DE112018001471T5

DE112018001471T5 - System und Verfahren zum Laden von Elektrofahrzeugen

Info

Publication number: DE112018001471T5
Application number: DE112018001471.1T
Authority: DE
Inventors: Shu Yuen Ron Hui
Original assignee: University of Hong Kong HKU
Current assignee: University of Hong Kong HKU
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-12-05
Also published as: US20200094700A1; US11285833B2; CN110622381A; CN110622381B; WO2018171658A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs bereit. Das Verfahren umfasst zwei Schritte. Der erste Schritt besteht darin, zumindest eine Senderspule eines Ladegeräts oder eine Empfängerspule, die an einem oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet sind, relativ zueinander zu bewegen. Der zweite Schritt besteht darin, die Senderspule mit der Empfängerspule so auszurichten, dass die Senderspule oberhalb und proximal zur Empfängerspule angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Elektrofahrzeug, das nach dem obigen Verfahren aufgeladen werden kann, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektrofahrzeugs sowie ein Ladegerät oder eine Ladestation, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen nach dem obigen Verfahren eingerichtet ist, bereit.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Elektrofahrzeugen sowie ein entsprechendes Ladesystem, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, ein Laden von Elektrofahrzeugen von einer Oberseite der Elektrofahrzeuge.
HINTERGRUND
Elektrofahrzeuge (EV), einschließlich Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), sind in den letzten Jahren weltweit immer beliebter geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen nichtelektrischen Fahrzeugen verbrauchen Elektrofahrzeuge weniger Kraftstoff oder verwenden überhaupt keinen Kraftstoff (wie z. B. Benzin). Außerdem sind sie relativ umweltfreundlich.
Im Allgemeinen können Elektrofahrzeuge unter Verwendung von kabelgebundenen Ladesystemen aufgeladen werden. In herkömmlichen kabelgebundenen Ladesystemen wird ein Direktkontaktstecker des Ladegeräts oder der Ladestation, gekoppelt mit einer Energieversorgung über ein Ladekabel, in eine Steckdose im Fahrzeug gesteckt, um das Laden durchzuführen. Diese Systeme sind effektiv, um das Laden in milden Umgebungen durchzuführen. In rauen Umgebungen, wie z. B. unter feuchten und staubigen Bedingungen, ist der Stecker jedoch korrosionsanfällig. Außerdem kann das elektrische Ladekabel bei extremer Kälte einfrieren, was wiederum dazu führt, dass das Ladesystem unbrauchbar wird. Diese Probleme haben zur Entwicklung alternativer Ladesysteme geführt, insbesondere drahtloser Ladesysteme.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ladegerät für ein Elektrofahrzeug vorgesehen, umfassend: einen Ladeschaltkreis, der zum Verbinden mit einer Energieversorgung betriebsfähig ist, wobei der Ladeschaltkreis eine Senderspule umfasst, die zum drahtlosen Übertragen von Energie zu einer Empfängerspule eines Elektrofahrzeugs zum Laden des Elektrofahrzeugs angeordnet ist; und einen Bewegungsmechanismus, der angeordnet ist, um eine Bewegung der Senderspule zum Ausrichten der Senderspule mit einer Empfängerspule zu ermöglichen, die am oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist (im Folgenden soll „Chassis“ gleichbedeutend mit „Karosserie“ sein). Das Ladegerät kann auch als Ladestation betrachtet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Senderspule so eingerichtet sein, dass sie Daten mit dem Elektrofahrzeug drahtlos über die Empfängerspule kommuniziert.
Die Energieversorgung ist bevorzugt ein Stromnetz, kann aber auch eine Wechselstromquelle oder eine Gleichstromquelle sein. Die Gleichstromquelle kann eine Gleichstromquelle sein, die von einer Wechselstromquelle gleichgerichtet wird. Die Gleichstromquelle ist bevorzugt eine erneuerbare Energiequelle. In einem Beispiel kann die Gleichstromquelle ein oder mehrere Photovoltaikmodule mit zugehörigen Schaltkreisen sein. Das Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, das zumindest teilweise mit Elektrizität betrieben wird. In einem Beispiel kann das Elektrofahrzeug ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (wie z. B. Autos, Busse, Lastwagen und Züge), Luftfahrzeug (Flugzeug), Wasserfahrzeug (wie z. B. Schiffe, Segelboote) usw. sein. Das Fahrzeug kann sogar ein Haushalts- oder Industrieroboter sein. So können die Fahrzeuge beispielsweise ein Roboterstaubsauger oder ein Roboter-Mäher sein.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Senderspule in einem Senderpad angeordnet. Die Senderspule kann kreisförmig, quadratisch oder spiralförmig sein und eine oder mehrere Schichten umfassen. In den Beispielen mit mehreren Senderspulen können die Senderspulen parallel, orthogonal oder in anderen Ausrichtungen zueinander angeordnet sein. Das Senderpad kann jede Form annehmen und ist bevorzugt eben. In einem Beispiel kann es in Form einer Kugel, eines Zylinders, einer kreisförmigen Scheibe, eines Quaders, eines Würfels, eines Zylinders mit ovalem Querschnitt usw. vorliegen. Bevorzugt umfasst das Senderpad eine wasserdichte Schicht und eine elektrische Abschirmung. Die wasserdichte Schicht ist so angeordnet, dass sie eine Wasserisolierungsfunktion bereitstellt; die elektrische Abschirmung ist so angeordnet, dass sie eine elektrische Isolationsfunktion bereitstellt. Das Senderpad kann ein Kunststoffgehäuse umfassen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Senderpad eine elektromagnetische Abschirmung zur Abschirmung eines Magnetfeldes, das während des Ladevorgangs an der Senderspule erzeugt wird. Das Senderpad kann auch ein Magnetfeld abschirmen, das während des Ladevorgangs an der Empfängerspule erzeugt wird. In der normalen Ausrichtung des Pads ist die elektrometrische Abschirmung über der Senderspule positioniert.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch einen Magnetkern gebildet.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch eine ferromagnetische Schicht und eine leitende Schicht ausgebildet, die aus leitfähigem Material hergestellt ist; die ferromagnetische Schicht ist zwischen der leitenden Schicht und dem Sender angeordnet.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst die elektromagnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt, der während eines Ladevorgangs über der Senderspule in Bezug auf einen Boden angeordnet ist (z. B. ein physischer Boden oder eine Bodenfläche). Optional umfasst die elektromagnetische Abschirmung weiterhin einen zweiten Abschnitt, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Abschnitt erstreckt, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen einen Raum definieren, der zumindest teilweise die Senderspule aufnimmt. In einem Beispiel können der erste und zweite Abschnitt im Wesentlichen eine U-Form definieren (z. B. eine umgedrehte U-Form während eines Ladevorgangs).
In einer Ausführungsform, in der die elektromagnetische Abschirmung sowohl den ersten als auch den zweiten Abschnitt umfasst, kann eine Länge des ersten Abschnitts im Wesentlichen gleich oder etwas größer sein als die Länge der durch die Ebene der Senderspule definierten Länge. Alternativ kann in einer Ausführungsform, in der die elektromagnetische Abschirmung nur den ersten Abschnitt umfasst, die Länge des ersten Abschnitts zumindest das 1,5-fache der durch die Ebene der Senderspule definierten Länge betragen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist das Senderpad angeordnet, um in ein Dock oder einen Andockabschnitt am oberen Ende des Chassis in Eingriff zu kommen oder dort aufgenommen zu werden. In einem Beispiel kann das Dock oder der Andockabschnitt eine Aussparung umfassen, wobei das Senderpad zumindest teilweise innerhalb der Aussparung angeordnet sein kann. Das Senderpad kann vollständig in der Aussparung aufgenommen sein. In einem weiteren Beispiel kann das Dock oder die Dockingstation einen Vorsprung aufweisen, wobei das Senderpad mit einer zusätzlichen Aussparung zur Aufnahme zumindest eines Teils des Vorsprungs ausgebildet sein kann. Der Vorsprung kann vollständig in der komplementären Aussparung des Senderpads aufgenommen sein.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst (d. h. ist damit verbunden) das Ladegerät weiterhin die Energieversorgung.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst der Bewegungsmechanismus einen mechanischen Arm, wobei die Senderspule oder das Senderpad an einem Ende des mechanischen Arms angeordnet sind. Der Bewegungsmechanismus kann einen oder mehrere mechanische Arme umfassen, die betriebsfähig miteinander verbunden sind. Elektrische Anordnungen, wie beispielsweise elektrische Kabel, können durch oder um den Arm herum verlaufen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts weist der mechanische Arm zumindest zwei Freiheitsgrade auf. Bevorzugt verfügt der mechanische Arm über zumindest zwei Drehpunkte oder ein Kreuzgelenk.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst der mechanische Arm einen flexiblen Abschnitt. In einem Beispiel kann der flexible Abschnitt eine Feder umfassen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist der mechanische Arm sowohl entlang einer horizontalen Richtung als auch entlang einer vertikalen Richtung, sequenziell oder gleichzeitig, bewegbar. In einigen anderen Ausführungsformen kann der mechanische Arm nur in horizontaler Richtung oder nur in vertikaler Richtung bewegt werden. Bevorzugt ist der mechanische Arm in einem 2-dimensionalen Raum oder einem 3-dimensionalen Raum bewegbar.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist der mechanische Arm mit einem mechanischen Rahmen verbunden, der auf einem Boden (z. B. einem physischen Boden oder einer Bodenfläche) abgestützt ist; mit einer Wandhalterung verbunden; oder von einer Decke abgehängt. Der mechanische Rahmen kann in Bezug auf den Boden befestigt oder entlang des Bodens bewegbar sein. Die Wandhalterung kann in Bezug auf die Wand befestigt oder entlang einer Führungsschiene an der Wand bewegbar sein.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Ladegerät weiterhin einen Ausrichtungsmechanismus, der angeordnet ist, um eine Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern. Der Ausrichtungsmechanismus kann eines oder mehrere sein von: einem magnetischen Element; und einem Sensor, der bedienbar ist, um eine auf dem Chassis angeordnete Markierung zu identifizieren und einer Steuerung, die angeordnet ist, um eine Bewegung des Bewegungsmechanismus zu steuern, eine Rückmeldung zu geben. Ein Beispiel für den Sensor umfasst einen optischen Sensor, einen HF-Sensor, einen Infrarotsensor usw., wobei der Sensor angeordnet ist, um eine entsprechende Markierung auf dem Chassis zu identifizieren oder zu detektieren.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist der Ausrichtungsmechanismus so angeordnet, um die Senderspule mit der Empfängerspule auszurichten, so dass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: ein Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule beträgt weniger als 100 mm; eine von der Senderspule definierte Mittelachse ist im Wesentlichen parallel zu einer von der Empfängerspule definierten Mittelachse; und eine von der Senderspule definierte Mittelachse stimmt mit einer von der Empfängerspule definierten Mittelachse überein. Bevorzugt ist der Abstand kleiner als 50 mm. Die oben genannten Bedingungen sind jeweils so angeordnet, um den Wirkungsgrad der Energieübertragung zu maximieren.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Ladegerät weiterhin eine Steuerung, die angeordnet ist, um eine Bewegung des Bewegungsmechanismus zu steuern.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Steuerung eingerichtet, manuelle Nutzereingaben zur Steuerung der Bewegung des Armes zu empfangen. In einem Beispiel kann die Steuerung mit einem Joystick oder einem Computer verbunden sein, die betriebsfähig sind, Befehle von einem Nutzer zu empfangen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Steuerung eingerichtet, die Senderspule automatisch mit der Empfängerspule auszurichten, basierend auf einer Rückmeldung von einem Ausrichtungsmechanismus, der so angeordnet ist, um die Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Ladegerät weiterhin einen Ladezähler, der betriebsfähig mit dem Ladeschaltkreis verbunden ist, zum Bestimmen zumindest eines von: einer Menge an Energie, die vom Ladegerät durch die Senderspule übertragen wird; und einer Dauer eines Energieübertragungsereignisses. In einem Beispiel liefert das Ladegerät nur dann Energie, wenn der Nutzer eine Kontoeinzahlung durchführt, z. B. an dem Ladezähler. In einem Beispiel kann der Ladezähler in eine Parkuhr integriert sein.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Ladegerät weiterhin eine Anzeige, die angeordnet ist, um einen Betriebszustand der Senderspule anzuzeigen.
