mittels der Ladestation zur Verfügung gestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, vorzugsweise an ein öffentliches Energieversorgungsnetz oder alternativ oder ergänzend auch an einen elektrischen Generator, eine Solaranlage, eine Windkraftanlage und/oder dergleichen angeschlossen ist. Die Ladestation erzeugt aus der ihr zugeführten elektrischen Energie das magnetische Wechselfeld. Die Ladeeinrichtung ist im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet und erfasst dadurch das magnetische Wechselfeld, sodass es dem magnetischen Wechselfeld Energie zu entnehmen vermag und stellt die dem magnetischen Wechselfeld entnommene Energie fahrzeugseitig als elektrische Energie bereit. Mit der dem Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellten elektrischen Energie kann der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs geladen und/oder die elektrische Antriebseinrichtung für einen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden.
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Ladeeinrichtung die Ladestation über das magnetische Wechselfeld drahtlos koppelt, wodurch eine drahtlose energietechnische Kopplung bereitgestellt wird. Eine mechanische Anbindung, zum Beispiel mittels eines elektrischen Kabels, kann dadurch eingespart werden. Sowohl ladestationsseitig als auch ladeeinrichtungsseitig ist jeweils wenigstens eine elektrische Spule vorgesehen. Die Spule der Ladestation erzeugt das magnetische Wechselfeld. Die Spule der Ladeeinrichtung wird hingegen derart angeordnet, dass sie mit dem magnetischen Wechselfeld wechselwirken kann, um dem Magnetischen Wechselfeld Energie zu entziehen und an Spulenanschlüssen eine entsprechende elektrische Wechselspannung bereitzustellen. Ein solches System zur drahtlosen Energieübertragung offenbart zum Beispiel die DE 10 2011 115 721 A1 . Mittels einer elektrischen Spule einer Ladestation, die an eine Sendeschaltung angeschlossen ist und von dieser mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, wird das magnetische Wechselfeld erzeugt. Eine im Wesentlichen dieser Spule gegenüberliegende Empfangsspule wird von dem magnetischen Wechselfeld durchflutet und erzeugt an ihren Anschlüssen eine elektrische Wechselspannung, die mittels einer Empfängerschaltung, die an die Empfängerspule angeschlossen ist, in geeigneter Weise gewandelt wird, damit die elektrische Wechselspannung der elektrischen Anlage zur Verfügung gestellt werden kann.
Diese Art eines Ladesystems hat den Vorteil, dass das Kraftfahrzeug zum Zwecke des Aufladens seines Energiespeichers nicht mittels eines mechanischen Kabels an die Ladestation angeschlossen zu werden braucht. Vielmehr ist es ausreichend, das Kraftfahrzeug, insbesondere seine Ladeeinrichtung, gegenüber der Ladestation derart zu positionieren, dass das von der Ladestation bereitgestellte magnetische Wechselfeld die Empfängerspule der Ladeeinrichtung durchfluten kann, um auf diese Weise die energietechnische Kopplung herzustellen. Ein derartiges System offenbaren ferner auch die WO 2015/125114 A1 , die eine Ladeschaltung für einen Akkumulator mit erhöhter Ausgangsspannung offenbart, die DE 10 2013215 785 A1 , die ein fahrzeugseitiges Lademodul, ein induktives Ladesystem und ein Verfahren zum induktiven Laden des Energiespeichers offenbart, und die DE 10 2009 033 235 A1 , die eine Energieversorgungseinheit, ein Landfahrzeug, eine Austauschstation und ein Verfahren zum Austauscheiner in einem Landfahrzeug enthaltenen Energieversorgungseinheit offenbart. Schließlich offenbart die DE 10 2015 014 032 A1 eine Sekundärtransformatoreinheit für ein Kraftfahrzeug.
Das vorgenannte drahtlose energietechnische Koppeln wird gelegentlich auch induktives Laden oder Automatic Wireless Charging (AWC) genannt. Ein einer sekundärseitigen AWC-Ladeplatte als Ladeeinrichtung zugeführtes magnetisches Wechselfeld, beispielsweise mit einer Frequenz von 85 kHz, induziert eine entsprechende Wechselspannung in einer Sekundärspule als Kopplungseinheit der AWC-Ladeplatte beziehungsweise einem die Sekundärspule umfassenden Schwingkreis. Die Wechselspannung wird einem Eingangsanschluss der Gleichrichtereinheit zugeführt, die typischerweise als Brückengleichrichter ausgebildet ist. Die Gleichrichtereinheit bewirkt eine Gleichrichtung und stellt an einem Ausgangsanschluss eine Gleichspannung bereit, die der elektrischen Anlage, insbesondere einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage, zugeführt wird. Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen hat sich für den Gleichspannungszwischenkreis eine Bemessungsspannung in einem Bereich von etwa 450 V etabliert. Diese Spannungslage wird auch Hochvolt genannt. Die Ladeeinrichtung sowie auch die elektrische Anlage sind in der Regel für den bestimmungsgemäßen Betrieb bei dieser Spannungslage ausgelegt.
