WO2024256471A1 - Mobile induktionsladeeinrichtung, induktives ladesystem und fahrzeug mit mobiler induktionsladevorrichtung - Google Patents
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Definitions
- MOBILE INDUCTION CHARGING DEVICE INDUCTIVE CHARGING SYSTEM AND VEHICLE WITH MOBILE INDUCTION CHARGING DEVICE
- the present invention relates to a mobile induction charging device according to the preamble of claim 1, which is preferably used in an inductive vehicle charging system that serves to charge a battery of a battery-electric vehicle.
- the invention also relates to a vehicle equipped with such a mobile induction charging device and to an inductive vehicle charging system equipped with such a mobile induction charging device.
- Such a vehicle charging system comprises a stationary induction charging device, which can also be referred to as a ground assembly and which is usually arranged in a fixed location, for example in a vehicle parking space, and connected to an electrical power grid, and a mobile induction charging device, which can also be referred to as a vehicle assembly and which is arranged on the respective vehicle.
- the mobile induction charging device is coupled to the vehicle's battery in a suitable manner, e.g. via a corresponding vehicle-side charging control unit.
- the vehicle with its mobile induction charging device is positioned in relation to the stationary induction charging device in such a way that electrical energy can be transferred from the stationary induction charging device to the mobile induction charging device by means of induction, i.e.
- a generic mobile induction charging device is known, for example, from DE 10 2019212 277 A1 and has an induction coil for receiving a magnetic or electromagnetic alternating field, which extends in a coil plane running perpendicular to the height direction of the induction charging device. Furthermore, the mobile induction charging device is equipped with a support structure for fastening the induction charging device to a vehicle, which has several supports that extend in a support area running parallel to the coil plane. Furthermore, several plate-shaped magnetic field conductors are provided, each of which extends above the induction coil parallel to the coil plane. At least two of these supports are adjacent in the circumferential direction in the support area, run inclined to one another and form a support gap between them in the support area. One of the magnetic field conductors is then arranged in the area of the respective support gap.
- the electrical energy is transferred at high electrical power between the stationary induction charging device and the mobile induction charging device through the alternating magnetic or electromagnetic field.
- This can be problematic if there are foreign bodies in the area of this alternating field.
- Electrically conductive foreign bodies in particular metallic foreign bodies, can heat up in the alternating magnetic or electromagnetic field, which creates a risk of burns and in particular a risk of fire.
- a foreign body sensor system can provide a remedy here, which has several foreign body sensors distributed on the surface of the stationary induction charging device, which can in particular be designed as magnetic field sensors that generate and monitor a magnetic or electromagnetic field. As soon as an electrically conductive foreign body enters this magnetic or electromagnetic field, the field changes, which is then detected by the The foreign body sensor system enables such foreign bodies to be detected in good time, thus reducing the risk of injury and fire.
- the vehicle with its mobile induction charging device is positioned as centrally as possible above the stationary induction charging device.
- a foreign body sensor that is already present on the stationary induction charging device for other reasons.
- a position sensor is attached to the vehicle that simulates a virtual foreign body that can be detected by the foreign body sensors of the foreign body sensor system. If an evaluation device knows the position of the foreign body sensors on the stationary induction charging device, the relative position of the virtual foreign body with respect to the stationary induction charging device can be determined.
- the relative position of the position sensor with respect to the mobile induction charging device can also be determined based on the determined position of the virtual foreign body.
- the problem with using such position sensors and foreign body sensors when aligning stationary and mobile induction charging devices is that there are a relatively large number of interfering contours on the induction charging devices, which make it difficult to generate and detect the virtual foreign body and thus significantly impair the accuracy of position detection.
- Interfering contours of the mobile induction charging device are, for example, the magnetic field conductors and the support structure.
- the present invention addresses the problem of providing an improved or at least a different embodiment for a mobile induction charging device and a vehicle and/or vehicle charging system equipped therewith, which is characterized in particular by a relatively precise positioning between stationary and mobile induction charging device.
- the invention is based on the general idea of integrating at least one position sensor into the mobile induction charging device. Furthermore, this integration should be carried out in such a way that a positioning coil of the respective position sensor is arranged on the one hand below a magnetic field conductor and on the other hand above or below the induction coil. In addition, the respective positioning coil is arranged within a carrier gap. By positioning the respective positioning coil in the carrier gap, disruptive influences of the support structure on the positioning field can be significantly reduced. Positioning the respective positioning coil below the magnetic field conductor also reduces its influence on the positioning field. This allows the respective positioning coil to radiate downwards more or less freely in order to generate the virtual foreign body, which can then be detected by a foreign body sensor.
- the invention proposes that the induction charging device has at least one positioning coil for transmitting and/or receiving a magnetic or electromagnetic positioning field. Furthermore, the respective positioning coil is arranged in the height direction below such a magnetic field conductor and above or below the induction coil. In addition, the respective positioning coil is arranged completely within such a carrier gap. As a result, the respective positioning coil is not covered by the carriers in the height direction that delimit the respective carrier gap.
