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Die Erfindung betrifft eine Spule mit zumindest einem Schutzbereich, die in einem induktiven Ladesystem verwendet werden kann.
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Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie (d.h. über einen elektrischen Energiespeicher), in der elektrische Energie zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
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Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Sekundärspule 121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule 121 über einen Gleichrichter mit dem Speicher 103 für elektrische Energie verbunden ist. Der Gleichrichter ist Teil einer Sekundärelektronik 123. Die Sekundärspule 121 und die Sekundärelektronik 123 sind typischerweise über zumindest eine (Wechselstrom-) Leitung 122 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden zusammen eine sogenannte „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 120 bzw. Sekundäreinheit 120.
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Die Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 kann über einer Primärspule 111 positioniert werden, wobei die Primärspule 111 z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule 111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 110 bzw. Primäreinheit 110. Die Primärspule 111 ist über eine (Wechselstrom-) Leitung 112 mit einer Primärelektronik 113 und weiter mit einer Stromversorgung verbunden. Die Primärelektronik 113 kann einen RadioFrequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule 111 der WPT-Bodeneinheit 110 erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld (insbesondere ein magnetisches Ladefeld) induziert wird. Das magnetische Ladefeld kann eine Frequenz aus einem vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeld-Frequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80-90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.
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Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule 111 der Primäreinheit 110 und Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 (d.h. bei einem ausreichend hohen Kopplungsgrad) über die Unterbodenfreiheit 130 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule 121 induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 wird durch den Gleichrichter der Sekundärelektronik 123 gleichgerichtet und im Energiespeicher 103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von einer Stromversorgung zum Energiespeicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät der Sekundärelektronik 123 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos (etwa über WLAN), mit der Primäreinheit 110 zu kommunizieren.
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Die in einem induktiven Ladesystem verwendeten Spulen 111, 121 können je nach Leistungsanforderungen unterschiedliche Dimensionen aufweisen. Des Weiteren können sich die Spulen 111, 121 insbesondere bei relativ hohen Leistungen relativ stark erwärmen. Außerdem sind die Spulen 111, 121, insbesondere die Sekundärspule 121 an einem Fahrzeug 100, mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Spule für induktives Laden bereitzustellen, die in effizienter Weise an unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die übertragbare Leistung, die Wärmeabfuhr und/oder mechanische Belastungen angepasst werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Spule (in diesem Dokument auch als Spuleneinheit bezeichnet) für ein induktives Ladesystem beschrieben. Bei dem induktiven Ladesystem wird über eine magnetische Übertragungsstrecke, z.B. über eine Unterbodenfreiheit, Energie von einer Primärspule an eine Sekundärspule übertragen. Die in diesem Dokument beschriebene Spule kann als Primärspule und/oder als Sekundärspule in einem induktiven Ladesystem verwendet werden.
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Die Spule umfasst einen Wicklungsbereich mit einer Spulenwicklung und einen Kernbereich mit einem (ferromagnetischen) Spulenkern. Außerdem umfasst die Spule zumindest einen Schutzbereich. Der Wicklungsbereich, der Kernbereich und/oder der Schutzbereich können dabei jeweils als Blöcke ausgebildet sein, die übereinander geschichtet werden können. Insbesondere können dabei der Wicklungsbereich, der Kernbereich und der Schutzbereich in einer Richtung der Übertragungsstrecke übereinander geschichtet sein (z.B. entlang der z-Achse, die zwischen einer Bodeneinheit und einer Fahrzeugeinheit verläuft). Dabei ist typischerweise der Wicklungsbereich näher an der Übertragungsstrecke angeordnet als der Kernbereich. Ein Schutzbereich kann an der Rückseite der Spule (in Bezug auf die Übertragungsstrecke) hinter dem Wicklungsbereich und dem Kernbereich und/oder an der Vorderseite der Spule (in Bezug auf die Übertragungsstrecke) vor dem Wicklungsbereich und dem Kernbereich angeordnet sein.
