DE202010016679U1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen ist die fahrzeugseitige Sekundärspule bevorzugt an der Unterseite des Fahrzeugs angeordnet, damit die induktive Kopplung mit der Primärspule einer Ladestation durch einfaches Abstellen des Fahrzeugs an der Ladestation unter geeigneter Ausrichtung der Sekundärspule zu einer am Boden angeordneten Primärspule hergestellt werden kann. Hierbei ist eine möglichst geringe Bauhöhe der Sekundärspule erwünscht, da für deren Anbringung an der Unterseite des Fahrzeugs in der Regel nur ein Einbauraum von geringer Höhe zur Verfügung steht. Die Sekundärspule muss durch eine Zuleitung mit einer fahrzeugseitigen leistungselektronischen Einheit verbunden werden, welche das von der Sekundärspule kommende Signal in eine zum Laden der Fahrzeugbatterie geeignete Form wandelt. Die Zuleitung muss zumindest teilweise ebenfalls an der Unterseite des Fahrzeugs verlegt werden und unterliegt daher in Bezug auf die Bauhöhe denselben Anforderungen wie die Sekundärspule.
- Der für die Unterbringung zusätzlicher Komponenten wie einer induktiven Übertragungsvorrichtung in einem Fahrzeug zur Verfügung stehende Raum ist generell eng begrenzt. Daher ist eine geringe Bauhöhe der Sekundärspule und ihrer Zuleitung auch bei einem anderen Einbauort als der Unterseite, wie im Bereich einer Stossstange oder einer Knautschzone, von Interesse.
- Wegen der relativ hohen Betriebsfrequenz der induktiven Übertragungsstrecke, die heute üblicherweise in der Größenordnung von 20 kHz liegt und sich zukünftig noch weiter nach oben verlagern könnte, muss bei der Auslegung der Zuleitung der Skineffekt berücksichtigt werden, der besondere Anforderungen an das Zuleitungskabel stellt. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von Hochfrequenzlitzenkabel, das aus einer großen Anzahl von sehr dünnen voneinander durch eine Lackschicht isolierten Einzeldrähten besteht. Diese Art von Kabel ist jedoch insbesondere in geschirmter Ausführung relativ kostspielig und beim Anschließen seiner Enden an andere Komponenten, d. h. hier an die Sekundärspule und die leistungselektronische Einheit, schwierig zu verarbeiten.
- Bei Verwendung eines normalen Kabels muss wegen des großen Stromes und des Skineffekts ein großer Adernquerschnitt gewählt werden, der einen entsprechend großen Gesamtquerschnitt des Kabels zur Folge hat. Daher ist die Forderung nach einer Zuleitung geringer Bauhöhe, insbesondere einer Bauhöhe, die nicht größer als diejenige der Sekundärspule ist, mit einem normalen Kabel kaum zu erfüllen.
- Eine geringe Bauhöhe ist bei einer Vorrichtung zum induktiven Laden eines Elektrofahrzeugs auch für die Primärspule und deren Zuleitung an der Ladestation wünschenswert, insbesondere wenn die Primärspule und deren Zuleitung nicht im Boden versenkt, sondern auf der Oberfläche eines Fahrzeugabstellplatzes liegend montiert sind und somit potentielle Stolperfallen für Fahrzeuginsassen darstellen, oder wenn die Primärspule als portable Einheit ausgebildet sein soll.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie für die Realisierung einer Verbindung geringer Höhe zwischen der Spule und einer leistungselektronischen Einheit eine einfache und kostengünstige Lösung aufzuzeigen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Erfindungsgemäß besteht bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie die Zuleitung zwischen der Spule und der leistungselektronischen Einheit aus mindestens zwei mehradrigen Kabeln mit voneinander isolierten Adern und die Verbindung jedes Anschlusses der Spule mit einem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit besteht aus einer Vielzahl von Adern der mehradrigen Kabel. Hierdurch wird es ermöglicht, Kabel mit geringem Gesamtquerschnitt zu verwenden und auf diese Weise insgesamt eine geringe Bauhöhe der Zuleitung einzuhalten. Der für den zu führenden Strom zu geringe Adernquerschnitt der Kabel wird dadurch ausgeglichen, dass der Strom auf mehrere Adern verteilt wird.
