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Die Erfindung betrifft ein Kopplungssystem zum induktiven Koppeln einer Primärspule an einer Sekundärspule für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Das Kopplungssystem weist eine Robotereinheit, die Sekundärspule und die Primärspule auf. Die Primärspule ist an der Robotereinheit angebracht, wobei die Primärspule mit der Robotereinheit an der Sekundärspule positionierbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum induktiven Koppeln einer Primärspule an einer Sekundärspule für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, wobei die Primärspule mit einer Robotereinheit an der Sekundärspule positioniert wird.
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Im Kontext der Elektromobilität ist es von Bedeutung, dass insbesondere autonom fahrende Fahrzeuge automatisiert getankt beziehungsweise geladen werden können.
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Zum automatisierten Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gibt es beispielsweise ein erstes Konzept. Bei dem ersten Konzept wird die konventionelle leistungsgeführte Energieübertragung über einen Roboter automatisiert. Dabei wird der Steckvorgang durch einen Roboter ausgeführt. Hierzu gibt es verschiedene Ausführungsmöglichkeiten. Bei einer Ausführung wird eine von einem automatisierten Steckvorgang dedizierte Steckdose am Fahrzeugunterboden realisiert. Die automatische Ausführung des Steckvorgangs erfordert neben einer genauen Sensorik und Aktorik robuste Maßnahmen zum Schutz der elektrischen Kontakte gegenüber umweltbedingten Verschmutzungen.
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Bei einem zweiten Konzept des automatisierten Ladens findet die Energieübertragung drahtlos statt. Beispielsweise kann die Energieübertragung entweder induktiv „IPT - Interactive Power Transfer“ oder kapazitiv „CPT - Capacitive Power Transfer“ stattfinden. Auf Basis der ersten Variante der induktiven Energieübertragung wurden diverse Ausführungen umgesetzt. Eine etablierte Ausführung sieht die Integration einer elektrischen Spule am Fahrzeugunterboden vor, die das magnetische Feld auffängt, welches durch eine elektrische Spule auf einem Parkplatz erzeugt wird. Beim Konzept des induktiven Ladens führt das erste erzeugte Magnetfeld zu einer Erhitzung von elektrisch leitfähigen sowie magnetischen Objekten, die auf der Erregerspule oder in der unmittelbaren Umgebung der Erregerspule angebracht werden. Diese Erhitzung kann zu diversen Gefahren führen und muss durch eine Sensorik zur Objektdetektion FOD abgefahren werden. Weiterhin führen die Streufelder des induktiven Ladesystems zur Überschreitung der Grenzwerte zum Personenschutz gegenüber elektromagnetischen Feldern. Um eine Gefährdung von Personen sowie weiteren Lebewesen zu vermeiden, wird auch hierfür eine Sensorik zur Detektion und Schutz von Lebewesen erforderlich (LOP - Living Object Protection).
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Aus der
DE 42 36 286 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung beim Laden der Batterie eines Fahrzeugs mittels eines induktiven Übertragens bekannt.
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Aus der
DE 10 2011 118 397 A1 ist eine Vorrichtung zum kabellosen Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei ist eine Primärspule mit einer fahrzeugseitigen Sekundärspule induktiv koppelbar.
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Ein Nachteil ist, dass bei den meisten automatisierten Ladesystemen kein konstanter Luftspalt zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule eingehalten werden kann. Dadurch muss eine erhöhte Blindleistungskompensation durchgeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kopplungssystem und ein Verfahren bereitzustellen, um einen automatisierten induktiven Ladevorgang eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs effizienter zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kopplungssystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kopplungssystem zum induktiven Koppeln einer Primärspule an einer Sekundärspule für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Das Kopplungssystem weist eine Robotereinheit, die Primärspule und die Sekundärspule auf. Die Primärspule ist insbesondere an der Robotereinheit angebracht, wobei die Primärspule mit der Robotereinheit an der Sekundärspule positionierbar ist. Die Primärspule weist ein erstes Ausrichtelement und die Sekundärspule ein zum ersten Ausrichtelement korrespondierendes zweites Ausrichtelement auf. Speziell bei einem Positionieren der Primärspule an der Sekundärspule mittels der Robotereinheit sind durch die beiden Ausrichtelemente die Primärspule und die Sekundärspule in vorgegebener Weise zueinander ausrichtbar.
