DE102022106634A1

DE102022106634A1 - Vorrichtung und Verfahren zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022106634A1
Application number: DE102022106634.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Sterff; Andreas Hager; Matthias Kerler; Johannes Rarbach
Original assignee: Pepper Motion GmbH
Current assignee: MEDLABIX GMBH, DE
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2023180207A1

Abstract

Vorrichtung (100) zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie (20) eines Fahrzeugs (110), umfassend jeweils wenigstens- einen DC/Mittelfrequenz-Wandler (12), welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordnet ist,- einen Mittelfrequenz/DC-Wandler (18), welcher in dem Fahrzeug (110) angeordnet ist,- ein Spulensystem, umfassend wenigstens eine erste Spule (14) und wenigstens eine zweite Spule (16), wobei die wenigstens erste Spule (14) an der Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule (16) an dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, wobei die wenigstens erste Spule (14) mit dem DC/Mittelfrequenz-Wandler (12) elektrisch verbunden ist und wobei die wenigstens zweite Spule (16) mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) elektrisch verbunden ist, wobei die wenigstens erste Spule (14) in einer Hochachse (112) über dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, und wobei die wenigstens zweite Spule (16) auf einem Dach (114) des Fahrzeugs (110) angeordnet ist, und wobei die wenigstens erste Spule (14) und/oder die wenigstens zweite Spule (16) zum Laden zusammenführbar sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs.
Das Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen kann mittels konduktiven und induktiven Ladeverfahren erfolgen. Bei konduktiven Ladeverfahren wird die elektrische Energie über mechanische und galvanisch verbundene Kontaktsätze in das Fahrzeug übertragen. Bei induktiven Ladeverfahren wird die Energie über ein Magnetfeld berührungslos von einer Primärspule, die üblicherweise im Boden unter dem Fahrzeug integriert ist, auf eine Sekundärspule, die sich im Fahrzeug befindet, übertragen.
Konduktives Laden kommt bei Nutzfahrzeugen wie beispielsweise Bussen üblicherweise zum Einsatz, bei denen die Kapazität des Energiespeichers im Fahrzeug für einen ganzen Tageseinsatz (Umlauf) ausgelegt ist. Bevorzugt wird dabei die Nachtladung, welche an zentralen Punkten während der Betriebspause erfolgt, vorzugsweise im Betriebshof.
Wird als Traktionsbatterie ein kleinerer Energiespeicher verwendet, der nicht für einen kompletten Umlauf ausgelegt ist, kommt die Gelegenheitsladung (engl. Opportunity Charger) zum Einsatz. Dabei muss der Energiespeicher während des Linieneinsatzes auf der Strecke nachgeladen werden.
Im Gegensatz zur Depotladung mit eventueller Zwischenladung kommen notwendigerweise hohe Ladeleistungen und ein Pantograph-Ladesystem zur Anwendung. Diese Ladestrategie sieht neben der Gelegenheitsladung auf der Strecke zusätzlich eine Nachladung auf dem Betriebshof sowie an Wendepunkten vor. Zusätzlich können ausgewählte Haltestellen mit längerer Haltezeit als Ladepunkte mit dem Ziel der Vollladung ausgelegt werden.
Das induktive Laden zeichnet sich physikalisch durch einen Energietransport über die magnetischen Feldlinien aus. Bestimmendes Merkmal ist, dass der magnetische Fluss die räumliche Grenze von Fahrzeug zu Ladeinfrastruktur durchsetzt, denn transformatorische (galvanische) Trennung der Stromkreise ist in allen anderen Ladeverfahren an unterschiedlichen Stellen des Systems ebenfalls vorhanden und auch normativ gefordert. So können beispielsweise Mittelspannungstransformatoren eingesetzt werden, die mehrere Unterspannungswicklungen besitzen, und bei denen jede Unterspannungswicklung einen Ladestromrichter und somit einen Ladepunkt versorgt. Normativ sind auf diese Weise die Ladepunkte vom versorgenden Netz als auch von benachbarten Ladepunkten getrennt. In diesem speziellen Fall benötigen die Ladestromrichter innerhalb ihrer Architektur keine weitere galvanische Trennung mehr.
Induktive Energieübertragungssysteme basieren auf dem Prinzip der magnetischen Kopplung im Nahfeld. Ein sich zeitlich veränderlicher Strom in der Primärspule erzeugt einen sich zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss, welcher die fahrzeugseitig befindliche Sekundärspule durchsetzt. Dieser magnetische Fluss erzeugt in der Sekundärspule eine Induktionsspannung sowie einen zeitlich veränderlichen Strom. Das durch den Strom wiederum erzeugte magnetische Feld überlagert sich mit dem der Primärspule.
Typische Leistungsbereiche sind hier 22kW. Pilotanlagen mit 200kW Leistung wurden bereits realisiert. Hinsichtlich des Wirkungsbereiches der magnetischen Feldlinien wird zwischen sogenannten „short-range“ und „mid-range“ Systemen unterschieden. Dabei wird ein System mit einem Verhältnis der Übertragungsdistanz zur Spulenabmessung kleiner eins den short-range Systemen zugewiesen, Systeme mit einem Verhältnis größer eins den mid-range Systemen. Beide Systeme verfolgen unterschiedliche Ziele durch die physikalische Ausrichtung auf unterschiedliche Theoreme. Das mid-range System verfolgt als Ziel die Leistungsanpassung durch Impedanzanpassung. Das short-range System verfolgt den Ansatz der Effizienzmaximierung.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs zu schaffen, welche insbesondere für Nutzfahrzeuge wie Busse einsetzbar ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs anzugeben, welches insbesondere für Nutzfahrzeuge wie Busse einsetzbar ist.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs vorgeschlagen, umfassend jeweils wenigstens einen DC/Mittelfrequenz-Wandler, welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung angeordnet ist, einen Mittelfrequenz/DC-Wandler, welcher in dem Fahrzeug angeordnet ist, sowie ein Spulensystem umfassend wenigstens eine erste Spule und wenigstens eine zweite Spule, wobei die wenigstens erste Spule an der Ladeinfrastruktureinrichtung angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule an dem Fahrzeug angeordnet ist. Die wenigstens erste Spule ist mit dem DC/Mittelfrequenz-Wandler elektrisch verbunden und die wenigstens zweite Spule ist mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler elektrisch verbunden. Die wenigstens erste Spule ist in einer Hochachse über dem Fahrzeug angeordnet und die wenigstens zweite Spule ist auf einem Dach des Fahrzeugs angeordnet. Dabei sind die wenigstens erste Spule und/oder die wenigstens zweite Spule zum Laden zusammenführbar.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist Vorteile des induktiven Ladens auf. Aufgrund der Übertragung elektrischer Leistung ohne Kontaktsätze von einer ersten Spule als sogenannter Primärspule auf eine zweite Spule als sogenannter Sekundärspule ist die Vorrichtung geschützt vor Verschleiß und Witterungseinflüssen. Die Vorrichtung verbindet die Vorteile eines konduktiven Ladens über einen Pantographen mit denen des induktiven Ladens und umgeht so die Nachteile des induktiven Ladens wie Gesundheitsrisiken durch große magnetische Feldstärken und schlecht oder nur kostspielig zu verkleinernde Luftspaltstrecken.
