DE102022120691A1

DE102022120691A1 - Induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022120691A1
Application number: DE102022120691.2A
Authority: DE
Inventors: Mike Böttigheimer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem mit einer Energieübertragungswicklung und mindestens einem Flussführungselement und mindestens einer Positionierungssignalwicklung. Die Positionierungssignalwicklung ist als Solenoid mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt und das Flussführungselement ist geeignet, während eines Energieübertragungsvorgangs, welcher zwischen einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung und der Energieübertragungswicklung stattfindet, ein Magnetfeld zu führen. Die Positionierungssignalwicklung umschließt mindestens eins der mindestens einen Flussführungselemente und die Energieübertragungswicklung.

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem sowie ein Fahrzeugladesystem nach Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
In der DE 102018210726 A1 wird eine Positionierungsantenne beschrieben, die benutzt wird, um eine induktive Sekundäreinheit relativ zu einer Primäreinheit zu positionieren. Hierbei wird ein Spulenkern der Positionierungsantenne gleichzeitig als Spulenkern einer Ladespule zur induktiven Energieübertragung genutzt. Die Positionierungsantenne kann ein magnetisches Messfeld für die Positionierung erzeugen oder empfangen. Die Positionierungsantenne umfasst mehrere Windungen eines Leiters und ist als Zylinderspule aus Flachbandkabeln realisiert. Die Positionierungsantenne weist eine vorteilhafte Richtwirkung auf. Hierbei muss die Positionierungsantenne stets aufwendig zwischen Spulenkern und Ladespule positioniert werden. Des Weiteren wird für die einfache Positionierungsantenne mit vorteilhafter Richtwirkung kein entsprechend vorteilhafter Empfänger auf der Gegenseite gezeigt.
Es wird vorliegend eine induktive Ladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem mit einer Energieübertragungswicklung und mindestens einem Flussführungselement und mindestens einer Positionierungssignalwicklung vorgeschlagen, wobei die Positionierungssignalwicklung als Solenoid mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt ist und die Positionierungssignalwicklung mindestens eins der mindestens einen Flussführungselements umschließt und die Energieübertragungswicklung umschließt.
Beim induktiven Laden wird Energie in Form eines magnetischen Feldes zwischen zwei induktiven Ladeeinrichtungen, zumeist zwischen einer stationären Ladeeinrichtung und einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung, übertragen.
Der Begriff „induktive Ladeeinrichtung“ bezeichnet hier somit nur einen von zumindest zwei Teilen, die für einen induktiven Energieübertragungsvorgang nötig sind. Beim induktiven Energieübertragungsvorgang erzeugt eine Energieübertragungswicklung in einer induktiven Ladeeinrichtung ein magnetisches Wechselfeld. Dieses magnetische Wechselfeld induziert eine Spannung in einer weiteren Energieübertragungswicklung einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung. Diese weitere induktive Ladeeinrichtung dient somit für diesen spezifischen Energieübertragungsvorgang als Gegenstück. Die Energie wird drahtlos übertragen und durch Induktion einer Spannung aufgenommen.
Induktive Ladeeinrichtungen können zum induktiven Laden von Fahrzeugen verwendet werden. Im Prinzip kann eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung für jede Sorte von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug eingesetzt werden, die über einen elektrischen oder einen Hybridantrieb verfügen. Insbesondere seien hierbei Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen genannt.
Ein Fahrzeugladesystem umfasst zumindest eine mobile induktive Ladeeinrichtung und eine weitere, meist stationäre induktive Ladeeinrichtung. Eine mobile induktive Ladeeinrichtung kann beispielsweise an und/oder in einem Fahrzeug montiert sein.
Eine induktive Ladeeinrichtung an und/oder im Fahrzeug ist daher geeignet, das magnetische Feld aufzunehmen und elektrische Energie eines Energiespeichers des Fahrzeuges beispielsweise einer Batterie bzw. eines Akkumulators im Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Prinzipiell kann ein Fahrzeugladesystem auch zum bidirektionalen Laden eingesetzt werden. Hierbei kann das Fahrzeug zeitweise auch Energie aus dem Energiespeicher über das Fahrzeugladesystem ins Stromnetz einspeisen.
Eine induktive Ladeeinrichtung weist eine Energieübertragungswicklung auf, die während des Energieübertragungsvorgangs ein Magnetfeld, von einer weiteren Energieübertragungswicklung in effizienter Weise empfangen kann und/oder ein Magnetfeld aussenden kann. Hierbei können vorzugsweise Leistungen von 3 kW bis 500 kW besonders bevorzugt von 3 kW bis 50 kW übertragen werden.
Ganz allgemein wird eine Spule hier definiert als ein Bauteil zur Erzeugung oder zum Empfang eines magnetischen Feldes. Eine Spule kann aus einer Wicklung und optional weiteren Elementen wie einem Magnetkern und einem Spulenträger bestehen. Eine Wicklung ist hierbei eine gewickelte Anordnung eines Stromleiters. Eine Wicklung kann aus einer oder mehreren Windungen bestehen, wobei eine Windung einen vollen Umlauf eines Leiters bezeichnet. Ganz allgemein kann eine Wicklung aber auch nur aus weniger als einer Windung, also beispielsweise 0,5 Windungen bestehen. Natürlich ist auch eine nichtvollständige Anzahl an Windungen, wie beispielsweise 2,5 Windungen möglich.
Eine Energieübertragungswicklung kann in verschiedenen Formen ausgeführt sein und beispielsweise aus einer Hochfrequenzlitze mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 10 mm bevorzugt aus Kupfer bestehen.
Die Energieübertragungswicklung kann als Flachspule ausgeführt sein. Bei einer Flachspule kann es sich um eine Spiralflachspule, insbesondere um eine Kreisspiralflachspule oder um eine Reckteckspiralflachspule handeln. Eine Spiralflachspule kann in Form einer archimedischen Spirale gewickelt sein. Die Windungsform kann hierbei kreisähnlich (Kreisspiralflachspule) sein, aber auch andere Formen, wie beispielsweise quadratähnlich oder rechteckähnlich oder auch ähnlich einem Rechteck mit abgerundeten Ecken, sind möglich (Rechteckspiralflachspule). Die Spirale liegt dabei in einer Ebene. Eine Flachspule ist besonders geeignet, um eine möglichst hohe Leistung zwischen einer stationären induktiven Ladeeinrichtung und einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung im Fahrzeug zu übertragen.
Die Energieübertragungswicklung kann alternativ ähnlich einer Flachspule über mehrere Ebenen beispielsweise drei Ebenen verteilt ähnlich einem Pyramidenstumpf ausgeführt sein.
Ein Flussführungselement ist dazu geeignet, ein Magnetfeld in vorgegebener Art zu führen. Es besitzt eine hohe magnetische Permeabilität mit µ_r>1, bevorzugt µ_r>50, besonders bevorzugt µ_r>100. Das Flussführungselement stellt einen Magnetkern für die Energieübertragungswicklung dar. Insbesondere wird hierbei das Magnetfeld durch die hohe Permeabilität so beeinflusst, dass ein möglichst großer magnetischer Fluss an die Energieübertragungswicklung übertragen wird. Mit einem Flussführungselement nimmt die Energieübertragungswicklung bei ansonsten gleichen Parametern einen größeren magnetischen Fluss auf als ohne ein Flussführungselement. Ein Flussführungselement kann aus einem ferromagnetischem oder bevorzugt aus einem ferrimagnetischen Material, besonders bevorzugt aus einem Ferrit sein. Ein Flussführungselement kann bevorzugt plattenartig - in Form eines Planarkerns - ausgeführt sein und in der induktiven Ladeeinrichtung auf der Seite der Energieübertragungswicklung, welche von der Gegenseite, also der weiteren induktiven Ladeeinrichtung abgewandt ist, angeordnet sein.