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Durch das vorgeschlagene Kopplungssystem kann ein Wirkungsgrad einer Energieübertragung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule sowie die Leistungsdichte bei Verkleinerung einer Spulen-Geometrie der Primärspule und/oder der Sekundärspule erhöht werden. Insbesondere können durch die beiden Ausrichtelemente die Primärspule und die Sekundärspule so angeordnet beziehungsweise ausgerichtet werden, dass ein Luftspalt zwischen den beiden Spulen, sowie ein Versatz der beiden Spulen, minimiert werden kann. Dadurch ergibt sich insbesondere eine Minimierung der Streuung des magnetischen Feldes zwischen der Primärspule und der Sekundärspule. Insbesondere kann durch das Kopplungssystem eine magnetische Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule maximiert werden. Insbesondere kann durch die Ausrichtung der Primärspule und der Sekundärspule in vorgegebener Weise der Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule konstant gehalten werden. Dadurch ergibt sich eine konstante Induktivität der Spule und es kommt zu keinen Variationen der Induktivitäten. Dadurch kann auf eine aktive Blindleistungskompensation verzichtet werden. Insbesondere kann dadurch eine Leistungselektronik des Kopplungssystems stark vereinfacht werden.
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Insbesondere kann durch die Minimierung des Streufeldes durch die Minimierung des Luftspalts sowie Minimierung des Spulenversatzes zwischen den Spulen über die Robotereinheit einer Erhitzung von metallischen Objekten als auch die Gefährdung von Lebewesen vorgebeugt werden. Somit kann die Notwendigkeit einer Objektdetektion sowie einer Detektion und Schutz von Lebewesen verzichtet werden. Insbesondere müssen diese Detektionen bei den induktiven Ladesystemen aus dem Stand der Technik durchgeführt werden. Insbesondere kann durch die Minimierung des Luftspalts sowie die Minimierung des Spielversatzes eine Spulengröße der Primärspule und/oder der Sekundärspule trotz Beibehaltung einer konstanten Ladeleistung verkleinert werden.
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Durch die induktive Kopplung der Primärspule an der Sekundärspule entstehen keine Abnutzungen von Kontakten und es entfällt daher die Notwendigkeit eines Schutzes von den Kontakten gegenüber Verschmutzung durch Umwelteinflüsse. Insbesondere wird mit dem Kopplungssystem eine konduktive Energieübertragung über elektrische Kontakte durchgeführt. Insbesondere erfolgt mit dem Kopplungssystem eine Energieübertragung von der Primärspule an die Sekundärspule drahtlos.
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Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Ausrichtelement um einen Ausrichtungsdorn beziehungsweise um einen Zentrierkegel handeln. Bei dem zweiten Ausrichtelement kann es sich beispielsweise um ein Ausrichtungsloch handeln. Insbesondere sind das erste Ausrichtelement und das zweite Ausrichtelement so konzipiert, dass das erste Ausrichtelement und das zweite Ausrichtelement formschlüssig ineinandergreifen. Insbesondere werden bei der Positionierung der Primärspule an der Sekundärspule die beiden Ausrichtelemente ineinandergefügt, sodass die Primärspule optimal an der Sekundärspule angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine optimale induktive Energieübertragung mit einem hohen Wirkungsgrad.
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Bei dem Kopplungssystem kann es sich beispielsweise um eine induktive Ladestation und um ein induktives Ladesystem handeln. Insbesondere ist die Primärspule als Erregerspule ausgebildet. Die Sekundärspule ist beispielsweise an einem Fahrzeugunterboden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeordnet. Die Robotereinheit kann insbesondere einen Roboterarm aufweisen, mit welchem die Primärspule an der Sekundärspule positioniert werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Koppeln einer Primärspule an einer Sekundärspule für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, wobei die Primärspule mit einer Robotereinheit an der Sekundärspule positioniert wird. Bei einem Positionieren der Primärspule an der Sekundärspule mittels der Robotereinheit wird ein erstes Ausrichtelement der Primärspule mit einem zum ersten Ausrichtelement korrespondierenden zweiten Ausrichtelement der Sekundärspule verbunden, wobei durch die beiden Ausrichtelemente die Primärspule und die Sekundärspule in vorgegebener Weise zueinander ausgerichtet werden. Das soeben geschilderte Verfahren wird insbesondere mit einem Kopplungssystem nach dem vorherigen Aspekt oder einer Weiterbildung davon durchgeführt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kopplungssystems, wobei eine Sekundärspule an einer seitlichen Karosserie eines Fahrzeugs angebracht ist;
- 2 eine weitere schematische Darstellung des Kopplungssystems aus 1, wobei eine Sekundärspule an einem Fahrzeugunterboden des Fahrzeugs angebracht ist;
- 3 eine beispielhafte Draufsicht einer Primärspule;
- 4 eine beispielhafte Draufsicht einer Sekundärspule;
- 5 eine seitliche Schnittansicht der Primärspule aus 3; und
- 6 eine seitliche Schnittansicht der Sekundärspule aus 4.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt beispielsweise ein Kopplungssystem 1. Bei dem Kopplungssystem 1 kann es sich beispielsweise um eine induktive Ladestation oder induktive Ladevorrichtung handeln. Mit dem Kopplungssystem 1 kann insbesondere eine Primärspule 2 an einer Sekundärspule 3 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 4 induktiv gekoppelt werden.