Das Spulensystem kann auch mehrere erste Spulen und/oder mehrere zweite Spulen je nach geometrischer Realisierung aufweisen.
Das vorgeschlagene induktive Ladesystem ist vom Boden gelöst und wird anstelle eines mechanischen Kontaktsatzes in den Pantographen integriert. Dabei wird der mechanische Kontaktsatz des Pantographen durch das Spulensystem des induktiven Ladesystems ausgetauscht.
Die Vorrichtung weist zwei wesentliche Ausgestaltungen auf. Entweder befindet sich ein beweglicher Teil des Systems, beispielsweise ein Arm auf dem Fahrzeug, oder der bewegliche Teil des Systems befindet sich im invertierenden Sinn über dem Fahrzeug aufgehängt. Das bedeutet eine Spule des magnetischen Systems ist immer auf dem Fahrzeugdach angeordnet, während die andere Spule über dem Fahrzeug aufgehängt ist. Eine der beiden Spulen ist beispielsweise mittels eines mechanischen Arms beweglich.
Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Nachteile des induktiven Ladens beseitigt. Der Luftspalt des Spulensystems lässt sich einfach schließen bis auf eine minimal notwendige Grenz- und/oder Isolierschicht zwischen den Spulen. Die Spulen können formschlüssig aufeinander liegen und die magnetischen Felder können erheblich präziser geführt werden. Bedingt dadurch werden die magnetische Abstrahlung sowie die Streuflüsse des Systems wesentlich verkleinert. Damit kann auf erhöhte Sicherheitsvorkehrungen verzichtet werden, da sichergestellt ist, dass kein Lebewesen von den hohen Feldstärken durchsetzt wird. Auch können sich keine Fremdkörper zwischen den Spulensystemen befinden. Durch die genaue Positionierung von Primärspule und Sekundärspule aufeinander, ist ein entsprechender Effizienzgewinn möglich. Die Effizienz des induktiven Ladens wird erheblich gesteigert, da der Blindleistungsbedarf erfindungsgemäß erheblich verkleinert wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zum induktiven Laden ermöglicht, elektrische Leistungsflüsse komfortabel und sicher, ohne händisches Einwirken, also automatisch initiiert in Fahrzeuge zu transferieren.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass Primärspule und Sekundärspule nicht nur in vertikaler Richtung aufeinander zu bewegt werden können. Die Ladeinfrastruktureinrichtung kann sich optional auch in horizontaler Richtung auf das zu ladende Fahrzeug zubewegen.
Eine Barrierefreiheit zukünftiger Betriebshöfe für Nutzfahrzeuge, welche einen Schutz gegen mögliche Schäden an Fahrzeugen und Einrichtungen bieten soll, kann weitgehend erhalten bleiben, da das System bestimmungsgemäß in die Höhe gebaut wird.
Durch die vorgeschlagene Vorrichtung ist ein Höchstmaß an elektrischer Sicherheit gegeben. Es gibt keine Ladegarnituren wie Ladekabel, welche bei der erforderlichen Ladeleistung allein aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts von Hand schwer zu montieren sind, und welche einer drohenden Beschädigung durch Überfahren oder durch Anfahren beispielsweise durch Schneeräumdienste ausgesetzt sein können. Verschleißende Kontaktsätze sind nicht vorhanden. Witterungseinflüsse nehmen keinen Einfluss bzw. können leicht kontrolliert werden. Durch das Nichtvorhandensein von elektrischen Kontakten ist ein maximaler elektrischer Berührungsschutz für das Personal gewährleistet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Ladeinfrastruktureinrichtung einen invertierenden Pantographen aufweisen, an welchem die wenigstens erste Spule angeordnet ist. Auf diese Weise kann die erste Spule, wenn das Fahrzeug unter einem Ladepunkt mit der ersten Spule zum Stehen kommt, über den invertierenden Pantographen auf die zweite Spule abgesenkt werden und so der induktive Ladevorgang eingeleitet werden, wenn die beiden Spulen einen minimalen Abstand erreicht haben.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Pantograph auf dem Fahrzeug angeordnet sein und die wenigstens zweite Spule an dem Pantographen angeordnet sein. Auf diese Weise kann die zweite Spule, wenn das Fahrzeug unter einem Ladepunkt mit der ersten Spule zum Stehen kommt, über den Pantographen an die erste Spule herangefahren werden und so der induktive Ladevorgang eingeleitet werden, wenn die beiden Spulen einen minimalen Abstand erreicht haben.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung können die wenigstens erste Spule und die wenigstens zweite Spule formschlüssig ausgebildet sein. Insbesondere können die wenigstens erste Spule und die wenigstens zweite Spule im zusammengeführten Zustand einen Formschluss bilden. Sind die beiden Spulen so ausgebildet, dass sie bei minimalem Abstand einen Formschluss bilden, können günstige Bedingungen für die induktive Energieübertragung erreicht werden. Auch kann so leicht detektiert werden, dass die für die Energieübertragung vorteilhafte Position der beiden Spulen zueinander erreicht ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Vorrichtung eine Positioniereinrichtung umfassen, welche ausgebildet ist, die wenigstens erste Spule und/oder die wenigstens zweite Spule so zu positionieren, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist. Durch die Positioniereinrichtung, welche mit einer der beiden Spulen mechanisch verbunden sein kann, kann ein minimaler Abstand der beiden Spulen zueinander und ein möglicher Formschluss eingestellt werden. Damit kann die Effizienz der Energieübertragung vorteilhaft erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann eine Steuerung der Positioniereinrichtung in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler integriert sein.
Auf diese Weise kann die Steuerung der Positioniereinrichtung über eine Steuerung der Blindleistung des Systems vorgenommen werden. Dadurch kann die Effizienz der Energieübertragung vorteilhaft erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Steuerung mit einem bildgebenden optischen System gekoppelt sein, welches wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule oder der wenigstens zweiten Spule optisch erfasst. Damit kann die Steuerung der Positioniereinrichtung vorteilhaft durchgeführt werden und auf effiziente Weise die beiden Spulen auf minimalen Abstand positioniert werden.
Eine Steuerung der Position der beiden Spulen kann so schneller erfolgen, insbesondere wenn der Abstand der beiden Spulen noch relativ groß ist.
Vorteilhaft kann die übertragene elektrische Energie von dem Mittelfrequenz/DC-Wandler direkt in die Hochvolt-Batterie gespeist werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Mittelfrequenz/DC-Wandler mit einem DC/DC-Wandler eines Traktionsstromrichters elektrisch verbunden sein. Damit kann die übertragene elektrische Energie in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters eingespeist werden. Der DC/DC-Wandler des Traktionsstromrichters übernimmt dann gemäß den Vorgaben eines Batteriesteuergeräts der Hochvolt-Batterie die Regelung von Ladestrom und Ladespannung, ähnlich wie bei einer Rekuperation während der Fahrt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Mittelfrequenz/DC-Wandler als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildet sein.
Gemäß der Anordnung, dass die übertragene elektrische Energie in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters eingespeist wird, bedarf es keines aktiven Mittelfrequenz/DC-Wandlers, sondern eine passive Gleichrichtung der Mittelfrequenz ist für die Erfüllung der Aufgabe ausreichend. So lässt sich die Vorrichtung für das induktive Laden weiter vereinfachen.