Auch wenn sich der Stand der Technik bewährt hat, so zeigt sich dennoch Verbesserungsbedarf. Mittlerweile sind nämlich auch elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge im Einsatz beziehungsweise in der Planung, bei denen eine andere Spannungslage zum Einsatz kommt, nämlich mit einer Bemessungsspannung in einem Bereich von etwa 900 V. Daneben kann natürlich auch vorgesehen sein, dass elektrische Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen für kleinere Bemessungsspannungen ausgelegt sind, beispielsweise für eine Bemessungsspannung in einem Bereich von etwa 225 V oder dergleichen. Bei derartigen Abweichungen, die dem Grunde nach entwicklungstechnisch natürlich realisierbar sind, lässt sich eine effiziente Energieübertragung beziehungsweise Energiezuführung mit einer bekannten vorgegeben Konstruktion der Ladeeinrichtung dann aber nicht mehr abbilden. Eine Neukonstruktion wäre dann erforderlich.
Darüber hinaus erweist es sich ferner als nachteilig, dass Ladeeinrichtungen nur begrenzt standardisiert werden können. Dies erhöht den Aufwand hinsichtlich Konstruktion und Herstellung und erschwert darüber hinaus eine Standardisierung, die gerade im Bereich des Aufladens von Energiespeichern von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen derzeit sehr gewünscht ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ladeeinrichtung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, die Ladeeinrichtung an unterschiedliche elektrische Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen besser anpassen zu können.
Als Lösung wird mit der Erfindung eine Ladeeinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Ladeeinrichtungsseitig wird für eine gattungsgemäße Ladungseinrichtung mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Ladeeinrichtung modular ausgebildet ist, zu welchem Zweck die Ladeeinrichtung wenigstens eine Modulaufnahme aufweist, wobei die Modulaufnahme zum Aufnehmen eines die Gleichrichtereinheit bildenden Gleichrichtermoduls ausgebildet ist, wobei die Ladeeinrichtung ausgebildet ist, einen Wechselspannungsanschluss der Kopplungseinheit mit einem Eingangsanschluss des in der Modulaufnahme angeordneten Gleichrichtermoduls und einen Ausgangsanschluss des Gleichrichtermoduls mit einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage elektrisch zu koppeln.
Kraftfahrzeugseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass die Ladeeinrichtung, die kraftfahrzeugseitig für eine drahtlose Energiekopplung zum Zuführen von Energie vorgesehen ist, modular gestaltet ist, sodass durch Standardisierung von Modulen ein Aufwand für eine Anpassung der Ladeeinrichtung an unterschiedliche elektrische Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen verbessert werden kann. Durch konstruktives Aufteilen der Ladeeinrichtung in die Kopplungseinheit und die Gleichrichtereinheit, insbesondere als separate Module, die bedarfsweise angepasst werden können, kann die Ladeeinrichtung entsprechend flexibel ausgestaltet werden. Dabei können insbesondere natürlich mechanische Abmessungen aber auch elektrische Baugruppen standardisiert werden, sodass die Ladeeinrichtung aus standardisierten, vorzugsweise auch geprüften Modulen, zusammengefügt werden kann. Wenigstens die Gleichrichtereinheit ist als Gleichrichtermodul ausgebildet. Darüber hinaus kann auch die Kopplungseinheit als Kopplungsmodul ausgebildet sein. Die Ladeeinrichtung umfasst dann vorzugsweise wenigstens zwei Modulaufnahmen, und zwar eine erste der Modulaufnahmen zum Aufnehmen des die Kopplungseinheit bildenden Kopplungsmoduls und eine zweite der Modulaufnahmen zum Aufnehmen des die Gleichrichtereinheit bildenden Gleichrichtermoduls.
Insbesondere kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Ladeeinrichtung wenigstens die Kopplungseinheit als Modul aufweist. Die wenigstens eine Modulaufnahme kann somit auch für die Aufnahme des Kopplungsmoduls vorgesehen sein. Die wenigstens eine Modulaufnahme ist dann vorzugsweise zum Aufnehmen eines die Kopplungseinheit bildenden Kopplungsmoduls ausgebildet, wobei die Ladeeinrichtung vorzugsweise ausgebildet ist, einen Eingangsanschluss der Gleichrichtereinheit mit einem Wechselspannungsanschluss des in der Modulaufnahme angeordneten Kopplungsmoduls elektrisch zu koppeln.
So kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Kopplungseinheit als sogenannter Sekundärkreis eine Empfangsspule aufweist, die mit dem durch die Ladestation bereitgestellten magnetischen Wechselfeld wechselwirken kann. Vorzugsweise ist die Empfangsspule mit einem Kondensator elektrisch gekoppelt, um einen Schwingkreis, zum Beispiel einen Serienschwingkreis, zu bilden. Dadurch können weitere technische Vorteile erreicht werden.