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Der Schutzbereich umfasst unidirektional leitfähige Faserverbundlagen und isolierende Faserverbundlagen, die abwechselnd in Richtung der Übertragungsstrecke übereinander geschichtet sind. Dabei kann eine unidirektional leitfähige Faserverbundlage eine Vielzahl von elektrisch leitenden Fasern umfassen, die parallel zueinander (in einer bestimmten Richtung) innerhalb der Faserverbundlage verlaufen. Die einzelnen elektrisch leitenden Fasern können jeweils voneinander elektrisch isoliert sein. Beispielsweise kann eine unidirektional leitfähige Faserverbundlage einen kohlenstoffverstärkten Kunststoff umfassen. Die unterschiedlichen unidirektional leitfähigen Faserverbundlagen können jeweils entlang der gleichen Richtung ausgerichtet sein. Alternativ können die unterschiedlichen unidirektional leitfähigen Faserverbundlagen aufgrund der elektrischen Isolierung zwischen den unterschiedlichen unidirektional leitfähigen Faserverbundlagen in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein. Eine isolierende Faserverbundlage kann z.B. einen glasfaserverstärkten Kunststoff umfassen.
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Durch die Bereitstellung eines derart aufgebauten Schutzbereichs kann ein magnetisch neutraler Schutzbereich mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und/oder mit einer hohen Steifigkeit bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch den Lagenaufbau und durch die Verwendung von unidirektional leitfähigen Lagen das Induzieren von Wirbelströmen innerhalb des Schutzbereichs im Wesentlichen vermieden werden. Durch die Verwendung von Faserverbundlagen können die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Steifigkeit in flexibler Weise durch die Anzahl der verwendeten Lagen angepasst werden. Es wird somit eine Spule bereitgestellt, die in effizienter und flexibler Weise an unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und/oder die mechanische Belastbarkeit angepasst werden kann.
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Die Spule kann einen rückseitigen Schutzbereich umfassen, der an der von der Übertragungsstrecke abgewandten Rückseite der Spule angeordnet ist. Des Weiteren kann die Spule einen vorderseitigen Schutzbereich umfassen, der an der der Übertragungsstrecke zugewandten Vorderseite der Spule angeordnet ist. Der rückseitige Schutzbereich und der vorderseitige Schutzbereich können jeweils die in diesem Dokument beschriebene Lagenstruktur aufweisen. Der rückseitige Schutzbereich und der vorderseitige Schutzbereich können dabei den Wicklungsbereich und den Kernbereich zumindest teilweise umgeben. So wird ein besonders guter Schutz vor mechanischer Belastung bzw. Erhitzen bereitgestellt.
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Der rückseitige Schutzbereich und der vorderseitige Schutzbereich können jeweils ein oder mehrere Lagen umfassen, die sich quer zu der Richtung der Übertragungsstrecke über den Wicklungsbereich und den Kernbereich hinaus erstrecken. Insbesondere können sich die ein oder mehreren Lagen jeweils über Ränder des Wicklungsbereichs und des Kernbereichs hinaus erstrecken.
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Die ein oder mehreren Lagen des rückseitigen Schutzbereichs und die ein oder mehreren Lagen des vorderseitigen Schutzbereichs können sich dann an einem Kontaktpunkt berühren, so dass sie den Wicklungsbereich und den Kernbereich umschließen. Der Wicklungsbereich und der Kernbereich können somit in effizienter Weise durch Lagen der Schutzbereich vollständig umschlossen werden. So wird ein besonders guter Schutz vor mechanischer Belastung bzw. Erhitzen bereitgestellt.
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Der Wicklungsbereich kann mehrere baugleiche Wicklungslagen umfassen, die in Richtung der Übertragungsstrecke aufeinander geschichtet sind. Dabei weist eine Wicklungslage eine elektrisch isolierende Trägerfolie mit ein oder mehreren Windungen einer elektrischen Leiterbahn auf. Insbesondere kann die elektrische Leiterbahn mehrere Windungen auf der Trägerfolie bilden. Die Leiterbahnen der baugleichen Wicklungslagen können dann elektrisch parallel zueinander verschaltet sein, um die Spulenwicklung bereitzustellen. Insbesondere kann so eine Spulenwicklung mit einer Mehrzahl von parallelen Teil-Spulenwicklungen gebildet werden, wobei jeweils eine Teil-Spulenwicklung durch jeweils eine Wicklungslage gebildet wird. Der Wicklungsbereich kann somit in flexibler und effizienter Weise durch das Übereinanderschichten von mehreren baugleichen Wicklungslagen gebildet werden. Durch die Verwendung von unterschiedlich vielen Wicklungslagen kann die Spule an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst werden.
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In entsprechender Weise kann der Kernbereich eine Vielzahl von baugleichen Kernlagen mit einem ferromagnetischen Material (insbesondere einem Ferrit) umfassen. Der Lagenaufbau ermöglicht eine flexible Anpassung einer Spule an unterschiedliche Leistungsanforderungen. Die Kernlagen können dabei für eine bessere Durchdringung mit Matrixmaterial (insbesondere mit Harz) eine Mikroperforierung aufweisen, ohne dass dadurch wesentliche Auswirkungen auf die übertragbare Leistung einer Spule bewirkt werden.