In einer Ausführungsform des ersten Aspekts ist die Senderspule weiterhin so angeordnet, dass sie drahtlos Energie von der Empfängerspule des Elektrofahrzeugs empfängt, so dass die Energieversorgung, mit der das Ladegerät betriebsfähig verbunden ist, mit Energie versorgt werden kann. Mit anderen Worten, eine gegenseitige Energie- (oder sogar Daten-) Übertragung kann zwischen dem Elektrofahrzeug und dem Ladegerät ermöglicht sein. Um die wiederaufladbare Energiequelle im Fahrzeug aufzuladen, wird die Energie von der Senderspule auf die Empfängerspule übertragen. Um eine Energieversorgung (z. B. ein Stromnetz, insbesondere ein Stromnetz mit begrenzter Energiereserve) zu versorgen, kann Energie des Elektrofahrzeugs (z. B. Energie in der wiederaufladbaren Energiequelle) vom Elektrofahrzeug über die Sender- und Empfängerspule zurück an das Ladegerät übertragen werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Elektrofahrzeug vorgesehen, umfassend: ein Chassis; ein mit dem Chassis gekoppeltes Bewegungsmittel, um die Bewegung des Elektrofahrzeugs zu ermöglichen; einen Antriebsmechanismus, der betriebsfähig mit dem Bewegungsmittel zum Antreiben des Bewegungsmechanismus verbunden ist; eine wiederaufladbare Energiequelle, die betriebsfähig mit dem Antriebsmechanismus verbunden ist, für einen Energiebetrieb des Antriebsmechanismus; und einen Ladeschaltkreis, der betriebsfähig mit der wiederaufladbaren Energiequelle verbunden ist, um die wiederaufladbare Energiequelle aufzuladen, wobei der Ladeschaltkreis eine Empfängerspule umfasst, die an einem oberen Ende des Chassis angeordnet ist, wobei die Empfängerspule angeordnet ist, um Energie drahtlos von einer Senderspule eines Ladegeräts zu empfangen. Der Bewegungsmechanismus kann aus Rädern bestehen. Die Antriebsmechanismen können ein Motor sein. Die wiederaufladbare Energiequelle kann Lithium-basierte Batterien, Brennstoffzellen usw. sein. Das Ladegerät kann als Ladestation betrachtet werden.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist die Empfängerspule in einem Empfängerpad angeordnet. Die Empfängerspule kann kreisförmig, quadratisch oder spiralförmig sein und eine oder mehrere Schichten umfassen. In Beispielen mit mehreren Empfängerspulen können die Empfängerspulen parallel, orthogonal oder in anderen Ausrichtungen zueinander angeordnet sein. Das Empfängerpad kann jede Form annehmen und ist bevorzugt eben. In einem Beispiel kann es in Form einer Kugel, eines Zylinders, einer kreisförmigen Scheibe, eines Quader, eines Würfels usw. vorliegen. Bevorzugt umfasst das Empfängerpad eine wasserdichte Schicht und eine elektrische Abschirmung. Die wasserdichte Schicht ist so angeordnet, dass sie eine Wasserisolierungsfunktion bereitstellt; die elektrische Abschirmung ist so angeordnet, dass sie eine elektrische Isolationsfunktion bereitstellt. Das Empfängerpad kann ein Kunststoffgehäuse umfassen.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Empfängerpad eine elektromagnetische Abschirmung zur Abschirmung eines Magnetfeldes, das während des Ladevorgangs an der Empfängerspule erzeugt wird. Das Empfängerpad kann auch ein Magnetfeld abschirmen, das während des Ladevorgangs an der Senderspule erzeugt wird. In der normalen Ausrichtung des Pads ist die elektrometrische Abschirmung unterhalb der Empfängerspule positioniert.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch einen Magnetkern gebildet.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch eine ferromagnetische Schicht und eine leitende Schicht aus leitendem Material gebildet, wobei die ferromagnetische Schicht zwischen der leitenden Schicht und der Empfängerspule angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst die elektromagnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt, der während des Ladevorgangs unterhalb der Empfängerspule in Bezug auf einen Boden (z. B. einen physischer Boden oder eine Bodenfläche) angeordnet ist. Optional umfasst die elektromagnetische Abschirmung weiterhin einen zweiten Abschnitt, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Abschnitt erstreckt, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen einen Raum definieren, der zumindest teilweise die Empfängerspule aufnimmt. In einem Beispiel können der erste und zweite Abschnitt im Wesentlichen eine U-Form definieren (z. B. während des Ladevorgangs).
In einer Ausführungsform, in der die elektromagnetische Abschirmung sowohl den ersten als auch den zweiten Abschnitt umfasst, kann eine Länge des ersten Abschnitts im Wesentlichen gleich oder etwas größer sein als die Länge der durch die Ebene der Empfängerspule definierten Länge. Alternativ kann in einer Ausführungsform, in der die elektromagnetische Abschirmung nur den ersten Abschnitt umfasst, die Länge des ersten Abschnitts zumindest das 1,5-fache der durch die Ebene der Empfängerspule definierten Länge betragen.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Elektrofahrzeug weiterhin ein Dock oder einen Andockabschnitt, der am oberen Ende des Chassis zum Aufnehmen oder Eingreifen in ein Senderpad des Ladegeräts angeordnet ist; wobei das Empfängerpad am oder angrenzend an das Dock oder den Andockabschnitt angeordnet ist; wobei das Senderpad die Senderspule umfasst.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Dock oder der Andockabschnitt eine Aussparung am oberen Ende des Chassis. Das Senderpad kann zumindest teilweise in der Aussparung aufgenommen sein. Das Senderpad kann vollständig in der Aussparung aufgenommen sein.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Dock oder der Andockabschnitt einen Vorsprung vom oberen Ende des Chassis. Der Vorsprung kann zumindest teilweise in einer komplementären Aussparung, die auf dem Senderpad gebildet ist, aufgenommen sein. Der Vorsprung kann vollständig in der auf dem Senderpad gebildeten komplementären Aussparung aufgenommen sein.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Elektrofahrzeug weiterhin ein Ausrichtungselement, das angeordnet ist, um die Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Ausrichtungselement ein magnetisches Element oder eine Markierung. Die Markierung kann von einem am Ladegerät angeordneten Sensor gelesen werden, um die Ausrichtung der Spulen zu erleichtern.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist das obere Ende des Chassis ein Dach des Chassis. In anderen Ausführungsformen kann das obere Ende des Chassis die Motorhaube oder der Kofferraum oder sogar die Windschutzscheibe des Fahrzeugs sein.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Elektrofahrzeug weiterhin eine Anzeige, die angeordnet ist, um einen Betriebszustand der Empfängerspule anzuzeigen.
In einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist die Empfängerspule weiterhin angeordnet, um Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts zu übertragen. Mit anderen Worten, eine gegenseitige Energieübertragung zwischen dem Ladegerät und dem Elektrofahrzeug ist möglich. Um die wiederaufladbare Energiequelle im Fahrzeug aufzuladen, wird Energie von der Senderspule auf die Empfängerspule übertragen. Um eine Energieversorgung (z. B. ein Stromnetz, insbesondere ein Stromnetz mit begrenzter Energiereserve) zu versorgen, kann Energie des Elektrofahrzeugs (z. B. Energie in der wiederaufladbaren Energiequelle) vom Elektrofahrzeug über die Sender- und Empfängerspule zurück an das Ladegerät übertragen werden.
In dem zweiten Aspekt ist das Elektrofahrzeug ein Fahrzeug, das zumindest teilweise auf Basis von Elektrizität arbeitet. In einem Beispiel kann das Elektrofahrzeug ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (wie z. B. Autos, Busse, Lastwagen und Züge), ein Luftfahrzeug (ein Flugzeug), ein Wasserfahrzeug (z. B. Schiffe, Segelboote) usw. sein. Das Fahrzeug kann sogar ein Haushalts- oder Industrieroboter sein. So können die Fahrzeuge beispielsweise ein Roboterstaubsauger oder ein Roboter-Mäher sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrofahrzeugs vorgesehen, umfassend: Bereitstellen eines Chassis des Elektrofahrzeugs; Bereitstellen eines Ladeschaltkreises zum Laden des Elektrofahrzeugs; und Anordnen einer Empfängerspule des Ladeschaltkreises an einem oberen Ende des Chassis, wobei die Empfängerspule angeordnet ist, um Energie drahtlos von einer Senderspule eines Ladegeräts zum Laden einer wiederaufladbaren Energiequelle des Elektrofahrzeugs zu empfangen.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist die Empfängerspule in einem Empfängerpad angeordnet.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Montieren, in dem Chassis, einer wiederaufladbaren Energiequelle zur Verbindung mit dem Antriebsmechanismus, um einen Betrieb des Antriebsmechanismus mit Energie zu versorgen; und ein betriebsfähiges Verbinden der wiederaufladbaren Energiequelle mit dem Ladeschaltkreis. Die wiederaufladbare Energiequelle kann Lithium-basierte Batterien, Brennstoffzellen usw. sein.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin das Anordnen eines Docks oder Andockabschnitts an dem oberen Ende des Chassis zum Aufnehmen oder Eingreifen in ein Senderpad des Ladegeräts; wobei das Empfängerpad am oder angrenzend an das Dock oder den Andockabschnitt angeordnet ist; wobei das Senderpad die Senderspule enthält.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Dock oder der Andockabschnitt eine Aussparung am oberen Ende des Chassis.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Dock oder der Andockabschnitt einen Vorsprung, der aus dem oberen Ende des Chassis herausragt.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist die Empfängerspule weiterhin so angeordnet, dass sie Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts überträgt, um der Energieversorgung, an die das Ladegerät betriebsfähig angeschlossen ist, Energie bereitzustellen.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Anordnen eines Ausrichtungselements in dem Elektrofahrzeug, um eine Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist das obere Ende des Chassis ein Dach des Chassis. In anderen Ausführungsformen kann das obere Ende des Chassis die Motorhaube oder der Kofferraum oder sogar die Windschutzscheibe des Fahrzeugs sein.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts ist das Elektrofahrzeug das Elektrofahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs vorgesehen, umfassend: Bewegen zumindest einer Senderspule eines Ladegeräts oder einer Empfängerspule, die an einem oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, relativ zueinander; und Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass die Senderspule oberhalb und proximal zur Empfängerspule angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst der Bewegungsschritt ein Bewegen der Senderspule des Ladegeräts, während die Empfängerspule des Elektrofahrzeugs im Wesentlichen stationär bleibt.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst der Bewegungsschritt ein Bewegen der Senderspule sowohl entlang einer horizontalen Richtung als auch entlang einer vertikalen Richtung, sequenziell oder gleichzeitig. In einigen anderen Ausführungsformen kann der mechanische Arm nur in horizontaler Richtung oder nur in vertikaler Richtung bewegt werden. Bevorzugt umfasst der Bewegungsschritt ein Bewegen der Senderspule in einem zweidimensionalen Raum oder einem dreidimensionalen Raum.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts wird zumindest der Bewegungs- oder der Ausrichtungsschritt manuell ausgeführt.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts wird zumindest der Bewegungs- oder der Ausrichtungsschritt elektronisch und bevorzugt automatisch ausgeführt.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst der Ausrichtungsschritt einen oder mehrere der folgenden Schritte: Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass ein Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule weniger als 100 mm beträgt; Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass eine durch die Senderspule definierte Mittelachse im Wesentlichen parallel zu einer durch die Empfängerspule definierten Mittelachse verläuft; und Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass eine durch die Senderspule definierte Mittelachse mit einer durch die Empfängerspule definierten Mittelachse zusammenfällt. Bevorzugt ist der Abstand kleiner als 50 mm. Die oben genannten Bedingungen sind jeweils so angeordnet, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung maximiert ist.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst der Ausrichtungsschritt ein Andocken der Senderspule an ein Dock oder einen Andockabschnitt, der am oberen Ende des Chassis angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Verriegeln der Senderspule in einer Position, nachdem die Senderspule mit der Empfängerspule ausgerichtet wurde. Dies kann durch ein mechanisches oder magnetisches Verriegelungsmittel erfolgen, das auf dem Senderpad und/oder auf dem Empfängerpad oder einem zugehörigen Chassisabschnitt angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Übertragens von Energie vom Ladegerät auf das Elektrofahrzeug, und zwar drahtlos durch die Senderspule und die Empfängerspule, zum Laden einer im Elektrofahrzeug angeordneten wiederaufladbaren Energiequelle. In einem Beispiel wird die Leistung nur dann übertragen, wenn der Nutzer eine Kontoeinzahlung durchführt, z. B. an dem Ladezähler. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Verfahren den Schritt eines Kommunizierens von Daten zwischen dem Ladegerät und dem Elektrofahrzeug, und zwar drahtlos über die Sender- und Empfängerspulen.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Überwachen zumindest eines der folgenden Merkmale: einer Menge an Energie, die vom Ladegerät durch die Senderspule übertragen wird; und einer Dauer eines Energieübertragungsereignisses.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Übertragen von Energie vom Elektrofahrzeug zum Ladegerät, und zwar drahtlos über die Senderspule und die Empfängerspule, um die Energieversorgung, an die das Ladegerät betriebsfähig angeschlossen ist, mit Energie zu versorgen.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt des Anzeigens eines Betriebszustandes von zumindest der Senderspule oder der Empfängerspule.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts umfasst das Verfahren weiterhin ein Identifizieren des Fahrzeugs und ein Zuordnen des Ladeereignisses zu dem identifizierten Fahrzeug.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts ist das Elektrofahrzeug das Elektrofahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts ist das Elektrofahrzeug das nach dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektrofahrzeug.