Eine Positionierungssignalwicklung kann während eines Positionierungsvorgangs ein Positionierungssignal aussenden. Beispielsweise kann eine Positionierungssignalwicklung ein magnetisches Wechselfeld mit einer bestimmten Frequenz aufgrund einer Wechselspannung erzeugen. Prinzipiell kann auch eine Energieübertragungswicklung ein Positionierungssignal aussenden, es ist jedoch vorteilhaft, wie hier vorgeschlagen, eine separate Positionierungssignalwicklung zur Erzeugung eines Positionierungssignals zu verwenden. Insbesondere kann die Positionierungssignalwicklung Magnetfelder erzeugen, welche für die Positionierung geeigneter sind und insbesondere bei gleicher Leistung eine höhere Reichweite ermöglichen. Die Energieübertragungswicklungen sind so ausgelegt, dass sie möglichst gut mit dem entsprechenden Gegenstück koppeln. Sie weisen daher im Allgemeinen keine hohe Reichweite in Bezug auf das Senden oder Empfangen von magnetischen Felder in Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung auf. Dies ist jedoch für einen Positionierungsvorgang ausschlaggebend.
Bei der Positionierung ist die maximal mögliche Leistung bzw. sind die maximal möglichen magnetischen Felder des Positionierungssignal stark beschränkt. Sie sind deutlich geringer, als dies bei einem Energieübertragungsvorgang der Fall ist. Während des Positionierungsvorgangs befindet sich kein Fahrzeug auf der stationären induktiven Ladeeinrichtung. Daher ist es möglich, dass beispielsweise eine Person auf der stationären induktiven Ladeeinrichtung steht. Damit die magnetischen Felder für eine Person ungefährlich bleiben dürfen sie - je nach Frequenzbereich - Flussdichten von 27µT bzw. 6,25µT nicht überschreiten.
Mit einer vorgeschlagenen Positionierungssignalwicklung ist es möglich Positionierungssignale zu erzeugen, welche die Grenzwerte bzw. Referenzwerte einhalten und trotzdem eine hohe Reichweite ermöglichen.
Ein Solenoid wird auch Zylinderspule bzw. Solenoid-Spule genannt. Ein Solenoid kann in Form einer Helix, bzw. einer zylindrischen Spirale gewickelt sein. Die Windungsform muss hierbei allerdings nicht kreisähnlich sein, sondern kann auch andere Formen, wie beispielsweise quadratähnlich oder rechteckähnlich oder auch ähnlich einem Rechteck mit abgerundeten Ecken, aufweisen. Der wichtige Unterschied zur Flachspule ist, dass sich die Windungen nicht in einer Ebene befinden, sondern entlang einer Achse erstrecken. Hierbei können aber durchaus auch zwei oder mehr Windungen parallel verlaufen und sich somit in derselben Ebene senkrecht zur Achse befinden.
Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung weist eine Soll-Fahrzeuglängsrichtung auf. Dies ist die Richtung, in der sich die Längsrichtung des Fahrzeugs nach erfolgreichem Positionierungsvorgang befinden soll.
Befindet sich die Positionierungssignalwicklung in einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung eines Fahrzeugs so ist die Wicklungsachse der Positionierungssignalwicklung in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet. Befindet sich die Positionierungssignalwicklung in einer stationären induktiven Ladeeinrichtung so ist die Wicklungsachse der Positionierungssignalwicklung in Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung übernimmt das Flussführungselement während eines Energieübertragungsvorgang die Führung eines Magnetfelds zur Energieübertragung und während eines Positionierungsvorgangs die Führung eines Magnetfelds zur Positionierung. Somit übernimmt das Flussführungselement hier eine doppelte Funktion, was besonders vorteilhaft ist, da somit Material und Bauraum effizient genutzt werden können.
Die Anordnung der Positionierungssignalwicklung um mindestens eins der mindestens einen Flussführungselements und um die
Energieübertragungswicklung ist vorteilhaft, da hierbei die
Positionierungssignalwicklung um eine ansonsten fertig vormontierte induktive Ladeeinrichtung angeordnet werden kann. Darüber hinaus wird von der Positionierungssignalwicklung eine größere Fläche aufgespannt, wenn diese um mindestens eins der mindestens einen Flussführungselements und um die Energieübertragungswicklung angeordnet wird, als beispielsweise wenn diese nur um ein oder mehrere Flussführungselemente angeordnet wird. Somit werden bei gleicher Leistung die lokalen Maximalwerte der Flussdichte weiter reduziert oder anders ausgedrückt, es kann eine höhere Leistung bei Einhaltung der Flussdichtereferenzwerte bzw. Flussdichtegrenzwerte verwendet werden und somit eine höhere Reichweite erreicht werden.
Besonders bevorzugt kann die Positionierungssignalwicklung um die komplette Breite der induktiven Ladeeinrichtung angeordnet sein, um so eine möglichst große Fläche abzudecken und damit ein möglichst homogenes magnetisches Feld erzeugen zu können.
Bevorzugt handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen induktiven Ladeeinrichtung um eine mobile induktive Ladeeinrichtung, welche an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet ist oder um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung.
Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung ist der nicht mobile Teil eines Fahrzeugladesystems, also der Teil, der sich nicht mit dem Fahrzeug mit fortbewegt.
Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung kann sich bevorzugt auf, an oder in einem Boden befinden. Hierbei kann es sich um eine auf dem Untergrund
aufgebrachte induktive Ladeeinrichtung oder um eine in einem Untergrund oder in einem Boden versenkte induktive Ladeeinrichtung handeln. Bei einem Boden kann es sich um eine Fahrbahn, eine Parkplatzoberfläche, einen Garagenboden, einem Boden in einem Parkhaus oder einem sonstigen Gebäude handeln. Eine stationäre induktive Ladeeinrichtung kann sich aber alternativ auch an Wänden oder dergleichen befinden.
Es ist auch möglich, dass es sich um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung für einen dynamischen induktiven Ladevorgang handelt. Bei einem dynamischen induktiven Ladevorgang kann ein Energiespeicher eines Fahrzeugs geladen werden während sich dieses fortbewegt. Beispielsweise kann in diesem Fall die stationäre induktive Ladeeinrichtung sich entlang der Fahrbahn unter, in oder auf der Fahrbahnoberfläche erstrecken.
Eine mobile induktive Ladeeinrichtung kann an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet. Ganz allgemein wird hierunter der Teil eines Fahrzeugladesystems verstanden, der sich mit dem Fahrzeug mit fortbewegt.
Bevorzugt wird die Positionierungssignalwicklung durch Leiterbahnen, welche auf mindestens einer Leiterplatte, bevorzugt auf mindestens zwei Leiterplatten aufgebracht sind, gebildet.
Hierbei werden die Windungen einer Positionierungssignalwicklung in Form von Leiterbahnen auf Leiterplatten realisiert.
Die Leiterbahnen können hierbei beispielsweise aus Kupfer sein.
Die Leiterbahnen können hierbei mehrlagig, bevorzugt zweilagig ausgeführt sein. Der Querschnitt einer solchen Leiterbahn kann hierbei viel flexibler an die Rahmenbedingungen, die durch den beschränkten Bauraum vorgegeben werden, angepasst werden. Insbesondere ist es möglich, den Querschnitt der Leiterbahnen als Rechteck mit einer niedrigen Höhe auszuführen, wobei sich die Höhe hier in der Dimension senkrecht zum Untergrund befindet.