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Der Wicklungsbereich, der Kernbereich und/oder der Schutzbereich können über eine Kunststoffmatrix miteinander verbunden sein. Insbesondere kann die gesamte Spule in effizienter Weise im Rahmen eines Verbundwerkstoff-Herstellungsprozesses hergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spule für ein induktives Ladesystem beschrieben, bei dem über eine magnetische Übertragungsstrecke Energie von einer Primärspule an eine Sekundärspule übertragen wird. Das Verfahren umfasst das Übereinanderschichten von unidirektional leitfähigen Faserverbundlagen und isolierenden Faserverbundlagen in abwechselnder Weise entlang einer Richtung der Übertragungsstrecke, um einen Schutzbereich für die Spule herzustellen. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Übereinanderschichten eines Wicklungsbereichs mit einer Spulenwicklung, eines Kernbereichs mit einem Spulenkern und des Schutzbereichs entlang der Richtung der Übertragungsstrecke, um die Spule herzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt werden eine Primäreinheit und/oder eine Sekundäreinheit und/oder ein induktives Ladesystem und/oder ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, etwa ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus) beschrieben, die die in diesem Dokument beschriebene Spule umfassen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems zum Laden des Energiespeichers eines Fahrzeugs;
- 2a bis 2c beispielhafte Spulen für induktives Laden;
- 3a eine beispielhafte Spule mit einem Lagenaufbau;
- 3b ein beispielhafter Spulenkern mit einem Lagenaufbau;
- 3c eine beispielhafte Spulenwicklung mit einem Lagenaufbau;
- 3d eine beispielhafte Wicklungslage;
- 4a einen beispielhaften Schutzbereich mit einem Lagenaufbau;
- 4b eine beispielhafte unidirektionale Faserverbundlage; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Spule.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer Spule für ein induktives Ladesystem, die in flexibler Weise an unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Leistung, Wärmeabfuhr und/oder mechanische Belastung angepasst werden kann. In diesem Zusammenhang zeigt 2a eine beispielhafte Primärspule 111 und eine beispielhafte Sekundärspule 121, die jeweils einen Spulenkern 200, insbesondere ein Ferrit, aufweisen. Die Spulenkerne 200 sind jeweils flach ausgebildet, um eine möglichst geringe Ausdehnung der Primäreinheit 110 bzw. der Sekundäreinheit 120 in z-Richtung (d.h. entlang der Unterbodenfreiheit 130 bzw. entlang der magnetischen Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems) zu ermöglichen. Durch die Primärspule 111 wird ein Magnetfeld 250 (in diesem Dokument als Ladefeld bezeichnet) bewirkt, das in der Sekundärspule 121 einen Strom zum Laden eines Energiespeichers 103 bewirkt.
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2b zeigt eine Spulenwicklung 210 (z.B. der Primärspule 111 oder der Sekundärspule 121) in einer Seitenansicht. Der Spulenkern 200 ist typischerweise in Bezug auf die Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems auf der Rückseite der Spulenwicklung 210 angeordnet. Die Spulenwicklung 210 weist typischerweise eine Vielzahl von Windungen eines elektrisch leitenden Leiters 211 auf. Dabei kann der Leiter 211 als Litze mit einer Vielzahl von isolierten Einzeldrähten ausgebildet sein. Die Spule 200 wird zur Unterbodenfreiheit 130 bzw. zur Übertragungsstrecke hin typischerweise mit einer Abdeckung bzw. mit Schutzschicht 220 abgedeckt. 2c zeigt eine Draufsicht der Spulenwicklung 210 und des Spulenkern 200 aus Richtung der Übertragungsstrecke.
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Das vorliegende Dokument beschreibt eine Spuleneinheit 111, 121 (insbesondere eine Spule), die durch kabellose Energieübertragung das Laden eines Elektrogeräts bzw. den direkten Betrieb eines Elektrogerätes, wie beispielsweise eines Elektrofahrzeugs 100, ermöglicht. Hierfür wird eine primäre Spuleneinheit 111 verwendet, die ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld 250 erzeugt. Wird eine sekundäre Spuleneinheit 121 passend zur Primäreinheit 111 ausgerichtet, dann wird durch das Magnetfeld 250 Strom in der Sekundäreinheit 121 induziert. Die Spuleneinheiten 111, 121 können jeweils durch ein oder mehrere Komponenten bzw. Schutzbereichen vor unterschiedlichen Belastungen geschützt werden. Des Weiteren kann ein gestreutes Magnetfeld abgeschirmt werden und/oder es kann eine Integration in bzw. eine Ankopplung an ein anderes Gerät (z.B. an ein Fahrzeug 100) ermöglicht werden.
