WO2012104350A2 - Induktives übertragungssystem zum laden der traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs - Google Patents

Induktives übertragungssystem zum laden der traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs Download PDF

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Definitions

  • Inductive transmission system for charging the traction batteries of an electrically driven vehicle
  • the invention relates to an inductive transmission system for charging the traction batteries of an electrically driven vehicle to a
  • Charging station which has an attachable to the vehicle coupling device with at least a first transformer part, can be transmitted by the electrical energy to a second transformer part on the vehicle, wherein the first transformer part motorized in several
  • the charging station has a housing with a pivotable protective plate.
  • Coupling carries, is unfolded by the recess in the direction of the vehicle.
  • Coupling device on the vehicle is the swivel arm with the
  • Coupling device in three spatial directions can be positioned by motor.
  • This known embodiment makes it possible to position the coupling device exactly on the vehicle, but has the disadvantage that the pivot arm and the first transformer part are freely accessible during the charging process. This poses a risk of injury through the open mechanism and can In addition, lead to damage when, for example, in a garage or in a public area objects (brooms o. ⁇ .) Get into the range of motion of the swing arm. Since an inductively coupled power transmission system has a high but limited efficiency, the coupled transformer parts also generate a considerable heat loss during charging, which can lead to scalding when touched.
  • Transformer part is constantly disposed within the housing and behind the protective plate, that the protective plate around two axes of rotation yielding or pivotable, and in a spatial direction designed to be resilient or displaceable or arranged.
  • the first transformer part with a movable protective plate oriented towards the vehicle, which is arranged so as to be somewhat yielding or movable around two spatial axes and in one spatial direction and thus from the vehicle or the second
  • Transformer part can be moved so that a gap between the movable protective plate, which forms the surface of the coupling device, and the second transformer part is minimal.
  • This sensor having the determination of the position of the second Transformer part allows.
  • This sensor can be realized for example by a pressure sensor, which is arranged in or on the protective plate.
  • the risk of scalding at the charging station is significantly reduced, since the thermal capacity of the protective plate is significantly lower than that of the first transformer part, which can be moved after completion of loading again in a remote from the protective plate rest position.
  • vehicle-side second transformer part can also be actively cooled with the existing cooling system on the vehicle side.
  • Protective plate can be achieved either by a suitably designed storage, such as a sliding gimbal, the protective plate or by a flexibly formed protective plate, which gives enough to attach to the on-vehicle transformer second part in the appropriate directions.
  • the vehicle-side second transformer part is assumed purely by way of example as a flat cuboid object whose main surface facing away from the vehicle forms the inductive coupling surface which is to be attached to the protective plate for a charging process.
  • Coupling surface almost never exactly aligned parallel to the surface of the protective plate, but generally has both a horizontal and a vertical tilting. These tiltings are caused by the twistability or Resistance of the protective plate automatically compensated for its vertical and transverse axis.
  • FIG. 1 shows a coupling device with the protective plate removed
  • Figure 2 is a coupling device with existing protective plate.
  • the coupling device 1 shows a coupling device 1 as part of a charging station not shown in detail for charging the traction batteries of an electrically driven vehicle.
  • the coupling device 1 has a
  • the cuboidal first transformer part 3 shown here only schematically can be formed by a rectangular coil arrangement with a suitably shaped core.
  • a similarly shaped, not shown here second transformer part is arranged on the vehicle body.
  • a preferred mounting location for the second transformer part is located behind a non-metallic vehicle license plate, whereby the second transformer part of a recognizable and generally easily accessible central location of the vehicle can be found.
  • Housing 2 done at the charging station in one or more spatial directions.
  • devices may be provided, as they
  • the first transformer part 3 is freely positionable within the limited by the side walls of the housing 2 surface of the recess 6.
  • the first transformer part 3 is arranged to be motor-displaceable on a first guide rail 4 in the x-direction, wherein the first
  • Guide rail 4 is movable against a second guide rail 5 in the y direction.
  • the mechanism of the two guide rails 4, 5 is similar to that of a two-armed plotter or xy-writer and allows accurate fine positioning of each other during the loading process
  • the protective plate 7 can also be a
  • the protective plate 7 rotatably about two mutually perpendicular axes 8, 9, which is approximately by a gimbal bearing the protective plate 7 is reached.
  • the protective plate 7 is additionally arranged displaceably in the direction of its surface normal 10.