Vorteilhaft kann die Ladeinfrastruktureinrichtung einen AC/DC-Wandler mit DC-Ausgang aufweisen, über welchen der DC/Mittelfrequenz-Wandler elektrisch gespeist wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Ladeinfrastruktureinrichtung mit einer zentralen DC-Versorgung elektrisch verbunden sein.
In dieser Ausgestaltung weist nicht jedes einzelne Pantograph-System einen eigenen AC/DC-Wandler auf. Vielmehr wird ein gemeinsamer AC/DC-Wandler für alle angeschlossenen Pantograph-Systeme an zentraler Stelle installiert und versorgt alle Pantographen als DC-Spannungsquelle mit der elektrischen Energie für den Ladevorgang. Neben der Kostenreduzierung für das Gesamtsystem ist die Verschlankung und Reduzierung der Installationen auf Mastarmen und Technikbrücken der Ladeinfrastruktureinrichtungen im Feld ganz besonders vorteilhaft.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann wenigstens eine der wenigstens ersten Spule oder der wenigstens zweiten Spule, insbesondere wenigstens beim Laden der Hochvolt-Batterie, aktiv gekühlt sein. Dadurch kann die beim Laden der Hochvolt-Batterie entstehende Verlustwärme günstig abgeführt werden. Wenn die beiden Spulen beim Laden formschlüssig aufeinander liegen, so genügt es, wenn nur eine der beiden Spulen, die Senderspule oder die Empfängerspule, aktiv gekühlt ist.
Die jeweils andere Spule wird dabei durch den Wärmetransport mittels Wärmeleitung von der ungekühlten hin zur gekühlten Spule mitgekühlt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs vorgeschlagen, mit einer Vorrichtung, umfassend jeweils wenigstens einen DC/Mittelfrequenz-Wandler, welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung angeordnet ist, einen Mittelfrequenz/DC-Wandler, welcher in dem Fahrzeug angeordnet ist, ein Spulensystem umfassend wenigstens eine erste Spule und wenigstens eine zweite Spule, wobei die wenigstens erste Spule in einer Hochachse über dem Fahrzeug angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule auf einem Dach des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die wenigstens erste Spule von dem DC/Mittelfrequenz-Wandler elektrisch versorgt wird und wobei die wenigstens zweite Spule mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler elektrisch verbunden ist.
Dabei umfasst das Verfahren wenigstens die Schritte Fahren des Fahrzeugs in eine Ladeinfrastruktureinrichtung; Zusammenführen der wenigstens ersten und der wenigstens zweiten Spule durch Bewegen der wenigstens ersten Spule auf die wenigstens zweite Spule zu und/oder Bewegen der wenigstens zweiten Spule auf die wenigstens erste Spule zu; Starten des Ladevorgangs.
Das vorgeschlagene Verfahren weist Vorteile des induktiven Ladens auf. Aufgrund der Übertragung elektrischer Leistung ohne Kontaktsätze von einer ersten Spule als sogenannter Primärspule auf eine zweite Spule als sogenannter Sekundärspule ist die benutzte Vorrichtung geschützt vor Verschleiß und Witterungseinflüssen.
Das Verfahren verbindet die Vorteile eines konduktiven Ladens über einen Pantographen mit denen des induktiven Ladens und umgeht so die Nachteile des induktiven Ladens wie Gesundheitsrisiken durch große magnetische Feldstärken und schlecht oder nur kostspielig zu verkleinernde Luftspaltstrecken.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ist das induktive Ladesystem vom Boden gelöst und wird anstelle eines mechanischen Kontaktsatzes in den Pantographen integriert. Der mechanische Kontaktsatz des Pantographen wird dabei durch das Spulensystem des induktiven Ladesystems ausgetauscht.
Das Verfahren sieht zwei wesentliche Ausgestaltungen vor. Entweder befindet sich ein beweglicher Teil des Systems, beispielsweise ein Arm auf dem Fahrzeug, oder der bewegliche Teil des Systems befindet sich im invertierenden Sinn über dem Fahrzeug aufgehängt. Das bedeutet eine Spule des magnetischen Systems ist immer auf dem Fahrzeugdach angeordnet, während die andere Spule über dem Fahrzeug aufgehängt ist. Eine der beiden Spulen ist beispielsweise mittels eines mechanischen Arms beweglich.
Durch das vorgeschlagene Verfahren sind die Nachteile des induktiven Ladens beseitigt. Der Luftspalt des Spulensystems lässt sich einfach schließen bis auf eine minimal notwendige Grenz- und/oder Isolierschicht zwischen den Spulen. Die Spulen können formschlüssig aufeinander liegen und die magnetischen Felder können erheblich präziser geführt werden. Bedingt dadurch werden die magnetische Abstrahlung sowie die Streuflüsse des Systems wesentlich verkleinert. Damit kann auf erhöhte Sicherheitsvorkehrungen verzichtet werden, da sichergestellt ist, dass kein Lebewesen von den hohen Feldstärken durchsetzt wird. Auch können sich keine Fremdkörper zwischen den Spulensystemen befinden.
Durch die genaue Positionierung von Primärspule und Sekundärspule aufeinander, ist ein entsprechender Effizienzgewinn möglich. Die Effizienz des induktiven Ladens wird erheblich gesteigert, da der Blindleistungsbedarf erfindungsgemäß erheblich verkleinert wird.
Das vorgeschlagene Verfahren zum induktiven Laden ermöglicht, elektrische Leistungsflüsse komfortabel und sicher, ohne händisches Einwirken, also automatisch initiiert in Fahrzeuge zu transferieren.
Eine Barrierefreiheit zukünftiger Betriebshöfe für Nutzfahrzeuge, welche einen Schutz gegen mögliche Schäden an Fahrzeugen und Einrichtungen bieten soll, kann weitgehend erhalten bleiben, da das System bestimmungsgemäß in die Höhe gebaut wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Höchstmaß an elektrischer Sicherheit gegeben. Es gibt keine Ladegarnituren wie Ladekabel, welche bei der erforderlichen Ladeleistung allein aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts von Hand schwer zu montieren sind, und welche einer drohenden Beschädigung durch Überfahren oder durch Anfahren beispielsweise durch Schneeräumdienste ausgesetzt sein können. Verschleißende Kontaktsätze sind nicht vorhanden. Witterungseinflüsse nehmen keinen Einfluss bzw. können leicht kontrolliert werden.
Durch das Nichtvorhandensein von elektrischen Kontakten ist ein maximaler elektrischer Berührungsschutz für das Personal gewährleistet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die wenigstens erste Spule auf die in der Hochachse auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnete wenigstens zweite Spule abgesenkt werden. Insbesondere kann die wenigstens erste Spule mittels eines an der Ladeinfrastruktureinrichtung angeordneten invertierenden Pantographen abgesenkt werden.
Auf diese Weise kann die erste Spule, wenn das Fahrzeug unter einem Ladepunkt mit der ersten Spule zum Stehen kommt, über den invertierenden Pantographen auf die zweite Spule abgesenkt werden und so der induktive Ladevorgang eingeleitet werden, wenn die beiden Spulen einen minimalen Abstand erreicht haben.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die an einem Pantographen angeordnete wenigstens zweite Spule an die in der Hochachse über dem Fahrzeug angeordnete erste Spule herangeführt werden, wobei der Pantograph auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnet ist. Auf diese Weise kann die zweite Spule, wenn das Fahrzeug unter einem Ladepunkt mit der ersten Spule zum Stehen kommt, über den Pantographen an die erste Spule herangefahren werden und so der induktive Ladevorgang eingeleitet werden, wenn die beiden Spulen einen minimalen Abstand erreicht haben.