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Insbesondere wird in diesem Dokument eine induktive Spuleneinheit 111, 121 beschrieben, welche als integratives Verbundbauteil aus einer Vielzahl an dünnen Materiallagen aufgebaut ist. Diese Lagen können vergleichbar zu einem Faserverbundbauteil über eine Matrixphase, wie beispielsweise Kunststoff, fest miteinander verbunden sein, wobei die Matrix diese Materiallagen durch ein Durchdringen der einzelnen Materiallagen zusammenhält.
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Unterschiedliche Materiallagen übernehmen dabei jeweils die Funktionen der Spulenwicklung 210, des Spulenkerns 200 sowie der Schutz- und weitere Funktionen. Für jede der Funktionen können jeweils ein oder mehrere baugleiche Standardlagen bereitgestellt werden. Durch Kombination dieser Standardlagen sowie durch Variation der Lagenanzahl kann die induktive Spuleneinheit 111, 121 anforderungsspezifisch hergestellt werden. Beispielsweise kann die übertragbare Leistung durch Änderung der Anzahl derjenigen Lagen, welche die Funktion der Spulenwicklung 210 und des Spulenkerns 200 übernehmen, eingestellt werden.
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Ein Vorteil für die Verwendung von Standardlagen ist, dass die Standardlagen relativ einfach, automatisiert und zeitsparend hergestellt und anschließend flexibel zu einer anforderungsspezifischen Spuleneinheit 111, 121 kombiniert werden können. Des Weiteren wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Standardlagen eine individuelle Nutzung unterschiedlicher vorteilhafter Werkstoffeigenschaften ermöglicht.
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Im Herstellungsprozess können die für die jeweils vorliegenden Anforderungen benötigten Standardlagen aufeinandergeschichtet werden. Dabei kann die Matrixphase, welche die Lagen durchdringt, vor oder nach dem Schichten der Lagen aufgebracht und in einem anschließenden Prozess ausgehärtet werden. Es kann so ein automatisierbares Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wie beispielsweise Nasspressen, in einfacher Weise umgesetzt werden. Durch das beschriebene Vorgehen entsteht eine einzelne integrative Spuleneinheit 111, 121 zur kabellosen Energieübertragung.
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In diesem Dokument wird somit eine induktive Spuleneinheit 111, 121 beschrieben, die als integratives Verbundbauteil aus mit einer Matrixphase fest verbundenen dünnen Lagen aufgebaut ist. Dabei wird nur eine geringe Anzahl an verschiedenartigen Material- bzw. Standardlagen verwendet, um eine einfache, automatisierbare und kostengünstige Herstellung dieser Standardlagen zu ermöglichen. Die Spuleneinheit 111, 121 kann individuell je nach vorliegender Anforderung, insbesondere je nach zu übertragender Leistung, hergestellt werden. Die Spuleneinheit 111, 121 kann im Rahmen eines flexiblen, automatisierbaren, schnellen und kostengünstigen Herstellungsprozesses hergestellt werden. Des Weiteren können Sensorsysteme in effizienter Weise in eine Spuleneinheit 111, 121 integriert werden.
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Die Spuleneinheit 111, 121 ist typischerweise aus einer größeren Anzahl dünner Materiallagen aufgebaut. Jede für das induktive Laden benötigte Funktion, wie beispielsweise die Funktion der Spulenwicklung 210, wird dabei durch eine oder mehrere identische Lagen bereitgestellt. Durch Variation der Anzahl dieser Lagen sowie durch Kombination der unterschiedlichen standardmäßigen, baugleichen Funktionslagen kann eine für die jeweiligen Anforderungen spezifische induktive Spuleneinheit 111, 121 bereitgestellt werden.
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Die Lagen können beispielsweise Faserverbundlagen, Isolationslagen, Ferritfolien oder Trägermaterial mit darauf aufgebrachten leitenden Metallspulen sein. Die Lagen sind individuell miteinander kombinierbar und über eine Matrixphase fest miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein einzelnes integratives Verbundbauteil.