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Das Kopplungssystem 1 umfasst insbesondere eine Robotereinheit 5. Die Robotereinheit 5 weist beispielsweise einen Roboterarm 6 auf. Beispielsweise kann am distalen Ende des Roboterarms 6 die Primärspule 2 angeordnet sein. Mit der Robotereinheit 5 kann insbesondere die Primärspule 2 an der Sekundärspule 3 positioniert werden. Insbesondere kann mithilfe der Robotereinheit 5 eine automatische Positionierung der beiden Spulen 2, 3 durchgeführt werden. Insbesondere kann die Primärspule 2 mit der Robotereinheit 5 in zumindest zwei Raumrichtungen bewegt werden. Insbesondere kann mithilfe der Robotereinheit 5 die Primärspule sowohl in Z- als auch in X- und Y-Richtung automatisch bewegt werden.
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Insbesondere kann durch die induktive Kopplung eine drahtlose Energieübertragung von der Primärspule 2 an die Sekundärspule 3 durchgeführt werden. Durch diese Energieübertragung kann ein elektrischer Energiespeicher 7 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 4 geladen werden. Bei dem elektrischen Energiespeicher 7 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Traktionsbatterie handeln. Bei dem elektrisch betriebenen Fahrzeug 4 kann es sich neben einem Elektrofahrzeug auch um ein Plug-in-Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
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Insbesondere wird die Sekundärspule 3 innerhalb einer Fahrzeugeinheit des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 4 integriert. In der 1 ist beispielsweise die Sekundärspule 3 an der seitlichen Karosserie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 4 integriert. Im Gegensatz dazu ist in der nachfolgenden 2 das Beispiel gezeigt, in welchem sich die Sekundärspule 3 am Fahrzeugunterboden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 4 befindet. In der 1 befindet sich die Robotereinheit 5 beispielsweise so an einem Parkplatz 8 angeordnet, dass die an der seitlichen Karosserie befindliche Sekundärspule 3 mit der Primärspule 2 gekoppelt werden kann.
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Die Primärspule 2 weist ein erstes Ausrichtelement 9 und die Sekundärspule 3 ein zweites Ausrichtelement 10 auf. Insbesondere ist das erste Ausrichtelement 9 ein zum zweiten Ausrichtelement 10 korrespondierendes Gegenstück. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Ausrichtelement 9 und bei dem zweiten Ausrichtelement 10 um einen Zentriermechanismus. Insbesondere kann es sich beispielsweise bei dem ersten Ausrichtelement 9 oder bei dem zweiten Ausrichtelement 10 um einen Zentrierkegel oder um einen Ausrichtungsdorn handeln. Bei dem zweiten Ausrichtelement 10 kann es sich beispielsweise um eine Ausrichtungsöffnung beziehungsweise um ein Ausrichtungsloch handeln. Insbesondere wird bei der Positionierung der Primärspule 2 an der Sekundärspule 3 das erste Ausrichtelement 9 mit dem zweiten Ausrichtelement 10 formschlüssig verbunden. Insbesondere kann das erste Ausrichtelement 9 in das zweite Ausrichtelement 10 hineingeführt werden. Ebenso kann die Anordnung des ersten und des zweiten Ausrichtelements 9, 10 auch umgekehrt sein. Insbesondere werden die beiden Ausrichtelemente 9, 10 ineinander geführt beziehungsweise ineinandergesteckt.
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Insbesondere wird bei der Positionierung der Primärspule 2 an der Sekundärspule 3 mittels der Robotereinheit 5 durch die beiden Ausrichtelemente 9, 10 dafür gesorgt, dass die Primärspule 2 und die Sekundärspule 3 in vorgegebener Weise zueinander ausgerichtet werden können.