Vorteilhaft können so die erste Spule und die zweite Spule formschlüssig zusammengeführt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die wenigstens erste Spule und/oder die wenigstens zweite Spule mittels einer Positioniereinrichtung so positioniert werden, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist.
Durch die Positioniereinrichtung, welche mit einer der beiden Spulen mechanisch verbunden sein kann, kann ein minimaler Abstand der beiden Spulen zueinander und ein möglicher Formschluss eingestellt werden. Damit kann die Effizienz der Energieübertragung vorteilhaft erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Positioniereinrichtung über eine in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler integrierte Steuerung gesteuert werden. Auf diese Weise kann die Steuerung der Positioniereinrichtung über eine Steuerung der Blindleistung des Systems vorgenommen werden. Dadurch kann die Effizienz der Energieübertragung vorteilhaft erhöht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels eines bildgebenden optischen Systems wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule oder der wenigstens zweiten Spule optisch erfasst werden, welche an die Steuerung gesendet wird. Damit kann die Steuerung der Positioniereinrichtung vorteilhaft durchgeführt werden und auf effiziente Weise die beiden Spulen auf minimalen Abstand positioniert werden. Eine Steuerung der Position der beiden Spulen kann so schneller erfolgen, insbesondere wenn der Abstand der beiden Spulen noch relativ groß ist.
Vorteilhaft kann die über den Mittelfrequenz/DC-Wandler übertragene elektrische Energie direkt in die Hochvolt-Batterie gespeist werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die elektrische Energie über den Mittelfrequenz/DC-Wandler in einen DC/DC-Wandler eines Traktionsstromrichters übertragen werden. Damit kann die übertragene elektrische Energie in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters eingespeist werden. Der DC/DC-Wandler des Traktionsstromrichters übernimmt dann gemäß den Vorgaben eines Batteriesteuergeräts der Hochvolt-Batterie die Regelung von Ladestrom und Ladespannung, ähnlich wie bei einer Rekuperation während der Fahrt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die elektrische Energie über den als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildeten Mittelfrequenz/DC-Wandler übertragen werden. Wenn die übertragene elektrische Energie in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters eingespeist wird, bedarf es keines aktiven Mittelfrequenz/DC-Wandlers, sondern eine passive Gleichrichtung der Mittelfrequenz ist für die Erfüllung der Aufgabe ausreichend. So lässt sich das Verfahren für das induktive Laden weiter vereinfachen.
Vorteilhaft kann die elektrische Energie in der Ladeinfrastruktureinrichtung über einen AC/DC-Wandler mit DC-Ausgang in den DC/Mittelfrequenz-Wandler gespeist werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die elektrische Energie aus einer zentralen DC-Versorgung in die Ladeinfrastruktureinrichtung gespeist werden. In dieser Ausgestaltung weist nicht jedes einzelne Pantograph-System einen eigenen AC/DC-Wandler auf. Vielmehr wird ein gemeinsamer AC/DC-Wandler für alle angeschlossenen Pantograph-Systeme an zentraler Stelle installiert und versorgt alle Pantographen als DC-Spannungsquelle mit der elektrischen Energie für den Ladevorgang. Neben der Kostenreduzierung für das Gesamtsystem ist die Verschlankung und Reduzierung der Installationen auf Mastarmen und Technikbrücken der Ladeinfrastruktureinrichtungen im Feld ganz besonders vorteilhaft.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens eine der wenigstens ersten Spule oder der wenigstens zweiten Spule, insbesondere wenigstens beim Laden der Hochvolt-Batterie, aktiv gekühlt werden. Dadurch kann die beim Laden der Hochvolt-Batterie entstehende Verlustwärme günstig abgeführt werden.
Wenn die beiden Spulen beim Laden formschlüssig aufeinander liegen, so genügt es, wenn nur eine der beiden Spulen, die Senderspule oder die Empfängerspule, aktiv gekühlt wird. Die jeweils andere Spule wird dabei durch den Wärmetransport mittels Wärmeleitung von der ungekühlten hin zur gekühlten Spule mitgekühlt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Ladestation vorgeschlagen zum Ausführen eines Ladevorgangs von Fahrzeugen mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie der Fahrzeuge. Die Ladestation umfasst wenigstens eine Halterung, in welcher wenigstens eine Ladeinfrastruktureinrichtung verschieblich angeordnet ist, einen AC/DC-Wandler zur elektrischen Versorgung der Ladeinfrastruktureinrichtung und eine Positionierhilfseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation wenigstens mit einem Fahrzeug. Die Ladeinfrastruktureinrichtung ist in einer Hochachse über einem darunter haltenden Fahrzeug positionierbar. Die Positionierhilfseinrichtung ist ausgebildet, dem Fahrzeug eine Halteposition zuzuweisen.
Die Positionierhilfseinrichtung kann die Ladeinfrastruktureinrichtung zu der Halteposition des Fahrzeugs dirigieren. Dabei sind insbesondere laterale Bewegungen der Ladeinfrastruktureinrichtung entlang der Halterung möglich. Denkbar ist jedoch auch eine Bewegung der Ladeinfrastruktureinrichtung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung, so dass nicht nur nebeneinander stehende, sondern auch hintereinander stehende Fahrzeuge geladen werden können.
Vorteilhaft kann eine im Fahrzeug ohnehin vorhandene Kommunikationstechnik genutzt werden. Eine genaue Positionierung kann unabhängig vom Fahrzeugtyp erfolgen, da die Sensorik Bezug auf die Position der „Spulen im Raum“ und nicht auf die Fahrzeuggeometrie nimmt. Anzeigen und Hilfen außerhalb des Fahrzeuges können daher entfallen.
Vorteilhaft kann sich die Ladeinfrastruktureinrichtung auf diese Weise intelligent dem zu ladenden Fahrzeug nähern. Ein Rangieren des Fahrzeugs kann entfallen. Das Lademanagement kann in Vollautomation erfolgen. Das Laden kann für den Nutzer komfortabel und sicher ausgeführt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladestation kann die Positionierhilfseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer Telematikzentrale ausgebildet sein.
Die Telematik ist heute in Nutzfahrzeugen ein Standardinstrument für die Kommunikation zwischen Fahrer und Betriebshof. Es werden darüber technische Fahrzeugdaten als auch auftragsbezogene Daten ausgetauscht.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem invertierenden Pantographen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem Pantographen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein schematisches Blockdiagramm der elektrischen Komponenten der Vorrichtung zum induktiven Laden mit einer Positioniereinrichtung zum Ausrichten der ersten Spule nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein schematisches Blockdiagramm der elektrischen Komponenten der Vorrichtung zum induktiven Laden mit einer Positioniereinrichtung zum Ausrichten der zweiten Spule nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die übertragene elektrische Energie direkt in die Hochvolt-Batterie gespeist wird;
6 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die übertragene elektrische Energie in einen Traktionsstromrichter gespeist wird;
7 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die übertragene elektrische Energie über eine passive Dioden-Brückenschaltung als Mittelfrequenz/DC-Wandler in einen Traktionsstromrichter gespeist wird; und
8 einen Ladevorgang eines Fahrzeugs mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Ladeinfrastruktureinrichtung über eine zentrale DC-Versorgung gespeist wird;
9 eine Ladestation zum Ausführen eines Ladevorgangs von Fahrzeugen mittels einer Vorrichtung zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem invertierenden Pantographen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt einen Ladevorgang eines Fahrzeugs 110 mittels einer Vorrichtung 100 zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie 20 des Fahrzeugs 110, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem invertierenden Pantographen 52 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In den 3 und 4 ist dazu jeweils ein schematisches Blockdiagramm der elektrischen Komponenten der Vorrichtung 100 zum induktiven Laden dargestellt.