- Vorzugsweise ist jeder Anschluss der Spule mit dem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit durch Adern mindestens zweier verschiedener Kabel verbunden. Hierdurch fließen in jedem Kabel Ströme von einander entgegen gesetzter Richtung, deren Magnetfelder folglich einander entgegen gerichtet sind und sich daher zumindest teilweise gegenseitig kompensieren. Dies ist im Hinblick auf die Vermeidung von Störungen elektronischer Fahrzeugkomponenten durch das von der Zuleitung ausgehende magnetische Wechselfeld relativ hoher Feldstärke und Frequenz von Vorteil. Für die Kompensationswirkung ist es besonders günstig, wenn gleich viele Adern jedes einzelnen Kabels jeden der beiden Anschlüsse der Spule mit dem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit verbinden.
- Noch günstiger für die Kompensation des Magnetfeldes ist es, wenn darüber hinaus im Querschnitt jedes Kabels die Adern symmetrisch angeordnet und den Anschlüssen der Spule so zugeordnet sind, dass Adern mit gleicher Stromrichtung stets paarweise symmetrisch zum Mittelpunkt eines Kabels angeordnet sind und sich in Umfangsrichtung auf jedem durch den Mittelpunkt des Kabels und die Mittelpunkte zweier zueinander symmetrischer Adern definierten Kreis Adern mit einander entgegen gesetzter Stromrichtung abwechseln. In diesem Fall kompensieren sich die Magnetfelder der einzelnen Adern jedes Kabels außerhalb des Kabels bereits in geringem Abstand von dem Kabel weitgehend, sofern die Beträge der Teilströme aller Adern gleich sind.
- Weiterhin ist es von Vorteil, wenn alle Adern der Kabel, die einen Anschluss der Spule mit demselben Anschluss der leistungselektronischen Einheit verbinden, zur gleichmäßigen Aufteilung des Gesamtstromes auf die einzelnen Adern zyklisch paarweise mit jeweils einander entgegen gesetzter Stromrichtung durch geschlossene Magnetkerne geführt sind. Eine gleichmäßige Aufteilung des Gesamtstromes auf die einzelnen Adern ist sowohl im Hinblick auf die Kompensation des von der Zuleitung ausgehenden Magnetfeldes, als auch im Interesse eines geringen ohmschen Gesamtwiderstandes der Zuleitung und einer Vermeidung einer ungleichmäßigen Verlustleistung und damit Erwärmung der verschiedenen Adern wünschenswert.
- Ein sinnvoller Richtwert für den Gesamtquerschnitt jedes der mehradrigen Kabel ist die Bauhöhe der Spule, die nicht überschritten werden sollte, damit für die Zuleitung ein Raum gleicher Höhe ausreicht, wie ihn die Spule einnimmt.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung offenbart die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In diesen zeigt
-
1 schematische Darstellungen eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten Fahrzeugs in der Ansicht von unten und in einem Teillängsschnitt, -
2 eine erfindungsgemäße Konfiguration von zwei vieradrigen Kabeln im Querschnitt, -
3 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Anschluss einer Sekundärspule an zwei vieradrige Kabel und -
4 eine Anordnung zur symmetrischen Stromaufteilung auf vier Adern eines Kabels. - Wie
1 schematisch zeigt, ist an der Unterseite eines Fahrzeugs1 eine Vorrichtung zur induktiven Aufnahme elektrischer Energie mit einer Sekundärspule2 und einer leistungselektronischen Einheit3 angeordnet, die durch eine zweipolige Zuleitung4 ,5 miteinander verbunden sind. Die leistungselektronische Einheit3 ist mit einer nicht gezeigten Batterie verbunden, aus der ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs1 gespeist wird. Die Vorrichtung dient zum Laden der Fahrzeugbatterie an einer Ladestation, die eine der Sekundärspule2 entsprechende Primärspule aufweist. Zum Laden der Fahrzeugbatterie wird das Fahrzeug1 so an der Ladestation abgestellt, dass die Sekundärspule2 passend zu der am Boden angeordneten Primärspule ausgerichtet ist und die beiden Spulen einen Transformator bilden, über den elektrische Energie zu dem Fahrzeug1 übertragen werden kann. - Wie der sich auf die strichpunktierte Linie in