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Abstract

Beschrieben wird ein induktives Übertragungssystem zum Laden der Traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an einer Ladestation, die eine an das Fahrzeug anfügbare Ankoppelvorrichtung mit mindestens einem ersten Transformatorteil aufweist, durch das elektrische Energie auf ein zweites Transformatorteil am Fahrzeug übertragen werden kann, wobei das erste Transformatorteil motorisch in mehreren Raumrichtungen positionierbar ist und wobei die Ladestation ein Gehäuse mit einer verschwenkbaren Schutzplatte aufweist, wobei das erste Transformatorteil ständig innerhalb des Gehäuses und hinter der Schutzplatte angeordnet ist, wobei die Schutzplatte um zwei Drehachsen nachgiebig oder verschwenkbar, und in einer Raumrichtung nachgiebig oder verschiebbar ausgebildet oder angeordnet ist.

Description

Induktives Übertragungssystem zum Laden der Traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein induktives Übertragungssystem zum Laden der Traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an einer
Ladestation, die eine an das Fahrzeug anfügbare Ankoppelvorrichtung mit mindestens einem ersten Transformatorteil aufweist, durch das elektrische Energie auf ein zweites Transformatorteil am Fahrzeug übertragen werden kann, wobei das erste Transformatorteil motorisch in mehreren
Raumrichtungen positionierbar ist und wobei die Ladestation ein Gehäuse mit einer verschwenkbaren Schutzplatte aufweist.
Ein derartiges Übertragungssystem ist in der US-Patentschrift US 5,617,003 dargestellt. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer verschwenkbaren Schutzplatte auf, welche eine Tür in einer Ausnehmung des Gehäuses ausbildet. Findet kein Ladevorgang statt, so befindet sich eine Ankoppelvorrichtung innerhalb des Gehäuses, welches durch die Schutzplatte verschlossen ist. Zu Beginn eines Ladevorgangs wird die Tür motorisch nach außen
verschwenkt, und ein Schwenkarm, der an einem Endabschnitt die
Ankoppelvorrichtung trägt, wird durch die Ausnehmung in Richtung auf das Fahrzeug ausgeklappt. Zum automatischen Anfügen an eine
Koppelvorrichtung am Fahrzeug ist der Schwenkarm mit der
Ankoppelvorrichtung in drei Raumrichtungen motorisch positionierbar.
Diese bekannte Ausführung ermöglicht es, die Ankoppelvorrichtung genau am Fahrzeug zu positionieren, hat aber den Nachteil, dass der Schwenkarm und das erste Transformatorteil während des Ladevorgangs frei zugänglich sind. Dies birgt Verletzungsgefahren durch die offene Mechanik und kann außerdem zu Beschädigungen führen, wenn beispielsweise in einer Garage oder in einem öffentlich zugänglichen Bereich Gegenstände (Besen o. ä.) in den Bewegungsraum des Schwenkarms geraten. Da ein induktiv gekoppeltes Energieübertragungssystem einen zwar hohen aber dennoch begrenzten Wirkungsgrad hat, erzeugen die gekoppelten Transformatorteile während des Ladevorgangs zudem eine beträchtliche Verlustwärme, die bei Berührung zu Verbrühungen führen kann.
Es stellte sich die Aufgabe, ein induktives Übertragungssystem zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste
Transformatorteil ständig innerhalb des Gehäuses und hinter der Schutzplatte angeordnet ist, dass die Schutzplatte um zwei Drehachsen nachgiebig oder verschwenkbar, und in einer Raumrichtung nachgiebig oder verschiebbar ausgebildet oder angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, das erste Transformatorteil mit einer zum Fahrzeug hin orientierten beweglichen Schutzplatte abzudecken, die um zwei Raumachsen sowie in einer Raumrichtung ein Stück weit nachgiebig oder beweglich angeordnet ist und somit vom Fahrzeug bzw. dem zweiten
Transformatorteil so verschoben werden kann, dass ein Spalt zwischen der beweglichen Schutzplatte, welche die Oberfläche der Ankoppelvorrichtung bildet, und dem zweiten Transformatorteil minimal wird.
Erst wenn dieser mechanische Andockvorgang abgeschlossen ist, wird das erste Transformatorteil, das sich geschützt hinter der Schutzplatte in einer Ruheposition befindet, an die optimale Position zur induktiven
Energieübertragung positioniert. Dieses Positionieren wird dadurch ermöglicht, dass die Ankoppelvorrichtung über eine geeignete, hier nicht näher
beschriebene Sensorik verfügt, die die Bestimmung der Position des zweiten Transformatorteils ermöglicht. Diese Sensorik kann beispielsweise durch eine Drucksensorik realisiert sein, die in oder an der Schutzplatte angeordnet ist.
Die Gefahr von Verbrühungen an der Ladestation ist deutlich gemindert, da die thermische Kapazität der Schutzplatte deutlich geringer ist als die des ersten Transformatorteils, das nach erfolgtem Laden wieder in eine von der Schutzplatte entfernte Ruheposition gefahren werden kann. Das
fahrzeugseitige zweite Transformatorteil kann darüber hinaus mit dem fahrzeugseitig vorhandenen Kühlsystem aktiv gekühlt werden.
Besonders für Ladestationen, die in der Öffentlichkeit betrieben werden, ist es vorteilhaft, dass die Schutzplatte das erste Transformatorteil und die