Die Vorrichtung 100 umfasst jeweils wenigstens einen DC/Mittelfrequenz-Wandler 12, welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung 50 angeordnet ist, einen Mittelfrequenz/DC-Wandler 18, welcher in dem Fahrzeug 110 angeordnet ist, sowie ein Spulensystem umfassend wenigstens eine erste Spule 14 und wenigstens eine zweite Spule 16, wobei die wenigstens erste Spule 14 an der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule 16 an dem Fahrzeug 110 angeordnet ist. Die wenigstens erste Spule 14 ist mit dem DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 elektrisch verbunden und die wenigstens zweite Spule 16 ist mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 elektrisch verbunden.
Die wenigstens erste Spule 14 ist in einer Hochachse 112 über dem Fahrzeug 110 angeordnet, und die wenigstens zweite Spule 16 ist auf einem Dach 114 des Fahrzeugs 110 angeordnet. Dabei sind die wenigstens erste Spule 14 und/oder die wenigstens zweite Spule 16 zum Laden zusammenführbar.
Die wenigstens erste Spule 14 und die wenigstens zweite Spule 16 sind formschlüssig ausgebildet. Insbesondere bilden die beiden Spulen 14, 16 im zusammengeführten Zustand einen Formschluss.
In 1 ist das Fahrzeug 110 in Form eines Busses unter einem invertierenden induktiven Pantographen 52 abgestellt. Der invertierende Pantograph 52 ist beispielsweise an einem Mastarm oder unter einer Technikbrücke 54 einer Ladeinfrastruktureinrichtung 50 aufgehängt. Die Ladeinfrastruktureinrichtung 50 kann beispielsweise an einer Decke 56 einer Betriebshalle angeordnet sein. Am unteren Ende des beweglichen Teils des Pantographen 52 befindet sich eine erste Spule 14 eines Spulensystems. Eine zweite Spule 16 des Spulensystems ist auf dem Fahrzeugdach 114 montiert. Die zugehörigen elektronischen Komponenten zum Betrieb der ersten Spule 14 können auf der Technikbrücke 54 oder einem Mastarm in witterungsbeständigen Gehäusen angebracht bzw. untergebracht sein.
Der bewegliche Teil des Pantographen 52 ist als Scherensystem schematisch dargestellt. Dieser Teil kann aber auch durch andere Lösungen nach dem Stand der Technik ausgeführt sein, wie z.B. als Gelenkarm oder als Linearführung. Im Wesentlichen ist der bewegliche Teil für eine Bewegungsfreiheit in der Hochachse 112 in Form einer Auf- und Abwärtsbewegung vorgesehen.
Die Vorrichtung 100 kann dazu eine Positioniereinrichtung 22 aufweisen, welche ausgebildet ist, die wenigstens erste Spule 14 und/oder die wenigstens zweite Spule 16 so zu positionieren, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist. Eine Steuerung der Positioniereinrichtung 22 kann in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 integriert sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung mit einem bildgebenden optischen System gekoppelt sein, welches wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule 14 oder der wenigstens zweiten Spule 16 optisch erfasst und dadurch das Zusammenführen der ersten und zweiten Spule 14, 16 auf direkte und effiziente Weise ermöglicht.
Vorzugsweise wird bei einer Vorrichtung 100 mit einem invertierenden Pantographen 52 die Positioniereinrichtung 22 in den invertierenden Pantographen 52 integriert oder durch diesen gebildet sein, sodass dabei die erste Spule 14 auf die zweite Spule 16 zugeführt bzw. bei Bewegungen des Fahrzeugs 110 nachgeführt werden kann. Vorteilhaft kann so ein automatischer Ausgleich des Bewegungsspielraumes (Toleranzraum) des Spulensystems bedingt durch das Absenken des Fahrgestells auf einer Seite (dem sogenannten „Kneeling“) bzw. dem Federnspiel bei Be- und Entlastung des Fahrgestells erfolgen, wie es gerade beim Betrieb von Bussen zur Erleichterung des Zustiegs bzw. dem Aus- und Einsteigen von Fahrgästen auftritt.
2 zeigt einen Ladevorgang eines Fahrzeugs 110 mittels einer Vorrichtung 100 zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie 20 des Fahrzeugs 110, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem Pantographen 116 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Pantograph 116 ist als Standardpantograph ausgebildet. Hierbei ist der bewegliche Teil des Pantographen 116 mit der zweiten Spule 16 des Spulensystems auf dem Fahrzeugdach 114 montiert. Der ortsfeste Teil, also die erste Spule 14 des Spulensystems, ist über dem Fahrzeug 110 stationär montiert. Funktionell arbeitet diese Vorrichtung gleich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1.
Der Unterschied besteht darin, dass, wenn das System in Ruhe befindlich ist, der bewegliche Teil auf das Fahrzeugdach 114 abgesenkt ist, während bei dem Ausführungsbeispiel in 1 der bewegliche Teil in Ruhestellung unter den Technikträger 54 angehoben ist. Der bewegliche Teil des Pantographen 116 kann ebenfalls wie oben beschrieben nach unterschiedlichen Stand der Technik ausgeführt sein.
Vorzugsweise wird bei dieser Vorrichtung 100 mit einem Standard-Pantographen 116 die Positioniereinrichtung 22 in den Pantographen 116 integriert oder durch diesen gebildet sein, sodass dabei die zweite Spule 16 auf die erste Spule 14 zugeführt bzw. bei Bewegungen des Fahrzeugs 110 nachgeführt werden kann.
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektrischen Komponenten der Vorrichtung 100 zum induktiven Laden mit einer Positioniereinrichtung 22 zum Ausrichten der ersten Spule 14 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Positioniereinrichtung 22 zum Ausrichten der zweiten Spule 16 verwendet wird.
Ein AC/DC-Wandler 10 ist mit einem nicht dargestellten AC-Stromnetz verbunden und bezieht dort die Energie für die Vorrichtung 100 zum induktiven Laden. Das geschieht nach dem Stand der Technik in aller Regel netzdienlich und netzstützend. Das heißt die aufgenommenen elektrischen Ströme sind sinusförmig mit geringstem Oberwellengehalt und bei Bedarf kann der AC/DC-Wandler 10 auch Blindleistung zur Netzstützung bereitstellen. Technologisch kann der AC/DC-Wandler 10 als aktiver Tiefpass und Tiefsetzsteller oder als Boost-Inverter und Hochsetzsteller ausgeführt sein. Der AC/DC-Wandler 10 liefert an seinem Ausgang eine DC-Spannung und stellt hiermit eine Versorgung für den DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 bereit.