1 oben beziehende Teillängsschnitt in1 unten erkennen lässt, ist die Sekundärspule2 sehr flach, da für diese an der Unterseite des Fahrzeugs1 nur ein Einbauraum6 geringer Höhe zur Verfügung steht. Dieselbe geringe Höhe hat auch der Kanal7 , der von dem Einbauraum6 zu der leistungselektronischen Einheit3 führt und zur Verlegung der Zuleitung4 ,5 zur Verfügung steht. Die Zuleitung4 ,5 darf daher keinen größeren Querschnitt als die Bauhöhe der Sekundärspule2 haben, damit sie nicht aus dem Kanal7 nach unten herausragt. - Wie in
2 rechts gezeigt ist, besteht die Zuleitung4 ,5 erfindungsgemäß beispielsweise aus zwei Kabeln4 und5 , deren jeweiliger Gesamtquerschnitt der Höhe h des Kanals7 entspricht. Jedes der Kabel4 und5 hat vier gleiche voneinander isolierte Adern4A bis4D bzw.5A bis5D , so dass der Strom in jeder Richtung auf vier Adern verteilt werden kann. Jedes einzelne der Kabel4 und5 hat einen Durchmesser des Gesamtquerschnitts einschließlich des äußeren Mantels4M bzw.5M , welcher der Höhe h des Kanals7 entspricht, so dass bei einer Verbindung der Sekundärspule2 mit der Leistungselektronischen Einheit3 durch die Kabel4 und5 die zur Verfügung stehende Höhe h genau eingehalten wird. - Obwohl die Einhaltung der verfügbaren Höhe h bereits dadurch erreichbar ist, dass die vier Adern des einen Kabels
4 einen Anschluss der Sekundärspule2 mit einem Anschluss der leistungselektronischen Einheit3 verbinden und die vier Adern des anderen Kabels5 den anderen Anschluss der Sekundärspule2 mit dem anderen Anschluss der leistungselektronischen Einheit3 verbinden, ist es zweckmäßig, für die Verbindung eines Anschlusses der Sekundärspule2 mit einem Anschluss der leistungselektronischen Einheit3 Adern verschiedener Kabel zu verwenden, wie es in3 dargestellt ist. Dort sind zwei Adern4B und4D des Kabels4 und zwei Adern5A und5C des Kabels5 mit dem einen Anschluss2A der Sekundärspule2 verbunden, während die zwei anderen Adern4A und4C des Kabels4 und die zwei anderen Adern5B und5D des Kabels5 mit dem anderen Anschluss2B der Sekundärspule2 verbunden sind. Die Verbindung mit den zwei Anschlüssen der leistungselektronischen Einheit3 ist in dazu analoger Weise hergestellt. - Auf diese Weise teilt sich der Gesamtstrom des Stromkreises zwischen der Sekundärspule
2 und der leistungselektronischen Einheit3 in jeder der beiden Richtungen je zur Hälfte auf die zwei Kabel4 und5 auf, so dass insgesamt in jedem Kabel4 und5 zwei entgegengesetzt gerichtete und dem Betrag nach gleich große Ströme fließen. Dies hat zur Folge, dass sich die von den Strömen verursachten Magnetfelder außerhalb der Kabel4 und5 annähernd gegenseitig kompensieren und die elektromagnetische Verträglichkeit der induktiven Energieaufnahmevorrichtung mit den elektronischen Komponenten des Fahrzeugs1 verbessert wird. - Wie
2 zeigt, kann die gegenseitige Kompensation der Magnetfelder noch dadurch verbessert werden, dass bei einer radialsymmetrischen Anordnung der Adern4A bis4D und5A bis5D innerhalb der Kabel4 und5 die Zuordnung der Adern so gewählt wird, dass beispielsweise in dem Kabel4 die Adern4A und4C , welche einen Strom in der einen Richtung führen, symmetrisch zum Mittelpunkt des Kabelquerschnitts liegen, und die Adern4B und4D , welche einen Strom in der entgegen gesetzten Richtung führen, ebenfalls symmetrisch zum Mittelpunkt des Kabelquerschnitts auf einem Kreis mit demselben Radius liegen. Dies sorgt für eine weitgehende Kompensation der Magnetfelder bereits in geringem Abstand von dem Kabel4 , wenn die Teilströme aller Adern dem Betrag nach gleich sind. Nach demselben Schema ist auch bei dem Kabel5 die Zuordnung der Adern5A bis5D gewählt. - Um die Gleichheit der Beträge aller von den einzelnen Adern