Mittels der Empfangsspule beziehungsweise dem Schwingkreis, der die Empfangsspule umfasst, wird dann entsprechend dem magnetischen Wechselfeld eine Wechselspannung an einem Wechselspannungsanschluss der Kopplungseinheit beziehungsweise des Kopplungsmoduls bereitgestellt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, an standardisierte Ladestationen angepasste, vorzugsweise ebenfalls standardisierte Kopplungsmodule bereitzustellen. Das kann im Übrigen vorzugsweise auch für unterschiedliche Fahrzeugkonstruktionen der Kraftfahrzeuge gelten, die unterschiedliche Kopplungseinheiten erforderlich machen können. Dadurch kann Aufwand für Entwicklung und Konstruktion sowie auch für die Herstellung insbesondere in Bezug auf unterschiedliche Spannungsebenen von elektrischen Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen reduziert werden. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Kopplungsmodul für eine vorgegebene Spannungsebene, vorzugsweise für eine Bemessungsspannung von 450 V, ausgelegt ist.
An das Kopplungsmodul beziehungsweise dessen Wechselspannungsanschluss ist die Gleichrichtereinheit nach Art des Gleichrichtermoduls mit seinem Eingangsanschluss angeschlossen, welches die gewünschte Gleichrichterfunktion bereitstellt. Die Gleichrichterfunktion kann beispielsweise mittels eines einfachen Brückengleichrichters realisiert sein, der an einem Ausgangsanschluss des Gleichrichtermoduls eine entsprechende gleichgerichtete Spannung bereitstellt, die dem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage zugeführt werden kann. Bei dieser Ausgestaltung ist im Wesentlichen keine Spannungsanpassung bezüglich der vom Kopplungsmodul am Wechselspannungsanschluss bereitgestellten Wechselspannung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung erlaubt es jedoch, auf einfache Weise eine Anpassung vorzunehmen, zum Beispiel wenn eine Spannungsverdopplung gewünscht ist. Zu diesem Zweck wird anstelle des Gleichrichtermoduls mit dem Brückengleichrichter ein Gleichrichtermodul mit einer Gleichrichterverdopplungsschaltung vorgesehen. Dies kann lediglich durch Austausch oder durch Bestückung des Gleichrichtermoduls in der Ladeeinrichtung realisiert sein. Es braucht hierfür also keine vollständige Neukonstruktion der Ladeeinrichtung vorgesehen zu werden. Es können zumindest teilweise bereits vorhandene Komponenten genutzt werden, um die Ladeeinrichtung wunschgemäß auszubilden.
Vorzugsweise sind auch die elektrischen Anschlüsse des Kopplungsmoduls und des Gleichrichtermoduls standardisiert, sodass die Ladeeinrichtung auf einfache Weise mittels Anordnen des Kopplungsmoduls und des Gleichrichtermoduls in der jeweiligen Modulaufnahme hergestellt werden kann. Durch die Anordnung kann vorzugsweise zugleich auch der elektrische Anschluss entsprechend realisiert werden.
Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das Gleichrichtermodul einen Spannungswandler umfasst, der geeignet ist, eine nahezu beliebige Spannungswandlung vorzunehmen. Auch dieser Spannungswandler, der beispielsweise ein getakteter Energiewandler, insbesondere ein DC/DC-Wandler sein kann, kann ebenfalls als Gleichrichtermodul ausgebildet sein und als Gleichrichtermodul in der Ladeeinrichtung angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst er auch eine Gleichrichterfunktion.
Insgesamt kann mittels der Erfindung erreicht werden, dass die Ladeeinrichtung nach Art eines Baukastensystems aus den entsprechenden Modulen bedarfsgerecht zusammengefügt werden kann. Dies ist insbesondere für die Herstellung und die Flexibilität der Fertigung der Ladeeinrichtung und des Kraftfahrzeugs von Vorteil. Ist zum Beispiel eine vorgegebene Bemessungsleistung vorgesehen, kann auf diese Weise das Kopplungsmodul und hier insbesondere die Empfangsspule, als Standardbauteil für unterschiedlichste elektrische Anlagen genutzt werden. Lediglich in Abhängigkeit der Bemessungsspannung der elektrischen Anlage, die mit der Ladeeinrichtung gekoppelt werden soll, braucht dann nur das Gleichrichtermodul ausgewählt und in der Ladeeinrichtung angeordnet zu werden. Dem Grunde nach kann bei dieser Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass das Kopplungsmodul ein fester Bestandteil der Ladeeinrichtung ist und lediglich das Gleichrichtermodul bedarfsgerecht austauschbar ausgebildet ist. Grundsätzlich kann allerdings auch vorgesehen sein, dass auch das Kopplungsmodul als separat austauschbares Modul ausgebildet ist, beispielsweise um eine Bemessungsleistung anpassen zu können, eine vorgegebene Spannungsebene mit vorgegebenen Gleichrichtermodulen erreichen zu können und/oder dergleichen. Dem Grunde nach kann mit der Erfindung also auch eine Spannungsreduktion, insbesondere Spannungshalbierung, vorzugsweise mit einer Wirkung einer Stromverdopplung, und/oder dergleichen realisiert werden.