Die Realisierung einer Positionierungssignalwicklung mittels Leiterbahnen auf Leiterplatten ermöglicht es, die Höhe der Positionierungssignalwicklung im Vergleich zu herkömmlichen, beispielsweise auf Hochfrequenzlitzen basierenden Wicklungen signifikant zu reduzieren. Diese Form der Positionierungssignalwicklung benötigt daher weniger Bauraum insbesondere in der Dimension entlang der Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung, die bezüglich des Bauraums am kritischsten ist.
Bevorzugt werden für eine Positionierungssignalwicklung zumindest zwei Leiterplatten verwendet, wobei eine Leiterplatte auf einer Seite eines Flussführungselements, beispielsweise oberhalb und eine weitere Leiterplatte auf einer weiteren Seite eines Flussführungselements, beispielsweise unterhalb angeordnet sein kann. Die Leiterbahnen auf den beiden Leiterplatten werden hierbei durch entsprechende flexible oder nicht flexible Verbindungen verbunden und bilden somit eine Wicklung. Auch das Herstellungsverfahren einer auf Leiterplatten basierenden Wicklung ist einfacher im Vergleich zu herkömmlichen Wicklungen mit gewickelten Hochfrequenzlitzenleitern.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist die Positionierungssignalwicklung als Litze, insbesondere als Hochfrequenzlitze oder als Draht ausgebildet.
Eine Hochfrequenzlitze besteht aus mehreren zueinander isolierten Drähten. Dies bietet Vorteile, da bei hohen Frequenzen der Strom hauptsächlich nahe der Oberfläche eines Leiters fließt und durch die Realisierung mit vielen Einzelleitern möglichst viel Leiteroberfläche zur Verfügung steht.
Als Draht wird hierbei die Realisierung als isolierter Einzeldraht, der dann ebenfalls in Form von einer Mehrzahl von Windungen gewickelt wird, bezeichnet. Ein Vorteil daran die Positionierungssignalwicklung als Hochfrequenzlitze oder als Draht auszuführen, ist, eine bewährte und einfache Herstellungsweise.
Für diese Ausführungsform kann eine zusätzliche mechanische Stützstruktur verwendet werden, damit die Hochfrequenzlitze bzw. der Draht nicht auf dem Flussführungselement verrutscht.
Alternativ ist es möglich, die Hochfrequenzlitze oder den Draht mit dem mindestens einen Flussführungselement zu verkleben, um ein Verrutschen zu verhindern.
Es kann auch eine Abstandhalterstruktur verwendet werden, die einen definierten Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Positionierungssignalwicklung sicherstellt.
Bevorzugt kreuzt die Positionierungssignalwicklung zumindest annähernd die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung.
Abhängig von der Form der Energieübertragungswicklung kann dieser nicht in jedem Fall eindeutig direkt eine Wicklungsachse zugewiesen werden. In diesem Fall wird die Wicklungsachse als sich annähernd in der geometrischen Mitte der Energieübertragungswicklung befindend angenommen.
Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da während eines
Energieübertragungsvorgangs möglichst wenig Spannung in die Positionierungssignalwicklung induziert werden soll, da die hohen Leistungen, die während der Energieübertragung auftreten ansonsten die Positionierungssignalwicklung zerstören oder schädigen könnten. Hierfür entscheidend ist vor allem die Hauptrichtung des magnetischen Flusses in dem wenigstens einen Flussführungselement. Mit der Hauptrichtung der Magnetfeldlinien ist am jeweiligen Ort die Richtung gemeint, in welcher die Magnetfeldlinien sich hauptsächlich im Flussführungselement erstrecken. Hier verlaufen die Magnetfeldlinien hauptsächlich tangential. Somit ist eine Anordnung der Positionierungssignalwicklung annähernd durch das Zentrum der Energieübertragungswicklung, also die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung kreuzend vorteilhaft, da in diesem Fall die Leiter der Positionierungssignalwicklung zumindest annähernd parallel zu den Magnetfeldlinien verlaufen und deshalb nur eine sehr geringe Spannung induziert wird.
In einer alternativen bevorzugen Ausführungsform ist die
Positionierungssignalwicklung beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung insbesondere nahe einer Kante der Energieübertragungswicklung der induktiven Ladeeinrichtung oder nahe einer Kante der induktiven Ladeeinrichtung angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform ist die Positionierungssignalwicklung zu der Position, bei der die Positionierungssignalwicklung die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung schneidet, verschoben. Die Positionierungssignalwicklung ist also nicht zentral in Bezug auf die Energieübertragungswicklung und auch nicht zentral in der induktiven Ladeeinrichtung angeordnet. Die Positionierungssignalwicklung befindet sich im Vergleich zum Zentrum der Energieübertragungswicklung näher an oder weiter entfernt von der induktiven Ladeeinrichtung, die das Gegenstück bildet. Die Positionierungssignalwicklung befindet sich in Richtung einer Kante zum Zentrum der Energieübertragungswicklung beabstandet. „Kante“ bedeutet hierbei lediglich, dass die Energieübertragungswicklung bzw. die induktive Ladeeinrichtung dort endet und macht keine Aussage über die Form (beispielsweise abgerundet oder nicht) dieser Kante. Hierbei handelt es sich insbesondere in einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung um eine vordere oder eine hintere Kante unter Berücksichtigung der Fahrzeuglängsrichtung und bei einer stationären induktiven Ladeeinrichtung um eine vordere oder eine hintere Kante unter Berücksichtigung der Soll-Fahrzeuglängsrichtung. Beispielsweise kann die Positionierungssignalwicklung nahe einer Kante angeordnet sein oder sich beispielsweise auf der Hälfte zwischen Kante und dem Zentrum der Energieübertragunswicklung befinden.
Eine Anordnung beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung hat zunächst den Vorteil, dass hier eine Position für die Positionierungssignalwicklung gefunden werden kann, bei der keine weiteren Bauteile, beispielsweise Stützelemente oder Unterbrechungen in den Flussführungselementen, ein Anordnen erschweren.
Darüber hinaus ist eine Anordnung beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung aber auch vorteilhaft für ein
Positionierungsverfahren. Befindet sich die Positionierungssignalwicklung im Vergleich zum Zentrum der Energieübertragungswicklung näher an der induktiven Ladeeinrichtung, die das Gegenstück bildet, so wird die Reichweite erhöht. Befindet sich die Positionierungssignalwicklung im Vergleich zum Zentrum der Energieübertragungswicklung weiter entfernt von der induktiven Ladeeinrichtung, die das Gegenstück bildet, so ist es bis zu einem kleineren Minimalstabstand zwischen den beiden induktiven Ladeeinrichtung noch möglich ein Positionierungsverfahren durchzuführen. Generell ist es so, dass es für ein Positionierungsverfahren mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeugladesystem nicht nur eine maximale Reichweite gibt, sondern dass auch bei sehr kleinen Abständen zwischen den beiden induktiven Ladeeinrichtungen kein verwertbares Signal von den Sensorwicklungen mehr erhalten wird. Deshalb kann beispielsweise für den Bereich, in dem die beiden induktiven Ladeeinrichtungen sehr nah zueinander sind, ein weiteres Nah-Positionierungsverfahren verwendet werden. Dieses hat aber eine sehr geringe Reichweite. Insofern ist es wichtig, dass der Minimalstabstand, bis zu dem mit einer erfindungsgemäßen induktiven Ladeeinrichtung ein Positionierungsverfahren möglich ist, möglichst gering ist.
Dies wird durch eine Anordnung der Positionierungssignalwicklung im Vergleich zum Zentrum der Energieübertragungswicklung weiter entfernt von der induktiven Ladeeinrichtung, die das Gegenstück bildet, erreicht.