In einer Ausführungsform des vierten Aspekts ist das Ladegerät das Ladegerät gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Laden eines Elektrofahrzeugs vorgesehen, wobei das System ein Mittel zum Bewegen zumindest einer Senderspule eines Ladegeräts oder einer Empfängerspule, die an einem oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, relativ zueinander und ein Mittel zum Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule umfasst, so dass die Senderspule über und proximal zur Empfängerspule angeordnet ist.
Figurenliste
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 ein Blockdiagramm ist, das eine herkömmliche drahtlose Energieübertragungsumgebung für ein Elektrofahrzeug zeigt;
2 ein schematisches Diagramm ist, das ein herkömmliches Verfahren zur Übertragung von Energie und/oder Daten an ein Elektrofahrzeug zeigt;
3 ein schematisches Diagramm ist, das eine Draufsicht auf ein Elektrofahrzeug in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Funktionsblockdiagramm eines Ladesystems ist, das betriebsfähig ist, um im Elektrofahrzeug von 3 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet zu sein;
5 ein Funktionsblockdiagramm ist, das ein Ladesystem in einem Ladegerät (Ladestation) in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A eine schematische Ansicht ist, die die Ausrichtung des Senderpads des Ladegeräts und der Empfängerspule des Elektrofahrzeugs in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6B eine schematische Ansicht ist, die die Ausrichtung des Senderpads des Ladegeräts und der Empfängerspule des Elektrofahrzeugs in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6C eine schematische Ansicht ist, die die Ausrichtung des Senderpads des Ladegeräts und der Empfängerspule des Elektrofahrzeugs in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7A ein schematisches Schnittbild ist, das die Grundstruktur des Senderpads des Ladegeräts und des Empfängerpads des Elektrofahrzeugs in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B ein schematisches Schnittbild ist, das die Grundstruktur des Senderpads des Ladegeräts und des Empfängerpads des Elektrofahrzeugs in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A ein schematisches Diagramm ist, das ein Ladegerät (Ladestation) in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8B ein schematisches Diagramm ist, das ein Ladegerät (Ladestation) in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8C ein schematisches Diagramm ist, das ein Ladegerät (Ladestation) in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8D ein schematisches Diagramm ist, das ein Ladegerät (Ladestation) in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm (d. h. es stellt keine Schaltungsverbindung dar) einer herkömmlichen drahtlosen Energieübertragungsumgebung 100 für ein Elektrofahrzeug. Wie in 1 dargestellt ist, ist ein Elektrofahrzeug 12 zum Laden betriebsfähig mit einem Ladegerät (Ladestation) 14 verbunden. Das Elektrofahrzeug 12 umfasst einen Ladeschaltkreis, der betriebsfähig mit einer wiederaufladbaren Batterie 120 verbunden ist. Der Ladeschaltkreis des Elektrofahrzeugs 12 umfasst im Allgemeinen einen Impedanzwandler 122, einen Gleichrichter 124, einen Filter 126 und eine Empfängerspule 128, die betriebsfähig miteinander verbunden sind. Das Ladegerät 14 umfasst einen Ladeschaltkreis, der mit einer Energieversorgung 16, z. B. einem Stromnetz, gekoppelt ist. Der Ladeschaltkreis des Ladegeräts 14 umfasst einen AC-DC-Wandler 140, einen DC-Wechselrichter 142, einen Filter 144 und eine Senderspule 146. In der Umgebung 100 ist die Senderspule 146 des Ladegeräts 14 so angeordnet, dass sie drahtlos Energie an die Empfängerspule 128 des Fahrzeugs 12 überträgt, um die Batterie 120 im Fahrzeug 12 zu laden. In einigen Fällen kann eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeug 12 und dem Ladegerät 14 über andere Kommunikationsschnittstellen hergestellt werden. Ein Beispiel für eine detaillierte Schaltung ist in den SAE TIR J2954-Industrierichtlinien für drahtloses Aufladen von Plug-In Elektrofahrzeugen vom Mai 2016 zu finden, die von der Society of Automotive Engineers (SAE) herausgegeben wurden.
2 zeigt, wie herkömmliche drahtlose Ladesysteme so angeordnet sind, dass sie beispielsweise in der Umgebung von 1 betrieben werden können. Der Einfachheit halber sind in der Figur nur relevante Strukturen dargestellt. Wie in 2 dargestellt ist, umfasst das System 20 ein Ladegerät mit einer Energieversorgung 22, die über ein Kabel 24 mit einer Senderspule 26 verbunden ist, die fest auf oder eingebettet in den Boden unterhalb des Fahrzeugs 28 platziert ist. Das Fahrzeug 28 umfasst eine Empfängerspule 30, die im Boden des Fahrzeugchassis installiert ist, eine Energiequelle 32 und eine Steuerung 34, die die Empfängerspule 30 betriebsfähig mit der Energiequelle 32 verbindet. Um das Fahrzeug 28 aufzuladen, fährt der Nutzer das Fahrzeug 28 in eine geeignete Position, und zwar manuell geleitet z. B. durch Markierungen am Boden, um die Sender- und Empfängerspulen 26, 30 zum Laden auszurichten.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung kam zu dem Schluss, dass es auf dem technischen Gebiet bisher einen beträchtlichen technischen Nachteil gibt, das Ladesystem von 2 beim drahtlosen Laden von Elektrofahrzeugen einzusetzen. Dies liegt zum Teil daran, dass diese Systeme internationaler Standard geworden sind.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat durch Forschung, Experimente und Versuche festgestellt, dass die Energieeffizienz (η) eines drahtlosen Energieübertragungs-(Lade-) Systems, das auf magnetischer Induktion oder magnetischer Resonanz basiert, proportional zum Produkt aus dem magnetischen Kopplungskoeffizienten und den Qualitätsfaktoren für die Sender- und Empfängerspule ist: $n \propto k \sqrt{Q_{1} Q_{2}}$
wobei k der magnetische Kopplungskoeffizient ist; Q1 und Q2 die Qualitätsfaktoren der beiden Spulen sind, die jeweils als Senderspule und Empfängerspule verwendet werden. Der Kopplungskoeffizient k ist umgekehrt proportional zur Übertragungsstrecke d: $k \propto \frac{1}{d^{x}}$
wobei typischerweise x > 1 ist. Die Gleichungen (1) und (2) zeigen, dass die Energieeffizienz eines drahtlosen Energieübertragungssystems mit zunehmender Übertragungsstrecke abnimmt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat durch Forschung, Experimente und Versuche festgestellt, dass bestehende drahtlose Ladesysteme, wie das in 2 dargestellte, zwar beliebt, aber in vielerlei Hinsicht unzureichend sind.
Erstens haben der Nachteil, die Empfängerspule 30 so anzuordnen, dass sie in den Boden des Fahrzeugchassis eingebettet ist, und der Nachteil, die Senderspule 26 auf dem Boden unterhalb des Fahrzeugs 28 anzuordnen, zu einer drahtlosen Ladeanordnung geführt, die einen beträchtlich großen Abstand zwischen den Sender- und den Empfängerspulen 26, 30 lässt. In den SAE 2016-Richtlinien variiert die Größe des Abstands (d. h. der Übertragungsabstand) von 100 mm für die Klasse Z1 bis zu 250 mm für die Klasse Z3. Da die Energieeffizienz der drahtlosen Energieübertragung umgekehrt proportional zur Übertragungsstrecke ist, führt eine wesentlich größere Übertragungsstrecke zu einer relativ geringen Energieeffizienz.
Zweitens sind die Sender- und Empfängerspulen 26, 30, mit einem großen Übertragungsabstand von bis zu 250 mm anfälliger für eine Fehlausrichtung. Auch dies führt zu einer schlechten Energieeffizienz bei der drahtlosen Energieübertragung.
Drittens verursacht die relativ große Übertragungsstrecke magnetische Streuflüsse in der Umgebung zwischen Sender- und Empfängerspulen 26, 30. In einigen Beispielen können Fremdkörper, Menschen oder Tiere am Boden in der Nähe oder unter dem Fahrzeug 28 einem starken Magnetfeld ausgesetzt sein, was zu möglichen Gesundheitsproblemen oder Gefahren führen kann.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist zu dem Schluss gekommen, dass bestehende drahtlose Energieübertragungssysteme wie jene, die den SAE 2016-Richtlinien folgen, aus den oben genannten Gründen eine Energieeffizienz von typischerweise weniger als 92% aufweisen, selbst wenn die Sender- und Empfängerspulen 26, 30 perfekt ausgerichtet sind.
3 zeigt die Draufsicht eines Elektrofahrzeugs 300 in Form eines Elektroautos gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 3 dargestellte Fahrzeug 300 umfasst ein Chassis mit einem Dach 302. Eine Empfängerspule 304, die in dieser Ausführungsform in einem Empfängerpad angeordnet ist, ist auf dem Dach 302 montiert. In einigen Ausführungsformen kann sich die Empfängerspule 304 auf der Oberfläche des Daches 302 oder unmittelbar unter der Oberfläche des Daches 302 befinden. In einigen anderen Ausführungsformen, abhängig von der Struktur des Fahrzeugs und seines Chassis, kann die Empfängerspule an einem oberen Ende des Chassis (bezogen auf den Boden, auf dem das Chassis steht) angeordnet sein, wie beispielsweise der Motorhaube, dem Kofferraum oder der Windschutzscheibe des Fahrzeugs. In einer Ausführungsform ist das obere Ende bevorzugt im Wesentlichen horizontal. Das obere Ende kann flach oder uneben sein. 3 zeigt auch ein Schiebedachfenster 306 auf dem Dach 302, wobei dieses Fenster für die Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Empfängerpad, in dem die Empfängerspule 304 angeordnet ist, eine wasserdichte Schicht zur Wasserisolierung und eine elektrische Abschirmung zur elektrischen Isolierung. Die wasserdichte Schicht und die elektrische Abschirmung umschließen bevorzugt die Empfängerspule 304 für eine verbesserte Wasser- und Elektroisol ierleistu ng.
Das Elektrofahrzeug 300 in der Ausführungsform von 3 umfasst auch einige allgemeine Merkmale, die nicht dargestellt sind. Sie umfasst im Allgemeinen ein Bewegungsmittel, z. B. Räder, um die Bewegung des Elektrofahrzeugs auf dem Boden zu ermöglichen. Es umfasst auch einen Antriebsmechanismus, z. B. einen Motor, zum Antreiben der Räder. Für den Betrieb des Motors ist eine wiederaufladbare Batterie vorgesehen. Ein Ladeschaltkreis ist betriebsfähig mit der wiederaufladbaren Batterie verbunden, um das Laden der wiederaufladbaren Batterie zu steuern. In der vorliegenden Ausführungsform ist die am Dach 302 des Chassis angeordnete Empfängerspule 304 Teil des Ladeschaltkreises. Die Empfängerspule 304 ist so angeordnet, um drahtlos Energie von einer Senderspule eines Ladegeräts zu empfangen. In einigen Ausführungsformen kann die Empfängerspule 304 auch so angeordnet sein, um Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts und z. B. an eine mit dem Ladegerät betriebsfähig verbundene Energieversorgung zu übertragen. Zusätzlich kann die Empfängerspule 304 angeordnet werden, um Daten drahtlos von der Senderspule des Ladegeräts zu empfangen. In einem Beispiel ist die Empfängerspule 304 weiterhin angeordnet, um Daten drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts zu senden.