- the mobile induction charging device has a height direction that runs essentially vertically when the induction charging device is mounted on the vehicle, i.e. parallel to the direction of gravity.
- the mobile induction charging device also has a longitudinal direction that runs perpendicular to the height direction and a transverse direction that runs perpendicular to the height direction and perpendicular to the transverse direction. Since the mobile induction charging device is conveniently located on the underside of a vehicle, in particular on a vehicle underbody, the induction charging device is designed to be flat, so that its height measured in the height direction is significantly smaller than its length measured in the longitudinal direction and is also significantly smaller than its width measured in the transverse direction.
- the relative location information "bottom” and “top” in the present context refers to the height direction, which is aligned parallel to the direction of gravity when in proper condition.
- the magnetic field conductors preferably consist of a soft magnetic and preferably electrically insulating material.
- the relative permeability p r should be > 2 and preferably > 1 000. Suitable materials are, for example, ferrites, so that the plate-shaped magnetic field conductors are often also referred to as ferrite plates.
- An embodiment is preferred in which the respective positioning coil is arranged in the vertical direction between such a magnetic field conductor and the induction coil. This means that the respective positioning coil is better protected from the alternating field of the induction coil. Additionally or alternatively, it can be provided that the respective positioning coil is arranged in the vertical direction completely within the support structure, which results in compact, space-saving accommodation.
- the support structure can have an inner frame that connects two or more or all supports radially inward with respect to a central axis of the induction charging device that runs parallel to the height direction.
- the respective space between the supports is then radially delimited radially inward by the inner frame.
- the positioning coil arranged in the respective space between the supports is thus not covered by the inner frame in the height direction.
- the respective inner frame can be designed in the shape of a plate or ring.
- a plate-shaped frame is closed in a frame plane in which it extends. The plate-shaped or closed frame therefore has no opening that penetrates the frame perpendicular to the frame plane.
- annular frame is open in the frame plane and thus has at least one opening that penetrates the frame perpendicular to the frame plane.
- the annular frame runs around the opening in the circumferential direction, preferably closed.
- the annular frame does not have to have a circular outer contour, but can have a rectangular or square or polygonal or trapezoidal outer contour.
- the support structure may comprise an outer frame which supports two or more or all of the supports with respect to a central axis of the induction charging device running parallel to the vertical direction, radially on the outside.
- the respective carrier gap is then radially limited on the outside by the outer frame.
- the positioning coil arranged in the respective carrier gap is therefore not covered by the outer frame in the vertical direction.
- the respective outer frame can be designed in a ring shape and in particular can run in a closed manner in the circumferential direction.
- the positioning coil can have any geometry suitable for generating the position field.
- the respective positioning coil can be circular, elliptical or oval.
- the respective positioning coil has a contour laterally or perpendicularly to the height direction, which is geometrically adapted to a circumferential contour of the respective carrier gap delimited by the support structure laterally or perpendicularly to the height direction. Accordingly, the positioning coil follows the circumferential contour within the carrier gap, whereby the positioning coil has a comparatively large surface area, which is advantageous for generating an easily recognizable position field.
- the respective positioning coil can have two coil sections that extend parallel to one of the two supports that delimit the respective space between the supports in which the respective positioning coil is arranged. This optimally utilizes the abdominal space provided in the space between the supports for the positioning coil.
- the positioning coil can expediently be designed in a triangular or trapezoidal shape.
- the respective positioning coil can be formed on a positioning coil carrier which is arranged in the respective carrier gap. The use of a positioning coil carrier simplifies the arrangement of the positioning coil in the respective carrier gap.
- the positioning coil carrier can be equipped with the respective positioning coil before installation in the support structure.
- the positioning coil carrier can be a circuit board onto which the respective positioning coil is applied, in particular printed.
- the respective positioning coil carrier can have a central through-opening.
- the positioning coil carrier is therefore not plate-shaped, but ring-shaped and can have a polygonal, in particular trapezoidal, outer contour. This design means that only a small amount of material is required for the positioning coil carrier, which reduces the manufacturing costs and also the weight of the mobile induction charging device.
- the induction coil or an induction coil carrier carrying the induction coil is glued or cast with the respective magnetic field conductor through the through-opening.
- the through-opening of the positioning coil carrier thus has an additional function.
- adhesives or casting materials with an increased thermal conductivity coefficient can be used here.
- An increased thermal conductivity coefficient A exists when A > 1 W/(m*K), preferably A > 10 W/(m*K).
- control lines can be provided for controlling the respective positioning coil, which are routed through the support structure to an area above the magnetic field conductors.
- the control lines thus run within the support structure, i.e. in particular between the inner frame and outer frame and between adjacent supports, and thus save space.
- a particularly advantageous embodiment is one in which the respective control circuit has several electronic components, with at least one component being arranged on a positioning coil carrier that carries the positioning coil, while at least one other component is arranged on a circuit carrier that is arranged in an area above the magnetic field conductor. Control lines can now lead from the positioning coil carrier through the support structure to the circuit carrier. By dividing the control circuit into at least two different carriers, the available installation space can be better utilized on the one hand. On the other hand, this reduces disruptive interactions, in particular thermal and/or electromagnetic interactions.