Ferner wird vorliegend ein Fahrzeugladesystem mit einer ersten induktiven Ladeeinrichtung und einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung vorgeschlagen, wobei die erste induktive Ladeeinrichtung wenigstens eine Energieübertragungswicklung und wenigstens ein Flussführungselement und wenigstens eine Positionierungssignalwicklung aufweist und die Positionierungssignalwicklung als Solenoid mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt ist und die weitere induktive Ladeeinrichtung wenigstens eine Energieübertragungswicklung und wenigstens ein Flussführungselement und eine erste Sensorwicklung mit einer ersten radialen Längsrichtung und eine zweite Sensorwicklung mit einer zweiten radialen Längsrichtung aufweist und die erste radiale Längsrichtung und die zweite radiale Längsrichtung in einem Winkel zwischen 70° und 110° zueinander, bevorzugt senkrecht zueinander und in einem Winkel zwischen 35° und 55° zur Fahrzeuglängsrichtung oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung, bevorzugt in einem 45°-Winkel zur Fahrzeuglängsrichtung oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung angeordnet sind.
Eine solche Ausführung und Anordnung der Positionierungssignalwicklung und des Sensorwicklungen ist vorteilhaft sowohl für einen Positionierungsvorgang als auch für einen Energieübertragungsvorgangs. Die Ausführung der Positionierungssignalwicklung als Solenoid mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Soll-Fahrzeuglängsrichtung erzeugt ein magnetisches Feld mit einer Hauptrichtung der Magnetfeldlinien in Fahrzeuglängsrichtung bzw. in Soll-Fahrzeuglängsrichtung. Dies hat zum einen den Vorteil, dass diese Ausführung für die Positionierung eine deutliche größere Reichweite ermöglicht, als dies mit einem von einer Energieübertragungswicklung erzeugtes Positionierungssignal bei gleicher Leistung bzw. gleicher Magnetfeldstärke der Fall wäre. Ferner ist eine solche Orientierung des Magnetfeldes auch besonders gut geeignet, um in den Sensorwicklungen eine möglichst einfache Detektion einer Lageabweichung bzw. einer Winkelabweichung zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist die Positionierungssignalwicklung so ausgebildet, dass sie eine besonders große Erstreckung in der Fahrtebene und senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung bzw. zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung aufweist. Beispielsweise kann sich die Positionierungssignalwicklung über die gesamte Breite einer induktiven Ladeeinrichtung erstrecken. Somit wird ein weitgehend homogenes Magnetfeld mit einer Hauptrichtung des magnetischen Flusses in Fahrzeuglängsrichtung bzw. Soll-Fahrzeuglängsrichtung erreicht.
Eine vorgeschlagene Anordnung der Sensorwicklungen ist ebenfalls vorteilhaft für einen optimierten Positionierungsvorgang. Sind die Sensorwicklungen symmetrisch zur Fahrzeuglängsrichtung bzw. zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung angeordnet, so kann eine Winkelabweichung in Bezug auf ein homogenes Magnetfeld mit klarer Hauptrichtung des magnetischen Flusses durch einen einfachen Vergleich der in die beiden Sensorwicklungen induzierten Spannungen bestimmt werden.
Während eines Energieübertragungsvorgangs soll sowohl in die Positionierungssignalwicklung als auch in die Energieübertragungswicklung möglichst wenig Spannung induziert werden, da die hohen Leistungen bzw. Feldstärken bei der Energieübertragung ansonsten zu einer Zerstörung der entsprechenden Wicklungen führen könnte.
Eine erfindungsgemäße Positionierungssignalwicklung und erfindungsgemäße Sensorsignalwicklungen können in der jeweiligen induktiven Ladeeinrichtung vorteilhaft so angeordnet werden, dass die Leiter, welche diese Wicklungen bilden hauptsächlich parallel zu der Hauptrichtung des magnetischen Flusses während der Energieübertragung am jeweiligen Ort verlaufen. So kann sichergestellt werden, dass während der Energieübertragung eine möglichst geringe Spannung in die jeweiligen Wicklungen induziert wird.
Insbesondere ist hierfür die Orientierung des magnetischen Flusses in den jeweiligen Flussführungselementen der induktiven Ladeeinrichtungen ausschlaggebend. Diese kann bevorzugt radial vom Zentrum der jeweiligen Energieübertragungswicklung nach außen verlaufen.
Bevorzugt ist, dass es sich bei der ersten induktiven Ladeeinrichtung um eine mobile induktive Ladeeinrichtung, welche an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet ist, handelt und es sich bei der weiteren induktiven Ladeeinrichtung um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung handelt oder dass es sich bei der ersten induktiven Ladeeinrichtung um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung handelt und es sich bei der weiteren induktiven Ladeeinrichtung um eine mobile induktive Ladeeinrichtung, welche an und/oder in einem Fahrzeug angeordnet ist, handelt.
Vorteilhaft umschließt die Positionierungssignalwicklung wenigstens eins der wenigstens einen Flussführungselemente.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung übernimmt das Flussführungselement während eines Energieübertragungsvorgang die Führung eines Magnetfelds zur Energieübertragung und während eines Positionierungsvorgangs die Führung eines Magnetfelds zur Positionierung. Somit übernimmt das Flussführungselement hier eine doppelte Funktion.
Bevorzugt kreuzt die Positionierungssignalwicklung zumindest annähernd die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung der ersten induktiven Ladeeinrichtung und die erste radiale Längsrichtung und die zweite radiale Längsrichtung kreuzen sich zumindest annähernd im Zentrum der Energieübertragungswicklung der weiteren induktiven Ladeeinrichtung.
Durch diese Anordnung verlaufen die Leiter, welche die
Positionierungssignalwicklung und die Sensorwicklungen bilden zumindest annähernd parallel zu den Magnetfeldlinien, welche sich während der Energieübertragung am jeweiligen Ort einstellen. Somit ist sichergestellt, dass eine möglichst geringe Spannung während der Energieübertragung in die entsprechenden Wicklungen induziert wird und diese daher nicht durch die hohen, während der Energieübertragung auftretenden Leistungen zerstört werden.
Mit dem Zentrum der Energieübertragungswicklung wird hier der Bereich wenige Zentimeter um das geometrische Zentrum der Energieübertragungswicklung in der Ebene senkrecht zur Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung bezeichnet.
Eine entsprechende Anordnung der Sensorwicklungen ist vorteilhaft, da so die beiden radialen Längsrichtungen der beiden Sensorwicklungen zur Längsrichtung des Fahrzeugs um einen Winkel gekippt sind, der für eine optimale Detektion einer Lageabweichung zwischen dem Fahrzeug und der stationären induktiven Ladeeinrichtung vorteilhaft ist.
Außerdem sind hierdurch die Sensorwicklungen im Verhältnis zur Energieübertragungswicklung so angeordnet, dass während des Energieübertragungsvorgangs möglichst geringe Spannungen in die Sensorwicklungen induziert werden.
