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Stand der Technik
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EP 3 425 763 A1 beschreibt eine kabellose und konduktive Übertragungseinheit. Darin wird eine Ladefläche mit mehreren leitenden Bereichen verwendet, um ein auf der Oberfläche angeordnetes elektronisches Gerät aufzuladen. Elektroden auf dem Gerät greifen in die jeweiligen leitenden Bereiche der Oberfläche ein. Um solche aufladbaren elektronischen Geräte von Kurzschlüssen und anderen Störverbindungen zu unterscheiden, müssen die elektronischen Geräte über mindestens ein Paar dieser Elektroden eine Anti-Inversions-Charakteristik aufweisen, die beispielsweise mit einem MOSFET implementiert ist. Die Oberfläche kann dann so gesteuert werden, dass nacheinander eine Testspannung über jedes Paar leitender Bereiche hergestellt wird, und nach Paaren leitender Bereiche gesucht werden, die sich so verhalten, als würden sie von einer solchen Anti-Wechselrichter-Schaltung gekoppelt. Beziehungen zwischen jedem Paar leitender Bereiche können bestimmt und aufgezeichnet werden, und der Spannungspegel, der jedem leitenden Bereich zugeführt wird, kann entsprechend eingestellt werden. Die Kopplungsschnittstelle kann ferner dazu dienen, Geräteklassen zu identifizieren und Versorgungsspannungen einzustellen oder zusätzliche Verbindungen auf der Basis gespeicherter Geräteklasseninformationen herzustellen.
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Eine solche kabellose und konduktive Übertragung elektrischer Energie zur Versorgung von Geräten mit elektrischer Energie bringt das Problem mit sich, dass bei nicht zuverlässig arbeitenden Kontaktstellen die Gefahr einer Lichtbogenbildung besteht. Diese Lichtbogenbildung kann gefährliche Auswirkungen im Umfeld der kabellosen und konduktiven Übertragung elektrischer Energie verursachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine kabellose und konduktive Energieübertragungseinheit zur kabellosen und konduktiven Energieübertragung an eine mobile Vorrichtung sowie ein System aus einer solchen Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung.
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Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieübertragungseinheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung eine kabellose und konduktive Energieübertragungseinheit zur kabellosen und konduktiven Energieübertragung an eine mobile Vorrichtung. Die Energieübertragungseinheit weist einen Energieanschluss zum Anschließen an eine Energiequelle, zwei mit dem Energieanschluss verbundene erste Übertragungskontakte und eine Lichtbogendetektionseinheit auf. Die Lichtbogendetektionseinheit ist mit den ersten Übertragungskontakten verbunden und dazu eingerichtet, einen Lichtbogen zwischen einem der ersten Übertragungskontakte und einem von zwei zweiten Übertragungskontakten der mobilen Vorrichtung zu detektieren.
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Die erfindungsgemäße Energieübertragungseinheit ermöglicht dementsprechend mit einfachen Mitteln seitens der Energieübertragungseinheit die Detektion von bereits entstandenen Lichtbögen in Verbindung mit den an sich nicht sehr zuverlässigen Übertragungskontakten einer kabellosen, konduktiven elektrischen Energieübertragungsverbindung, welche zwischen den Übertragungskontakten der Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung aufgebaut wird.