4A bis4D bzw.5A bis5D geführten Teilströme zu gewährleisten, sind die Adern, die einen Anschluss der Sekundärspule2 mit demselben Anschluss der leistungselektronischen Einheit3 verbinden, zyklisch paarweise mit jeweils entgegen gesetzter Stromrichtung durch geschlossene Magnetkerne geführt, wie es in4 anhand der an dem Anschluss2B der Sekundärspule2 angeschlossenen Adern4A ,4C ,5B und5D schematisch dargestellt ist. So sind die Adern5D und4A durch den Magnetkern8 , die Adern4A und4C durch den Magnetkern9 , die Adern4C und5B durch den Magnetkern10 und die Adern5B und5D durch den Magnetkern11 geführt. Als Magnetkerne8 bis11 können Ringkerne aus Ferrit verwendet werden. - Die Stromrichtungen sind in
4 durch jeweils durch Pfeile in den Adern angegeben. So führen beispielsweise die Adern5D und4A im Durchgang durch den Magnetkern8 Teilströme entgegen gesetzter Richtung, obwohl ihre Stromrichtung bezüglich der Verbindung der Sekundärspule2 mit der leistungselektronischen Einheit3 die gleiche ist. Dies wird durch die in4 erkennbare schleifenförmige Verlegung der Ader5D durch den Magnetkern8 bewirkt. Während sich die Magnetfelder der im Durchgang durch den Magnetkern8 eng benachbarten Adern5D und4A bei gleichen Beträgen ihrer Teilströme annähernd kompensieren, haben unterschiedliche Beträge ihrer Teilströme ein magnetisches Wechselfeld in dem Magnetkern8 zur Folge. Hierdurch werden in den Adern5D und4A nach der Lenz'schen Regel Ströme induziert, welche der Änderung des magnetischen Flusses, also dem magnetischen Wechselfeld in dem Magnetkern8 , entgegenwirken. Folglich kommt es zu einer Angleichung der Beträge der Teilströme in den Adern5D und4A . - Nach dem gleichen Prinzip werden aufgrund der Anordnung nach
4 auch die Teilströme in den Adern4A und4C , in den Adern4C und5B sowie in den Adern5B und5D jeweils paarweise einander angeglichen. Durch die insgesamt zyklische Anordnung kommt es auch insgesamt zu einer Angleichung aller Teilströme, so dass sich der Gesamtstrom gleichmäßig auf die vier Adern4A ,4C ,5B und5D verteilt. Diese Art der Angleichung der Teilströme ist auch bei den Adern5A ,5C ,4B und4D der anderen Stromrichtung vorgesehen. Eine gleichmäßige Verteilung der Teilströme ist sowohl hinsichtlich der Kompensation der Magnetfelder, als auch hinsichtlich der Strombelastung der einzelnen Adern von Interesse. - Vorausgehend wurde beispielhaft die Anwendung der Erfindung auf die Sekundärseite einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug beschrieben. Wie der Fachmann sofort erkennt, kann die Erfindung ganz allgemein auf die Verbindung zwischen einer Spule und einer leistungselektronischen Einheit, also ebenso gut auf die Primärseite einer induktiven Übertragungsvorrichtung, bei welcher lediglich die Richtung des Leistungsflusses zwischen der Primärspule und der dortigen leistungselektronischen Einheit im Vergleich zur Sekundärseite umgekehrt ist, angewandt werden. Ferner ergeben sich aus dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für einen Fachmann Variationsmöglichkeiten zur Realisierung der Erfindung. So könnten insbesondere je nach verfügbarer Querschnittsfläche des Kanals
7 auch mehr als zwei Kabel verwendet werden und die Anzahl der Adern pro Kabel könnte anstatt vier auch nur zwei oder mehr als vier betragen. Solche und vergleichbare Modifikationen liegen im Ermessen des Fachmannes und sollen vom Schutz der Ansprüche umfasst sein.