Die Modulaufnahmen können durch entsprechend ausgebildete Ausnehmungen in einem Gehäuse der Ladeeinrichtung und/oder auch des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Besonders kostengünstig können die Modulaufnahmen aber auch lediglich durch eine Befestigungseinrichtung, eine Modulauflage und/oder dergleichen am Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung kann sich dadurch ergeben, dass das Kopplungsmodul, und hier insbesondere die Empfangsspule beziehungsweise der Schwingkreis, der die Empfangsspule umfasst, in der sekundärseitigen AWC-Ladeplatte identisch übernommen werden kann, um unterschiedliche Spannungsebenen für elektrische Anlagen realisieren zu können. Insbesondere kann eine Bauteileauslegung sowie auch eine Konstruktion beibehalten werden, wodurch die Herstellung kostengünstig realisiert werden kann. Die Anpassung an unterschiedliche Bemessungsspannungen von unterschiedlichen elektrischen Anlagen kann beispielsweise ausschließlich durch Bestücken beziehungsweise Anordnen eines entsprechend angepassten Gleichrichtermoduls realisiert werden, beispielsweise indem das Gleichrichtermodul eine Spannungsverdopplung realisiert. Dabei erweist es sich als weiterer Vorteil, dass das Gleichrichtermodul hinsichtlich Technik und Konstruktion deutlich einfacher an unterschiedliche Bemessungsspannungen anzupassen ist, als das Kopplungsmodul.
Die von der Gleichrichtereinheit bereitgestellte Gleichspannung hängt von der der Gleichrichtereinheit zugeführten Wechselspannung ab. Insofern entspricht wird durch die Gleichrichtereinheit eine der Wechselspannung entsprechende Gleichspannung bereitgestellt. Beispielsweise besteht die Abhängigkeit darin, dass ein Wert der Gleichspannung von einer Amplitude der Wechselspannung abhängt. Die Art der Abhängigkeit kann natürlich von weiteren Elementen, wie beispielsweise ein gleichspannungsseitiger Kondensator oder dergleichen beeinflusst werden.
Die Kopplungseinheit ist als Kopplungsmodul ausgebildet und in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet und das Gleichrichtermodul in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet ist. Dies erlaubt es das Kopplungsmodul beziehungsweise das Gleichrichtermodul bedarfsweise auszutauschen. Besonders vorteilhaft eignet sich diese Ausgestaltung für die Wartung beziehungsweise die Reparatur oder auch Nachrüstung, wobei bedarfsweise das jeweilige Modul angeordnet beziehungsweise ausgetauscht werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass das lösbare Anordnen nur für das Kopplungsmodul oder das Gleichrichtermodul vorgesehen ist.
Das Kopplungsmodul und das Gleichrichtermodul weisen jeweils ein eigenes Gehäuse auf. Dadurch können das Kopplungsmodul beziehungsweise das Gleichrichtermodul als eigenständige handhabbare und vorzugsweise geprüfte Baugruppe genutzt werden. Dies erlaubt es, die Herstellung des Kraftfahrzeugs beziehungsweise der Ladeeinrichtung weiter zu verbessern.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Modulaufnahme für das Gleichrichtermodul in der Kopplungseinheit ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung richtet sich insbesondere darauf, dass die Kopplungseinheit als fester Bestandteil der Ladeeinrichtung ausgebildet ist und nicht für einen Austausch vorgesehen ist. Dadurch braucht die Kopplungseinheit nicht als Modul ausgebildet zu sein. Dadurch kann eine weitere Vereinfachung beziehungsweise Optimierung der Herstellung erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Kopplungseinheit zumindest teilweise als Bodenbaugruppe des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung richtet sich insbesondere an eine Realisierung von Ladestationen im Bodenbereich von Parkplätzen, Wartestellen, und/oder dergleichen, auf denen das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug abgestellt werden kann. Das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug kann auf diese Weise unmittelbar eine drahtlose Energiekopplung zur Ladestation herstellen. Durch die Anordnung im Boden eignet sich diese Ausgestaltung besonders für den Fall, dass die Ladestation ebenfalls im Boden des jeweiligen Stellplatzes angeordnet ist. Dadurch kann eine günstige energietechnische Kopplung mittels des magnetischen Wechselfeldes erreicht werden. Dabei kann die Kopplungseinheit als Kopplungsmodul ausgebildet sein.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Wechselspannungsanschluss, der Eingangsanschluss und/oder der Ausgangsanschluss nach Art eines Steckverbinders ausgebildet sind. Dies erlaubt es, das jeweilige Modul in Steckbauweise anzuschließen. Besonders vorteilhaft kann zum Beispiel erreicht werden, dass das Modul aufgrund seiner Anordnung in der jeweiligen Modulaufnahme zugleich auch elektrisch angeschlossen werden kann. Dies erlaubt nicht nur eine Reduktion des Aufwands bei der Montage, sondern es erhöht zugleich auch die Sicherheit bezüglich der elektrischen Kontaktierung, weil hierdurch standardmäßige, elektrische Verbindungen bereitgestellt werden können. Beispielsweise kann dadurch ein Verpolen oder dergleichen vermieden werden.