4 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines Ladesystems 400, das betriebsfähig ist, um im Elektrofahrzeug 300 von 3 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet zu sein. Andere Komponenten des Fahrzeugs, die nicht direkt mit dem Ladesystem 400 zusammenhängen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Wie in 4 dargestellt ist, verfügt das System 400 über einen Ladeschaltkreis 402 (auch Empfängerschaltkreis genannt) einschließlich der im Empfängerpad 406 angeordneten Empfängerspule 404. Der Ladeschaltkreis 402 ist betriebsfähig mit einer Steuerung 408 und einer wiederaufladbaren Energiequelle 410 verbunden. Die Empfängerspule 404 kann in beliebiger Form eingerichtet sein, z. B. kreisförmig, quadratisch, spiralförmig. Sie kann eine oder mehrere Schichten bilden. In den Beispielen mit mehreren Empfängerspulen können die Empfängerspulen parallel, orthogonal oder in anderen Ausrichtungen zueinander angeordnet sein. Das Empfängerpad 406 kann in beliebiger Form eingerichtet sein, z. B. kugelförmig, zylindrisch, quaderförmig, kubisch, scheibenförmig. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Empfängerpad 406 ein Kunststoffgehäuse. Das Empfängerpad 406 kann eine wasserdichte Schicht und eine elektrische Abschirmung zum Schutz und zur Verbesserung der Betriebsleistung der Empfängerspule 404 umfassen. Insbesondere kann die wasserdichte Schicht so eingerichtet sein, dass sie eine Wasserisolierungsfunktion erfüllt, und die elektrische Abschirmung kann so eingerichtet sein, dass sie eine elektrische Isolationsfunktion erfüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Empfängerpad 406 eine elektromagnetische Abschirmung (die sich von der oben beschriebenen elektrischen Abschirmung unterscheidet) zur Abschirmung eines Magnetfeldes, das während des Ladevorgangs an der Empfängerspule 404 erzeugt wird. In einigen Fällen kann die elektromagnetische Abschirmung auch ein Magnetfeld abschirmen, das an einer Senderspule erzeugt wird, die während des Ladevorgangs proximal zur Empfängerspule 404 angeordnet ist. In normaler Ausrichtung, bei der das Fahrzeug auf einem Boden (z. B. einem physischen Boden oder Bodenfläche) steht, ist die elektrometrische Abschirmung unterhalb der Empfängerspule 404 positioniert. Durch diese Anordnung weist die dem Innenraum (d. h. dem Fahrgastraum) des Fahrzeugs zugewandte Seite des Empfängerpads 406 eine elektromagnetische Abschirmung auf, so dass der vom Senderpad und dem Empfängerpad 406 erzeugte Magnetfluss nicht in den Fahrgastraum eindringt. In der vorliegenden Erfindung kann die Empfängerspule 404 oder das Empfängerpad 406 an einem auf dem Dach des Fahrzeugchassis angeordneten Andockabschnitt angeordnet sein.
Der Ladeschaltkreis 402 im Fahrzeug der vorliegenden Ausführungsform umfasst weitere Schaltkreiskomponenten, die betriebsfähig mit der Empfängerspule verbunden sind. Diese Komponenten (nicht dargestellt) können einen LC-Schwingkreis, einen Filter, einen Gleichrichter, einen Impedanzwandler usw. umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform können diese Komponenten einen Impedanzfilter (z. B. einen Resonanzkondensator, der mit der Empfängerspule 404 einen Resonanzschwingkreis bildet) und einen AC-DC-Leistungswandler (z. B. eine Gleichrichterschaltkreis, die die Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt) umfassen. Während des Ladevorgangs stellt der Gleichspannungsausgang der AC-DC-Leistungsschaltkreis die Gleichspannungsquelle zum Laden der wiederaufladbaren Energiequelle 410 (z. B. eine Batterie, Lithium-basiert oder aus anderer chemischer Zusammensetzung) des Fahrzeugs dar. In einem Beispiel wird dies durch die Steuerung 408 durchgeführt, die als Batteriemanagementsystem im Fahrzeug fungiert.
Das System in 4 umfasst auch ein Ausrichtungselement 412, um die Ausrichtung einer Senderspule eines Ladegeräts mit der Empfängerspule 404 zu erleichtern. Das Ausrichtungselement 412 kann im oder am Gehäuse des Empfängerpads vorgesehen sein. In einer Ausführungsform kann das Ausrichtungselement 412 ein Magnet oder ein magnetisches Element sein, das eingerichtet ist, mit einem komplementären metallischen oder magnetischen Teil eines Senderpads in Eingriff zu kommen, in dem die Senderspule angeordnet ist. Bevorzugt sind die Magnete so positioniert, um eine korrekte Ausrichtung der Senderspule und der Empfängerspule 404 zu erleichtern, um die Energieübertragung während des Ladevorgangs zu maximieren. Eine solche Magnetanordnung kann auch dazu beitragen, das Senderpad mit dem Empfängerpad 406 zu verriegeln, wodurch ein fester Kontakt zwischen den beiden Pads gewährleistet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Ausrichtungselement 412 eine Markierung sein, z. B. eine Bezugsmarkierung, ein Symbol oder eine Farbmarkierung, die auf der Oberseite des Chassis angeordnet ist. Die Markierer sind bevorzugt in einer Position des Chassis angeordnet, die der Empfängerspule 404 entspricht. Diese Markierungen können von einem Sensor in Form einer Kamera oder anderer optischer oder elektromagnetischer Mittel am Ladegerät erfasst werden. In einigen Beispielen können die Markierungen beliebige Markierungen oder Komponenten sein, die durch einen optischen, hochfrequenten oder Infrarot-Detektor am Ladegerät detektiert werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung 408 des Ladesystems 400 im Elektrofahrzeug eine Verarbeitungseinheit und eine Speichereinheit umfassen. In einem Beispiel ist die Verarbeitungseinheit ein Prozessor wie eine CPU, eine MCU, usw. Die Speichereinheit kann eine flüchtige Speichereinheit (z. B. RAM), eine nichtflüchtige Einheit (z. B. ROM, EPROM, EEPROM und Flash-Speicher) oder beides umfassen. Die Steuerung 408 kann an eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen wie eine Tastatur, eine Maus, einen Stift, ein Mikrofon, eine taktile Eingabeeinrichtung (z. B. ein berührungsempfindlicher Bildschirm) und eine Videoeingabeeinrichtung (z. B. Kamera) zum Empfangen von Eingaben angeschlossen sein. Die Steuerung 408 kann weiterhin mit einem oder mehreren Ausgabeeinrichtungen wie einem oder mehreren Displays, Lautsprechern usw. verbunden sein. Die Steuerung 408 ist bevorzugt auch mit einem Kommunikationsmodul verbunden, um eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen (nicht dargestellt) mit einer oder mehreren anderen Recheneinrichtungen wie einem Server, PCs, Terminals, drahtlosen oder tragbaren Computereinrichtungen an der Ladestation oder dem Netzwerk des Fahrzeughalters herzustellen. Das Kommunikationsmodul kann ein Modem, eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC), eine integrierte Netzwerkschnittstelle, ein Funksender-Empfänger, ein optischer Anschluss, ein Infrarotanschluss, eine USB-Verbindung oder andere Schnittstellen sein. Die Kommunikationsverbindungen können drahtgebunden oder drahtlos sein, um Befehle, Anweisungen, Informationen und/oder Daten zu übermitteln. Bevorzugt sind die Verarbeitungseinheit, die Speichereinheit und optional die Eingabeeinrichtungen, die Ausgabeeinrichtungen und das Kommunikationsmodul über einen Bus, eine PCI-(Peripheral Component Interconnect-)Schnittstelle wie PCI Express, eine USB-(Universal Serial Bus-)Verbindung und/oder eine optische Busstruktur miteinander verbunden. In einer Ausführungsform können einige dieser Komponenten über ein Netzwerk wie das Internet oder ein Cloud Computing-Netzwerk verbunden sein. Ein Fachmann würde es zu schätzen wissen, dass die Steuerung 408 in der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Konfigurationen aufweisen kann.
In einer Ausführungsform kann die Empfängerspule 404 auch so eingerichtet sein, Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts und z. B. an eine mit dem Ladegerät betriebsfähig verbundene Energieversorgung zu übertragen. Zusätzlich kann die Empfängerspule 404 eingerichtet sein, Daten drahtlos von der Senderspule des Ladegeräts zu empfangen. In einem Beispiel ist die Empfängerspule 404 weiterhin so eingerichtet, Daten drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts zu senden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das System 400 weiterhin einen von mehreren Indikatoren zum Anzeigen eines Betriebszustandes der Empfängerspule umfassen. Die Anzeige kann betriebsfähig mit der Steuerung 408 verbunden sein, die zum Erfassen eines Betriebszustandes der Empfängerspule betrieben werden kann. Die Anzeige kann eine optische Anzeige, eine akustische Anzeige, eine taktile Anzeige oder eine Kombination davon sein. In einem Beispiel ist die Anzeige eine aus einer oder mehreren LEDs gebildete Leuchtanzeige, eine Anzeige oder eine Kraftstoffanzeige usw. In einem anderen Beispiel ist die Anzeige eine Audioanzeige, die aus einem Summer, einem Lautsprecher usw. besteht.
5 zeigt ein Ladesystem 500 in einem Ladegerät (Ladestation) in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt ist das Ladegerät eingerichtet, das Elektrofahrzeug von 3 zu laden oder mit dem Ladeschaltkreis im Fahrzeug von 4 zusammenzuarbeiten.
Das Ladesystem 500 in 5 umfasst einen Ladeschaltkreis 502 (auch Senderschaltkreis genannt), einschließlich der im Senderpad 506 angeordneten Senderspule 504. Der Ladeschaltkreis 502 ist betriebsfähig mit einer Steuerung 508 und einer Energieversorgung 510 (z. B. Netzversorgung) verbunden. Die Senderspule 504 kann in beliebiger Form eingerichtet sein, z. B. kreisförmig, quadratisch, spiralförmig. Sie kann eine oder mehrere Schichten bilden. In den Beispielen mit mehreren Senderspulen können die Senderspulen parallel, orthogonal oder in anderen Ausrichtungen zueinander angeordnet sein. Das Senderpad 506 kann in beliebiger Form eingerichtet sein, z. B. kugelförmig, zylindrisch, quaderförmig, kubisch, scheibenförmig, zylindrisch mit ovalem Querschnitt usw. und ist bevorzugt eben. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Senderpad 506 ein Kunststoffgehäuse. Das Senderpad 506 kann eine wasserdichte Schicht und eine elektrische Abschirmung zum Schutz und zur Verbesserung der Betriebsfähigkeit der Senderspule 504 umfassen. Insbesondere kann die wasserdichte Schicht so eingerichtet sein, dass sie eine Wasserisolierungsfunktion erfüllt, und die elektrische Abschirmung kann so eingerichtet sein, dass sie eine elektrische Isolationsfunktion erfüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Senderpad 506 eine elektromagnetische Abschirmung (die sich von der oben beschriebenen elektrischen Abschirmung unterscheidet) zum Abschirmen eines Magnetfeldes, das während des Ladevorgangs an einer Empfängerspule des Fahrzeugs erzeugt wird. In einigen Fällen kann die elektromagnetische Abschirmung auch das Magnetfeld abschirmen, das an der Empfängerspule erzeugt wird, die während des Ladevorgangs proximal zur Senderspule 504 angeordnet ist. In einer normalen Ausrichtung des Senderpads 506 ist die elektrometrische Abschirmung über der Senderspule 504 relativ zum Boden positioniert. In der vorliegenden Erfindung kann die Senderspule 504 oder das Senderpad 506 von einem Bewegungsmechanismus 514 getragen werden, wie beispielsweise einem mechanischen Arm, der manuell oder elektronisch (bevorzugt automatisch) gesteuert werden kann.
Der Ladeschaltkreis 502 in der vorliegenden Erfindung umfasst weitere Schaltkreiskomponenten (nicht dargestellt), die betriebsfähig mit der Senderspule 504 verbunden sind. Diese Komponenten können einen Filter, einen ADC- oder DAC-Gleichrichter, einen Impedanzwandler usw. umfassen. Der Ladeschaltkreis 502 ist betriebsfähig mit der Energieversorgung 510, z. B. einem Stromnetz, verbunden, um Energie bzw. Strom aus der Energieversorgung 510 zum Laden des Fahrzeugs zu beziehen. Während des Ladevorgangs wird Energie aus dem Stromnetz bezogen, durch den Ladeschaltkreis 502 gleichgerichtet und dann über die Senderspule 504 und die Empfängerspule dem Elektrofahrzeug zugeführt. Alternativ kann die Energieversorgung 510 auch eine Wechselstromquelle oder eine Gleichstromquelle sein. So kann beispielsweise die Gleichstromquelle eine Gleichstromquelle sein, die von einer Wechselstromquelle gleichgerichtet wird. Die Gleichstromquelle ist bevorzugt eine erneuerbare Energiequelle (z. B. aus Photovoltaikmodulen).