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Insbesondere wird durch das Ausrichten der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 mithilfe der beiden Ausrichtelemente 9, 10 ein vordefinierter Abstand zwischen der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 eingestellt. Dadurch kann insbesondere der Luftspalt zwischen der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 sowie ein möglicher Versatz der beiden Spulen 2, 3 in der X-Y-Richtungsebene minimiert werden. Dadurch kann insbesondere die Steuerung des magnetischen Feldes minimiert und die magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen 2, 3 maximiert werden. Dadurch kann insbesondere der Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragung zwischen den beiden Spulen 2, 3 sowie die Leistungsdichte bei einer Verkleinerung der beiden Spulen erhöht werden. Dadurch ergibt sich insbesondere ein verbesserter Wirkungsgrad bei der induktiven Energieübertragung. Insbesondere wird durch die Ausrichtung der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 ein konstanter Luftspalt bei jedem induktiven Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 7 erreicht. Insbesondere kann durch die beiden mechanischen Ausrichtelemente 9, 10 auf komplexe und kostenintensive Positionierungssysteme verzichtet werden.
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Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie es bereits vorher erwähnt wurde. Hierbei befindet sich die Sekundärspule 3 am Fahrzeugunterboden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Dadurch ist hier die Robotereinheit 5 so am Parkplatz 8 angeordnet, dass die Primärspule 2 an die Sekundärspule 3 am Fahrzeugunterboden positioniert werden kann. Insbesondere erfolgt mithilfe der Robotereinheit 5 eine automatische Positionierung der Primärspule 2 mithilfe der beiden Ausrichtelemente 9, 10. Insbesondere kann mithilfe der Robotereinheit 5 die Primärspule 2 in zumindest zwei Raumrichtungen frei bewegt werden.
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Die beiden nachfolgenden 3 und 4 zeigen jeweils einen beispielhaften Aufbau der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3. Insbesondere zeigen die 3 und die 4 jeweils eine Draufsicht.
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Die 3 zeigt die Primärspule 2, welche an der Robotereinheit 5 angebracht ist. Die Primärspule 2 ist insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Primärspule 2 ist insbesondere kreisförmig ausgebildet. Die Primärspule 2 umfasst insbesondere ein Gehäuse 11, welches die Primärspule 2 vollständig rundherum umschließt. Im geometrischen Zentrum der Primärspule 2 befindet sich das erste Ausrichtelement 9.
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Insbesondere ist die Primärspule 2 in Segmente aufgeteilt. Nach dem Gehäuse 11 kommt eine Schicht eines ferromagnetisch-keramischen Werkstoffes. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Ferrit-Schicht 12. Zwischen der Ferrit-Schicht 12 und dem ersten Ausrichtelement 9 befindet sich der Spulenkern 13.
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Die 4 zeigt ebenfalls wie in 3 eine Draufsicht, aber in diesem Ausführungsbeispiel ist die Draufsicht der Sekundärspule 3 gezeigt. Die Sekundärspule 3 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie die Primärspule 2. Die Sekundärspule 3 besitzt ebenfalls ein Gehäuse 14. Im geometrischen Zentrum der Sekundärspule 3 ist das zweite Ausrichtelement 10 angeordnet. Ebenso ist die Sekundärspule 3 rotationssymmetrisch ausgebildet. Unterhalb des zweiten Ausrichtelements 10 ist im Zentrum ebenfalls eine Ferrit-Schicht 15 angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 14 und der Ferrit-Schicht 15 befindet sich in der Sekundärspule 3 der Spulenkern 16.
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Durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3 wird ein Positionierungsaufwand der Robotereinheit 5 reduziert.
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Die 5 und die 6 zeigen jeweils eine seitliche Schnittdarstellung der Primärspule 2 und der Sekundärspule 3.
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In der 5 ist besonderes das Ausrichtelement 9 der Primärspule 2 zu sehen.
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In der 6 ist besonders das zweite Ausrichtelement 10 der Sekundärspule 3 zu sehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kopplungssystem
- 2
- Primärspule
- 3
- Sekundärspule
- 4
- elektrisch betriebenes Fahrzeug
- 5
- Robotereinheit
- 6
- Roboterarm
- 7
- elektrischer Energiespeicher
- 8
- Parkplatz
- 9
- erstes Ausrichtelement
- 10
- zweites Ausrichtelement
- 11
- Gehäuse
- 12
- Ferrit-Schicht
- 13
- Spulenkern
- 14
- Gehäuse
- 15
- Ferrit-Schicht
- 16
- Spulenkern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4236286 A1 [0005]
- DE 102011118397 A1 [0006]