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Unter einer kabellosen und konduktiven Energieübertragungseinheit im erfindungsgemäßen Sinne wird dabei eine Energieübertragungseinheit verstanden, die ohne Kabel bzw. Stromkabel oder Ladekabel und dennoch konduktiv zwischen der Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung Energie übertragen kann bzw. überträgt. Damit bezieht sich die Bezeichnung „kabellos“ auf das Energieübertragungskabel zwischen Energieübertragungseinheit und mobiler Vorrichtung, welches vorliegend entfällt bzw. nicht vorhanden ist. Selbstverständlich können Kabel innerhalb der Energieübertragungseinheit oder für andere Zwecke dennoch verwendet werden, solange sie nicht für die eigentliche Energieübertragung zwischen der Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung genutzt werden. Die Bezeichnung „konduktiv“ bezeichnet damit die Art der Energieübertragung als konduktive Energieübertragung. Insbesondere kommen für die konduktive Energieübertragungsverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung dabei die Übertragungskontakte miteinander in elektrischen Kontakt. Diese Übertragungskontakte sind daher insbesondere elektrisch leitfähige, beispielsweise metallische, Kontakte. Die kabellose und konduktive Energieübertragung verzichtet damit auf nicht geführte oder fixierte Kontakte, wie beispielsweise Stecker und Buchse, wie sie heutzutage weiterhin vielfach zum Einsatz kommen.
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Da das hierin vorgestellte konduktive und kabellose System aus kabelloser und konduktiver Energieübertragungseinheit und mobiler Vorrichtung nicht über geführte oder fixierte Kontakte verfügt, kann der mechanische Kontakt im Falle einer Bewegung der mobilen Vorrichtung, die auch als Energieempfängervorrichtung bezeichnet werden kann, oder der Energiespeichereinheit kurzzeitig oder länger unterbrochen werden.
Wird ein solches System eingesetzt, um hohe Ströme, hohe Spannungen oder hohe Leistungen im Allgemeinen zu übertragen, kann es dadurch an den Übertragungskontaktstellen zwischen den Übertragungskontakten zu einer Entstehung von Lichtbögen kommen.
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Die Lichtbogendetektionseinheit kann ganz insbesondere mittels zweier Messpunkte mit jeder der beiden ersten Übertragungskontakte verbunden sein. Ferner kann die Lichtbogendetektionseinheit eine Auswerteeinheit aufweisen, die anhand des Stroms und/oder der Spannung, die die Lichtbogendetektionseinheit an den Messpunkten erfasst, einen Lichtbogen detektieren kann.
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Neben der Gefahr eines Lichtbogens, wie Verletzungen oder Verbrennungen von Personen oder Beschädigungen der Energieübertragungseinheit, der mobilen Vorrichtung oder benachbarter Objekte, werden durch den Lichtbogen auch die Übertragungskontakte abgenutzt oder im schlimmsten Fall sogar beschädigt durch Erwärmen, Aufschmelzen oder Verdampfen der Übertragungskontakte.
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Dies kann ganz besonders dadurch vermieden werden, wenn die Lichtbogendetektionseinheit ferner zum Beenden einer drahtlosen Energieübertragung bei Detektion eines Lichtbogens eingerichtet ist. Insoweit wird die Lichtbogendetektionseinheit nicht nur zum Detektieren, sondern auch zum Löschen des einmal entstandenen Lichtbogens verwendet.
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Möglich ist, dass die Energieübertragungseinheit eine mit der Lichtbogendetektionseinheit verbundene Schalteinheit mit einem ersten Schaltelement, beispielsweise Relais aufweist, welches zwischen einem der ersten Übertragungskontakte und der Energiequelle geschaltet ist. Dadurch kann die Energieversorgung von der Energiequelle der ersten Übertragungskontakte mittels der Lichtbogendetektionseinheit unterbrochen werden, um dem Lichtbogen keine weitere elektrische Energie zuzuführen.