Eine Weiterbildung schlägt vor, dass das Gleichrichtermodul zur Spannungsverdopplung ausgebildet ist. Dadurch kann die Ladeeinrichtung auch für den Betrieb mit elektrischen Anlagen angepasst werden, die für eine doppelte Bemessungsspannung ausgelegt sind. Zu diesem Zweck kann ein Spannungsverdopplungsgleichrichter vorgesehen sein. Dem Grunde nach kann dieses Prinzip auch für die Spannungshalbierung genutzt werden. Lediglich durch Anordnung des geeigneten Gleichrichtermoduls kann die gewünschte Funktion beziehungsweise Anpassung der Ladeeinrichtung erreicht werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Gleichrichtermodul für eine Bemessungsspannung von etwa 450 V oder etwa 900 V ausgebildet ist. Der Spannungsbereich von etwa 450 V hat sich als derzeit weit verbreiteter Standard im Bereich für elektrische Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen herausgebildet. Darüber hinaus gibt es mittlerweile auch elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, deren elektrische Anlagen für eine Bemessungsspannung von etwa 900 V ausgelegt sind, das heißt, etwa die doppelte Spannung der vorgenannten Spannungsebene. Für diesen Einsatz braucht mit der Erfindung also nicht mehr eine vollständig neue Ladeeinrichtung entwickelt zu werden, sondern es reicht aus, lediglich das Gleichrichtermodul auszutauschen beziehungsweise ein entsprechend geeignetes Gleichrichtermodul mit Spannungsverdopplung vorzusehen. Dadurch kann die Ladeeinrichtung auf einfache Weise auch für die Spannungsebene von etwa 900 V angepasst werden.
Eine Weiterbildung schlägt vor, dass das Gleichrichtermodul einen am Ausgangsanschluss angeschlossenen Kondensator aufweist, dessen elektrische Kapazität nur von einer Bemessungsleistung des Kopplungsmoduls abhängt. Diese Ausgestaltung erlaubt es, Spannungsschwankungen von der Bemessungsspannung der elektrischen Anlage unabhängiger zu machen. Würde nämlich bei durch das Kopplungsmodul vorgegebener Bemessungsleistung die Kapazität des Kondensators bei einer Spannungsverdopplung zum Beispiel halbiert, könnte dies erhöhte Spannungsschwankungen an der elektrischen Anlage zur Folge haben. Gerade bei modernen elektrischen Energiespeichern von elektrischen Kraftfahrzeugen ist dies jedoch unerwünscht. Durch die Anpassung der Kapazität des Kondensators an die Bemessungsleistung des Kopplungsmoduls kann dies weitgehend unterdrückt werden.
Die für die Ladeeinrichtung angegebenen Ausgestaltungen und Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das mit der Ladeeinrichtung ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine erste Ausgestaltung für eine Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung;
2 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine zweite Ausgestaltung für eine Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung, bei der im Unterschied zur ersten Ausgestaltung nach 1 mittels einer Gleichrichtereinheit eine Spannungsverdopplung vorgesehen ist.
3 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Zeitdiagramm, in welchem ein durch eine Kopplungseinheit bereitgestellter Wechselstrom und eine zugeordnete gleichgerichtete Spannung einer Gleichrichtereinheit für die Ausgestaltung gemäß 1 mittels Graphen dargestellt ist, und
4 eine Darstellung wie 3, jedoch für die Ausgestaltung gemäß 2.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung 10 gemäß der Erfindung in einer ersten Ausgestaltung. Die Ladeeinrichtung dient zum Versorgen einer elektrischen Anlage 14 eines nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Zu diesem Zweck ist die Ladeeinrichtung zur drahtlosen Energiekopplung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Ladestation ausgebildet.
Die Ladeeinrichtung 10 umfasst eine Kopplungseinheit 24, die zum Koppeln eines magnetischen Wechselfeldes der Ladestation und zum Bereitstellen einer von dem magnetischen Wechselfeld abhängigen Wechselspannung ausgebildet ist, wobei die Kopplungseinheit 24 ausgebildet ist, mittels des magnetischen Wechselfeldes zugeführte Energie als elektrische Energie wechselspannungsseitig bereitzustellen.