Das Ladesystem 500 umfasst auch einen Bewegungsmechanismus 514, der es ermöglicht, das Senderpad 506 zu manipulieren. Bevorzugt umfasst der Bewegungsmechanismus 514 einen mechanischen Arm. Die Senderspule 504 oder das Senderpad 506 können an einem Ende des mechanischen Arms so angeordnet sein, dass die Bewegung des Arms bewirkt, dass die Senderspule 504 oder das Senderpad 506 auf der Oberseite des Fahrzeugs angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann der Bewegungsmechanismus 514 einen oder mehrere mechanische Arme umfassen, die betriebsfähig miteinander verbunden sind. In einer Ausführungsform wird der Bewegungsmechanismus 514 manuell so gesteuert, dass er vom Nutzer frei manipuliert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Bewegungsmechanismus elektronisch so gesteuert werden, dass er sich als Reaktion auf eine manuelle Nutzereingabe an einer Steuerung oder auf ein automatisches Rückmeldesystem, das betriebsfähig mit der Steuerung verbunden ist, bewegen kann. In einigen Beispielen können elektrische Anordnungen elektrische Drähte und Kabel, die bevorzugt flexibel sind, durch oder um den/die Arm(e) herum verlaufen, wodurch ein Anschluss des Senderpads 506, der Steuerung 508 und der Energieversorgung 510 ermöglicht wird. Bevorzugt hat der mechanische Arm zumindest zwei Freiheitsgrade. In einem Beispiel weist der mechanische Arm zumindest zwei Drehpunkte oder ein Kreuzgelenk auf. In einem Beispiel kann der mechanische Arm einen flexiblen Abschnitt wie eine Feder umfassen. Der mechanische Arm kann ausziehbar sein, oder er kann ein- und ausfahrbar sein, um für Fahrzeugchassis unterschiedlicher Höhe geeignet zu sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist der mechanische Arm sowohl entlang einer horizontalen Richtung als auch entlang einer vertikalen Richtung, sequenziell oder gleichzeitig, bewegbar. In einigen anderen Ausführungsformen kann der mechanische Arm jedoch nur in horizontaler Richtung oder nur in vertikaler Richtung bewegt werden.
Der mechanische Arm kann mit einem mechanischen Rahmen verbunden sein, der auf einem Boden abgestützt ist. (z. B. einem physischen Boden oder einer Bodenfläche) Der mechanische Rahmen kann in Bezug auf den Boden befestigt oder entlang des Bodens bewegbar sein. Alternativ kann er mit einer Wandhalterung verbunden oder von der Decke abgehängt sein. Die Wandhalterung kann in Bezug auf die Wand befestigt oder entlang einer Führungsschiene an der Wand bewegbar sein.
In Ausführungsformen, in denen der mechanische Arm automatisch gesteuert wird, kann die Steuerung 508 den Ausrichtungsmechanismus 512 als Führung zur Steuerung einer Bewegung des Arms verwenden, um das Senderpad 506 direkt auf der Oberseite des Empfängerpads auf dem Dach des Elektrofahrzeugs zu führen und zu positionieren. In einigen Beispielen wird der drahtlose Ladebereich des Daches des Elektrofahrzeugs mit einer Markierung in Form eines Symbols oder einer Farbe markiert.
In Ausführungsformen, in denen der mechanische Arm manuell gesteuert wird, kann die Steuerung 508 betriebsfähig sein, um Nutzereingaben über ein Eingabemittel wie eine Tastatur, Touchscreen, Joystick usw. zu empfangen. Die Steuerung 508 ist betriebsfähig, um die Bewegung des Armes basierend auf der Nutzereingabe zu steuern. In einigen Fällen wird der drahtlose Ladebereich des Daches des Elektrofahrzeugs mit einer Markierung in Form eines Symbols oder einer Farbe markiert, um dem Nutzer die Positionierung des Senderpads 506 auf der Oberseite des Empfängerpads zu erleichtern. In einigen Fällen kann ein Dock oder ein Andockabschnitt auf dem Dach des Chassis angeordnet sein und/oder es kann ein magnetischer Ausrichtungsmechanismus 512 vorgesehen sein, der eine Ausrichtung der Spulen/Pads unterstützt.
Der Ausrichtungsmechanismus 512 im Ladesystem in 5 ist angeordnet, um eine Ausrichtung der Senderspule 506 mit einer Empfängerspule des Elektrofahrzeugs zu erleichtern. In einer Ausführungsform kann der Ausrichtungsmechanismus 512 ein Magnet oder ein magnetisches Element sein, das so angeordnet ist, dass es mit einem komplementären metallischen oder magnetischen Teil des Empfängerpads in Eingriff kommt, in dem die Empfängerspule angeordnet ist. Bevorzugt sind die Magnete so positioniert, dass eine korrekte Ausrichtung der Senderspule 504 und der Empfängerspule für eine maximale Energieübertragung während des Ladevorgangs erleichtert ist. Eine solche Magnetanordnung kann auch dazu beitragen, das Senderpad 506 mit dem Empfängerpad zu verriegeln, wodurch ein fester Eingriff zwischen den beiden Pads bereitgestellt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Ausrichtungsmechanismus 512 durch einen optischen, Hochfrequenz- oder Infrarot-Detektor ausgebildet sein. Der Detektor kann verwendet werden, um eine Markierung zu erfassen, z. B. eine Bezugsmarkierung, ein Symbol oder eine Farbmarkierung, die auf der Oberseite des Chassis angeordnet ist. Die Markierungen sind bevorzugt in einer Position angeordnet, die der Empfängerspule entspricht. In einer Ausführungsform weist der Ausrichtungsmechanismus 512 eine Kamera zum Identifizieren einer auf dem Chassis angeordneten Markierung und zum Bereitstellen einer Rückmeldung an die Steuerung 508 zum automatischen Steuern der Bewegung des mechanischen Arms zum Ausrichten der Senderspule 504 mit der Empfängerspule auf. Bevorzugt ist der Ausrichtungsmechanismus 512 angeordnet, dass er die Senderspule 504 mit der Empfängerspule so ausrichtet, dass ein Abstand zwischen der Senderspule 504 und der Empfängerspule weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 50 mm beträgt. Es wird außerdem bevorzugt, dass, alternativ oder zusätzlich, eine von der Senderspule 504 definierte Mittelachse im Wesentlichen parallel zu einer von der Empfängerspule definierten Mittelachse ist oder sogar mit dieser zusammenfällt. Diese Anordnungen können die Effizienz der Energieübertragung wirksam maximieren.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung 508 des Ladegeräts eingerichtet, manuelle Nutzereingaben zur Steuerung der Bewegung des Bewegungsmechanismus 514 zu empfangen. In einem Beispiel kann die Steuerung 508 mit einem Joystick oder einem Computer verbunden sein, die betriebsfähig sind, Befehle von einem Nutzer zu empfangen. Alternativ kann die Steuerung 508 eingerichtet sein, eine Bewegung des Bewegungsmechanismus 512 zu steuern, um die Senderspule 504 automatisch mit der Empfängerspule auszurichten, basierend auf der Rückmeldung des Ausrichtungsmechanismus 512.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung 508 des Ladesystems im Ladegerät eine Verarbeitungseinheit und eine Speichereinheit umfassen. In einem Beispiel ist die Verarbeitungseinheit ein Prozessor wie eine CPU, eine MCU, usw. Die Speichereinheit kann eine flüchtige Speichereinheit (z. B. RAM), eine nicht-flüchtige Einheit (z. B. ROM, EPROM, EEPROM und Flash-Speicher) oder beides sein. Die Steuerung 508 kann mit einer oder mehreren Eingabeeinrichtungen wie einer Tastatur, einer Maus, einem Stift, einem Mikrofon, einer taktilen Eingabeeinrichtung (z. B. einem berührungsempfindlichem Bildschirm) und einer Videoeingabeeinrichtung (z. B. Kamera) zum Empfangen einer Eingabe verbunden sein. Die Steuerung 508 kann weiterhin mit einer oder mehreren Ausgabeeinrichtungen wie einem oder mehreren Displays, Lautsprechern usw. verbunden sein. Die Steuerung 508 ist auch bevorzugt mit einem Kommunikationsmodul verbunden, um eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen (nicht dargestellt) mit einer oder mehreren anderen Recheneinrichtungen wie einem Server, PCs, Terminals, drahtlosen oder tragbaren Recheneinrichtungen am Elektrofahrzeug oder einem Stromnetz, einer Ladeverwaltungseinrichtung oder einer Parkeinrichtung herzustellen. Das Kommunikationsmodul kann ein Modem, eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC), eine integrierte Netzwerkschnittstelle, ein Funk-Senderempfänger, ein optischer Anschluss, ein Infrarotanschluss, eine USB-Verbindung oder andere Schnittstellen sein. Die Kommunikationsverbindungen können drahtgebunden oder drahtlos sein, um Befehle, Anweisungen, Informationen und/oder Daten zu kommunizieren. Bevorzugt sind die Verarbeitungseinheit, die Speichereinheit und optional die Eingabeeinrichtungen, die Ausgabeeinrichtungen und das Kommunikationsmodul über einen Bus, eine Peripheral Component Interconnect-(PCI-)Schnittstelle wie PCI Express, einen Universal Serial Bus (USB) und/oder eine optische Busstruktur miteinander verbunden. In einer Ausführungsform können einige dieser Komponenten über ein Netzwerk, wie das Internet oder ein Cloud-Computing-Netzwerk, verbunden sein. Ein Fachmann würde es zu schätzen wissen, dass die Steuerung 508 in der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Konfigurationen aufweisen kann.
In einer Ausführungsform kann die Senderspule 504 auch so eingerichtet sein, drahtlos Energie (z. B. von der wiederaufladbaren Energiequelle im Fahrzeug) von der Empfängerspule des Fahrzeugs zu empfangen, z. B. um eine mit dem Ladegerät betriebsfähig verbundene Energieversorgung mit Energie zu versorgen. Dies kann auftreten, wenn die Energie der Energieversorgung zur Neige geht. Zusätzlich kann die Senderspule 504 eingerichtet sein, Daten drahtlos von der Empfängerspule des Fahrzeugs zu empfangen. In einem Beispiel ist die Senderspule 504 weiterhin eingerichtet, Daten drahtlos von der Empfängerspule des Fahrzeugs zu empfangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das System 500 weiterhin einen oder mehrere Indikatoren zum Anzeigen eines Betriebszustands der Senderspule umfassen. Die Anzeige kann betriebsfähig mit der Steuerung 508 verbunden sein, die betrieben werden kann, um einen Betriebszustand der Senderspule zu detektieren. Der Indikator kann ein visueller Indikator, ein akustischer Indikator, ein taktiler Indikator oder eine Kombination davon sein. In einem Beispiel ist der Indikator ein aus einer oder mehreren LEDs gebildeter Leuchtindikator, ein Display oder eine Kraftstoffanzeige usw. In einem anderen Beispiel ist der Indikator ein Audioindikator, der aus einem Summer, einem Lautsprecher usw. gebildet ist
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ladesystem 500 des Ladegeräts auch einen Ladezähler 516. Der Zähler 516 kann betriebsfähig mit dem Ladeschaltkreis 502 und damit mit der Steuerung 508 verbunden sein, um eine vom Ladegerät durch die Senderspule 504 übertragene Energiemenge oder eine Dauer eines Energieübertragungsereignisses zu bestimmen. In einem Beispiel liefert das Ladegerät nur dann Energie, wenn der Nutzer am Ladegerät eine Kontoeinzahlung durchführt, z. B. über eine Schnittstelle des Ladezählers 516. In einem Beispiel kann der Ladezähler 516 in eine Parkuhr integriert sein.
Die 6A-6C zeigen, wie das Senderpad 506A-506C des Ladegeräts und das Empfängerpad 406A-406C des Elektrofahrzeugs in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgerichtet sein können. Der Einfachheit halber sind die jeweiligen Sender- und Empfängerspulen in den Pads 406A-406C, 506A-506C sowie weitere Schaltkreisdetails und Anschlüsse in diesen Figuren nicht dargestellt.
In der Ausführungsform von 6A ist das obere Ende (z. B. das Dach) des Chassis 600A des Fahrzeugs im Wesentlichen eben. Das Empfängerpad 406A mit der Empfängerspule ist unterhalb der oberen Oberfläche des Chassis 600A angeordnet. Eine Senderspule, die in einem Senderpad 506A angeordnet ist, kann manipuliert und direkt auf das Chassis in einer Position platziert werden, die dem Empfängerpad 406A entspricht. Dies kann manuell oder elektronisch (bevorzugt automatisch) jeweils mit Hilfe des am Fahrzeug und am Ladegerät vorgesehenen Ausrichtungsmechanismus durchgeführt werden. Optional kann ein Verriegelungsmechanismus, z. B. magnetisch oder mechanisch, (Verriegelung, Schloss usw.) vorgesehen sein, um das Senderpad 506 an Ort und Stelle zu halten.