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Beispielsweise kann durch individuelle Veränderung der Anzahl an Lagen aus ferromagnetischem Material sowie der Anzahl der Wicklungslagen einer Spulenwicklung 210 die übertragbare Leistung eingestellt werden. Für diverse unterschiedliche Leistungsklassen sind dadurch nur eine standardmäßige Wicklungslage sowie eine Kernlage aus ferromagnetischem Material erforderlich, die in effizienter Weise hergestellt werden können. Die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen erfolgt somit durch eine unterschiedliche Anzahl und Kombination der standardmäßig aufgebauten Lagen.
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Durch die Ausführung als integratives Bauteil können für Verbundbauteile charakteristische Vorteile erzielt werden. Zum einen können verbesserte mechanische Eigenschaften erreicht werden, da die einzelnen Lagen fest miteinander verbunden sind und ein gegenseitiges Verrutschen dadurch verhindert wird. Schubkräfte zwischen den einzelnen Lagen können aufgenommen werden, was dazu führt, dass die induktive Spuleneinheit 111, 121 in einem Gerät bzw. Fahrzeug 100 eine mittragende Funktion übernehmen kann.
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Des Weiteren ermöglicht die Kombination verschiedener Materiallagen die individuelle Einstellung von Eigenschaften. Beispielsweise kann die Steifigkeit und Festigkeit einer Spuleneinheit 111, 121 so angepasst werden, dass die Spuleneinheit 111, 121 für die jeweilige Belastung optimal ausgelegt ist. Dies ermöglicht beispielsweise der Einsatz von Lagen aus Faserverbundwerkstoffen, deren Verstärkungen individuell nach den jeweiligen Lasten ausgerichtet werden können. Dadurch kann überflüssiges Material eingespart werden, was zu Kosten-, Gewicht- und Bauraumeinsparung führt.
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Außerdem wird durch den lagenweisen Aufbau eine einfache und günstige Herstellung der induktiven Spuleneinheit 111, 121 ermöglicht. Zum einen sind die je Funktion vorliegenden Standardlagen in großer Anzahl herstellbar. Damit sind die benötigten Materialien kostengünstig zu beziehen und es ist ein hoher Automatisierungsgrad in der Herstellung umsetzbar. Die Fertigung der induktiven Spuleneinheit 111, 121 kann in entsprechender Weise zu der Fertigung bei Faserverbundwerkstoffen erfolgen. So können die Lagen je nach Anforderung aus einem Einsatzgebiet automatisiert aufeinander geschichtet und anschließend in Press- oder anderen Verfahren miteinander verbunden werden. Die zur Verbindung nötige Matrixphase kann vor oder nach der Schichtung aufgebracht werden.
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Des Weiteren können die unterschiedlichen Lagen zusätzliche Aufgaben erfüllen und so zu einer Verbesserung der induktiven Spuleneinheit 111, 121 führen. Der Einsatz von elektrisch und magnetisch abschirmendem Material in denjenigen Lagen, die einem Nutzer bzw. einem anderen Gerät zugewandt sind, die an der Rückseite der Spuleneinheit 111, 121 angeordnet sind, ermöglicht es, eine Beeinträchtigung durch das elektromagnetische Feld 250 zu verhindern. Insbesondere können so die elektrischen Einheiten eines Fahrzeugs 100 vor Störungen geschützt werden.
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Typischerweise ist ein Abführen der Wärme aus der induktiven Spuleneinheit 111, 121 erforderlich, da bei hohen Temperaturen der Wirkungsgrad eines induktiven Ladevorgangs sinkt. Zu diesem Zweck können Materiallagen eingesetzt werden, die speziell auf die Wärmeleitung ausgelegt sind. Insbesondere können hochwärmeleitende Fasern sowie eine Faserausrichtung in eine gewünschte Wärmeflussrichtung verwendet werden. Die Fasern einer Faserverbundlage können somit in eine bestimmte Wärmeflussrichtung ausgerichtet sein.
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Das zur Umlenkung und Bündelung des magnetischen Feldes 250 verwendete ferromagnetische Material in einem Spulenkern 200 kann durch einen lagenweisen Aufbau zusätzlich verstärkt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da derartige Materialien typischerweise spröde sind. Um eine Verbindung der einzelnen Lagen durch das Matrixmaterial zu ermöglichen, können die einzelnen Lagen bzw. Trägerfolien für ferromagnetisches Material gelocht, perforiert oder auf sonstige Weise für das Matrixmaterial durchlässig gestaltet werden. Dies kann insbesondere an den Stellen erfolgen, an denen kein Ferritmaterial zur Umlenkung und Bündelung des Magnetfeldes 250 verwendet wird.