Der DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 erzeugt eine Spannung im Kilohertzbereich, womit die erste Spule 14 des Spulensystems versorgt wird. Die magnetische Kopplung der beiden Spulen 14, 16 ist in den 3 und 4 mit Magnetfeldlinien 70 angedeutet. Weil die gekoppelten ersten und zweiten Spulen 14, 16 nicht auf einem gemeinsamen Kern zur magnetischen Flussbündelung gewickelt sind, ist das Spulensystem zweckmäßig großflächig ausgeführt, um somit die magnetischen Streuflüsse, also diejenigen, welche neben den Wicklungen koppeln, zu minimieren. Das hat einen direkten Einfluss auf die benötigte Blindleistung für das System. Je geringer die Streuflüsse und je kürzer der Abstand zwischen den beiden Spulen 14, 16 sind, desto besser wird die Effizienz des Gesamtsystems. Deshalb ist vorteilhaft eine großflächige zweite Spule 16 auf einem großflächigen Nutzfahrzeugdach 114 angeordnet und beim Ladevorgang eng und mit kleinstem Abstand mit einer ersten Spule 14 gekoppelt.
Der fahrzeugseitig angeordnete Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 konditioniert die Spannung und den Strom aus der zweiten Spule in der Art, wie es vom Batteriemanagement-System (BMS) des Fahrzeuges 110, bzw. der Hochvolt-Batterie 20 angefordert wird, stellt also die Ladeleistung für die Hochvolt-Batterie 20 bereit.
Die Vorrichtung 100 weist weiter eine intelligente Positioniereinrichtung 22 auf. Die Positioniereinrichtung 22 dient dazu, die erste Spule 14 (3) oder die zweite Spule 16 (4) in drei Achsen zu bewegen. Das Positioniersystem 22 kann entweder aus dem DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 oder aus dem Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 gesteuert werden. Die Steuerung positioniert die in den Achsen bewegliche erste und/oder zweite Spule 14, 16 des Spulensystems in der Art, dass die Blindleistung des Systems minimal ist. Dieses ist der Fall, wenn die beiden Spulen 14, 16 formschlüssig aufeinander liegen und nur durch Ihre Isolierschichten, welche gleichzeitig die Gehäusewände sind, voneinander getrennt sind.
Die Steuerung arbeitet während des gesamten Ladevorganges und gleicht deshalb auch Bewegungen des Fahrzeugs 110 aus, die aus der Federung des Fahrgestelles herrühren.
5 zeigt einen Ladevorgang eines Fahrzeugs 110 mittels einer Vorrichtung 100 zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die übertragene elektrische Energie direkt in die Hochvolt-Batterie 20 gespeist wird.
Der AC/DC-Wandler 10 und der DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 befinden sich außerhalb des Fahrzeuges 110 und können flexibel und an unterschiedlichen Orten untergebracht sein, entweder auf der Technikbrücke 54 oder auf einem Mastarm selbst oder auch in Gehäusen außerhalb und erdgesetzt verortet sein. Der Mittelfrequenz/DC Wandler 18 ist fahrzeugseitig integriert und speist einen Ladestrom in die Hochvolt-Batterie 20 ein. Die zweite Spule 16 des Spulensystems ist auf dem Fahrzeugdach 114 und die erste Spule 14 ist oberhalb des Fahrzeuges angeordnet. Ein eventuell vorhandener Pantograph oder eine eventuell vorhandene Positioniereinrichtung 22 sind in 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Die zweite Spule 16 kann dabei sowohl auf dem Dach 114 angeordnet sein, teilintegriert sein oder ganz in das Dach 114 integriert sein. Normativ wird der Ladevorgang durch die Ladecontroller SECC (Supply Equipment Communication Controller) und EVCC (Electrical Vehicle Communication Controller) gesteuert, welche wiederum mit einem Gerätemanager 32 kommunizieren. Der Traktionsstromrichter 24 besteht in der Regel und nach dem Stand der Technik aus zwei Funktionseinheiten: einem DC/AC-Wandler 26 für die Adaption des Antriebes 30 und einem DC/DC-Wandler 28. Der DC/AC-Wandler 26 versorgt im Fahrbetrieb den Antrieb 30 mit sinusförmigen und oberwellenarmen Strömen.
Im Bremsbetrieb (Rekuperationsbetrieb) werden die generatorischen Ströme maschinenseitig sinusförmig gehalten und ausgangsseitig als DC-Ströme in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters 24 eingespeist. Der DC/DC-Wandler 28 versorgt während des Fahrbetriebes den DC/AC-Wandler 26 mit DC-Spannung und -Strom in der Art und Weise, dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems maximal ist. Im Rekuperationsbetrieb passt der DC/DC-Wandler 28 die elektrischen Größen nach Vorgaben des Batterie-Managementsystems (BMS) an.
6 zeigt einen Ladevorgang eines Fahrzeugs 110 mittels einer Vorrichtung 100 zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die übertragene elektrische Energie in einen Traktionsstromrichter 24 gespeist wird. In 7 wird dabei die übertragene elektrische Energie über eine passive Dioden-Brückenschaltung als Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 in den Traktionsstromrichter 24 gespeist.
Die über die beiden Spulen 14, 16 des Spulensystems zugeführte elektrische Energie wird bei diesem Ausführungsbeispiel nicht direkt in die Hochvolt-Batterie 20 eingespeist, sondern in den DC-Zwischenkreis des Traktionsstromrichters 24. Dazu ist der Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 mit einem DC/DC-Wandler 28 des Traktionsstromrichters 24 elektrisch verbunden. Der DC/DC-Wandler 28 des Traktionsstromrichters 24 übernimmt dann gemäß den Vorgaben des BMS-Systems die Regelung von Ladestrom und Spannung, ähnlich wie bei der Rekuperation während der Fahrt.
Gemäß dieser Anordnung bedarf es keines aktiven Mittelfrequenz/DC-Wandlers 18. Vielmehr ist eine passive Gleichrichtung der Mittelfrequenz für die Erfüllung der Aufgabe ausreichend, wie bei dem Ausführungsbeispiel in 7 dargestellt ist.
Der Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 ist dabei als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildet. Dies ist möglich, sofern kein bidirektionaler Energietransport zwischen Fahrzeug 110 und Ladeinfrastruktureinrichtung 50 verlangt wird. Damit lässt sich die Vorrichtung 100 durch diese Ausgestaltung nochmals vereinfachen.
8 zeigt einen Ladevorgang eines Fahrzeugs 110 mittels einer Vorrichtung 100 zum induktiven Laden nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Ladeinfrastruktureinrichtung 50 über eine zentrale DC-Versorgung 60 gespeist wird.
In dieser Ausgestaltung erhält nicht jede einzelne Ladeinfrastruktureinrichtung 50 einen eigenen AC/DC-Wandler 10, sondern ein gemeinsamer AC/DC-Wandler 10 der zentralen DC-Versorgung 60 für alle angeschlossenen Ladeinfrastruktureinrichtungen 50 wird an zentraler Stelle installiert und versorgt Ladeinfrastruktureinrichtungen 50 als DC-Spannungsquelle mit der elektrischen Energie für den Ladevorgang. Neben der Kostenreduzierung für das Gesamt-System ist die Verschlankung und Reduzierung der Installationen auf Mastarmen und Technikbrücken im Feld ganz besonders vorteilhaft.