Die Ladeeinrichtung 10 umfasst ferner eine Gleichrichtereinheit 26 zum Gleichrichten einer der Gleichrichtereinheit 26 zugeführten elektrischen Wechselspannung und zum Bereitstellen einer der zugeführten elektrischen Wechselspannung entsprechenden elektrischen Gleichspannung.
Die Ladeeinrichtung 10 ist modular ausgebildet, zu welchem Zweck die Ladeeinrichtung 10 zwei Modulaufnahmen aufweist, wobei eine erste der Modulaufnahmen zum Aufnehmen eines die Kopplungseinheit 26 bildenden Kopplungsmoduls 18 und eine zweite der Modulaufnahmen zum Aufnehmen eines die Gleichrichtereinheit 26 bildenden Gleichrichtermoduls 20 ausgebildet ist.
Das Kopplungsmodul 18 weist zum Koppeln des magnetischen Wechselfeldes der Ladestation eine Spule L_sek sowie hierzu einen in Reihe geschalteten Kondensator C_schwing auf. Diese Reihenschaltung ist an einem Wechselspannungsanschluss 28 des Kopplungsmoduls 18 angeschlossen. Der Wechselspannungsanschluss 28 ist vorliegend als 2-polige elektrische Steckverbindung ausgebildet.
Das Gleichrichtermodul 20 weist einen ebenfalls zweipoligen, als Steckverbindung ausgebildeten Eingangsanschluss 30 auf, an dem eine gleichzurichtende Wechselspannung dem Gleichrichtermodul 20 zugeführt wird. Ferner umfasst das Gleichrichtermodul 20 einen Ausgangsanschluss 32, der vorliegend ebenfalls 2-polige Steckverbindung ausgebildet ist und an dem eine Gleichspannung in Abhängigkeit der am Eingangsanschluss 30 anliegenden Wechselspannung bereitgestellt wird. Der Ausgangsanschluss 32 ist ferner an die lediglich symbolisch mit dem Symbol 14 dargestellte elektrische Anlage des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs angeschlossen.
Die Ladeeinrichtung 10 ist ausgebildet, den Wechselspannungsanschluss 28 des in der ersten Modulaufnahme angeordneten Kopplungsmoduls 18 mit dem Eingangsanschluss 30 des in der zweiten Modulaufnahme angeordneten Gleichrichtermoduls 20 und den Ausgangsanschluss 32 des Gleichrichtermoduls 20 mit einem nicht dargestellten Gleichspanungszwischenkreis der elektrischen Anlage 14 elektrisch zu koppeln.
Die Reihenschaltung aus der Spule L_sek und dem Kondensator C_schwing ist am Wechselspannungsanschluss 28 des Kopplungsmoduls 18 angeschlossen. Dadurch wird am Wechselspannungsanschluss 28 entsprechend dem durch die Spule L_sek erfassten magnetischen Wechselfeld eine entsprechende Wechselspannung bereitgestellt.
Die durch das Kopplungsmodul 18 am Wechselspannungsanschluss 28 bereitgestellte Wechselspannung wird über dem Eingangsanschluss 30 dem Gleichspannungsmodul 20 zugeführt.
Das Gleichrichtermodul 20 umfasst vorliegend einen aus Dioden D₁ bis D₄ gebildeten Brückengleichrichter, der mit seinen Wechselspannungsanschlüssen am Eingangsanschluss 30 des Gleichrichtermoduls 20 angeschlossen ist. Die Gleichspannungsanschlüsse des durch die Dioden D₁ bis D₄ gebildeten Brückengleichrichters sind am Ausgangsanschluss 32 des Gleichrichtermoduls 28 angeschlossen. Dadurch wird am Ausgangsanschluss 32 eine der am Eingangsanschluss 30 zugeführten Wechselspannung entsprechende Gleichspannung bereitgestellt.
Ferner umfasst das Gleichrichtermodul 20 vorliegend einen elektrischen Kondensator 34, der mit Czk in 1 bezeichnet ist. Dieser Kondensator 34 dient der Glättung der durch die Dioden D₁ bis D₄ des Brückengleichrichters gleichgerichteten Spannung. Eine elektrische Kapazität des Kondensators 34 ist entsprechend gewählt, sodass Schwankungen der am Ausgangsanschluss 32 bereitgestellten Gleichspannung einen vorgegebenen Wert im bestimmungsgemäßen Betrieb möglichst nicht überschreiten.
In der vorliegenden Ausgestaltung der Ladeeinrichtung 10 können sowohl das Kopplungsmodul 18 als auch das Gleichrichtermodul 20 auf einfache Weise getauscht werden, indem sie aus der jeweiligen ihnen zugeordneten Modulaufnahme entnommen und durch ein entsprechendes anderes Modul ersetzt werden, weil sie lösbar in ihren jeweiligen Modulaufnahmen angeordnet sind.