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Die lagenweise Ausführung der Spulenwicklung 210 ermöglicht eine leicht zu automatisierende und damit einfache und kostengünstige Herstellung. Kosten können insbesondere dadurch reduziert werden, dass unabhängig von der zu erwartenden Leistungsklasse einer induktiven Spuleneinheit 111, 121 identische Spulenlagen verwendet werden können. Eine derartige standardisierte bzw. baugleiche Spulenlage kann beispielsweise durch Aufsticken, additive Fertigung oder ähnliche Verfahren hergestellt werden, wobei dabei eine drahtähnliche Leiterbahn für die Spulenwicklung 210 aufgebracht wird. Alternativ oder ergänzend kann eine dünne Schicht aus leitendem Material aufgesprüht, per Siebdruck oder ähnlichen Verfahren aufgebracht werden. Dabei kann als Trägermaterial für die Leiterbahn eine Lage verwendet werden, die von der Matrixphase durchdrungen werden kann. Ein Beispiel hierfür ist eine Lage eines Glasfasergewebes.
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Die Aufgabe, die elektrischen Komponenten der induktiven Spuleneinheit 111, 121 vor mechanischen, Umwelt- oder ähnlichen Belastungen zu schützen, können Lagen eines Schutzbereichs ermöglichen, die der Übertragungsstrecke zugewandt sind. Dabei wird typischerweise Material mir neutraler Permittivität und Permeabilität verwendet, wie beispielsweise aramidfaser- oder glasfaserverstärkter Kunststoff. Alternativ oder ergänzend können, wie in diesem Dokument beschrieben, (unidirektional) leitfähige Lagen verwendet werden.
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Sensoren können bei der Herstellung einer Spuleneinheit 111, 121 in die verschiedenen Lagen integriert werden. Dabei können z.B. Fasersensoren verwendet werden.
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3a zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer induktiven Spuleneinheit 111, 121, welche aus mehreren Bereichen 301, 302, 303, 304 mit jeweils unterschiedlicher Funktion besteht. Der Kernbereich 302 hat z.B. die Funktion der Umlenkung des Magnetfeldes 250. Der Wicklungsbereich 303 hat z.B. die Funktion der Umwandlung des Magnetfeld 250 in Strom (oder umgekehrt). Die einzelnen Bereiche 301, 302, 303, 304 sind dabei aus Lagen verschiedenen Materials aufgebaut. Zusätzlich können äußere Lagen 321 der Schutzbereiche 301, 304 seitlich zusammengeführt werden, um ein geschlossenes Bauteil bereitzustellen. So wird an den Rändern des Bauteils zusätzlich ein Bereich 315 erzeugt, der zur Montage der induktiven Spuleneinheit 111, 121, z.B. an ein Fahrzeug 100, genutzt werden kann.
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3b zeigt den Kernbereich 302, der aus mehreren Lagen 305, 306, 307 aufgebaut ist, wobei neben den ferromagnetischen Materiallagen 306 auch Lagen 305, 307 eingesetzt werden können, die weitere Funktionen, wie beispielweise die Bauteilverstärkung, übernehmen.
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3c zeigt den Aufbau eines Wicklungsbereichs 303, der aus einer oder mehreren Wicklungslagen 310, 311 besteht, wobei die Lagen gleicher oder unterschiedlicher Art sein können.
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3d zeigt den Aufbau einer Wicklungslage 311, die ein Trägermaterial 308 und eine aus metallischem Werkstoff bestehende und auf das Trägermaterial 308 aufgebrachte Leiterbahn 309 (z.B. in Form einer Spulenwicklung mit ein oder mehreren Windungen) aufweist.
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Die einzelnen Bereiche 301, 302, 303, 304 einer Spuleneinheit 111, 121 sind somit aus einer oder mehreren Lagen aufgebaut, welche bereichsübergreifend fest über eine Matrixphase miteinander verbunden sind. Hier kann beispielsweise eine Kunststoffbasis verwendet werden, welche die Lagen im Herstellungsprozess durchtränkt und nach der Aushärtung die Lagen verbindet. So entsteht ein integratives Bauteil.