In einer Ausführungsform kreuzen sich die beiden Sensorwicklungen zumindest annähernd im Zentrum der Energieübertragungswicklung. Dass sich lediglich die radialen Längsrichtungen der beiden Sensorwicklungen annähernd im Zentrum der Energieübertragungswicklung kreuzen ist eine schwächere Bedingung. Hierbei ist es auch möglich, dass die zwei Sensorwicklungen verhältnismäßig kurz sind und „V“-förmig angeordnet sind. Verlängert man diese beiden Sensorwicklungen gedanklich in ihrer radialen Längsrichtung, so kreuzen sich diese radialen Längsrichtungen, nicht aber die beiden Sensorwicklungen selbst. Dass sich die beiden Sensorwicklungen selbst kreuzen, ist eine engere Bedingung. Hierbei sind die Sensorwicklungen im Vergleich zu einer „V“-förmig Anordnung länger und kreuzen sich tatsächlich. Die Anordnung ist „X“-förmig. In dieser Ausführungsform weisen die Sensorwicklungen einen größeren Bereich, in den Spannung induziert wird, auf, als in Ausführungsformen, bei denen sich nur die radialen Längsrichtungen der Sensorwicklungen in der Verlängerung kreuzen und es kann mehr Spannung induziert werden. In diesem Fall findet ein tatsächliches Kreuzen der Sensorwicklungen statt und nicht mehr nur ein Kreuzen in der Verlängerung der Sensorwicklungen.
Vorteilhaft ist es, wenn in dieser Ausführungsform die beiden Sensorwicklungen punktsymmetrisch zum Zentrum der Energieübertragungswicklung angeordnet sind.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die induktive Ladeeinrichtung mindestens vier Sensorwicklungen auf, wobei jeweils zwei an zueinander gegenüberliegenden Seiten des Zentrums der Energieübertragungswicklung angeordnet sind und alle radialen Längsrichtungen annähernd durch das Zentrum der Energieübertragungswicklung verlaufen und/oder die vier radialen Längsrichtungen der vier Sensorwicklungen jeweils mit der Längsrichtung des Fahrzeuges einen Winkel von 45° +/- 10° bevorzugt von 45° bilden.
Somit sind die vier Sensorwicklungen wie in einem Kreuz um das Zentrum der Energieübertragungswicklung angeordnet, wobei das Zentrum der Energieübertragungswicklung selbst frei von einer Sensorwicklung ist. Bevorzugt können die vier Sensorwicklungen radial in gleichen Abständen um das Zentrum der Energieübertragungswicklung verteilt angeordnet sein und zueinander annähernd im gleichen Winkel stehen. Beispielsweise kann der Winkel zwischen der jeweiligen radialen Längsrichtung einer Sensorwicklung zur radialen Längsrichtung der jeweils benachbarten Sensorwicklung stets 45°+/- 10°, bevorzugt 45° betragen.
Diese Ausführungsform ist zum einen vorteilhaft gegenüber der Ausführungsform mit nur zwei Sensorwicklungen, da bei dieser Anordnung der Bauraum effizienter genutzt werden kann und so mehr Windungen je Sensorwicklungen realisiert werden können. Insgesamt wird daher mehr Spannung induziert. Gegenüber der Ausführungsform mit zwei sich kreuzenden Sensorwicklungen biete sie außerdem den Vorteil, dass weiterhin das Zentrum der Energieübertragungswicklung frei von einer Sensorwicklung bleibt und somit stabilisierende Elemente in diesem Bereich eingebracht werden können.
Die vier Sensorwicklungen können hierbei miteinander verschaltet, vorzugsweise seriell verschaltet werden. Besonders bevorzugt werden jeweils die zwei sich diagonal gegenüberliegenden Sensorwicklungen miteinander seriell verschaltet.
In einer vorteilhaften Variante ist die Positionierungssignalwicklung beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung der ersten induktiven Ladeeinrichtung insbesondere nahe einer Kante der Energieübertragungswicklung der ersten induktiven Ladeeinrichtung oder nahe einer Kante der ersten induktiven Ladeeinrichtung angeordnet.
Besonders bevorzugt ist die Positionierungssingalwicklung während eines Positionierungsvorgangs weiter von der weiteren induktiven Ladeeinrichtung entfernt angeordnet ist als das Zentrum der Energieübertragungswicklung der ersten induktiven Ladeeinrichtung.
Generell ist es so, dass es für ein Positionierungsverfahren mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeugladesystem nicht nur eine maximale Reichweite gibt, sondern dass auch bei sehr kleinen Abständen, insbesondere bei sehr kleinen Abständen in der Fahrtebene, zwischen den beiden induktiven Ladeeinrichtungen kein verwertbares Signal von den Sensorwicklungen mehr erhalten wird. Deshalb kann beispielsweise für den Bereich, in dem die beiden induktiven Ladeeinrichtungen sehr nah zueinander sind, ein weiteres Nah-Positionierungsverfahren verwendet werden. Dieses hat aber eine sehr geringe Reichweite. Insofern ist es wichtig, dass der Minimalstabstand bis zu dem mit einer erfindungsgemäßen induktiven Ladeeinrichtung ein Positionierungsverfahren möglich ist, möglichst gering ist. Dies wird durch eine Anordnung der Positionierungssignalwicklung, die im Vergleich zum Zentrum der Energieübertragungswicklung der ersten induktiven Ladeeinrichtung weiter entfernt von der weiteren induktiven Ladeeinrichtung angeordnet ist, erreicht.
Besonders bevorzugt wird die Positionierungssignalwicklung durch Leiterbahnen, welche auf mindestens einer Leiterplatte aufgebracht sind, gebildet und die erste Sensorwicklung und die zweite Sensorwicklung werden durch Leiterbahnen, welche auf mindestens einer Leiterplatte aufgebracht sind, gebildet. Die Realisierung einer Sensorwicklung mittels Leiterbahnen auf Leiterplatten ermöglicht es, die Höhe der Sensorwicklung im Vergleich zu herkömmlichen, beispielsweise auf Hochfrequenzlitzen basierenden Wicklungen signifikant zu reduzieren. Diese Form der Sensorwicklung benötigt daher weniger Bauraum insbesondere in der Dimension entlang der Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung, die bezüglich des Bauraums am kritischsten ist. Die jeweilige Leiterplatte kann beliebig geformt und/oder dimensioniert sein. Vorzugsweise weist die jeweilige Leiterplatte eine sich in die Richtung der Windungen erstreckende Form mit einer Breite, die sich quer zur Längsrichtung der Windungen ausbildet, zwischen 20 mm und 60 mm, insbesondere von 30 mm bis 50 mm, vorzugsweise von 40 mm auf. Sodass sich mehrere Wicklungen, insbesondere Nebeneinander, darauf befinden können. Vorzugsweise weist die jeweilige Leiterplatte mehrere Windungen zwischen 7 und 20, insbesondere von 10 bis 16, vorzugsweise 13 auf. Auch das Herstellungsverfahren einer auf Leiterplatten basierenden Sensorwicklungen ist einfacher im Vergleich zu herkömmlichen Sensorwicklungen mit gewickelten Hochfrequenzlitzenleitern.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die erste Sensorwicklung und/oder die zweite Sensorwicklung und/oder die Positionierungssignalwicklung aus oberen Leiterbahnen auf einer oberen Leiterplatte und aus unteren Leiterbahnen auf einer unteren Leiterplatte.
Die Leiterbahnen auf der oberen Leiterplatte können so mit den Leiterbahnen auf der unteren Leiterplatte verbunden werden, dass eine spiralförmige Wicklung entsteht.
Die obere Leiterbahn kann hierbei vorwiegend oberhalb eines oder mehrerer Flussführungselemente angeordnet sein und die untere Leiterbahn hauptsächlich unterhalb eines oder mehrerer Flussführungselemente angeordnet sein.
Die Begriffe „oberhalb“ und „unterhalb“ bzw. „obere“ und „untere“ beziehen sich auf die Anordnung einer induktiven Ladeeinrichtung, die sich hauptsächlich parallel zum Untergrund erstreckt. Sollte eine Ladeeinrichtung beispielsweise parallel zu einer Wand angeordnet sein, so sind die Begriffe weiterhin im Sinne von „auf der einen Seite der Flussführungselemente“ und „auf der anderen Seite der Flussführungselemente zu verstehen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bevorzugt sind die oberen Leiterbahnen mit den unteren Leiterbahnen über durchkontaktierte und/oder oberflächenverlötete Steckerleisten und Buchsenleisten verbunden.