Positionierungsmechanik vor Beeinträchtigungen und Beschädigungen, verursacht beispielsweise durch Vandalismus, schützt.
Die Beweglichkeit der Schutzplatte um zwei Drehachsen sowie in einer Raumrichtung, vorzugsweise in Richtung der Flächennormalen der
Schutzplatte, kann entweder durch eine geeignet ausgestaltete Lagerung, etwa einer verschiebbaren kardanischen Halterung, der Schutzplatte erreicht werden oder durch eine flexibel ausgebildete Schutzplatte, die bei Anfügen an das am Fahrzeug befindliche zweite Transformatorteil in den entsprechenden Richtungen ausreichend weit nachgibt.
Zur Verdeutlichung sei das fahrzeugseitige zweite Transformatorteil rein beispielhaft als ein flacher quaderförmiger Gegenstand angenommen, dessen vom Fahrzeug abgewandte Hauptfläche die induktive Koppelfläche bildet, die für einen Ladevorgang an die Schutzplatte angefügt werden soll. Nach dem Heranfahren des Fahrzeugs an die Ladestation und einer Grobpositionierung der Ankoppelvorrichtung vor dem zweiten Transformatorteil, ist die
Koppelfläche fast nie genau parallel zur Fläche der Schutzplatte ausgerichtet, sondern weist im allgemeinen sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Verkippung auf. Diese Verkippungen werden durch die Verdrehbarkeit bzw. Nachgiebigkeit der Schutzplatte um ihre Hoch- und Querachse automatisch ausgeglichen.
Hierbei ist es zumeist ausreichend, wenn die Schutzplatte um die
entsprechenden Drehachsen um nur wenige Grad verdrehbar oder nachgiebig ausgebildet ist. Die zusätzlich vorgesehene translatorische Beweglichkeit der Schutzplatte in Richtung ihrer Flächennormale ermöglicht darüber hinaus den Ausgleich von Abstandstoleranzen zwischen dem Fahrzeug und der
Ladestation. Es kann so mit verhältnismäßig geringen Aufwand erreicht werden, dass das zweite Transformatorteil optimal an der Außenfläche der Schutzplatte anliegt.
Im folgenden soll ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Ankoppelvorrichtung mit entfernter Schutzplatte,
Figur 2 eine Ankoppelvorrichtung mit vorhandener Schutzplatte.
Die Figur 1 zeigt eine Ankoppelvorrichtung 1 als Teil einer nicht näher dargestellten Ladestation zum Laden der Traktionsbatterien eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die Ankoppelvorrichtung 1 weist ein
kastenförmiges Gehäuse 2 auf, innerhalb dessen ein erstes Transformatorteil 3 positionierbar angeordnet ist. Das hier nur schematisch dargestellte quaderförmige erste Transformatorteil 3 kann durch eine rechteckförmige Spulenanordnung mit einem geeignet geformten Kern ausgebildet sein.
Ein gleichartig geformtes, hier nicht dargestelltes zweites Transformatorteil ist an der Fahrzeugkarosserie angeordnet. Ein bevorzugter Anbauort für das zweite Transformatorteil ist hinter einem nichtmetallisch ausgebildeten Fahrzeugkennzeichen gelegen, wodurch das zweites Transformatorteil an einer gut erkennbaren und im allgemeinen gut zugänglichen zentralen Stelle des Fahrzeugs auffindbar ist.
Eine Grobpositionierung der Ankoppelvorrichtung 1 relativ zu dem zu ladenden Kraftfahrzeug kann durch eine Positionierung des gesamten
Gehäuses 2 an der Ladestation in einer oder mehreren Raumrichtungen erfolgen. Hierzu können Vorrichtungen vorgesehen sein, wie sie
beispielsweise aus der US 5,617,003 bekannt sind. Das erste Transformatorteil 3 ist innerhalb der durch die Seitenwände des Gehäuses 2 begrenzten Fläche der Ausnehmung 6 frei positionierbar. Hierzu ist das erste Transformatorteil 3 an einer ersten Führungsschiene 4 in x-Richtung motorisch verschiebbar angeordnet, wobei die erste
Führungsschiene 4 gegen eine zweite Führungsschiene 5 in y-Richtung bewegbar ist. Die Mechanik der beiden Führungsschienen 4, 5 ist dabei der eines zweiarmigen Plotters oder xy-Schreibers ähnlich und erlaubt eine genaue Feinpositionierung der beim Ladevorgang einander
gegenüberstehenden Transformatorteile, wobei die Feinpositionierung durch Auswertung von zwischen den Transformatorteilen übertragenen Signalen erfolgen kann.
Da von einer frei zugänglichen Induktionsspule, wie sie das erste
Transformatorteil 3 aufweist und die zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen vorgesehen ist, Gefährdungen ausgehen, ist, wie die Figur 2 zeigt, die Ausnehmung 6 des Gehäuses 2 der Ankoppelvorrichtung 1 durch eine Schutzplatte 7 abgedeckt. Die Schutzplatte 7 kann dabei auch ein
komplexeres, beispielsweise kastenartiges Gehäuseteil ausbilden.
Um eine optimale Kopplung zwischen den beiden Transformatorteilen zu erzielen, ist es vorgesehen, die Schutzplatte 7 um zwei zueinander senkrechte Achsen 8, 9 drehbar anzuordnen, was etwa durch eine kardanische Lagerung der Schutzplatte 7 erreichbar ist. Außerdem ist die Schutzplatte 7 zusätzlich in Richtung ihrer Flächennormalen 10 verschieblich angeordnet.
Bezugszeichen
1 Ankoppelvorrichtung
2 Gehäuse
3 erstes Transformatorteil
4 erste Führungsschiene
5 zweite Führungsschiene
6 Ausnehmung
7 Schutzplatte
8 (erste Dreh-) Achse
9 (zweite Dreh-) Achse
10 Flächennormale