Claims (8)
- Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule (
2 ), die mit einer anderen Spule durch geeignete Positionierung der beiden Spulen relativ zueinander zur Energieübertragung induktiv koppelbar ist, mit einer leistungselektronischen Einheit (3 ) zur Entnahme elektrischer Leistung aus der Spule (2 ) oder zur Abgabe elektrischer Leistung in die Spule (2 ) und mit einer Zuleitung (4 ,5 ), welche die Spule (2 ) mit der leistungselektronischen Einheit (3 ) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (4 ,5 ) aus mindestens zwei mehradrigen Kabeln (4 ;5 ) mit voneinander isolierten Adern (4A ,4B ,4C ,4D ;5A ,5B ,5C ,5D ) besteht, und dass die Verbindung jedes Anschlusses (2A ;2B ) der Spule (2 ) mit einem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit (3 ) aus einer Vielzahl von Adern (5A ,5C ,4B ,4D ;4A ,4C ,5B ,5D ) der mehradrigen Kabel (4 ,5 ) besteht. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Anschluss (
2A ;2B ) der Spule (2 ) mit dem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit (3 ) durch Adern (5A ,5C ,4B ,4D ;4A ,4C ,5B ,5D ) mindestens zweier verschiedener Kabel (4 ,5 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleich viele Adern (
5A ,5C ,4B ,4D ;4A ,4C ,5B ,5D ) jedes einzelnen Kabels (4 ,5 ) jeden der beiden Anschlüsse (2A ;2B ) der Spule (2 ) mit dem jeweils zugeordneten Anschluss der leistungselektronischen Einheit (3 ) verbinden. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt jedes Kabels (
4 ;5 ) die Adern (4A ,4B ,4C ,4D ;5A ,5B ,5C ,5D ) symmetrisch angeordnet und den Anschlüssen der Spule (2A ;2B ) so zugeordnet sind, dass Adern (5A ,5C ;4B ,4D ;4A ,4C ,5B ,5D ) mit gleicher Stromrichtung stets paarweise symmetrisch zum Mittelpunkt eines Kabels (4 ,5 ) angeordnet sind und sich in Umfangsrichtung auf jedem durch den Mittelpunkt des Kabels (4 ,5 ) und die Mittelpunkte zweier zueinander symmetrischer Adern (4A ,4C ;4B ,4D ;5A ,5C ;5B ,5D ) definierten Kreis Adern mit einander entgegen gesetzter Stromrichtung abwechseln. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Adern (
4A ,4C ,5B ,5D ) eines Kabels, die einen Anschluss (2B ) der Spule (2 ) mit demselben Anschluss der leistungselektronischen Einheit (3 ) verbinden, zur gleichmäßigen Aufteilung des Gesamtstromes auf die einzelnen Adern (4A ,4C ,5B ,5D ) zyklisch paarweise mit jeweils einander entgegen gesetzter Stromrichtung durch geschlossene Magnetkerne (8 ,9 ,10 ,11 ) geführt sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtquerschnitt jedes der mehradrigen Kabel (
4 ,5 ) die Bauhöhe der Spule (2 ) nicht überschreitet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (
2 ) eine an einem Fahrzeug (1 ) montierbare, zur Leistungsaufnahme bestimmte Sekundärspule ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine an einer stationären Einheit montierbare, zur Leistungsabgabe bestimmte Primärspule ist.
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