Vorteilhaft kann wenigstens eine der wenigstens ersten Spule 14 oder der wenigstens zweiten Spule 16, insbesondere wenigstens beim Laden der Hochvolt-Batterie 20, aktiv gekühlt werden. Dadurch kann die beim Laden der Hochvolt-Batterie 20 entstehende Verlustwärme günstig abgeführt werden. Wenn die beiden Spulen 14, 16 beim Laden formschlüssig aufeinander liegen, so genügt es, wenn nur eine der beiden Spulen 14, 16, die Senderspule oder die Empfängerspule, aktiv gekühlt wird. Die jeweils andere Spule 14, 16 wird dabei durch den Wärmetransport mittels Wärmeleitung von der ungekühlten hin zur gekühlten Spule 14, 16 mitgekühlt.
9 zeigt eine Ladestation 1000 zum Ausführen eines Ladevorgangs an Fahrzeugen 110 mittels einer Vorrichtung 50 zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie 20 eines Fahrzeugs 110, insbesondere eines Nutzfahrzeugs wie eines Busses, mit einem invertierenden Pantographen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Ladestation 1000 weist eine Halterung 1100 auf, in welcher wenigstens eine Ladeinfrastruktureinrichtung 50 lateral verschieblich angeordnet ist. Ein gemeinsamer AC/DC-Wandler 10 dient zur elektrischen Versorgung der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 über einen DC/Mittelfrequenz-Wandler 12.
In dem Beispiel sind zwei invertierte Pantographen als Ladeinfrastruktureinrichtung 50 entlang einer brückenartigen Halterung 1100 lateral verschieblich angeordnet. Damit kann eine Ladeinfrastruktureinrichtung 50 gezielt in einer Hochachse 112 über einem darunter haltenden Fahrzeug 110 positioniert werden.
Eine Positionierhilfseinrichtung 1200 zur drahtlosen Kommunikation kann mit einem Fahrzeug 110 beispielsweise über eine Telematikzentrale 1300 kommunizieren, die mit dessen vorhandener Telematikausrüstung in Verbindung steht, und dem Fahrzeug 110 eine Halteposition zuweisen. Die Positionierhilfseinrichtung 1200 kann jedoch mit dem Fahrzeug 110 auch direkt, ohne Kontakt zu einer Telematikzentrale 1300 kommunizieren.
Die Telematik ist heute in Nutzfahrzeugen ein Standardinstrument für die Kommunikation zwischen Fahrer und Betriebshof. Es werden darüber technische Fahrzeugdaten als auch auftragsbezogene Daten ausgetauscht.
Weiterhin kann die Positionierhilfseinrichtung 1200 die Ladeinfrastruktureinrichtung 50 zu der Halteposition des Fahrzeugs 110 dirigieren.
In dem gezeigten Beispiel erfolgt eine lediglich laterale Bewegung der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 entlang der Halterung 1100. Denkbar ist jedoch auch eine Bewegung der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung, so dass nicht nur nebeneinander stehende, sondern auch hintereinander stehende Fahrzeuge 110 geladen werden können.
Vorteilhaft kann eine ohnehin vorhandene Kommunikationstechnik genutzt werden. Eine genaue Positionierung kann unabhängig vom Fahrzeugtyp erfolgen, da die Sensorik Bezug auf die Position der „Spulen im Raum“ und nicht auf die Fahrzeuggeometrie nimmt. Anzeigen und Hilfen außerhalb des Fahrzeuges 110 können daher entfallen.
Vorteilhaft kann sich die Ladeinfrastruktureinrichtung 50 intelligent dem zu ladenden Fahrzeug 110 nähern. Ein Rangieren des Fahrzeugs 110 kann entfallen. Das Lademanagement kann in Vollautomation erfolgen. Das Laden kann für den Nutzer komfortabel und sicher ausgeführt werden.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie 20 eines Fahrzeugs 110, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Verfahren wird vorzugsweise mit einer Vorrichtung 100 durchgeführt, wie in den 1 bis 9 dargestellt, umfassend jeweils wenigstens einen DC/Mittelfrequenz-Wandler 12, welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung 50 angeordnet ist, einen Mittelfrequenz/DC-Wandler 18, welcher in dem Fahrzeug 110 angeordnet ist, sowie ein Spulensystem umfassend wenigstens eine erste Spule 14 und wenigstens eine zweite Spule 16, wobei die wenigstens erste Spule 14 in einer Hochachse 112 über dem Fahrzeug 110 angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule 16 auf einem Dach 114 des Fahrzeugs 110 angeordnet ist.
Die wenigstens erste Spule 14 wird von dem DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 elektrisch versorgt und die wenigstens zweite Spule 16 ist mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 elektrisch verbunden.
In Schritt S100 des Verfahrens wird das Fahrzeug 110 in eine Ladeinfrastruktureinrichtung 50 eingefahren. Die wenigstens erste und der wenigstens zweite Spule 14, 16 werden in Schritt S102 durch Bewegen der wenigstens ersten Spule 14 auf die wenigstens zweite Spule 16 zu und/oder durch Bewegen der wenigstens zweiten Spule 16 auf die wenigstens erste Spule 14 zu zusammengefahren. Danach kann in Schritt S104 der Ladevorgang gestartet werden.
Die wenigstens erste Spule 14 kann auf die in der Hochachse 112 auf dem Dach 114 des Fahrzeugs 110 angeordnete wenigstens zweite Spule 16 abgesenkt werden. Insbesondere kann die wenigstens erste Spule 14 mittels eines an der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 angeordneten invertierenden Pantographen 52 abgesenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die an einem Pantographen 116 angeordnete wenigstens zweite Spule 16 an die in der Hochachse 112 über dem Fahrzeug 110 angeordnete erste Spule 14 herangeführt werden, wobei der Pantograph 116 auf dem Dach 114 des Fahrzeugs 110 angeordnet ist.
Die wenigstens erste Spule 14 und/oder die wenigstens zweite Spule 16 können mittels einer Positioniereinrichtung 22 so positioniert werden, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist. Dazu kann die Positioniereinrichtung 22 über eine in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler 12 oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 integrierte Steuerung gesteuert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann mittels eines bildgebenden optischen Systems wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule 14 oder der wenigstens zweiten Spule 16 optisch erfasst werden, welche an die Steuerung gesendet wird.
Die übertragene elektrische Energie kann über den Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 direkt in die Hochvolt-Batterie 20 eingespeist werden.
Alternativ ist auch möglich, dass die elektrische Energie über den Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 in einen DC/DC-Wandler 28 eines Traktionsstromrichters 24 übertragen wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die elektrische Energie über den als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildeten Mittelfrequenz/DC-Wandler 18 übertragen werden, was die Vorrichtung 100 weiter vereinfacht.
Die zum Laden benötigte elektrische Energie kann über einen eigenen AC/DC-Wandler 10 der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 aus einem Versorgungsnetz bezogen und durch den AC/DC-Wandler 10 in eine DC-Spannung gewandelt werden.
Alternativ ist jedoch auch möglich, dass die elektrische Energie aus einer zentralen DC-Versorgung 60 in die Ladeinfrastruktureinrichtung 50 gespeist wird, sodass in der Ladeinfrastruktureinrichtung 50 keinen eigenen AC/DC-Wandler 10 benötigt wird.