Claims

Patentansprüche
1 . Induktives Übertragungssystem zum Laden der Traktionsbatterien
eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an einer Ladestation, die eine an das Fahrzeug anfügbare Ankoppelvorrichtung (1 ) mit mindestens einem ersten Transformatorteil (3) aufweist, durch das elektrische Energie auf ein zweites Transformatorteil am Fahrzeug übertragen werden kann, wobei das erste Transformatorteil (3) motorisch in mehreren Raumrichtungen positionierbar ist und wobei die Ladestation ein Gehäuse (2) mit einer verschwenkbaren Schutzplatte (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Transformatorteil (3) ständig innerhalb des Gehäuses (2) und hinter der Schutzplatte (7) angeordnet ist, dass die Schutzplatte (7) um zwei Drehachsen (8, 9) nachgiebig oder verschwenkbar, und in einer Raumrichtung nachgiebig oder
verschiebbar ausgebildet oder angeordnet ist.
2. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass nach dem Anfügen des Fahrzeugs an die Ankoppelvorrichtung (1 ) sowohl das erste Transformatorteil (3) als auch das zweite Transformatorteil flächig berührend an der Schutzplatte (7) anliegen.
3. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Schutzplatte (7) ein Teil eines offenen oder geschlossenen Gehäuseteils ausbildet.
4. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Raumrichtung durch die Richtung der Flächennormale (10) der Schutzplatte (7) gegeben ist.
5. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Schutzplatte (7) mit einer drucksensitiven Sensorik zur Erfassung der relativen Position des zweiten
Transformatorteils ausgestattet ist.
6. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass eine zur Ladestation gehörende Elektronik den Kopplungsgrad zwischen dem ersten Transformatorteil (3) und dem zweiten Transformatorteil erfasst und die Positionierung des ersten Transformatorteils (3) auf der Grundlage des erfassten Kopplungsgrads steuert.
7. Induktives Übertragungssystem nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass das fahrzeugseitige Transformatorteil hinter einem Kennzeichenschild des Fahrzeugs angeordnet ist.
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