Dadurch ist es möglich, die Ladeeinrichtung 10 auf einfache Weise beliebig anzupassen. Es können die Ladeeinrichtung 10 sowie auch die Module, beispielsweise das Kopplungsmodul 18 sowie auch das Gleichrichtermodul 20, standardisiert werden, insbesondere in Bezug auf mechanische Abmessungen und/oder elektrische Anschlüsse, sodass eine einfache Montage und Anpassung erreicht werden kann.
Vorliegend ist die elektrische Anlage 14 für eine Bemessungsspannung von etwa 450 V ausgelegt. Entsprechend ist das Kopplungsmodul 18 ausgebildet, sodass durch das Gleichrichtermodul 20 keine Spannungswandlung beziehungsweise Spannungsanpassung vorgenommen zu werden braucht. Dadurch ist es möglich, das Gleichrichtermodul 20 mit im Wesentlichen lediglich einem Brückengleichrichter zu bestücken, um die gewünschte Funktion realisieren zu können.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Ladeeinrichtung 12 für eine elektrische Anlage 16 eines anderen ebenfalls nicht dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. In dieser Ausgestaltung ist die elektrische Anlageräte 16 für eine Bemessungsspannung von etwa 900 V ausgelegt. Wie aus der schematischen Schaltbilddarstellung gemäß 2 ersichtlich ist, kann dies durch Abwandlung der Ladeeinrichtung 10 auf einfache Weise erreicht werden.
Im Unterschied zur Ladeeinrichtung 10 gemäß 1 ist bei der Ladeeinrichtung 12 gemäß 2 lediglich die Gleichrichtereinheit 26 anders ausgebildet, indem nämlich ein Gleichrichtermodul 22 anstelle des Gleichrichtermoduls 20 gemäß 1 in der zugehörigen Modulaufnahme angeordnet ist. Die weiteren Details entsprechen dem, was bereits zur Ausgestaltung gemäß 1 erläutert worden sind, weshalb ergänzend bezüglich dieser Merkmale und Funktionen auf die zugehörigen Ausführungen verwiesen wird.
Im Unterschied zum Gleichrichtermodul 20 führt die Funktion des Gleichrichtermoduls 22 zu einer Spannungsverdopplung am Ausgangsanschluss 32. Zu diesem Zweck ist eine Reihenschaltung aus lediglich zwei Dioden, nämlich den Dioden D₁ und D₄, gebildet, deren Mittelabgriff an einem ersten der beiden Anschlusspole des Eingangsanschlusses 30 angeschlossen ist. Die in Reihe geschalteten Dioden D₁ und D₄ sind sodann an den Ausgangsanschluss 32 angeschlossen.
Ferner umfasst das Gleichrichtermodul 22 eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren 34, deren Mittelabgriff an einen zweiten der beiden Anschlusspole des Eingangsanschlusses 30 angeschlossen ist. Die Reihenschaltung der beiden Kondensatoren 34 ist parallel zu der Reihenschaltung der beiden Dioden D₁ und D₄ am Ausgangsanschluss 32 angeschlossen. Durch diese Schaltungsvariante kann in Bezug auf eine Amplitude der Wechselspannung, die von dem Kopplungsmodul 18 am Eingangsanschluss 30 zugeführt wird, eine Spannungsverdopplung am Ausgangsanschluss 32 erreicht werden.
In Bezug auf die Ausgestaltung gemäß 1 kann also bei gleichbleibendem Kopplungsmodul 18 am Ausgangsanschluss 32 des Gleichrichtermoduls 20 eine elektrische Gleichspannung im Bereich von etwa 900 V erreicht werden. Dies entspricht der elektrischen Spannung, für die die elektrische Anlage 16 bemessen ist.
Wie aus den beiden vorangegangenen Ausführungsbeispielen ersichtlich ist, kann die Anpassung der Ladeeinrichtung 10 zur Ladeeinrichtung 12 durch einfaches Austauschen des Gleichrichtermoduls erreicht werden, nämlich indem lediglich das Gleichrichtermodul 20 durch das Gleichrichtermodul 22 ausgetauscht wird. Dadurch brauchen bezüglich der Kopplungseinheit 24 keine Veränderungen vorgenommen zu werden. Die Kopplungseinheit 24 und somit das Kopplungsmodul 18 können für beide Ausgestaltungen gleichermaßen genutzt werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, anstelle des Gleichrichters im Gleichrichtermodul 20, 22 oder auch ergänzend hierzu einen Energiewandler, insbesondere einen getakteten Energiewandler, beispielsweise nach Art eines DC/DC-Wandlers, vorzusehen, um weitere Anpassungen hinsichtlich der Spannungswandlung vornehmen zu können.