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Zusätzlich ist es möglich, dass die Schalteinheit ein zweites Schaltelement, beispielsweise Relais, aufweist, welches zwischen den beiden ersten Übertragungskontakten geschaltet ist. Durch das zweite Schaltelement können so auf Anweisung der Lichtbogendetektionseinheit die von der Energiequelle abgetrennten ersten Übertragungskontakte kurzgeschlossen werden. Dadurch kann die Restenergie an den ersten Übertragungskontakten und in dem Lichtbogen abgebaut werden, sodass verhindert werden kann, dass sich der Lichtbogen ionisiert oder ein sich bereits ionisierter Lichtbogen nicht auslöscht.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Lichtbogendetektionseinheit mit der Energiequelle verbunden oder verbindbar ist und zum Steuern der Energiequelle eingerichtet ist. Insbesondere kann die Lichtbogendetektionseinheit mittels einer entsprechenden Energieübertragungsablaufsteuereinheit der Energieübertragungseinheit mit der Energiequelle verbunden oder verbindbar sein. Dadurch kann die Lichtbogendetektionseinheit auch mittels eines Steuerns der Energiequelle, ganz besonders über die Energieübertragungsablaufsteuereinheit, die ansonsten den Ablauf der Energieübertragung steuert, einen Lichtbogen schwächen oder auslöschen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn ein Abschalten der Energieübertragungseinheit mittels einer Schalteinheit nicht erforderlich ist, um die Energieübertragung nicht zu unterbrechen. Gleichwohl kann die Lichtbogendetektionseinheit mit der Schalteinheit mit dem ersten Schaltelement besonders schnell reagieren, wenn besondere Gefahr besteht.
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Ferner ist möglich, dass die ersten Übertragungskontakte als flächige Übertragungskontakte ausgebildet sind. Als flächige Übertragungskontakte können die Übertragungskontakte eine (relativ große) rechteckige oder quadratische Fläche zur Energieübertragung aufweisen. Dies erlaubt eine Positionstoleranz für die Herstellung der Energieübertragungsverbindung zwischen der Energieübertragungseinheit und der mobilen Vorrichtung.
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Ganz besonders kann die Energieübertragungseinheit eine Ladestation für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Zwar sind alternativ auch andere Anwendungen der Energieübertragungseinheiten, wie beispielsweise als Ladestationen für mobile Endgeräte in Form von beispielsweise Smartphones oder Notebooks denkbar, allerdings fließen bei dem Laden von Batterien von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen besonders hohe Ströme. Entsprechend ist die hierbei von einem Lichtbogen ausgehende Gefahr signifikant größer als bei mobilen Endgeräten, sodass die Erfindung hier besonders bevorzugt einsetzbar ist. Auch kann die Energieübertragungseinheit bevorzugt für ein Gerät bzw. eine Geräteklasse verwendet werden, bei der die Energieübertragung größer ist als bei mobilen Endgeräten, aber noch kleiner als bei einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, z.B. bei einem Akku-betriebenen Elektrowerkzeug.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs erwähnte Aufgabe gelöst durch ein System aus einer Energieübertragungseinheit nach dem ersten Aspekt der Erfindung und einer mobilen Vorrichtung mit zwei zweiten Übertragungskontakten.
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Die mobile Vorrichtung kann ganz besonders ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein, wie bereits zuvor erwähnt worden ist. Unter einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug wird dabei ein Fahrzeug verstanden, welches zumindest auch elektrisch durch einen von einem elektrischen Energiespeicher gespeisten elektrischen Antrieb antreibbar ist. Alternativ kann die mobile Vorrichtung aber auch beispielsweise ein mobiles Endgerät, wie beispielsweise ein Smartphone oder Notebook, sein.
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Möglich ist insbesondere, dass die zweiten Übertragungskontakte als punktförmige Übertragungskontakte ausgebildet sind. Damit ist nicht im wortwörtlichen Sinne gemeint, dass die zweiten Übertragungskontakte zwangsläufig die Form von Punkten aufweisen müssen, auch wenn dies möglich ist, sondern dass die flächige Erstreckung der zweiten Übertragungskontakte vergleichsweise, ganz besonders im Vergleich zu den ersten Übertragungskontakten, klein ist bzw. näherungsweise als punktförmig bezeichnet werden kann. In Verbindung mit flächigen Übertragungskontakten als ersten Übertragungskontakten kann so eine hohe Positionstoleranz erzielt werden, weil die zweiten Übertragungskontakte nur eine kleine Fläche aufweisen und so zuverlässig mit den ersten Übertragungskontakten mit der vergleichsweise großen Fläche, die auch als Übertragungsfläche bezeichnet werden kann, in Verbindung gebracht werden können.