Mit der Verwendung von Steckerleisten und Buchsenleisten ist es möglich, eine Verbindung ohne Verlöten der Leiterbahnen während des Zusammenbaus der induktiven Ladeeinrichtung herzustellen. Dies bietet erhebliche Vorteile bei der Herstellung.
Dies ist insbesondere bei der Variante mit den durchkontaktierten Stecker- und Buchsenleisten der Fall.
Die Verwendung von Steckerleisten und Buchsenleisten kann aber, bei Verwendung von oberflächenmontierten bzw. oberflächenverlöteten (surface mounted device, SMD) Steckerleisten und Buchsenleisten auch mit einem Lötprozess einhergehen, der jedoch deutlich einfacher ist als ein Lötprozess ohne entsprechende Steckvorrichtungen.
In einer alternativen bevorzugten Variante sind die oberen Leiterbahnen mit den unteren Leiterbahnen über flexible Leiterplatten verbunden.
Hierbei können die oberen Leiterplatten und die unteren Leiterplatten weiterhin als starre Leiterplatten ausgeführt sein. Die flexiblen Leiterplatten sorgen für die Verbindung über die senkrechten Stirnseiten und vervollständigen somit die Wicklung für die Spule um das wenigstens eine Flussführungselement. Somit entsteht eine Kombination aus starren und flexiblen Leiterplatten. Diese Kombination wird auch als Starrflex-Leiterplatten bezeichnet. Auch das ist eine Variante, die eine einfachere und geeignetere Herstellung ermöglicht als das Verlöten vor Ort.
Der durch die jeweilige Positionierungssignalwicklung fließende elektrische Strom, vorzugsweise der Effektivwert, beträgt insbesondere zwischen 130 mA und 390 mA, beispielsweise zwischen 195 mA und 325 mA, vorzugsweise 260 mA.
Die Erfindung beinhaltet ferner eine induktive Ladeeinrichtung für ein erfindungsgemäßes Fahrzeugladesystem, wobei die induktive Ladeeinrichtung eine Energieübertragungswicklung und mindestens einem Flussführungselement und mindestens einer Positionierungssignalwicklung aufweist, wobei die Positionierungssignalwicklung als Solenoid mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt ist und das Flussführungselement geeignet ist, während eines Energieübertragungsvorgangs zu oder von der induktiven Ladeeinrichtung ein Magnetfeld zu führen und die Positionierungssignalwicklung mindestens eins der mindestens einen Flussführungselemente umschließt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Flussführungselemente radial um das Zentrum der Energieübertragungswicklung angeordnet, wobei Spalte zwischen den Flussführungselementen ebenfalls radial verlaufen.
Herstellungstechnisch ist es nicht oder nur sehr schwer zu ermöglichen, ein großes Flussführungselement herzustellen, welches die ganze Fläche der Energieübertragungsspule abdeckt bzw. diese noch überragt. Daher müssen meist mehrere kleinere Flussführungselemente nebeneinander platziert werden. Hierbei ist es möglich, rechteckige Flussführungselemente zu verwenden. Diese sind einfacher herzustellen. Zwischen den Flussführungselementen sind dann stets kleinere Spalte vorhanden. Diese können die Führung des Magnetfeldes negativ beeinflussen. Bei rechteckigen Flussführungselementen werden die Spalte zwischen den Flussführungselementen stets auch teilweise senkrecht zu den Magnetfeldlinien verlaufen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Spalte zwischen den Flussführungselementen ebenfalls radial verlaufen und somit die Führung des Magnetfeldes möglichst wenig beeinflussen.
Alternativ können mehrere Flussführungselemente als zumindest annähernd rechtwinklige Kacheln mit Spalten zwischen den Flussführungselementen ausgeführt sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigt, jeweils schematisch

1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs mit einer induktiven Ladeeinrichtung über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung
2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung
3 eine schematische Draufsicht auf eine alternative erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung
4 schematische seitliche Ansichten von zwei alternativen erfindungsgemäßen induktiven Ladeeinrichtungen
5 schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Positionierungssignalwicklung
6 eine schematische Darstellung der Richtungen bei einer Wicklung
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugladesystems während des Positionierungsvorgangs
8 Draufsicht auf eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung mit Sensorwicklungen
9 eine Draufsicht auf eine alternative erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung mit Positionierungssignalwicklungen

1 zeigt eine mobile induktive Ladeeinrichtung 1a , die an einem Fahrzeug 2 mit einem Energiespeicher 3 angeordnet ist und über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b positioniert ist. Im Betrieb kann von der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b Energie an die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a übertragen werden und der Energiespeicher des Fahrzeuges 3 hierdurch geladen werden. Die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a und die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b bilden zusammen bzw. sind Teil eines Fahrzeugladesystems 8. Prinzipiell ist es auch möglich, das Fahrzeugladesystem 8 bidirektional zu betreiben. Dabei kann zeitweise Energie von der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a an die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b übertragen werden. Die in 1 auf dem Untergrund angeordnete stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b kann alternativ auch in der Fahrbahn versenkt angeordnet sein (hier nicht gezeigt). Bei einer versenkten Anordnung kann die induktive Ladeeinrichtung 1b von bestimmten Schichten der Fahrbahn überdeckt werden oder aber bündig mit der Fahrbahnoberfläche abschließen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung 1 mit einer Energieübertragungswicklung 4 und mehreren Flussführungselementen 5. Die Energieübertragungswicklung 4 ist als Flachspule 10 ausgeführt. Eine Positionierungssignalwicklung 41 ist um die Flussführungselemente 5 und um die Energieübertragungswicklung 4 angeordnet. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist als Solenoid 42 ausgeführt. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist hierbei zentral und über die Mitte der Energieübertragungswicklung 4 verlaufend angeordnet.
3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung 1. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 2 ist die Positionierungssignalwicklung 41 hier lediglich um die Flussführungselemente 5 aber nicht um die Energieübertragungswicklung 4 herum angeordnet. Des Weiteren verläuft die Positionierungssignalwicklung 41 hier nicht über die Mitte der Energieübertragungswicklung 4, sondern ist nahe einer Kante der induktiven Ladeeinrichtung 1 angeordnet.
4 zeigt zwei unterschiedliche erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtungen 1 in einer seitlichen Ansicht. Links ist die Ausführungsform gezeigt, in der eine Positionierungssignalwicklung 41 die Energieübertragungswicklung 4 sowie die Flussführungselemente 5 umschließt. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist also wie in 2 auch um die Energieübertragungswicklung 4 gewickelt angeordnet. Rechts ist die Ausführungsform gezeigt, in der eine Positionierungssignalwicklung 41 die Flussführungselemente 5 nicht aber die Energieübertragungswicklung 4 umschließt. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist also wie in 3 nicht um die Energieübertragungswicklung 4 gewickelt angeordnet.
5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Positionierungssignalwicklung 41. Diese ist hier um ein Flussführungselemente 5 angeordnet. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist als Leiterbahnen 38 auf Leiterplatten 37 realisiert. An den senkrechten kurzen Kanten werden die Leiterbahnen über flexible Elemente als Verbindungselemente 43 verbunden.