In der Ausführungsform von 6B ist am oberen Ende (z. B. Dach) des Chassis 600B des Fahrzeugs eine Aussparung 602B ausgebildet. Das Empfängerpad 406B mit der Empfängerspule ist unterhalb der Bodenwand der Aussparung 602B angeordnet. In diesem Beispiel wird die Aussparung 602B als Dock oder Andockabschnitt zur Aufnahme des Senderpads 506B verwendet, in dem die Senderspule angeordnet ist. Eine Senderspule, die in einem Senderpad 506B angeordnet ist, kann manipuliert und direkt in die Aussparung 602B eingesetzt werden, wodurch das Senderpad 506B zuverlässig mit dem Empfängerpad 406B ausgerichtet wird und auch das Senderpad 506B am Fahrzeug befestigt wird. Die Manipulation kann manuell oder elektronisch (bevorzugt automatisch) mit Hilfe des jeweils am Fahrzeug und am Ladegerät vorgesehenen Ausrichtungsmechanismus durchgeführt werden. Wie dargestellt ist, ist das Senderpad 506B nur teilweise in der Aussparung 602B aufgenommen. In einigen anderen Beispielen kann die Aussparung 602B jedoch ausreichend tief sein, damit das Senderpad 506B vollständig in der Aussparung 602B aufgenommen sein kann.
In der Ausführungsform von 6C ist am oberen Ende (z. B. Dach) des Chassis 600C des Fahrzeugs ein Vorsprung 602C ausgebildet. Das Empfängerpad 406C mit der Empfängerspule ist unterhalb der oberen Wand des Vorsprungs 602C angeordnet. In diesem Beispiel wird der Vorsprung 602C als Dock oder Andockabschnitt verwendet, um mit einem Senderpad 506C in Eingriff zu kommen, in dem die Senderspule angeordnet ist. Eine Senderspule, die in einem Senderpad 506C angeordnet ist, kann manipuliert und direkt auf den Vorsprung 602C platziert werden, die ihn zumindest teilweise umschließt, wodurch das Senderpad 506C auf einfache Weise mit dem Empfängerpad 406C ausgerichtet wird und auch das Senderpad 506C am Fahrzeug befestigt wird. Die Manipulation kann manuell oder elektronisch (bevorzugt automatisch) mit Hilfe des jeweils am Fahrzeug und am Ladegerät vorgesehenen Ausrichtungsmechanismus durchgeführt werden. Das Senderpad 506C umfasst in diesem Beispiel eine komplementäre Aussparung, die angeordnet ist, um zumindest teilweise den Vorsprung 602C aufzunehmen. In einigen anderen Beispielen kann, sofern die Vertiefung auf dem Senderpad 506C ausreichend tief ist, das Senderpad 506C den Vorsprung 602C vollständig aufnehmen.
Es wird bevorzugt, dass die Aussparung 602B oder der Vorsprung 602C in den obigen Ausführungsformen des Docks oder des Andockabschnitts, abhängig von der Konstruktion des Senderpads und des Fahrzeugs, jede Gestalt oder Form annehmen kann. In einem Beispiel muss die Aussparung keine flache, ebene Bodenwand aufweisen. Ebenso muss der Vorsprung keine flache, ebene obere Wand aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus Aussparungen und Vorsprüngen als Dock verwendet werden. In noch weiteren Ausführungsformen können mehrere Aussparungen als Dock oder mehrere Vorsprünge als Dock verwendet werden. Die Sender- und Empfängerpads müssen nicht die gleiche Größe, Gestalt oder Form aufweisen.
In der vorliegenden Erfindung ist das Empfängerpad 406A-406C auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnet, während das Senderpad 506A-506C manuell oder elektronisch auf dem Empfängerpad 406A-406C platziert wird. Um eine unerwünschte Einwirkung des Magnetfeldes auf Fremdkörper (Menschen, Tiere usw.) zu minimieren, ist es in einigen Ausführungsformen vorzuziehen, das Magnetfeld zwischen den Senderpads 506A-506C und den Empfängerpads 406A-406C einzuschließen. Da eine drahtlose Energieübertragung zwischen der Unterseite des Senderpads 506A-506C und der Oberseite des Empfängerpads 406A-406C stattfindet, ist es wünschenswert, zu verhindern, dass ein Magnetfeld durch die Oberseite des Senderpads 506A-506C und die Unterseite des Empfängerpads 406A-406C austritt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mittel zum Einschließen des Magnetfeldes eine relativ dünne Struktur auf, insbesondere für das Empfängerpad 406A-406C, das im Dach des Fahrzeugchassis installiert werden muss.
7A und 7B zeigen die Grundstrukturen der elektromagnetischen Abschirmungen des Senderpads 506X, 506Y des Ladegeräts und des Empfängerpads 406X, 406Y des Elektrofahrzeugs in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In 7A und 7B sind die wasserdichten und elektrisch isolierenden Strukturen der Senderpads 506X, 506Y und der Empfängerpads 406X, 406Y der Einfachheit halber nicht dargestellt.
In 7A umfasst das Senderpad 506X eine Senderspule 504X und einen Magnetkern 520X, der als elektromagnetische Abschirmung wirkt. In diesem Beispiel weist die Senderspule 504X zwei Schichten auf, wobei der Magnetkern 520X im Wesentlichen eine E-Form aufweist (um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht). Die Senderspule 504X definiert eine Mittelachse X1. In 7A umfasst der Magnetkern 520X einen ersten Abschnitt, der sich im Wesentlichen parallel zu und über einer durch die Senderspule 504X definierten Ebene erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich vom ersten Abschnitt erstreckt und im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Senderspule 504X definierten Ebene verläuft. Der erste und zweite Abschnitt definieren zusammen einen Raum, in dem die Senderspule 504X zumindest teilweise untergebracht ist. In diesem Beispiel definieren der erste und zweite Abschnitt im Wesentlichen eine U-Form. Das Empfängerpad 406X umfasst eine Empfängerspule 404X und einen Magnetkern 420X, deren Aufbau dem des Senderpads 506X ähnlich ist. Der Hauptunterschied besteht darin, dass im Empfängerpad 406X der Magnetkern 420X unterhalb der Empfängerspule 404X angeordnet ist. Bevorzugt ist im ausgerichteten Zustand die Mittelachse X1 der Senderspule 504X im Wesentlichen parallel zur Mittelachse X2 der Empfängerspule 404X. Noch bevorzugter fällt die Mittelachse X1 der Senderspule 504X mit der Mittelachse X2 der Empfängerspule 404X zusammen.
7B zeigt eine weitere elektromagnetische Abschirmungsanordnung. In 7B wird die elektromagnetische Abschirmung des Senderpads 506Y durch eine ferromagnetische Schicht 520Y und eine leitende Schicht 522Y gebildet, die aus einem leitenden Material hergestellt ist. Bevorzugt ist die ferromagnetische Schicht 520Y zwischen der leitenden Schicht 522Y und der Senderspule 504Y angeordnet. In diesem Beispiel weist die Senderspule 504Y nur eine Schicht auf, wobei die elektromagnetische Abschirmung im Wesentlichen eine E-Form aufweist (um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht). Die Senderspule 504Y definiert eine Mittelachse Y1. Wie die Ausführungsform von 7A umfasst die elektromagnetische Abschirmung in 7B einen ersten Abschnitt, der sich im Wesentlichen parallel zu und über einer durch die Senderspule 504Y definierten Ebene erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich vom ersten Abschnitt aus erstreckt, im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Senderspule 504Y definierten Ebene. Sowohl der erste Abschnitt als auch der zweite Abschnitt umfassen die ferromagnetische Schicht 520Y und die leitende Schicht 522Y. Der erste und zweite Abschnitt definieren zusammen einen Raum, in dem die Senderspule 504Y zumindest teilweise untergebracht ist. In diesem Beispiel definieren der erste und zweite Abschnitt im Wesentlichen eine U-Form. Das Empfängerpad 406Y umfasst eine Empfängerspule 404Y und eine entsprechende elektromagnetische Abschirmung gleicher Bauart wie das Senderpad 506Y. Der Hauptunterschied besteht darin, dass im Empfängerpad 406Y die elektromagnetische Abschirmung unterhalb der Empfängerspule 404Y angeordnet ist. Bevorzugt ist, im ausgerichteten Zustand, die Mittelachse Y1 der Senderspule 504Y im Wesentlichen parallel zur Mittelachse Y2 der Empfängerspule 404Y. Noch bevorzugter fällt die Mittelachse Y1 der Senderspule 504Y mit der Mittelachse Y2 der Empfängerspule 404Y zusammen.
Es wird bevorzugt, dass die elektromagnetische Abschirmung in den obigen Ausführungsformen jede andere Gestalt oder Form annehmen kann, abhängig von der Konstruktion der Sender- und Empfängerspulen 404X, 404Y, 504X, 504X, 504Y sowie abhängig von anderen Strukturen in den Sender- und Empfängerpads 406X, 406Y, 506X, 506X, 506Y. In einigen Ausführungsformen können die elektromagnetischen Abschirmungen in den 7A und 7B nur durch den ersten Abschnitt gebildet sein. In diesen Fällen beträgt die Länge des ersten Abschnitts zumindest das 1,2-fache, bevorzugt zumindest das 1,5-fache der Länge, die durch die Ebene der Senderspule 504X, 504Y definiert ist. In einer Ausführungsform können die elektromagnetischen Abschirmungen teilweise durch einen Magnetkern oder teilweise durch eine ferromagnetische Schicht und eine leitende Schicht gebildet sein. Auch die Größe, Form oder Gestalt der Sender- und Empfängerspule muss nicht identisch sein. Ebenso müssen Größe, Form oder Gestalt der Sender- und Empfängerpads nicht identisch sein.
Durch Anordnen solcher elektromagnetischer Abschirmungen kann der Übertragungsabstand zwischen den Sender- und Empfängerpads 406X, 406Y, 506X, 506Y, 506Y so klein wie möglich gehalten werden (typischerweise wenige Millimeter bis maximal einige Dutzend Millimeter), um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, wobei das Wechselmagnetfeld zwischen den Sender- und den Empfängerpads 406X, 406Y, 506X, 506X, 506Y von der elektromagnetischen Abschirmung in der Art eines Sandwiches angeordnet oder umschlossen sein kann, um eine Belastung für den Menschen durch das Magnetfeld und das Problem des Aufheizens von in der Nähe befindlichen Fremdobjekten zu minimieren.
8A bis 8D zeigen einige Ausführungsformen des Ladegeräts (Ladestation) 800A-800D der vorliegenden Erfindung. In den Figuren sind nur das an einem Ende des Bewegungsmechanismus angebrachte Senderpad, das Empfängerpad des Fahrzeugs und die vereinfachte Struktur des flexiblen mechanischen Arms dargestellt. Details der Sender- und Empfänger-Energieversorgungseinrichtungen, dem Batteriemanagementsystem und den Batterien sind alle der Einfachheit halber weggelassen.
8A zeigt eine an einem Mast montierte Anordnung 800A, die manuell oder elektronisch gesteuert werden kann. In diesem Beispiel hält ein Ende eines im Wesentlichen L-förmigen mechanischen Arms 802A das Senderpad 804A, während das andere Ende mit einem mechanischen Mast 806A verbunden ist. Bevorzugt ist der mechanische Arm 802A flexibel oder bewegbar und kann entlang einer horizontalen Richtung angehoben, abgesenkt und manipuliert werden. In einem Beispiel hat der Arm 802A mehrere Abschnitte, die durch ein oder mehrere drehbare Gelenke verbunden sind. Diese Anordnung 800A eignet sich besonders für geparkte Fahrzeuge entlang von Parkplätzen entlang der Straßen und auch in Innenraumparkplätzen. In diesem Beispiel kann ein Ladezähler 808A, der optional in eine Parkuhr integriert sein kann, vorgesehen sein.
8B zeigt eine Rahmen-befestigte Anordnung 800B, die manuell oder elektronisch gesteuert werden kann. In diesem Beispiel hält ein Ende des mechanischen Arms 802B das Senderpad 804B, während das andere Ende mit einem mechanischen Rahmen 806B in Form eines Bogens verbunden ist, der auf dem Boden ruht. In einem Beispiel ist der Rahmen am Boden befestigt, in einigen anderen Fällen ist der Rahmen jedoch bewegbar, z. B. durch Räder und/oder Führungsschienen. Diese Anordnung 800B ist besonders geeignet für Parkhäuser im Innen- und Außenbereich.
8C zeigt eine Wand-befestigte Anordnung 800C, die manuell oder elektronisch gesteuert werden kann. In diesem Beispiel hält ein Ende des ersten mechanischen Arms 802C das Senderpad 804C, während das andere Ende mit einem anderen mechanischen Arm verbunden ist, der mit der Wandhalterung 806C verbunden ist. In einem Beispiel kann die Wandhalterung 806C an der Wand befestigt sein. In anderen Beispielen kann die Wandhalterung 806C entlang der Wandfläche, in einer oder zwei Dimensionen, z. B. durch Führungsschienen bewegbar sein. Diese Anordnung 800C eignet sich besonders für Innenraum-Parkeinrichtungen, wie z. B. Garagen.