- the induction charging device has at least one position sensor, which has the at least one positioning coil and also a control circuit for controlling the respective positioning coil.
- the respective positioning coil can expediently be designed as a transmitting coil for generating a magnetic positioning field.
- the respective control circuit can have at least one capacitor arrangement, an attenuation element, a filter and a switching element as electronic components.
- the capacitor arrangement serves to form an oscillating circuit with the positioning coil.
- the capacitor circuit has at least one capacitor.
- a design in which the capacitor arrangement has two capacitors connected in parallel is preferred. At least the capacitor arrangement is then arranged on the positioning coil carrier, while at least the switching element is arranged on the circuit carrier.
- the circuit carrier which can then be designed identically with its equipment for all variants.
- an adaptation of the oscillating circuit to the boundary conditions of the respective variant, which is necessary for the creation of variants, can be carried out more cheaply if the capacitor arrangement is arranged on the positioning coil carrier.
- the attenuation element and/or the filter can be arranged on the positioning coil carrier.
- control lines are guided past components of the support structure on the outside, within a circumference of the support structure.
- channels are formed in components of the support structure through which the control lines are guided. Such channels can be open at the side like a groove or closed at the side like a hole.
- the induction charging device has a longitudinal direction transverse to the height direction and a longitudinal center line running parallel to the longitudinal direction, wherein the supports are arranged in such a way that the respective space between the supports in which the respective Positioning coil is arranged, is aligned essentially centrally to the longitudinal center line.
- the longitudinal center line extends centrally through the respective carrier gap.
- the longitudinal center line extends essentially centrally through the respective positioning coil. This simplifies finding the optimal positioning between the stationary induction charging device and the mobile induction charging device when using the vehicle charging system.
- the induction charging device has at least two such positioning coils, which are arranged diametrically opposite one another with respect to a central axis of the induction charging device running parallel to the height direction. If a position sensor of the type described above is used, it can have these two positioning coils arranged diametrically opposite one another. It is also conceivable to use two such position sensors, each with a positioning coil, which are then positioned diametrically opposite one another. The geometric center of the two positioning coils then corresponds to the position of the central axis, which makes it easier to find the optimal positioning between the induction charging devices when using the inductive vehicle charging system.
- a battery-electric vehicle has at least one battery, a charging control device coupled to the battery for charging the battery, and a mobile induction charging device of the type described above, which is coupled to the charging control device.
- the support structure of the mobile induction charging device is expediently attached to the vehicle floor, in particular to the underbody.
- An inductive vehicle charging system which serves to charge a battery of a battery-electric vehicle, is equipped with a mobile induction charging device of the type described above, which is intended for attachment to a vehicle.
- the inductive vehicle charging system is equipped with a stationary induction charging device, which is intended for attachment to a vehicle parking space.
- the stationary induction charging device has at least one induction coil for generating a magnetic or electromagnetic alternating field and a position detection device for detecting the respective position field.
- the position detection device can in particular be a foreign body sensor.
- Fig. 1 is a highly simplified view from below of a mobile induction charging device with two positioning coils in the area of an induction coil,
- Fig. 2 is a view as in Fig. 1, but with the induction coil omitted and with two positioning coils in another embodiment,
- Fig. 3 is a sectional view of the induction charging device in the area of a positioning coil from Fig. 1,
- Fig. 4 is a sectional view of the induction charging device in the area of a positioning coil from Fig. 2,
- Fig. 5 is a highly simplified circuit diagram of a control circuit of the positioning coil
- Fig. 6 shows an enlarged detail VI from Fig. 2 in the area of one of the positioning coils.
- a mobile induction charging device 1 has at least one induction coil 2, which is omitted in Figure 2 for the sake of simplicity.
- the induction coil 2 of the mobile induction charging device 1 serves to receive a magnetic or electromagnetic alternating field and extends in a coil plane 3, which is indicated in Figures 3 and 4 with a dash-dotted line.
- the coil plane 3 extends in Figures 1 and 2 parallel to the drawing plane and runs perpendicular to a height direction Z, which is perpendicular to the drawing plane in Figures 1, 2 and 6.
- the induction charging device 1 also defines a longitudinal direction X and a transverse direction Y, which extends perpendicular to the longitudinal direction X.
- the height direction Z runs perpendicular to the longitudinal direction X and perpendicular to the transverse direction Y.
- a circumferential direction U runs around the height direction Z and is indicated in Figures 1, 2 and 6 by a double arrow.
- the mobile induction charging device 1 has a support structure 4, which serves to fasten the induction charging device 1 to a vehicle 5, which is indicated by a broken line in Figures 3 and 4.
- the support structure 4 has several supports 6, which extend in a support region 7, which is indicated by a curved bracket in Figures 3 and 4 and which runs parallel to the coil plane 3.