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Dabei kann der rückseitige Schutzbereich 301, der z.B. einem Fahrzeug 100 zugewandt ist, mehrere Funktionen bereitstellen. Zum einen kann eine Abschirmung des elektromagnetischen Feldes 250 ermöglicht werden. Des Weiteren kann der rückseitige Schutzbereich 301 strukturelle Kräfte und mechanische Belastungen aufnehmen. Eine Abführung von Wärme aus der Spuleneinheit 111, 121 kann eine weitere Funktion darstellen. Für jede dieser Funktionen können ein oder mehrere baugleiche Standardlagen verwendet werden. Des Weiteren wird in dem rückseitigen Schutzbereich 301 eine Einbettung eines Sensors ermöglicht. Der rückseitige Schutzbereich 301 kann aus mehreren Lagen aufgebaut sein, wobei dabei ein Hybridaufbau aus unterschiedlichen Materialien möglich ist. Ein Beispiel für eine Standardlage für einen Schutzbereich 301 ist kohlefaserverstärkter Kunststoff zur Steifigkeitserhöhung.
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Der Kernbereich 302 ist zur Verdeutlichung in 3b dargestellt. Dabei erfüllen die Kernlagen 306 die Aufgabe das elektromagnetische Feld 250 umzulenken und zu bündeln. Hierfür weisen die Kernlagen 306 einen ferromagnetischen Stoff (etwa Ferrit) auf. Die ferromagnetischen Materialien können als Folie bereitgestellt werden und können so aus mehreren Lagen aufgebaut werden. Dadurch können für jede Spuleneinheit 111, 121 individuell je nach benötigter Menge an ferromagnetischem Material unterschiedlich viele der standardmäßig gefertigten Kernlagen 306 verwendet werden. Aufgrund der hohen Sprödigkeit vieler ferromagnetischer Stoffe können zusätzliche Lagen 307 aus einem unterschiedlichen Material zur Verstärkung eingebracht werden, was zu einem widerstandsfähigeren Bauteil führt. Zusätzlich können außen angebrachte Lagen 305 das spröde ferromagnetische Material zusammenhalten.
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Da das ferromagnetische Material typischerweise durch die Matrixphase nicht durchdrungen werden kann, können geeignete Maßnahmen für eine Durchdringung des Kernbereichs 302 mit der Matrix vorgesehen sein. Beispielsweise kann im Herstellungsprozess Matrixmaterial sowohl über als auch unter dem Bereich des ferromagnetischen Materials, d.h. einer Kernlage 306, aufgebracht werden. Die Matrix umgibt schließlich auch die ferromagnetischen Lagen 306 und hält diese zusammen. Alternativ oder ergänzend können gelochte, perforierte oder auf ähnliche Weise durchlässig gestaltete Folien für die Kernlagen 306 verwendet werden.
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Der Wicklungsbereich 303 übernimmt die Aufgabe der Spulenwicklung 210 in der induktiven Spuleneinheit 111, 121. Dieser Bereich 303 ist wie in 3c dargestellt aus mehreren dünnen Lagen aufgebaut. Dadurch entsteht vergleichbar zu einer Hochfrequenzlitze eine relativ hohe Anzahl an parallel geschalteten Spulenwicklungen. Zum einen sind dabei Wicklungslagen 311 vorhanden, die aus einem spulenförmigen, metallischen und auf ein dünnes Trägermaterial 308 aufgebrachten Werkstoff aufgebaut sind. Die Spulenlagen 311 übernehmen somit die Aufgabe das elektromagnetische Feld in Strom umzuwandeln und diesen aus der induktiven Spuleneinheit 111, 121 abzuführen (oder umgekehrt). Weitere potentielle Lagen 310 können zusätzlich zur Festigkeit und Steifigkeit der Spuleneinheit 111, 121 beitragen und/oder die Wicklungslagen 311 voneinander elektrisch isolieren. Eine Isolationslage 310 kann dabei bevorzugt derart ausgebildet sein, dass die Isolationslage 310 zumindest an einigen Stellen von der Matrixphase durchdrungen werden kann. Dabei können diese Durchdringungsstellen dort angeordnet sein, wo die Spulenlagen 311 keine Leiterbahn 308 aufweist.
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3d zeigt den Aufbau einer Wicklungslage 311 (in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht). Auf ein Trägermaterial 308 wird ein metallischer Werkstoff in Form einer Leiterbahn 309 aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch additive Fertigung, Aufsticken oder andere Verfahren geschehen. Die Form des aufgebrachten Metalls kann dabei variiert werden. So sind beispielsweise runde oder rechteckige Geometrien für eine Spulenwicklung 210 möglich. Alternativ oder ergänzend kann eine dünne Schicht aus leitendem Material aufgebracht werden.