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Möglich ist bei einem solchen System auch, dass ein Abstand zwischen den beiden zweiten Übertragungskontakten größer als eine Diagonale einer Fläche der ersten Übertragungskontakte ist. Ganz besonders ist dies vorteilhaft, wenn mehr als zwei erste Übertragungskontakte in der Energieübertragungseinheit bereitgestellt werden. Insoweit kann die Energieübertragungseinheit mehr als zwei erste Übertragungskontakte, beispielsweise zumindest vier oder mehr erste Übertragungskontakte aufweisen. Die ersten Übertragungskontakte können jeweils aneinander angrenzen bzw. benachbart zueinander sein und so eine Gesamtfläche ergeben, die aus den mehreren ersten Übertragungskontakten besteht. So kann sichergestellt werden, dass die ersten Übertragungskontakte unabhängig von der genauen Positionierung der mobilen Vorrichtung an oder auf der Gesamtfläche stets mit zweiten Übertragungskontakten in Energieübertragungsverbindung stehen. Dies gewährleistet eine einfache Handhabung für die Energieübertragung, da nicht ständig geprüft werden muss, ob die Energieübertragungseinheit und die mobile Vorrichtung korrekt zueinander ausgerichtet bzw. angeordnet sind oder, mit anderen Worten, eine Energieübertragungsverbindung tatsächlich hergestellt ist.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in der 1 schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen hier vorgestellten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
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Dabei zeigt 1 eine schematische Ansicht auf ein System 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das System 1 umfasst eine mobile Vorrichtung 10 mit einer Energiespeichereinheit 11, welche vorliegend als eine elektrische Energiespeichereinheit 11 ausgebildet ist. Die mobile Vorrichtung 10 kann beispielsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug sein, bei der die elektrische Energiespeichereinheit 11 als Traktionsbatterie ausgebildet ist.
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Mit der Energiespeichereinheit 11 verbunden sind zwei hinsichtlich ihrer flächigen Erstreckung im Wesentlichen als punktförmig ausgebildet bezeichenbare zweite (elektrische bzw. elektrisch leitfähige) Übertragungskontakte 12. Die Übertragungskontakte 12 sind voneinander beabstandet.
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Das System 1 umfasst ferner eine Energieübertragungseinheit 20, welche zur kabellosen und konduktiven Energieübertragung von einer daran angeschlossenen Energiequelle 33 an die mobile Vorrichtung 10 eingerichtet ist. Ganz besonders ist mit der übertragenen Energie die Energiespeichereinheit 11 aufladbar, sodass auch von einem Energieladen statt Energieübertragen und einem Ladevorgang statt einem Übertragungsvorgang gesprochen werden kann.
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Hierfür weist die Energieübertragungseinheit 20 zwei flächig ausgebildete erste (elektrische bzw. elektrisch leitfähige) Übertragungskontakte 22 aus, welche mittels entsprechender Leitungen in der Energieübertragungseinheit 20 mit einem Energieanschluss 21 der Energieübertragungseinheit 20 verbunden sind. Die Energieübertragungseinheit 20 ist ihrerseits mittels des Energieanschlusses 21 mit der Energiequelle bzw. Stromquelle 33 verbunden. Entsprechend kann Energie bzw. Strom von der Energiequelle 33 an die ersten Übertragungskontakte 22 fließen.
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Die Energieübertragungseinheit 20 kommt ohne Kabel zum Übertragen von Energie von der Energieübertragungseinheit 20 an die mobile Vorrichtung 10 aus und ist daher auch als kabellos bezeichenbar. Stattdessen erfolgt die Energieübertragung konduktiv, wenn die jeweiligen Übertragungskontakte 12, 22 miteinander kontaktiert werden, sodass auch von einer kabellosen und konduktiven Energieübertragungssystem 1 gesprochen werden kann.