8D zeigt eine Decken-befestigte Anordnung 800D, die manuell oder elektronisch gesteuert werden kann. In diesem Beispiel hält ein Ende des mechanischen Arms 802D das Senderpad 804D, während das andere Ende mit einem Bewegungsmechanismus 506D an der Decke verbunden ist. In diesem Beispiel kann der mechanische Arm 802D innerhalb eines bestimmten Bereichs quer verlaufen, wie im gestrichelten Bereich hervorgehoben. Der Arm 802D kann auch teleskopartig oder vertikal bewegt werden. Diese Anordnung 800D ist besonders für Innenraumanwendungen geeignet. Mit einem automatisch geführten System ist diese Anordnung 800D ideal für in Innenräumen geparkte Fahrzeuge, insbesondere in Innenraumgaragen und Parkhäusern.
Es wird bevorzugt, dass die in den 8A-8D dargestellten Ausführungsformen 800A-800D nur beispielhaft sind. Der Bewegungsmechanismus des Ladegeräts kann eine andere Form und Gestalt annehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
9 veranschaulicht ein Verfahren 900 zum Laden eines Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 900 beginnt mit Schritt 902, bei dem zumindest die Senderspule des Ladegeräts oder die Empfängerspule des Elektrofahrzeugs relativ zu der jeweils anderen Spule bewegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur die Senderspule des Ladegeräts bewegt. Die Bewegung der Senderspule kann sowohl entlang einer horizontalen Richtung als auch entlang einer vertikalen Richtung sequenziell oder gleichzeitig erfolgen.
Anschließend wird in Schritt 904 die Senderspule mit der Empfängerspule ausgerichtet. Diese Ausrichtung umfasst die Platzierung der Senderspule über und proximal zur Empfängerspule. Bevorzugt umfasst die Ausrichtung das Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass ein Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 50 mm beträgt. Zusätzlich oder alternativ umfasst die Ausrichtung das Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass eine von der Senderspule definierte Mittelachse im Wesentlichen parallel zu oder noch bevorzugter zusammenfallend mit einer von der Empfängerspule definierten Mittelachse ist.
Das Verfahren kann weiterhin Schritt 906 umfassen, und zwar das Andocken der Senderspule an einen Dock-/Andockabschnitt an einem oberen Ende eines Chassis des Fahrzeugs. Optional umfasst das Verfahren das Verriegeln der Senderspule und der Empfängerspule in einer Position, so dass sie sich unter einem äußeren Einfluss nicht relativ zueinander bewegen. Die Verriegelung kann durch eine mechanische oder magnetische Verriegelung erfolgen, die auf dem Senderpad und/oder auf dem Empfängerpad oder dem zugehörigen Chassisabschnitt angeordnet ist.
In Schritt 910 wird anschließend der Ladevorgang eingeleitet. Energie wird vom Ladegerät zum Elektrofahrzeug drahtlos über die Senderspule und die Empfängerspule übertragen, um eine im Elektrofahrzeug angeordnete wiederaufladbare Energiequelle zu laden. In einem Beispiel wird die Energie nur dann übertragen, wenn der Nutzer eine Kontoeinzahlung durchführt, z. B. an dem Ladezähler. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Verfahren den Schritt des Kommunizierens von Daten zwischen dem Ladegerät und dem Elektrofahrzeug drahtlos über die Sender- und Empfängerspulen.
In Schritt 912 umfasst das Verfahren das Überwachen einer vom Ladegerät durch die Senderspule übertragenen Energiemenge und/oder einer Dauer eines Energieübertragungsereignisses. In einigen anderen Beispielen kann das Verfahren weiterhin ein Identifizieren des Fahrzeugs und ein Zuordnen des Ladeereignisses zum identifizierten Fahrzeug umfassen.
Das in 9 dargestellte Verfahren 900 kann beispielsweise in den Ausführungsformen 500, 800A-800D des Ladegeräts der vorliegenden Erfindung, den Ausführungsformen 300, 400 des Elektrofahrzeugs der vorliegenden Erfindung oder in beiden implementiert sein.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Anordnung der Empfängerspule auf dem Dach des Chassis, dass die Senderspule des Ladegeräts sehr eng auf der Empfängerspule geführt und platziert werden kann, so dass die Senderspule und die Empfängerspule durch einen sehr kleinen Spalt (einige mm bis einige Dutzend mm, unter Berücksichtigung der Dicke der Sende- und Empfängerpads) getrennt sein können. Diese Anordnung ist insofern von Vorteil, als sie es ermöglicht, dass das Senderpad manuell oder automatisiert geführt und auf dem Empfängerpad platziert werden kann, was eine sehr hohe magnetische Kopplung ermöglicht und den magnetischen Streufluss sowie die Belastung für einen Fremdkörper und Menschen/Tieren durch ein starkes Magnetfeld reduziert. Aufgrund des sehr geringen Übertragungsabstandes (typischerweise einige Dutzend Millimeter oder weniger, anstelle von Hunderten von Millimetern gemäß den SAE 2016-Richtlinien) zwischen den Sender- und Empfängerspulen und der hohen Magnetkopplung kann eine sehr hohe Energieeffizienz (typischerweise > 95%) erreicht werden.
Um außerdem einen hohen Qualitätsfaktor zu erreichen, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Energieübertragung zwischen Empfänger- und Senderspule mit einer Betriebsfrequenz durchgeführt, die weit über der Wechselstromnetzfrequenz liegt (z. B. 85 kHz für SAE 2016-Richtlinien für Elektrofahrzeuge und 110 kHz bis 205 kHz für den Qi-Standard, der vom Wireless Power Consortium für portable Elektronik eingeführt wurde). Die Sender- und Empfängerpads-Anordnung in der vorliegenden Erfindung stellt sicher, dass alle elektrischen Drähte (Kabel), die hochfrequente Spannungen und Ströme führen, auf einer minimale Länge gehalten werden können, um einen Spannungsabfall am Wechselstromwiderstand der Drähte und einen von den Drähten erzeugte elektromagnetische Strahlung zu minimieren.
Es ist zu beachten, dass das Elektrofahrzeug in der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug sein kann, das zumindest teilweise auf Basis von Elektrizität funktioniert, z. B. fährt. So kann beispielsweise das Elektrofahrzeug ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (wie z. B. Autos, Busse, Lastwagen und Züge), ein Luftfahrzeug (Flugzeug), ein Wasserfahrzeug (z. B. Schiffe, Segelboote) usw. sein. Das Fahrzeug kann sogar ein Haushalts- oder Industrieroboter sein. So können die Fahrzeuge beispielsweise ein Roboterstaubsauger oder ein Roboter-Mäher sein. Das Elektrofahrzeug der vorliegenden Erfindung umfasst im Allgemeinen ein Chassis, ein Bewegungsmittel (z. B. Räder), einen Antriebsmechanismus (z. B. Motor), eine wiederaufladbare Energiequelle (z. B. Batterien) und einen Ladeschaltkreis. Das Bewegungsmittel ist mit dem Chassis gekoppelt, um die Bewegung des Elektrofahrzeugs zu ermöglichen. Der Antriebsmechanismus ist betriebsfähig mit dem Bewegungsmittel zum Antreiben des Bewegungsmittels verbunden. Die wiederaufladbare Energiequelle ist betriebsfähig mit dem Antriebsmechanismus verbunden, um den Antriebsmechanismus mit Energie zu versorgen. Der Ladeschaltkreis ist betriebsfähig mit der wiederaufladbaren Energiequelle zum Aufladen der wiederaufladbaren Energiequelle verbunden, wobei der Schaltkreis neben weiteren Schaltkreiskomponenten eine am oberen Ende des Chassis angeordnete Empfängerspule zum drahtlosen Empfangen von Energie von einer Senderspule eines Ladegeräts umfasst. Die Fahrzeuge in verschiedenen Ausführungsformen können je nach ihrer Anwendung und Funktion weitere Komponenten umfassen. Obwohl sich die dargestellte Ausführungsform auf die Energieübertragung konzentriert, sollte gewürdigt werden, dass eine Datenkommunikation auch zwischen Sender und Empfängerpads/-spulen ermöglicht werden kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten einzigartige Vorteile.
Erstens erleichtert die Anordnung der Empfängerspule/des Empfängerpads auf dem Dach des Fahrzeugchassis einen Zugang zu der Empfängerspule/dem Empfängerpad für die Nutzer oder das automatisierte Positionierungssystem. Außerdem ist es unwahrscheinlicher, dass eine solche Empfängerspule/ein solches Empfängerpad von Fremdkörpern auf der Straße getroffen wird, insbesondere im Vergleich zu einer am Bodenblech montierten Empfängerspule/Empfängerpad. Die wasserdichte und elektrisch isolierte Oberfläche des Empfängerpads bietet einen verbesserten Schutz und ermöglicht eine einfachere Wartung. Das Magnetfeld ist ebenfalls weiter entfernt von Fremdkörpern und Haustieren, die sich auf dem Boden befinden.
Zweitens erleichtert die Platzierung der Senderspule/des Senderpads direkt auf der Empfängerspule/dem Empfängerpad einen Zugriff auf die Senderspule/das Senderpad durch Nutzer oder das automatisierte Positionierungssystem. Außerdem reduziert sie das Problem der Fehlausrichtung, weshalb es eine hohe Energieeffizienz erreichen kann. Die Position der Senderspule/des Senderpads ermöglicht es auch, von Schmutz und Staub auf dem Boden entfernt zu sein, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass darauf herumgetreten wird.
Drittens können, da die Senderspule und die Empfängerspule nur durch Dutzende von Millimetern getrennt sind, ein hoher magnetischer Koppelkoeffizient und eine hohe Energieeffizienz erreicht werden. Außerdem gibt es weniger magnetische Streuflüsse, weshalb die damit verbundenen Probleme wie die Exposition des Menschen und die Erwärmung von nahegelegenen Fremdkörpern reduziert sind. Es besteht keine Gefahr für Haustiere, die unter dem Fahrzeug liegen.
Die Anordnung eines mechanischen Arms mit mehreren Freiheitsgraden in der Bewegung, welche in einigen Ausführungsformen elektronisch (und bevorzugt automatisch) gesteuert wird, ermöglicht auch eine genaue und schnelle Ausrichtung der Senderspule zu der Empfängerspule. Somit hat der Fahrer des Fahrzeugs nicht mehr die Last, die beiden Spulen anhand von Markierungen am Boden genau ausrichten zu müssen. Die Bereitstellung eines oder mehrerer Indikatoren zur Anzeige des Betriebszustands zumindest der Sender- oder Empfängerspule ermöglicht es dem Nutzer, den Status des Ladevorgangs leicht zu überprüfen (z. B. bei laufendem Ladevorgang, bei abgeschlossenem Ladevorgang, bei Auftreten eines Fehlers, bei Auftreten eines Überladungsereignisses usw.), insbesondere wenn die Sender- und Empfängerpads/ -spulen gekoppelt sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lösen auch das Problem einer Fehlausrichtung, lockern die Anforderung an die Parkgenauigkeit, erhöhen die Sicherheit, indem sie die Exposition des Menschen gegenüber Magnetfeldern reduzieren. Eine Ladeeffizienz der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann mehr als 95% betragen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen im Vergleich zu bekannten drahtlosen Ladeverfahren führt. Außerdem ist die thermische Belastung des Isoliermaterials des Fahrzeugs geringer, der Energieverlust geringer und die Zuverlässigkeit besser.
Es wird gewürdigt werden, dass dann, wenn die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung entweder vollständig durch das Computersystem oder teilweise durch Computersysteme implementiert sind, jede geeignete Computersystemarchitektur verwendet werden kann. Dazu gehören Stand-Alone-Computer, Netzwerkcomputer und dedizierte Hardwaregeräte. Werden die Begriffe „Computersystem“ und „Computereinrichtung“ verwendet, so sollen diese Begriffe jede geeignete Anordnung von Computerhardware abdecken, die in der Lage ist, die beschriebene Funktion umzusetzen.
Es ist zu beachten, dass in der obigen Beschreibung der Begriff „Senderspule“ nicht auf eine Spule beschränkt ist, die zur Energieübertragung eingerichtet ist. In einigen Fällen kann die „Senderspule“ auch als Empfängerspule verwendet werden, um Energie aufzunehmen. Ebenso ist der Begriff „Empfängerspule“ nicht auf eine Spule beschränkt, die zum Empfangen von Energie eingerichtet ist. In einigen Fällen kann die „Empfängerspule“ auch als Senderspule verwendet werden, um Energie zu übertragen.
Der Fachmann wird bevorzugen, dass zahlreiche Variationen und/oder Änderungen an der Erfindung, wie sie in den spezifischen Ausführungsformen dargestellt ist, vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung, wie sie allgemein beschrieben ist, abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten.