- the mobile induction charging device 1 is equipped with several plate-shaped magnetic field conductors 8. These magnetic field conductors 8 can be configured flat and extend parallel to the coil plane 3. In addition, the magnetic field conductors 8 are arranged above the induction coil 2.
- two of these supports 6 are now adjacent to each other in the support area 7 in the circumferential direction U, run at an angle to each other and form a support gap 9 between them.
- the magnetic field conductors 8 are now each arranged in the area of such a support gap 9 on the support structure 4. These Magnetic field conductors 8 must each be inserted into such a carrier gap 9. It is also conceivable that the magnetic field conductors 8 are supported on the carriers 6 in the height direction Z.
- the induction charging device 1 shown here is also equipped with at least one position sensor 10.
- the induction charging device 1 has two such position sensors 10, which are arranged diametrically opposite one another with respect to a central axis 11 of the induction charging device 1.
- the central axis 11 runs parallel to the vertical axis Z and can be arranged in particular in the center of the support structure 4 and/or in the center of the induction coil 2.
- the central axis 11 is perpendicular to the plane of the drawing.
- the respective position sensor 10 has at least one positioning coil 12 for generating a magnetic or electromagnetic positioning field and a control circuit 13 for controlling the respective positioning coil 12.
- the respective positioning coil 12 is symbolized in Figures 1 and 2 and 6 by a closed ring.
- the control circuit 13 is indicated in Figures 3 and 4.
- Figure 5 shows a circuit diagram for such a control circuit 13.
- the respective positioning coil 12 is preferably arranged in the height direction Z between such a magnetic field conductor 8 and the induction coil 2.
- the respective positioning coil 12 can also be arranged below the induction coil 2.
- the respective positioning coil 12 is arranged completely within such a carrier gap 9. In this respect, the respective positioning coil 12 is spaced laterally or laterally to the height direction Z from the support structure 4 within the respective carrier gap 9.
- the positioning of the respective positioning coil 12 is selected such that at no point does an overlap in the height direction Z of the positioning coil 12 by a component of the support structure 2, in particular by a carrier 6, take place.
- the support structure 4 can have an inner frame 14, which in the examples shown is ring-shaped and connects all the supports 6 to one another in the circumferential direction U. Furthermore, the inner frame 14 delimits the gaps between the supports 9 radially inwards.
- the support structure 4 can have an outer frame 15, which in the examples shown is ring-shaped and connects all the supports 6 to one another in the circumferential direction U. The outer frame 15 now delimits the gaps between the supports 9 radially outwards.
- the respective positioning coil 12 can also be seen to be spaced laterally from the inner frame 14 and the outer frame 15. Preferably, it can be provided that the respective positioning coil 12 is not covered by the inner frame 14 or the outer frame 15 in the height direction Z.
- the support structure 4 can be configured such that the support gaps 9 are open in the height direction Z, i.e. are not covered by a component of the support structure 4 in the height direction Z.
- the respective positioning coil 12 has a contour 16 transversely or laterally to the height direction Z, which forms the ring of the positioning coil 12.
- the contour 16 can and expediently be adapted to a circumferential contour 17 of the associated carrier gap 9, wherein this circumferential contour 17 is defined or limited by the support structure 4 transversely or laterally to the height direction Z.
- the circumferential contour 17 of the respective carrier gaps 9 is essentially trapezoidal. configured.
- the contour 16 of the respective positioning coil 12 is also trapezoidal in the examples.
- the respective positioning coil 12 has two coil sections 18, each of which extends parallel to one of the two supports 6, which delimit the respective space between the supports 9 in which the respective positioning coil 12 is arranged.
- Figures 2 and 6 also show that a further, inner coil section 19 runs parallel to the inner frame 14, while a further, outer coil section 20 runs parallel to the outer frame 15.
- the respective positioning coil 12 can be formed on a positioning coil carrier 21, which is arranged in the respective carrier gap 9.
- the positioning coil 12 can be printed on the positioning coil carrier 21.
- the positioning coil carrier 21 is flat and can extend perpendicular to the height direction Z.
- the positioning coil carrier 21 can be formed from circuit board material.
- the positioning coil carrier 21 is plate-shaped or has a full-surface design.
- Figures 2 and 4 as well as 6 show an embodiment in which the positioning coil carrier 21 is ring-shaped, so that it has a central through-opening 22 around which the positioning coil 12 rotates.
- the induction coil 2 or an induction coil carrier 23 shown in Figures 3 and 4, in which the induction coil 2 is embedded, is glued or cast with the respective magnetic field conductor 8 through the respective through-opening 22.
- a corresponding adhesive connection or a corresponding casting is shown in Figure 4 indicated and designated 24.
- the induction coil 2 is wound with a coil wire, which can in particular be designed as a stranded wire.
- control lines 25 are also indicated, which serve to control the respective positioning coil 12.
- These control lines 25 can now, according to Figures 3 and 4, lead from the respective positioning coil 12 through the support structure 4 to an area 26 which lies above the magnetic field conductor 8 and which is indicated in Figures 3 and 4 by a curly bracket.
- Figure 1 it can be seen how the control lines 25 run at least in sections within a component of the support structure 4, namely in the outer frame 15.