Bezugszeichen

10: AC/DC-Wandler
12: DC/Mittelfrequenz-Wandler
14: erste Spule
16: zweite Spule
18: Mittelfrequenz/DC-Wandler
20: Hochvolt-Batterie
22: Positioniereinrichtung
24: Traktionsstromrichter
26: DC/AC-Wandler
28: DC/DC-Wandler
30: Antrieb
32: Gerätemanager
34: SECC
36: EVCC
50: Ladeinfrastruktureinrichtung
52: invertierender Pantograph
54: Technikträger
56: Decke
60: DC-Versorgung
70: Magnetfeldlinien
100: Vorrichtung
110: Fahrzeug
112: Hochachse
114: Fahrzeugdach
116: Pantograph
1000: Ladestation
1100: Halterung
1200: Positionierhilfseinrichtung
1300: Telematikzentrale

Claims

Vorrichtung (100) zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie (20) eines Fahrzeugs (110), umfassend jeweils wenigstens - einen DC/Mittelfrequenz-Wandler (12), welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordnet ist, - einen Mittelfrequenz/DC-Wandler (18), welcher in dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, - ein Spulensystem, umfassend wenigstens eine erste Spule (14) und wenigstens eine zweite Spule (16), wobei die wenigstens erste Spule (14) an der Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule (16) an dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, wobei die wenigstens erste Spule (14) mit dem DC/Mittelfrequenz-Wandler (12) elektrisch verbunden ist und wobei die wenigstens zweite Spule (16) mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) elektrisch verbunden ist, wobei die wenigstens erste Spule (14) in einer Hochachse (112) über dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, und wobei die wenigstens zweite Spule (16) auf einem Dach (114) des Fahrzeugs (110) angeordnet ist, und wobei die wenigstens erste Spule (14) und/oder die wenigstens zweite Spule (16) zum Laden zusammenführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladeinfrastruktureinrichtung (50) einen invertierenden Pantographen (52) aufweist, an welchem die wenigstens erste Spule (14) angeordnet ist, und/oder wobei ein Pantograph (116) auf dem Fahrzeug (110) angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule (16) an dem Pantographen (116) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens erste Spule (14) und die wenigstens zweite Spule (16) formschlüssig ausgebildet sind, insbesondere im zusammengeführten Zustand einen Formschluss bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Positioniereinrichtung (22), welche ausgebildet ist, die wenigstens erste Spule (14) und/oder die wenigstens zweite Spule (16) so zu positionieren, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Steuerung der Positioniereinrichtung (22) in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler (12) oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuerung mit einem bildgebenden optischen System gekoppelt ist, welches wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule (14) oder der wenigstens zweiten Spule (16) optisch erfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) mit einem DC/DC-Wandler (28) eines Traktionsstromrichters (24) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladeinfrastruktureinrichtung (50) mit einer zentralen DC-Versorgung (60) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der wenigstens ersten Spule (14) oder der wenigstens zweiten Spule (16), insbesondere wenigstens beim Laden der Hochvolt-Batterie (20), aktiv gekühlt ist.
Verfahren zum induktiven Laden, insbesondere zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie (20) eines Fahrzeugs (110), mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend jeweils wenigstens - einen DC/Mittelfrequenz-Wandler (12), welcher an einer Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordnet ist, - einen Mittelfrequenz/DC-Wandler (18), welcher in dem Fahrzeug (110) angeordnet ist, - ein Spulensystem, umfassend wenigstens eine erste Spule (14) und wenigstens eine zweite Spule (16), wobei die wenigstens erste Spule (14) in einer Hochachse (112) über dem Fahrzeug (110) angeordnet ist und die wenigstens zweite Spule (16) auf einem Dach (114) des Fahrzeugs (110) angeordnet ist, wobei die wenigstens erste Spule (14) von dem DC/Mittelfrequenz-Wandler (12) elektrisch versorgt wird und wobei die wenigstens zweite Spule (16) mit dem Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) elektrisch verbunden ist, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte umfasst - Fahren des Fahrzeugs (110) in eine Ladeinfrastruktureinrichtung (50); - Zusammenführen der wenigstens ersten und der wenigstens zweiten Spule (14, 16) durch Bewegen der wenigstens ersten Spule (14) auf die wenigstens zweite Spule (16) zu und/oder Bewegen der wenigstens zweiten Spule (16) auf die wenigstens erste Spule (14) zu; - Starten des Ladevorgangs.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die wenigstens erste Spule (14) auf die in der Hochachse (112) auf dem Dach (114) des Fahrzeugs (110) angeordnete wenigstens zweite Spule (16) abgesenkt wird, insbesondere mittels eines an der Ladeinfrastruktureinrichtung (50) angeordneten invertierenden Pantographen (52) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die an einem Pantographen (116) angeordnete wenigstens zweite Spule (16) an die in der Hochachse (112) über dem Fahrzeug (110) angeordnete erste Spule (14) herangeführt wird, wobei der Pantograph (116) auf dem Dach (114) des Fahrzeugs (110) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die wenigstens erste Spule (14) und/oder die wenigstens zweite Spule (16) mittels einer Positioniereinrichtung (22) so positioniert werden, dass eine minimale elektrische Blindleistung beim Laden eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Positioniereinrichtung (22) über eine in dem DC/Mittelfrequenz-Wandler (12) oder in dem Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) integrierte Steuerung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei mittels eines bildgebenden optischen Systems wenigstens eine Position der wenigstens ersten Spule (14) oder der wenigstens zweiten Spule (16) optisch erfasst wird, welche an die Steuerung gesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die elektrische Energie über den Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) in einen DC/DC-Wandler (28) eines Traktionsstromrichters (24) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die elektrische Energie über den als passive Dioden-Brückenschaltung ausgebildeten Mittelfrequenz/DC-Wandler (18) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die elektrische Energie aus einer zentralen DC-Versorgung (60) in die Ladeinfrastruktureinrichtung (50) gespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei wenigstens eine der wenigstens ersten Spule (14) oder der wenigstens zweiten Spule (16), insbesondere wenigstens beim Laden der Hochvolt-Batterie (20), aktiv gekühlt wird.
Ladestation (1000) zum Ausführen eines Ladevorgangs von Fahrzeugen (110) mittels einer Vorrichtung (100) zum induktiven Laden einer Hochvolt-Batterie (20) der Fahrzeuge (110), wenigstens umfassend - eine Halterung (1100), in welcher wenigstens eine Ladeinfrastruktureinrichtung (50) verschieblich angeordnet ist, - einen AC/DC-Wandler (10) zur elektrischen Versorgung der Ladeinfrastruktureinrichtung (50), - eine Positionierhilfseinrichtung (1200) zur drahtlosen Kommunikation wenigstens mit einem Fahrzeug (110), wobei die Ladeinfrastruktureinrichtung (50) in einer Hochachse (112) über einem darunter haltenden Fahrzeug (110) positionierbar ist, wobei die Positionierhilfseinrichtung (1200) ausgebildet ist, dem Fahrzeug (110) eine Halteposition zuzuweisen.
Ladestation nach Anspruch 21, wobei die Positionierhilfseinrichtung (1200) zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer Telematikzentrale (1300) ausgebildet ist.