Jeder Verweis auf hierin enthaltenen Stand der Technik ist nicht als Eingeständnis in dem Sinne zu verstehen, dass die Informationen allgemein bekannt sind, sofern es nicht anders angegeben ist.

Claims

Ladegerät für ein Elektrofahrzeug, umfassend: einen Ladeschaltkreis, der zum Verbinden mit einer Energieversorgung betriebsfähig ist, wobei der Ladeschaltkreis eine Senderspule umfasst, die zum drahtlosen Übertragen von Energie zu einer Empfängerspule eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, um das Elektrofahrzeug zu laden; und einen Bewegungsmechanismus, der angeordnet ist, um eine Bewegung der Senderspule zum Ausrichten der Senderspule mit einer Empfängerspule zu ermöglichen, die am oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 1, wobei die Senderspule in einem Senderpad angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 2, wobei das Senderpad eine wasserdichte Schicht zur Wasserisolierung und eine elektrische Abschirmung zur elektrischen Isolierung umfasst.
Ladegerät nach Anspruch 2, wobei das Senderpad eine elektromagnetische Abschirmung zur Abschirmung eines Magnetfeldes umfasst, das während des Ladevorgangs an der Senderspule erzeugt wird.
Ladegerät nach Anspruch 4, wobei die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch einen Magnetkern gebildet ist.
Ladegerät nach Anspruch 4, wobei die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise aus einer ferromagnetischen Schicht und einer leitenden Schicht gebildet ist, die aus leitendem Material hergestellt ist; wobei die ferromagnetische Schicht zwischen der leitenden Schicht und dem Sender angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 4, wobei die elektromagnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt umfasst, der, während eines Ladevorgangs, über der Senderspule relativ zu einem Boden angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 7, wobei die elektromagnetische Abschirmung weiterhin einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Abschnitt erstreckt, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen einen Raum definieren, der zumindest teilweise die Senderspule aufnimmt.
Ladegerät nach Anspruch 2, wobei das Senderpad so angeordnet ist, um in Eingriff mit einem ein Dock oder einem Andockabschnitt am oberen Ende des Chassis zu kommen oder dort aufgenommen zu werden.
Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Energieversorgung.
Ladegerät nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsmechanismus einen mechanischen Arm umfasst, wobei die Senderspule an einem Ende des mechanischen Arms angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 11, wobei der mechanische Arm zumindest zwei Freiheitsgrade aufweist.
Ladegerät nach Anspruch 11, wobei der mechanische Arm einen flexiblen Abschnitt umfasst.
Ladegerät nach Anspruch 11, wobei der mechanische Arm sowohl in einem zweidimensionalen Raum als auch in einem dreidimensionalen Raum bewegbar ist.
Ladegerät nach Anspruch 11, wobei der mechanische Arm: mit einem mechanischen Rahmen verbunden ist, der auf einem Boden abgestützt ist; mit einer Wandhalterung verbunden ist; oder von der Decke abgehängt ist.
Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Ausrichtungsmechanismus, der angeordnet ist, um eine Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
Ladegerät nach Anspruch 16, wobei der Ausrichtungsmechanismus eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: ein magnetisches Element; und einen Sensor, der betriebsfähig ist, um eine auf dem Chassis angeordnete Markierung zu identifizieren und eine Rückmeldung an eine Steuerung bereitzustellen, die angeordnet ist, um eine Bewegung des Bewegungsmechanismus zu steuern.
Ladegerät nach Anspruch 16, wobei der Ausrichtungsmechanismus angeordnet ist, um die Senderspule mit der Empfängerspule auszurichten, so dass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: ein Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule ist kleiner als 100 mm; eine durch die Senderspule definierte Mittelachse ist im Wesentlichen parallel zu einer durch die Empfängerspule definierten Mittelachse; und eine durch die Senderspule definierte Mittelachse fällt mit einer durch die Empfängerspule definierten Mittelachse zusammen.
Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, eine Bewegung des Bewegungsmechanismus zu steuern.
Ladegerät nach Anspruch 19, wobei die Steuerung eingerichtet ist, eine manuelle Nutzereingabe zum Steuern der Bewegung des Arms zu empfangen.
Ladegerät nach Anspruch 19, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Senderspule automatisch mit der Empfängerspule auszurichten, basierend auf einer Rückmeldung von einem Ausrichtungsmechanismus, der so angeordnet ist, um die Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Ladezähler, der betriebsfähig mit dem Ladeschaltkreis verbunden ist, um zumindest eines der folgenden Merkmale zu bestimmen: eine Menge an Energie, die von dem Ladegerät durch die Senderspule übertragen wird; und eine Dauer eines Energieübertragungsereignisses.
Ladegerät nach Anspruch 1, wobei die Senderspule weiterhin zum drahtlosen Empfangen von Energie von der Empfängerspule des Elektrofahrzeugs angeordnet ist, um die Energieversorgung, an die das Ladegerät betriebsfähig angeschlossen ist, mit Energie zu versorgen.
Ladegerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Anzeige zum Anzeigen eines Betriebszustandes der Senderspule.
Elektrofahrzeug, umfassend: ein Chassis; ein mit dem Chassis gekoppeltes Bewegungsmittel, um die Bewegung des Elektrofahrzeugs zu ermöglichen; einen Antriebsmechanismus, der betriebsfähig mit dem Bewegungsmittel zum Antreiben des Bewegungsmechanismus verbunden ist; eine wiederaufladbare Energiequelle, die betriebsfähig mit dem Antriebsmechanismus verbunden ist, für einen Energiebetrieb des Antriebsmechanismus; und einen Ladeschaltkreis, der betriebsfähig mit der wiederaufladbaren Energiequelle verbunden ist, um die wiederaufladbare Energiequelle aufzuladen, wobei der Ladeschaltkreis eine Empfängerspule umfasst, die an einem oberen Ende des Chassis angeordnet ist, wobei die Empfängerspule angeordnet ist, um Energie drahtlos von einer Senderspule eines Ladegeräts Energiequelle zu empfangen.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, wobei die Empfängerspule in einem Empfängerpad angeordnet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 26, wobei das Empfängerpad eine wasserdichte Schicht zur Wasserisolierung und eine elektrische Abschirmung zur elektrischen Isolierung umfasst.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 26, wobei das Empfängerpad eine elektromagnetische Abschirmung zur Abschirmung eines Magnetfeldes umfasst, das während des Ladevorgangs an der Empfängerspule erzeugt wird.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 28, wobei die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise durch einen Magnetkern gebildet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 28, wobei die elektromagnetische Abschirmung zumindest teilweise aus einer ferromagnetischen Schicht und einer leitenden Schicht gebildet ist, die aus einem leitenden Material hergestellt ist, wobei die ferromagnetische Schicht zwischen der leitenden Schicht und der Empfängerspule angeordnet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 28, wobei die elektromagnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt umfasst, der, während eines Ladevorgangs, unterhalb der Empfängerspule relativ zu einem Boden angeordnet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 31, wobei die elektromagnetische Abschirmung weiterhin einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Abschnitt erstreckt, wobei der erste und der zweite Abschnitt zusammen einen Raum definieren, der zumindest teilweise die Empfängerspule aufnimmt.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, weiterhin umfassend ein Dock oder einen Andockabschnitt, der am oberen Ende des Chassis angeordnet ist, um ein Senderpad des Ladegeräts aufzunehmen oder mit diesem in Eingriff zu kommen; wobei das Empfängerpad am oder angrenzend an das Dock oder den Andockabschnitt angeordnet ist; wobei das Senderpad die Senderspule enthält.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 33, wobei das Dock oder der Andockabschnitt eine Aussparung am oberen Ende des Chassis aufweist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 33, wobei das Dock oder der Andockabschnitt einen Vorsprung umfasst, der aus dem oberen Ende des Chassis herausragt.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, weiterhin umfassend ein Ausrichtungselement, das angeordnet ist, um eine Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 36, wobei das Ausrichtungselement ein magnetisches Element oder eine Markierung umfasst.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, wobei das obere Ende des Chassis ein Dach des Chassis ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, wobei das Elektrofahrzeug ein Elektroauto ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, wobei die Empfängerspule weiterhin angeordnet ist, um Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts zu übertragen.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 25, weiterhin umfassend eine Anzeige, die angeordnet ist, um einen Betriebszustand der Empfängerspule anzuzeigen.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrofahrzeugs, umfassend: Bereitstellen eines Chassis des Elektrofahrzeugs; Bereitstellen eines Ladeschaltkreises zum Laden des Elektrofahrzeugs; und Anordnen einer Empfängerspule des Ladeschaltkreises an einem oberen Ende des Chassis, wobei die Empfängerspule angeordnet ist, um Energie drahtlos von einer Senderspule eines Ladegeräts zum Laden einer wiederaufladbaren Energiequelle des Elektrofahrzeugs zu empfangen.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Empfängerspule in einem Empfängerpad angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 42, weiterhin umfassend: Zusammensetzen, in dem Chassis, einer wiederaufladbaren Energiequelle für eine Verbindung mit dem Antriebsmechanismus, um einen Betrieb des Antriebsmechanismus mit Energie zu versorgen; und betriebsfähiges Verbinden der wiederaufladbaren Energiequelle mit dem Ladeschaltkreis.
Verfahren nach Anspruch 42, weiterhin umfassend: Anordnen eines Docks oder Andockabschnitts am oberen Ende des Chassis, um ein Senderpad des Ladegeräts aufzunehmen oder mit diesem in Eingriff zu kommen; wobei das Empfängerpad am oder angrenzend an das Dock oder den Andockabschnitt angeordnet ist; wobei das Senderpad die Senderspule enthält.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Dock oder der Andockabschnitt eine Aussparung am oberen Ende des Chassis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Dock oder der Andockabschnitt einen Vorsprung umfasst, der aus dem oberen Ende des Chassis herausragt.
Verfahren nach Anspruch 42, weiterhin umfassend: Anordnen eines Ausrichtungselements in dem Elektrofahrzeug, um eine Ausrichtung der Senderspule mit der Empfängerspule zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das obere Ende des Chassis ein Dach des Chassis ist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das Elektrofahrzeug ein Elektroauto ist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Empfängerspule weiterhin angeordnet ist, um Energie drahtlos an die Senderspule des Ladegeräts zu übertragen, um die Energieversorgung, mit der das Ladegerät betriebsfähig verbunden ist, mit Energie zu versorgen.
Verfahren zum Laden eines Elektrofahrzeugs, umfassend: Bewegen zumindest einer Senderspule eines Ladegeräts oder einer Empfängerspule, die an einem oberen Ende eines Chassis eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, relativ zueinander; und Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass die Senderspule oberhalb und proximal zur Empfängerspule angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Bewegungsschritt ein Bewegen der Senderspule des Ladegeräts umfasst, während die Empfängerspule des Elektrofahrzeugs im Wesentlichen stationär bleibt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Bewegungsschritt ein Bewegen der Senderspule in einem zweidimensionalen Raum oder einem dreidimensionalen Raum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei zumindest der Bewegungsschritt oder der Ausrichtungsschritt manuell ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei zumindest der Bewegungsschritt oder der Ausrichtungsschritt elektronisch oder automatisch ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Ausrichtungsschritt einen oder mehrere der folgenden Schritte umfasst: Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass ein Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule kleiner als 100 mm ist; Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass eine durch die Senderspule definierte Mittelachse im Wesentlichen parallel zu einer durch die Empfängerspule definierten Mittelachse ist; und Ausrichten der Senderspule mit der Empfängerspule, so dass eine von der Senderspule definierte Mittelachse mit einer von der Empfängerspule definierten Mittelachse zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Ausrichtungsschritt umfasst: Andocken der Senderspule an ein Dock oder einen Andockabschnitt, der am oberen Ende des Chassis angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 52, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Verriegeln der Senderspule in einer Position, nachdem die Senderspule mit der Empfängerspule ausgerichtet wurde.
Verfahren nach Anspruch 52, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Übertragen von Energie vom Ladegerät zu dem Elektrofahrzeug drahtlos durch die Senderspule und die Empfängerspule zum Laden einer im Elektrofahrzeug angeordneten wiederaufladbaren Energiequelle.
Verfahren nach Anspruch 60, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Überwachen von zumindest einem der folgenden Merkmale: eine Menge an Energie, die von dem Ladegerät durch die Senderspule übertragen wird; und eine Dauer eines Energieübertragungsereignisses.
Verfahren nach Anspruch 52, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Übertragen von Energie vom Elektrofahrzeug zu dem Ladegerät, drahtlos über die Senderspule und die Empfängerspule, um die Energieversorgung mit Energie zu versorgen, an die das Ladegerät betriebsfähig angeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 52, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: Anzeigen eines Betriebszustands von zumindest der Senderspule oder der Empfängerspule.