- Figures 2 and 6 on the other hand, it is shown how the control lines 25 run at least in sections within supports 6.
- Figures 3 and 4 it can be seen how the control lines 25 are led through a support 6.
- the control circuit 13 can have several components 27, which can be purely exemplary and without restricting the generality of the invention a capacitor arrangement 28, an attenuation element 29, a filter 30 and a switching element 31.
- the capacitor arrangement 28 can manage with a single capacitor C. However, the example shows a preferred variant with two capacitors C connected in parallel.
- the capacitor arrangement 28 forms an electrical resonant circuit with the positioning coil 12.
- the attenuation element 29 can be formed, for example, by an ohmic resistor R.
- the filter 30 can be formed by an inductance L, a capacitor C and an ohmic resistor R.
- the switching element 31 can be formed by a transistor T. At least one of these components 27 can now be expediently arranged on the positioning coil carrier 21.
- At least the capacitor arrangement 28 is on the Positioning coil carrier 21.
- At least one other of these components 27 is arranged on a circuit carrier 32, which according to Figures 3 and 4 is located above the magnetic field conductors 8, namely in the said area 26 above the magnetic field conductors 8.
- at least the switching element 31 is arranged on this circuit carrier 32.
- FIGS 3 and 4 also show a cooling plate 33, which is intended to dissipate heat from the induction charging device 1. It is clear that for this purpose, for example, the magnetic field conductors 8 transfer heat and are connected to this cooling plate 33, e.g. by gluing or by casting from a substance or material with increased thermal conductivity, as described above for the gluing 24 or the casting 24.
- the induction charging device 1 has a longitudinal center line 34 running parallel to the longitudinal direction X.
- the supports 6 are expediently positioned or arranged within the support structure 4 in such a way that the support gap 9 provided for accommodating the respective positioning coil 12 is essentially centrally aligned with respect to this longitudinal center line 34.
- the respective positioning coil 12 in this support gap 9 can also be aligned essentially centrally with respect to the longitudinal center line 34.
- the arrangement of the two positioning coils 12 Furthermore, the central axis 11 is located at the geometric center of the two positioning coils 12.
- the mobile induction charging device 1 presented here is expediently a component of an inductive vehicle charging system 35 (not otherwise shown), which has a stationary induction charging device as a further important component, which is configured complementarily to the mobile induction charging device 1 in order to effect the inductive energy transfer.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mobile Induktionsladeeinrichtung (1) für ein induktives Fahrzeugladesystem (35) zum Laden einer Batterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs (5), mit einer Induktionsspule (2) zum Empfangen eines magnetischen Wechselfelds, mit einer Tragstruktur (4) zum Befestigen der Induktionsladeeinrichtung (1) an einem Fahrzeug (5), die mehrere Träger (6) aufweist, die sich in einem Tragbereich (7) erstrecken, und mit mehreren plattenförmigen Magnetfeldleitern (8), die sich jeweils oberhalb der Induktionsspule (2) erstrecken, wobei zwei dieser Träger (6) im Tragbereich (7) in Umfangrichtung (U) benachbart sind, zueinander geneigt verlaufen und zwischen sich im Tragbereich (7) einen Trägerzwischenraum (9) ausbilden, wobei im Bereich des Trägerzwischenraums (9) einer der Magnetfeldleiter (8) angeordnet ist. Eine bessere Positionierung gegenüber einer stationären Induktionsladeeinrichtung lässt sich erreichen, wenn die mobile Induktionsladeeinrichtung (1) wenigstens eine Positionierspule (12) zum Senden und/oder Empfangen eines magnetischen Positionsfelds aufweist, wenn diese Positionierspule (12) unterhalb eines Magnetfeldeiters (8) und oberhalb oder unterhalb der Induktionsspule (2) angeordnet ist und wenn diese Positionierspule (12) vollständig innerhalb des Trägerzwischenraums (9) angeordnet ist.
Description
MOBILE INDUKTIONSLADEEINRICHTUNG, INDUKTIVES LADESYSTEM UND FAHRZEUG MIT MOBILER INDUKTIONSLADEVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Induktionsladeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , die vorzugsweise bei einem induktiven Fahrzeugladesystem zur Anwendung kommt, das zum Aufladen einer Batterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs dient. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer solchen mobilen Induktionsladeeinrichtung ausgestattetes Fahrzeug sowie ein mit einer solchen mobilen Induktionsladeeinrichtung ausgestattetes induktives Fahrzeugladesystem.