6 zeigt schematisch wie die Richtungen insbesondere die radiale Längsrichtung 11 in einer Wicklung insbesondere in einer Sensorwicklung hier definiert sind. Im Beispiel der 6 handelt es sich um eine Zylinderspule mit fünf Windungen. Die Richtung, entlang der die Wicklung gewickelt wurde, ist die Wicklungsachse 27. Die Spule weist hier einen rechteckigen, nicht quadratischen Querschnitt auf. Die Richtung entlang der längeren Seite des Rechtecks wird hier radiale Längsrichtung 11 genannt. Ist der Querschnitt nicht rechteckförmig, sondern elliptisch, so verläuft die radiale Längsrichtung 11 entlang der Hauptachse der Ellipse.
7 a) zeigt schematisch ein Fahrzeug 2 mit einer Fahrzeuglängsrichtung 6 mit einer mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a während eines Positionierungsvorgangs über einer stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b mit einer Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a. Im vorliegenden Fall fährt das Fahrzeug 2 auf die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b zu und die Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a ist somit gleich der Fahrzeuglängsrichtung 6. Das Fahrzeugladesystem beinhaltet die mobile induktive Ladeeinrichtung 1a und die stationäre induktiven Ladeeinrichtung 1b. In der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a befindet sich neben der Energieübertragungswicklung (nicht gezeigt) auch eine Positionierungssignalwicklung 41. Die
Positionierungssignalwicklung 41 weist eine Wicklungsachse 27 und eine radiale Längsrichtung 11 auf. Die Leiter welche die Positionierungssignalwicklung 41 bilden erstrecken sich hauptsächlich entlang der radialen Längsrichtung 11. Die Positionierungssignalwicklung 41 erzeugt somit im Betrieb ein magnetisches Feld, wobei die Orientierung der Magnetfeldlinien zu einem großen Teil parallel zur Wicklungsachse 27 in einer Ebene liegen.
Ein so ausgerichtetes Magnetfeld ist besonders geeignet um eine Lageabweichung bzw. eine Winkelabweichung bzgl. der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b zu detektieren. Die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b weist neben der Energieübertragungswicklung (nicht gezeigt) zwei Sensorwicklungen 9a und 9b auf. Beide Sensorwicklungen weisen je eine radiale Längsrichtung 11a und 11b auf, in die sich die Leiter, welche die Sensorwicklungen bilden hauptsächlich erstrecken. Beide Sensorwicklungen sind in einem Winkel von 45° zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a und somit zur Fahrzeuglängsrichtung 6 in Zielposition und symmetrisch zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a angeordnet. Die beiden Sensorwicklungen 9a und 9b bzw. ihre radialen Längsrichtungen 11a und 11b stehen somit senkrecht aufeinander. Diese Anordnung der Wicklungen für die Positionierung ist besonders vorteilhaft. Die Positionierungssignalwicklung 41 erzeugt ein recht homogenes Magnetfeld mit Magnetfeldlinien, die sich hauptsächlich in der Fahrtebene und parallel zur Fahrzeuglängsrichtung erstrecken. In den Sensorwicklungen 9a und 9b wird durch das Magnetfeld der Positionierungssignalwicklung 41 eine Spannung induziert. Diese Spannung ist proportional zur Komponente des Magnetfelds, welche senkrecht zur jeweiligen radialen Längsrichtung 11a, 11b der Sensorwicklung ist. Fährt das Fahrzeug, wie in der linken Skizze gezeigt genau senkrecht auf die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b zu, so wird in beide Sensorwicklungen 9a und 9b eine gleich große Spannung induziert.
7b) zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Positionierungssignalwicklung 41 in der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b angeordnet ist und die Sensorwicklungen 9a und 9b in der mobilen induktiven Ladeeinrichtung 1a angeordnet sind. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiel ist ansonsten genau gleich. Hier gezeigt ist ein Fall in dem das Fahrzeug 2 nicht senkrecht auf die stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b zufährt, sondern in einem Winkel von ca. 45° davon abweicht. Fahrzeuglängsrichtung 6 und Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a stehen somit in einem Winkel von 45° aufeinander. In diesem Fall erzeugt die Positionierungssignalwicklung 41 ein Magnetfeld welches senkrecht zur ersten Sensorwicklung 9a steht. Hier wird eine maximale Spannung induziert. Das von der Positionierungssignalwicklung 41 erzeugte Magnetfeld steht außerdem annähernd parallel zur zweiten Sensorwicklung 9b. Hier wird eine minimale bzw. keine Spannung induziert.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße induktive Ladeeinrichtung 1. Es kann sich hierbei um eine mobile induktive Ladeeinrichtung 1a oder eine stationäre induktive Ladeeinrichtung 1b handeln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind acht Flussführungselemente 5 gezeigt, die radial um das Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4 in der Ebene angeordnet sind. Zwischen den Flussführungselementen 5 sind schmale Spalte Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Die Spalte verlaufen ebenfalls radial um das Zentrum 7, somit verlaufen die Spalte annäherungsweise in Hauptrichtung der Magnetfeldlinien (hier drei Magnetfeldlinien 14 symbolisch angedeutet), die sich bei einer Energieübertragung in den
Flussführungselementen 5 einstellt. Die Energieübertragungswicklung 4, welche in der Draufsicht durch die Flussführungselemente 5 verdeckt wird, ist gestrichelt angedeutet. Die Energieübertragungswicklung 4 ist hier eine Flachspule 10. Um eines der Flussführungselemente 5 ist eine ersten Sensorwicklung 9,9a angeordnet und um ein anderes Flussführungselement 5 ist eine zweiten Sensorwicklung 9,9b angeordnet. Die Sensorwicklungen sind hier als Solenoid auch Zylinderspule genannt ausgebildet. Die erste Sensorwicklung 9a ist achsensymmetrisch zur zweiten Sensorwicklung 9b bzgl. der Fahrzeuglängsrichtung 6 (bzw. der Soll-Fahrzeuglängsrichtung 6a) angeordnet. Die erste Sensorwicklung 9a besitzt eine erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite Sensorwicklung 9b besitzt eine zweite radiale Längsrichtung 11b. Der Winkel 11b zwischen der ersten radialen Längsrichtung 11a und der Längsrichtung 6 des Fahrzeugs 2 ist zumindest annähernd gleich groß wie der Winkel 12 zwischen der zweiten radialen Längsrichtung 11b und der Längsrichtung des Fahrzeugs. Die erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite radiale Längsrichtung 11b schneiden bzw. kreuzen sich zumindest annähernd im Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4. Die erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite radiale Längsrichtung 11b verlaufen radial vom Zentrum 7 der Energieübertragungswicklung 4 nach außen. Beim Ladevorgang ist das Fahrzeug 2 über der stationären induktiven Ladeeinrichtung 1b positioniert und Energie wird an die induktive Ladeeinrichtung 1a übertragen. Die Flussführungselemente 5 übernehmen dabei die Funktion der Flussführung. In ihnen verlaufen im Ladezustand die Feldlinien des magnetischen Feldes annäherungsweise in radialer Richtung. In 3 sind symbolisch drei Magnetfeldlinien 14 angedeutet. Da die erste radiale Längsrichtung 11a und die zweite radiale Längsrichtung 11b hier ebenfalls radial und somit zumindest annähernd parallel zu den Magnetfeldlinien 14 ausgerichtet sind wird hier nur verhältnismäßig wenig bis gar keine Spannung in die ersten Sensorwicklung 9a und in die zweite Sensorwicklung 9b induziert. Dies ist wichtig, da es bei den hohen Leistungen der Energieübertragung und somit hohen Flussdichten sonst leicht zu einer Zerstörung der Sensorwicklungen kommen könnte. Ein Zusatzaufwand zur Verhinderung der Zerstörung der Anordnung ist damit auch nicht notwendig.