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Ebenso kann in Bezug auf die mobile Vorrichtung 10 von einer kabellos und konduktiv aufladbaren Vorrichtung 10 gesprochen werden, die zudem mobil ausgebildet ist, also durch einen Nutzer bewegbar ist.
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Die Energieübertragungseinheit 20 weist nun eine Lichtbogendetektionseinheit 23 auf. Die Lichtbogendetektionseinheit 23 ist mittels zweier Messpunkte 29 mit je einem der beiden zweiten Übertragungskontakte 22 verbunden. Die beiden Messpunkte 29 sind jeweils in den Leitungen zwischen den Übertragungskontakten 22 und dem Energieanschluss 21 angeordnet. Die Lichtbogendetektionseinheit 23 weist dabei eine nicht gezeigte Auswerteeinheit auf und ist dazu eingerichtet, mittels Spannungs- und/oder Strommessung an den Messpunkten 29 einen Lichtbogen zu detektieren, der zwischen den jeweiligen Übertragungskontakten 12, 22 aufgebaut werden kann, ganz besonders, wenn die Energieübertragungseinheit 20 und/oder die mobile Vorrichtung 10 während eines Energieübertragungsvorgangs bzw. Ladevorgangs bewegt werden.
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Ferner weist die Energieübertragungseinheit 20 eine Energieübertragungsablaufsteuereinheit 24 auf, welche zum Steuern des Energieübertragungsvorgangs bzw. Ladevorgangs zwischen der mobilen Vorrichtung 10 und der Energieübertragungseinheit 20 eingerichtet ist. Die Lichtbogendetektionseinheit 23 ist mit der Energieübertragungsablaufsteuereinheit 24 verbunden, die wiederum mit der Energiequelle 33 verbunden ist, sodass die Lichtbogendetektionseinheit 23 bei Detektion eines Lichtbogens die Leistung der Energiequelle 33 reduzieren kann, um den Lichtbogen auszulöschen. Mit anderen Worten kann die Auslöschung des Lichtbogens durch eine Energieübertragungsablaufkommunikation mittels der Energieübertragungsablaufsteuereinheit 24 erfolgen.
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Durch die Kommunikation zwischen der Energieübertragungsablaufsteuereinheit 24 und der Lichtbogendetektionseinheit 23 kann ferner sichergestellt werden, dass es zu keiner Fehlauslösung kommt, beispielsweise während des Starts oder Beendens des Energieübertragungsvorgangs. Zusätzlich können aktuelle Energieübertragungsparameter ausgetauscht werden, wie z.B. der Energieübertragungsstrom oder die Energieübertragungsspannung, um zusätzliche Fehlerüberwachungen und engere Fehlererkennungsfenster zu realisieren.
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Schließlich weist die Energieübertragungseinheit 20 eine mit der Lichtbogendetektionseinheit 23 verbundene Schalteinheit 25 mit einem ersten Schaltelement 26, welches in der Leitung zwischen einem der ersten Übertragungskontakte 22 und der Energiequelle 33 bzw. dem Energieanschluss 21 geschaltet ist. Durch Ansteuern des ersten Schaltelement 26 kann die Lichtbogendetektionseinheit 23 die Energieversorgung der ersten Übertragungskontakte 22 schnell unterbrechen und dadurch verhindern, dass dem Lichtbogen weiter Energie zugeführt wird.
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Ferner weist die Schalteinheit 25 ein zweites Schaltelement 27 auf, welches in einer Verbindungsleitung 28 zwischen den beiden Leitungen der ersten Übertragungskontakte 22 zu dem Energieanschluss 21 angeordnet bzw. geschaltet ist. Auch dieses zweite Schaltelement 27 ist durch die Lichtbogendetektionseinheit 23 schaltbar und erlaubt so das Kurzschließen der beiden Übertragungskontakte 22 miteinander, damit die restliche Energie in dem Lichtbogen abgebaut werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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