DE202010016679U1

DE202010016679U1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

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Publication number: DE202010016679U1
Application number: DE202010016679U
Authority: DE
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Conductix Wampfler GmbH
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-03-19
Anticipated expiration: 2020-12-17

Abstract

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.

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 Fahrzeugs 1 eine Vorrichtung zur induktiven Aufnahme elektrischer Energie mit einer Sekundärspule 2 und einer leistungselektronischen Einheit 3 angeordnet, die durch eine zweipolige Zuleitung 4, 5 miteinander verbunden sind. Die leistungselektronische Einheit 3 ist mit einer nicht gezeigten Batterie verbunden, aus der ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs 1 gespeist wird. Die Vorrichtung dient zum Laden der Fahrzeugbatterie an einer Ladestation, die eine der Sekundärspule 2 entsprechende Primärspule aufweist. Zum Laden der Fahrzeugbatterie wird das Fahrzeug 1 so an der Ladestation abgestellt, dass die Sekundärspule 2 passend zu der am Boden angeordneten Primärspule ausgerichtet ist und die beiden Spulen einen Transformator bilden, über den elektrische Energie zu dem Fahrzeug 1 übertragen werden kann.
Wie der sich auf die strichpunktierte Linie in 1 oben beziehende Teillängsschnitt in 1 unten erkennen lässt, ist die Sekundärspule 2 sehr flach, da für diese an der Unterseite des Fahrzeugs 1 nur ein Einbauraum 6 geringer Höhe zur Verfügung steht. Dieselbe geringe Höhe hat auch der Kanal 7, der von dem Einbauraum 6 zu der leistungselektronischen Einheit 3 führt und zur Verlegung der Zuleitung 4, 5 zur Verfügung steht. Die Zuleitung 4, 5 darf daher keinen größeren Querschnitt als die Bauhöhe der Sekundärspule 2 haben, damit sie nicht aus dem Kanal 7 nach unten herausragt.
Wie in 2 rechts gezeigt ist, besteht die Zuleitung 4, 5 erfindungsgemäß beispielsweise aus zwei Kabeln 4 und 5, deren jeweiliger Gesamtquerschnitt der Höhe h des Kanals 7 entspricht. Jedes der Kabel 4 und 5 hat vier gleiche voneinander isolierte Adern 4A bis 4D bzw. 5A bis 5D, so dass der Strom in jeder Richtung auf vier Adern verteilt werden kann. Jedes einzelne der Kabel 4 und 5 hat einen Durchmesser des Gesamtquerschnitts einschließlich des äußeren Mantels 4M bzw. 5M, welcher der Höhe h des Kanals 7 entspricht, so dass bei einer Verbindung der Sekundärspule 2 mit der Leistungselektronischen Einheit 3 durch die Kabel 4 und 5 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 Sekundärspule 2 mit einem Anschluss der leistungselektronischen Einheit 3 verbinden und die vier Adern des anderen Kabels 5 den anderen Anschluss der Sekundärspule 2 mit dem anderen Anschluss der leistungselektronischen Einheit 3 verbinden, ist es zweckmäßig, für die Verbindung eines Anschlusses der Sekundärspule 2 mit einem Anschluss der leistungselektronischen Einheit 3 Adern verschiedener Kabel zu verwenden, wie es in 3 dargestellt ist. Dort sind zwei Adern 4B und 4D des Kabels 4 und zwei Adern 5A und 5C des Kabels 5 mit dem einen Anschluss 2A der Sekundärspule 2 verbunden, während die zwei anderen Adern 4A und 4C des Kabels 4 und die zwei anderen Adern 5B und 5D des Kabels 5 mit dem anderen Anschluss 2B der Sekundärspule 2 verbunden sind. Die Verbindung mit den zwei Anschlüssen der leistungselektronischen Einheit 3 ist in dazu analoger Weise hergestellt.
Auf diese Weise teilt sich der Gesamtstrom des Stromkreises zwischen der Sekundärspule 2 und der leistungselektronischen Einheit 3 in jeder der beiden Richtungen je zur Hälfte auf die zwei Kabel 4 und 5 auf, so dass insgesamt in jedem Kabel 4 und 5 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 Kabel 4 und 5 annähernd gegenseitig kompensieren und die elektromagnetische Verträglichkeit der induktiven Energieaufnahmevorrichtung mit den elektronischen Komponenten des Fahrzeugs 1 verbessert wird.
Wie 2 zeigt, kann die gegenseitige Kompensation der Magnetfelder noch dadurch verbessert werden, dass bei einer radialsymmetrischen Anordnung der Adern 4A bis 4D und 5A bis 5D innerhalb der Kabel 4 und 5 die Zuordnung der Adern so gewählt wird, dass beispielsweise in dem Kabel 4 die Adern 4A und 4C, welche einen Strom in der einen Richtung führen, symmetrisch zum Mittelpunkt des Kabelquerschnitts liegen, und die Adern 4B und 4D, 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 Kabel 4, wenn die Teilströme aller Adern dem Betrag nach gleich sind. Nach demselben Schema ist auch bei dem Kabel 5 die Zuordnung der Adern 5A bis 5D gewählt.
Um die Gleichheit der Beträge aller von den einzelnen Adern 4A bis 4D bzw. 5A bis 5D geführten Teilströme zu gewährleisten, sind die Adern, die einen Anschluss der Sekundärspule 2 mit demselben Anschluss der leistungselektronischen Einheit 3 verbinden, zyklisch paarweise mit jeweils entgegen gesetzter Stromrichtung durch geschlossene Magnetkerne geführt, wie es in 4 anhand der an dem Anschluss 2B der Sekundärspule 2 angeschlossenen Adern 4A, 4C, 5B und 5D schematisch dargestellt ist. So sind die Adern 5D und 4A durch den Magnetkern 8, die Adern 4A und 4C durch den Magnetkern 9, die Adern 4C und 5B durch den Magnetkern 10 und die Adern 5B und 5D durch den Magnetkern 11 geführt. Als Magnetkerne 8 bis 11 können Ringkerne aus Ferrit verwendet werden.
Die Stromrichtungen sind in 4 durch jeweils durch Pfeile in den Adern angegeben. So führen beispielsweise die Adern 5D und 4A im Durchgang durch den Magnetkern 8 Teilströme entgegen gesetzter Richtung, obwohl ihre Stromrichtung bezüglich der Verbindung der Sekundärspule 2 mit der leistungselektronischen Einheit 3 die gleiche ist. Dies wird durch die in 4 erkennbare schleifenförmige Verlegung der Ader 5D durch den Magnetkern 8 bewirkt. Während sich die Magnetfelder der im Durchgang durch den Magnetkern 8 eng benachbarten Adern 5D und 4A bei gleichen Beträgen ihrer Teilströme annähernd kompensieren, haben unterschiedliche Beträge ihrer Teilströme ein magnetisches Wechselfeld in dem Magnetkern 8 zur Folge. Hierdurch werden in den Adern 5D und 4A nach der Lenz'schen Regel Ströme induziert, welche der Änderung des magnetischen Flusses, also dem magnetischen Wechselfeld in dem Magnetkern 8, entgegenwirken. Folglich kommt es zu einer Angleichung der Beträge der Teilströme in den Adern 5D und 4A.
Nach dem gleichen Prinzip werden aufgrund der Anordnung nach 4 auch die Teilströme in den Adern 4A und 4C, in den Adern 4C und 5B sowie in den Adern 5B und 5D 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 Adern 4A, 4C, 5B und 5D verteilt. Diese Art der Angleichung der Teilströme ist auch bei den Adern 5A, 5C, 4B und 4D 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

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.