Ein derartiges Fahrzeugladesystem umfasst dabei eine stationäre Induktionsladeeinrichtung, die auch als Bodenbaugruppe oder Ground Assembly bezeichnet werden kann und die in der Regel ortsfest, beispielsweise an einem Fahrzeugstellplatz, angeordnet und an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist, und eine mobile Induktionsladeeinrichtung, die auch als Fahrzeugbaugruppe oder Vehicle Assembly bezeichnet werden kann und die am jeweiligen Fahrzeug angeordnet ist. Die mobile Induktionsladeeinrichtung ist dabei mit der Batterie des Fahrzeugs auf geeignete Weise gekoppelt, z.B. über ein entsprechendes fahrzeugseitiges Ladesteuergerät. Zum Aufladen der Batterie wird das Fahrzeug mit seiner mobilen Induktionsladeeinrichtung bezüglich der stationären Induktionsladeeinrichtung so positioniert, dass mittels Induktion, also über ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Wechselfeld, elektrische Energie von der stationären Induktionsladeeinrichtung auf die mobile Induktionsladeeinrichtung übertragen werden kann. Beim induktiven Fahrzeugladesystem kann auf Ladestecker verzichtet werden, die mit fahrzeugseitigen Ladebuchsen gesteckt werden müssen.
Eine gattungsgemäße mobile Induktionsladeeinrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2019212 277 A1 bekannt und weist eine Induktionsspule zum Empfangen eines magnetischen bzw. elektromagnetischen Wechselfelds auf, die sich in einer senkrecht zur Höhenrichtung der Induktionsladeeinrichtung verlaufenden Spulenebene erstreckt. Ferner ist die mobile Induktionsladeeinrichtung mit einer Tragstruktur zum Befestigen der Induktionsladeeinrichtung an einem Fahrzeug ausgestattet, die mehrere Träger aufweist, die sich in einem parallel zur Spulenebene verlaufenden Tragbereich erstrecken. Des Weiteren sind mehrere plattenförmige Magnetfeldleiter vorgesehen, die sich jeweils oberhalb der Induktionsspule parallel zur Spulenebene erstrecken. Wenigstens zwei dieser Träger sind im Tragbereich in Umfangrichtung benachbart, verlaufen zueinander geneigt und bilden zwischen sich im Tragbereich einen Trägerzwischenraum aus. Im Bereich des jeweiligen Trägerzwischenraums ist dann einer der Magnetfeldleiter angeordnet.
Während des Betriebs des induktiven Fahrzeugladesystems wird zwischen der stationären Induktionsladeeinrichtung und der mobilen Induktionsladeeinrichtung durch das magnetische bzw. elektromagnetische Wechselfeld die elektrische Energie bei hoher elektrischer Leistung übertragen. Dies kann problematisch sein, wenn sich im Bereich dieses Wechselfelds Fremdkörper befinden. Elektrisch leitende Fremdkörper, insbesondere metallische Fremdkörper, können sich im magnetischen bzw. elektromagnetischen Wechselfeld erhitzen, wodurch eine Verbrennungsgefahr und insbesondere eine Feuergefahr entsteht. Abhilfe kann hier eine Fremdkörpersensorik schaffen, die mehrere auf der Oberfläche der stationären Induktionsladeeinrichtung verteilte Fremdkörpersensoren aufweist, die insbesondere als Magnetfeldsensoren ausgestaltet sein können, die ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Feld erzeugen und überwachen. Sobald ein elektrisch leitender Fremdkörper in dieses magnetische bzw. elektromagnetische Feld gelangt, verändert sich das Feld, was dann von der
jeweiligen Fremdkörperauswerteeinrichtung erkannt wird. Durch die Fremdkörpersensorik können derartige Fremdkörper rechtzeitig erfasst werden, sodass die Verletzungsgefahr und Feuergefahr reduziert sind.
Für eine effiziente Energieübertragung während des Ladevorgangs ist es bei einem derartigen induktiven Fahrzeugladesystem wichtig, dass das Fahrzeug mit seiner mobilen Induktionsladeeinrichtung möglichst mittig oberhalb der stationären Induktionsladeeinrichtung positioniert wird. Zur optimalen Positionierung der mobilen Induktionsladeeinrichtung relativ zur stationären Induktionsladeeinrichtung ist es dabei grundsätzlich möglich, eine an der stationären Induktionsladeeinrichtung aus anderen Gründen bereits vorhandene Fremdkörpersensorik zu nutzen. Insbesondere ist denkbar, dass am Fahrzeug ein Positionsgeber angebracht wird, der einen virtuellen Fremdkörper simuliert, der von den Fremdkörpersensoren der Fremdkörpersensorik erkannt werden kann. Sofern eine Auswerteeinrichtung die Position der Fremdkörpersensoren an der stationären Induktionsladeeinrichtung kennt, lässt sich die Relativlage des virtuellen Fremdkörpers bezüglich der stationären Induktionsladeeinrichtung ermitteln. Wenn außerdem die Relativlage des Positionsgebers bezüglich der mobilen Induktionsladeeinrichtung bekannt ist, lässt sich anhand der ermittelten Position des virtuellen Fremdkörpers auch die Relativlage der mobilen Induktionsladeeinrichtung bezüglich der stationären Induktionsladeeinrichtung ermitteln. Problematisch bei der Verwendung solcher Positionsgeber und der Fremdkörpersensorik beim Ausrichten der stationären und mobilen Induktionsladeeinrichtungen zueinander ist der Umstand, dass an den Induktionsladeeinrichtungen vergleichsweise viele Störkonturen vorhanden sind, die das Erzeugen und Erkennen des virtuellen Fremdkörpers erschweren und somit die Genauigkeit der Positionserkennung erheblich beeinträchtigen. Störkonturen der mobilen Induktionsladeeinrichtung sind beispielsweise die Magnetfeldleiter und die Tragstruktur.