3 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Zeitdiagramm mit einer Abszisse 36, die eine Zeiteinteilung aufweist und eine Zeitachse darstellt. Eine erste Ordinate 38 stellt eine Spannungsachse dar, wohingegen eine zweite Ordinate 40 eine Stromachse darstellt.
In dem Diagramm gemäß 3 ist mittels eines Graphen 42 ein Stromverlauf dargestellt, der einem Eingangsstrom am Eingangsanschluss 30 des Gleichrichtermoduls 20 entspricht. Mittels der Ordinate 40 kann der entsprechende Strom abgelesen werden. Ein weiterer Graph 44 stellt die am Ausgangsanschluss 32 des Gleichrichtermoduls 20 bereitgestellte Gleichspannung dar. Die entsprechende Spannung kann an der Ordinate 38 abgelesen werden.
4 zeigt eine Darstellung wie 3, wobei die Achsenbeschriftungen und auch die weiteren Einteilungen dem schematischen Diagramm gemäß 3 entsprechen. Auch hier ist mittels des Graphen 42 der am Eingangsanschluss 30 des Gleichrichtermoduls 22 zugeführte elektrische Strom ersichtlich. Mittels des Graphen 46 ist die elektrische Spannung am Ausgangsanschluss 32 des Gleichrichtermoduls 20 dargestellt.
Wie aus der Darstellung gemäß 4 im Vergleich mit 3 ersichtlich ist, ist die Spannung, die in 4 mit dem Graphen 46 dargestellt ist, etwa doppelt so groß, wie die elektrische Spannung, die in 3 mit dem Graphen 44 dargestellt ist. Daraus ist ersichtlich, dass das Gleichrichtermodul 22 gegenüber dem Gleichrichtermodul 20 eine Spannungsverdopplung bewirkt. Beide Ladeeinrichtungen 10, 12 nutzen das gleiche Kopplungsmodul 18.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Natürlich können auch beliebige ergänzende Module vorgesehen sein, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können zwei Gleichrichtermodule vorgesehen sein, die eingangs- und/oder ausgangsseitig parallelgeschaltet sein können und/oder dergleichen.

Claims

Ladeeinrichtung (10, 12) für eine elektrische Anlage (14, 16) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit: - einer Kopplungseinheit (24) zum Koppeln eines magnetischen Wechselfeldes einer Ladestation und zum Bereitstellen einer von dem magnetischen Wechselfeld abhängigen Wechselspannung, wobei die Kopplungseinheit (24) ausgebildet ist, mittels des magnetischen Wechselfeldes zugeführte Energie als elektrische Energie wechselspannungsseitig bereitzustellen, sowie - einer Gleichrichtereinheit (26) zum Gleichrichten einer der Gleichrichtereinheit (26) zugeführten elektrischen Wechselspannung und zum Bereitstellen einer der zugeführten elektrischen Wechselspannung entsprechenden elektrischen Gleichspannung, wobei die Ladeeinrichtung (10, 12) modular ausgebildet ist, zu welchem Zweck die Ladeeinrichtung (10, 12) wenigstens eine Modulaufnahme aufweist, wobei die Modulaufnahme zum Aufnehmen eines die Gleichrichtereinheit (26) bildenden Gleichrichtermoduls (20, 22) ausgebildet ist, wobei die Ladeeinrichtung (10, 12) ausgebildet ist, einen Wechselspannungsanschluss (28) der Kopplungseinheit (24) mit einem Eingangsanschluss (30) des in der Modulaufnahme angeordneten Gleichrichtermoduls (20, 22) und einen Ausgangsanschluss (32) des Gleichrichtermoduls (20, 22) mit einem Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage (14, 16) elektrisch zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit (24) als Kopplungsmodul (18) ausgebildet und in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet ist und das Gleichrichtermodul (20, 22) in der jeweiligen Modulaufnahme lösbar angeordnet ist, wobei das Kopplungsmodul (18) und das Gleichrichtermodul (20, 22) jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulaufnahme für das Gleichrichtermodul (20, 22) in der Kopplungseinheit (24) ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit (24) und zumindest teilweise als Bodenbaugruppe des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsanschluss (28), der Eingangsanschluss (30) und/oder der Ausgangsanschluss (32) nach Art eines Steckverbinders ausgebildet sind.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (22) zur Spannungsverdopplung ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (20, 22) für eine Bemessungsspannung von etwa 450 V oder etwa 900 V ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (20, 22) einen am Ausgangsanschluss (32) angeschlossenen Kondensator (34) aufweist, dessen elektrische Kapazität nur von einer Bemessungsleistung des Kopplungsmoduls (18) abhängt.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage (14, 16), die eine elektrische Antriebseinrichtung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs umfasst, und einer Ladeeinrichtung zum Zuführen von Energie von einer Ladestation zur elektrischen Anlage (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (10, 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.