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Durch Zusammenführen von Lagen 321 aus dem rückseitigen Schutzbereich 301 und aus dem vorderseitigen Schutzbereich 304 entstehen Kontaktstellen 315, die für eine Befestigung der induktiven Spuleneinheit 111, 121 an einem anderen Bauteil genutzt werden können. Hier können Verbindungstechniken wie Schrauben, Kleben, Nieten oder andere herangezogen werden.
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Der Lagenaufbau ermöglicht eine einfache Integration von Sensoren in die induktive Spuleneinheit 111, 121. Dazu bieten sich besonders die äußeren Schutzbereiche 301, 304 an. Werden diese Schutzbereiche 301, 304 beispielsweise aus Faserverbundmaterial aufgebaut, so können Fasersensoren direkt in das trockene Halbzeug eingebracht werden. Im anschließenden Herstellungsprozess ist dann kein zusätzlicher Schritt zur Integration der Sensoren nötig. Beispielsweise ermöglicht die Integration von Carbonfasern als Fasersensoren eine frühe Detektion einer mechanischen Schädigung. Des Weiteren können leitende Fasern in spulenform in die Schutzbereiche 301, 304 eingebracht werden. Durch Messung der entstehenden Ströme im vorderseitigen Schutzbereich 304 kann überprüft werden, ob ein ausreichend starkes Magnetfeld 250 aufgebaut wird. Ein Sensor im rückseitigen Schutzbereich 301 kann einen Hinweis auf ein durch den Kernbereich 302 dringendes Magnetfeld 250 liefern. Ist dieses Magnetfeld 250 zu stark kann der Ladevorgang unterbrochen und/oder ein Warnhinweis ausgegeben werden.
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Der rückseitige Schutzbereich 301 und/oder der vorderseitige Schutzbereich 304 können die Funktion aufweisen, eine Spuleneinheit 111, 121 mechanisch zu verstärken und/oder Wärme abzuleiten. Diese Funktionen können in vorteilhafter Weise durch die Verwendung von leitfähigen Faserverbundmaterialien (z.B. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, CFK) erzielt werden. 4a zeigt einen beispielhaften Aufbau der Bereiche 301, 304 aus unterschiedlichen Lagen. Insbesondere kann eine unidirektional leitende Lage 401 aus einem leitfähigen unidirektionalen Faserverbundmaterial verwendet werden. Wie in 4b dargestellt, weist eine unidirektional leitende Lage 401 parallel verlaufende elektrisch leitende Fasern 403 in einer einheitlichen Richtung auf. Des Weiteren kann eine isolierende Lage 402 verwendet werde, die z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff, GFK, besteht. Die unidirektional leitenden Lagen 401 und die isolierenden Lagen 402 können abgewechselt werden.
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Durch einen derartigen Lagenaufbau kann bewirkt werden, dass in den Schutzbereichen 301, 304 keine Wirbelströme induziert werden können, die das Magnetfeld 205 beeinflussen. Andererseits ist der Einsatz von leitfähigen unidirektionalen Lagen 401 mit zahlreichen Vorteilen verbunden. Insbesondere können die thermische Leitfähigkeit der Spuleneinheit 111, 121 erhöht und damit ein optimiertes Thermomanagement der Spuleneinheit 111, 121 ermöglicht werden. Des Weiteren können mechanische Kennwerte der Spuleneinheit 111, 121 erhöht und damit ein optimiertes Verhalten der Spuleneinheit 111, 121 bei mechanischen Belastungen erzielt werden. Alternativ oder ergänzend kann bei gleichbleibendem mechanischen Verhalten eine Reduktion des Gewichts der Spuleneinheit 111, 121 erreicht werden.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Herstellung einer Spule 111, 121 für ein induktives Ladesystem, bei dem über eine magnetische Übertragungsstrecke Energie von einer Primärspule 111 an eine Sekundärspule 121 übertragen wird. Das Verfahren 500 umfasst das Übereinanderschichten 501 von unidirektional leitfähigen Faserverbundlagen 401 und isolierenden Faserverbundlagen 402 in abwechselnder Weise entlang einer Richtung der Übertragungsstrecke, um einen Schutzbereich 301, 304 für die Spule 111, 121 herzustellen. Außerdem umfasst das Verfahren 500 das Übereinanderschichten 502 eines Wicklungsbereichs 303 mit einer Spulenwicklung 210, eines Kernbereichs 302 mit einem Spulenkern 200 und des Schutzbereichs 301, 304 entlang der Richtung der Übertragungsstrecke. So kann eine Spule 111, 121 bereitgestellt werden, die in flexibler und effizienter Weise an unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und/oder in Bezug auf die mechanische Beanspruchung angepasst werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