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine mobile Induktionsladeeinrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug und/oder Fahrzeugladesystem eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform bereitzustellen, die sich insbesondere durch eine relativ genaue Positionierbarkeit zwischen stationärer und mobiler Induktionsladeeinrichtung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, wenigstens einen Positionsgeber in die mobile Induktionsladeeinrichtung zu integrieren. Ferner soll diese Integration so erfolgen, dass eine Positionierspule des jeweiligen Positionsgebers einerseits unterhalb eines Magnetfeldleiter und andererseits oberhalb oder unterhalb der Induktionsspule angeordnet ist. Außerdem ist die jeweilige Positionierspule innerhalb eines Trägerzwischenraums angeordnet. Durch die Positionierung der jeweiligen Positionierspule im Trägerzwischenraum lassen sich störende Einflüsse der Tragstruktur auf das Positionsfeld erheblich reduzieren. Auch die Positionierung der jeweiligen Positionierspule unterhalb der Magnetfeldleiter reduziert deren Einfluss auf das Positionsfeld. Hierdurch kann die jeweilige Positionierspule quasi frei nach unten abstrahlen, um den virtuellen Fremdkörper zu generieren, der dann von einer Fremdkörpersensorik ermittelt werden kann.
Im Einzelnen schlägt die Erfindung vor, die Induktionsladeeinrichtung mit wenigstens einer Positionierspule zum Senden und/oder Empfangen eines magnetischen bzw. elektromagnetischen Positionsfelds aufweist. Ferner ist die
jeweilige Positionierspule in der Höhenrichtung unterhalb eines solchen Magnetfeldleiter und oberhalb oder unterhalb der Induktionsspule angeordnet. Außerdem ist die jeweilige Positionierspule vollständig innerhalb eines solchen Trägerzwischenraums angeordnet. In der Folge ist die jeweilige Positionierspule nicht durch die Träger in der Höhenrichtung abgedeckt, die den jeweiligen Trägerzwischenraum begrenzen.
Die mobile Induktionsladeeinrichtung besitzt eine Höhenrichtung, die bei am Fahrzeug montierter Induktionsladeeinrichtung im Wesentlichen vertikal, also parallel zur Schwerkraftrichtung verläuft. Ferner besitzt die mobile Induktionsladeeinrichtung eine Längsrichtung, die senkrecht zur Höhenrichtung verläuft, sowie eine Querrichtung, die senkrecht zur Höhenrichtung und senkrecht zur Querrichtung verläuft. Da sich die mobile Induktionsladeeinrichtung zweckmäßig an einer Fahrzeugunterseite, insbesondere an einem Fahrzeugunterboden, befindet, ist die Induktionsladeeinrichtung flach konzipiert, sodass ihre in der Höhenrichtung gemessene Höhe deutlich kleiner ist als ihre in der Längsrichtung gemessene Länge und ebenfalls deutlich kleiner ist als ihre in der Querrichtung gemessene Breite. Die relativen Ortsangaben "unten" und "oben" beziehen sich im vorliegenden Zusammenhang auf die Höhenrichtung, die im ordnungsgemäßen Zustand parallel zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist. Eine durch die Längsrichtung und die Querrichtung aufgespannte Ebene, in der sich die mobile Induktionsladeeinrichtung erstreckt, verläuft dann horizontal.
Die Magnetfeldleiter bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen und vorzugsweise elektrisch isolierenden Material. Die relative Permeabilität pr soll dabei > 2 und vorzugsweise > 1 000 sein. Geeignete Materialien sind beispielsweise Ferrite, sodass die plattenförmigen Magnetfeldleiter häufig auch als Ferritplatten bezeichnet werden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die jeweilige Positionierspule in der Höhenrichtung zwischen einem solchen Magnetfeldleiter und der Induktionsspule angeordnet ist. Hierdurch ist die jeweilige Positionierspule vor dem Wechselfeld der Induktionsspule besser geschützt. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Positionierspule in der Höhenrichtung vollständig innerhalb der Tragstruktur angeordnet ist, wodurch sich eine kompakte, raumsparende Unterbringung ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Tragstruktur einen Innenrahmen aufweisen, der zwei oder mehr oder alle Träger bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung verlaufenden Mittelachse der Induktionsladeeinrichtung radial innen miteinander verbindet. Der jeweilige Trägerzwischenraum ist dann radial innen durch den Innenrahmen radial begrenzt. Damit ist die im jeweiligen Trägerzwischenraum angeordnete Positionierspule in der Höhenrichtung nicht durch den Innenrahmen verdeckt. Der jeweilige Innenrahmen kann plattenförmig oder ringförmig ausgestaltet sein. Ein plattenförmiger Rahmen ist in einer Rahmenebene, in der er sich erstreckt, geschlossen. Der plattenförmige bzw. geschlossene Rahmen besitzt demnach keine Öffnung, die den Rahmen senkrecht zur Rahmenebene durchdringt. Im Unterscheid dazu ist ein ringförmiger Rahmen in der Rahmenebene offen und besitzt somit zumindest eine Öffnung, die den Rahmen senkrecht zur Rahmenebene durchdringt. Der ringförmige Rahmen läuft in der Umfangsrichtung um die Öffnung um, vorzugsweise geschlossen. Dabei muss der ringförmige Rahmen keine kreisförmige Außenkontur besitzen, sondern kann eine rechteckige oder quadratische oder polygone oder trapezförmige Außenkontur besitzen.