9 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer induktiven Ladeeinrichtung 1 mit einer Positionierungssignalwicklung 41. Die induktive Ladeeinrichtung 1 weist eine Energieübertragungswicklung 4 und eine Positionierungssignalwicklung 41 auf. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist als Solenoid 42 ausgeführt. Die induktive Ladeeinrichtung 1 weist ferner mehrere Flussführungselemente 5 auf. Diese sind zueinander durch Spalte 27 beabstandet angeordnet. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist um die Flussführungselemente 5 angeordnet, aber nicht um die
Energieübertragungswicklung 4 angeordnet. Die Energieübertragungswicklung 4 ist als Flachspule 10 ausgeführt. Die Flussführungselemente 5 sind auf mechanische Stützelementen 44 angeordnet. Die Positionierungssignalwicklung 41 ist so angeordnet, dass in diesem Bereich keine Stützelementen 44 verlaufen und nur Spalte 27 zwischen den Flussführungselementen 5 in eine Richtung verlaufen.
Bezugszeichen

1: induktive Ladeeinrichtung
1a: mobile induktive Ladeeinrichtung
1b: stationäre induktive Ladeeinrichtung
2: Fahrzeug
3: Energiespeicher des Fahrzeuges
4: Energieübertragungswicklung
5: Flussführungselement
6: Fahrzeuglängsrichtung
6a: Soll-Fahrzeuglängsrichtung
7: Zentrum der Energieübertragungswicklung
8: Fahrzeugladesystem
9: Sensorwicklung
9a: erste Sensorwicklung
9b: zweite Sensorwicklung
10: Flachspule
11: radiale Längsrichtung
11a: erste radiale Längsrichtung
11b: zweite radiale Längsrichtung
12: erster Winkel
13: zweiter Winkel
14: Magnetfeldlinien
27: Spalt zwischen Flussführungselementen
28: Wicklungsachse
37: Leiterplatte
38: Leiterbahnen
41: Positionierungssignalwicklung
42: Solenoid
43: Verbindungselement zwischen Leiterbahnen
44: Stützelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018210726 A1 [0002]

Claims

Induktive Ladeeinrichtung (1) für ein Fahrzeugladesystem (8) mit einer Energieübertragungswicklung (4) und mindestens einem Flussführungselement (5) und mindestens einer Positionierungssignalwicklung (41), wobei - die Positionierungssignalwicklung (41) als Solenoid (42) mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt ist und - das Flussführungselement (5) geeignet ist, während eines Energieübertragungsvorgangs, welcher zwischen einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung (1) und der Energieübertragungswicklung (4) stattfindet, ein Magnetfeld zu führen und - die Positionierungssignalwicklung (41) mindestens eins der mindestens einen Flussführungselemente (5) umschließt und die Energieübertragungswicklung (4) umschließt.
Induktive Ladeeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - es sich bei der induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine mobile induktive Ladeeinrichtung (1a), welche an und/oder in einem Fahrzeug (2) angeordnet ist, handelt oder, dass - es sich bei der induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung (1b) handelt.
Induktive Ladeeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) durch Leiterbahnen (38), welche auf mindestens einer Leiterplatte (27) bevorzugt auf mindestens zwei Leiterplatten (27) aufgebracht sind, gebildet wird.
Induktive Ladeeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) als Litze, insbesondere als Hochfrequenzlitze oder als Draht ausgebildet ist.
Induktive Ladeeinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) zumindest annähernd die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung (4) kreuzt.
Induktive Ladeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung (4) insbesondere nahe einer Kante der Energieübertragungswicklung (4) der induktiven Ladeeinrichtung (1) oder nahe einer Kante der induktiven Ladeeinrichtung (1) angeordnet ist.
Fahrzeugladesystem (8) mit einer ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) und einer weiteren induktiven Ladeeinrichtung (1), wobei - die erste induktive Ladeeinrichtung (1) wenigstens eine Energieübertragungswicklung (4) und wenigstens ein Flussführungselement (5) und wenigstens eine Positionierungssignalwicklung (41) aufweist und - die Positionierungssignalwicklung (41) als Solenoid (42) mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung (6) oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung (6a) ausgeführt ist und - die weitere induktive Ladeeinrichtung (1) wenigstens eine Energieübertragungswicklung (4) und wenigstens ein Flussführungselement (5) und eine erste Sensorwicklung (9a) mit einer ersten radialen Längsrichtung (11a) und eine zweite Sensorwicklung (9b) mit einer zweiten radialen Längsrichtung (11b) aufweist und - die erste radiale Längsrichtung (11a) und die zweite radiale Längsrichtung (11b) in einem Winkel zwischen 70° und 110° zueinander, bevorzugt senkrecht zueinander und in einem Winkel zwischen 35° und 55° zur Fahrzeuglängsrichtung (6) oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung (6a), bevorzugt in einem 45°-Winkel zur Fahrzeuglängsrichtung (6) oder zur Soll-Fahrzeuglängsrichtung (6a) angeordnet sind.
Fahrzeugladesystem (8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - dass es sich bei der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine mobile induktive Ladeeinrichtung (1a), welche an und/oder in einem Fahrzeug (2) angeordnet ist, handelt und es sich bei der weiteren induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung (1b) handelt oder - dass es sich bei der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine stationäre induktive Ladeeinrichtung (1b) handelt und es sich bei der weiteren induktiven Ladeeinrichtung (1) um eine mobile induktive Ladeeinrichtung (1a), welche an und/oder in einem Fahrzeug (2) angeordnet ist, handelt.
Fahrzeugladesystem (8) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) wenigstens eins der wenigstens einen Flussführungselemente (5) umschließt.
Fahrzeugladesystem (8) nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass - die Positionierungssignalwicklung (41) zumindest annähernd die Wicklungsachse der Energieübertragungswicklung (4) der ersten induktiven Ladeeinrichtung kreuzt und - sich die erste radiale Längsrichtung (11a) und die zweite radiale Längsrichtung (11b) zumindest annähernd im Zentrum (7) der Energieübertragungswicklung (4) der weiteren induktiven Ladeeinrichtung kreuzen.
Fahrzeugladesystem (8) nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssignalwicklung (41) beabstandet zum Zentrum der Energieübertragungswicklung (4) der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) insbesondere nahe einer Kante der Energieübertragungswicklung (4) der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) oder nahe einer Kante der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1) angeordnet ist.
Fahrzeugladesystem (8) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungssingalwicklung (41) während eines Positionierungsvorgangs weiter von der weiteren induktiven Ladeeinrichtung (1) entfernt angeordnet ist als das Zentrum der Energieübertragungswicklung (4) der ersten induktiven Ladeeinrichtung (1).
Fahrzeugladesystem (8) nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, dass - die Positionierungssignalwicklung (41) durch Leiterbahnen (38), welche auf mindestens einer Leiterplatte (37) aufgebracht sind gebildet wird und - die erste Sensorwicklung (9a) und die zweite Sensorwicklung (9b) durch Leiterbahnen (38), welche auf mindestens einer Leiterplatte (37) aufgebracht sind, gebildet werden.
Induktive Ladeeinrichtung (1) für ein Fahrzeugladesystem (8) nach einem der Ansprüche 7-13 mit einer Energieübertragungswicklung (4) und mindestens einem Flussführungselement (5) und mindestens einer Positionierungssignalwicklung (41), wobei - die Positionierungssignalwicklung (41) als Solenoid (42) mit einer Wicklungsachse in Fahrzeuglängsrichtung oder Soll-Fahrzeuglängsrichtung ausgeführt ist und - das Flussführungselement (5) geeignet ist, während eines Energieübertragungsvorgangs zu oder von der induktiven Ladeeinrichtung (1) ein Magnetfeld zu führen und - die Positionierungssignalwicklung (41) mindestens eins der mindestens einen Flussführungselemente (5) umschließt.