Zusätzlich oder alternativ kann gemäß einer anderen Ausführungsform die Tragstruktur einen Außenrahmen aufweisen, der zwei oder mehr oder alle Träger
bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung verlaufenden Mittelachse der Induktionsladeeinrichtung radial außen miteinander verbindet. Der jeweilige Trägerzwischenraum ist dann radial außen durch den Außenrahmen radial begrenzt. Damit ist die im jeweiligen Trägerzwischenraum angeordnete Positionierspule in der Höhenrichtung nicht durch den Außenrahmen verdeckt. Der jeweilige Außenrahmen kann ringförmig ausgestaltet sein und insbesondere in der Umfangsrichtung geschlossen um laufen.
Grundsätzlich kann die Positionierspule eine beliebige, zum Erzeugen des Positionsfelds geeignete Geometrie besitzen. Beispielsweise kann die jeweilige Positionierspule kreisförmig oder elliptisch oder oval geformt sein. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Positionierspule lateral oder senkrecht zur Höhenrichtung eine Verlaufskontur aufweist, die geometrisch an eine durch die Tragstruktur lateral oder senkrecht zur Höhenrichtung begrenzte Umlaufkontur des jeweiligen Trägerzwischenraums angepasst ist. Demnach folgt die Positionierspule innerhalb des Trägerzwischenraums der Umlaufkontur, wodurch die Positionierspule vergleichsweise großflächig ist, was für die Erzeugung eines leicht erkennbaren Positionsfelds günstig ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die jeweilige Positionierspule zwei Spulenabschnitte aufweisen, die sich parallel zu einem der beiden Träger erstrecken, die den jeweiligen Trägerzwischenraum begrenzen, in dem die jeweilige Positionierspule angeordnet ist. Hierdurch wird der im Trägerzwischenraum bereitgestellte Bauchraum für die Positionierspule optimal ausgenutzt. Zweckmäßig kann die Positionierspule dreieckförmig oder trapezförmig ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die jeweilige Positionierspule auf einem Positionierspulenträger ausgebildet sein, der im jeweiligen Trägerzwischenraum angeordnet ist. Die Verwendung eines Positionierspulenträger vereinfacht die Anordnung der Positionierspule im jeweiligen Trägerzwischenraum.
Beispielsweise lässt sich der Positionierspulenträger vor dem Einbau in die Tragstruktur mit der jeweiligen Positionierspule ausstatten. Der Positionierspulenträger kann eine Platine sein, auf welche die jeweilige Positionierspule aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der jeweilige Positionierspulenträger eine zentrale Durchgangsöffnung aufweisen. Der Positionierspulenträger ist dadurch nicht plattenförmig, sondern ringförmig konfiguriert und kann eine polygone, insbesondere trapezförmige, Außenkontur besitzen. Durch diese Bauform wird nur wenig Material für den Positionierspulenträger benötigt, was die Herstellungskosten und auch das Gewicht der mobilen Induktionsladeeinrichtung reduziert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann nun außerdem vorgesehen sein, dass die Induktionsspule oder ein die Induktionsspule tragender Induktionsspulenträger durch die Durchgangsöffnung hindurch mit dem jeweiligen Magnetfeldleiter verklebt oder vergossen ist. Somit erhält die Durchgangsöffnung des Positionierspulenträger eine Zusatzfunktion. Durch die Verklebung bzw. durch den Verguss der Induktionsspule bzw. des Induktionsspulenträger mit dem jeweiligen Magnetfeldleiter lässt sich insbesondere die thermische Kopplung verbessern, um Wärme von der Induktionsspule auf den jeweiligen Magnetfeldleiter zu übertragen. Insbesondere lassen sich hierbei Klebstoffe oder Vergussmaterialien mit erhöhtem Wärmeleitkoeffizienten verwenden. Ein erhöhter Wärmeleitkoeffizient A liegt dann vor, wenn gilt A > 1 W/(m*K), vorzugsweise A > 10 W/(m*K).
Bei einer anderen Ausführungsform können Steuerleitungen zum Ansteuern der jeweiligen Positionierspule vorgesehen sein, die durch die Tragstruktur hindurch bis zu einem oberhalb der Magnetfeldleiter liegenden Bereich geführt sind. Die Steuerleitungen verlaufen damit innerhalb der Tragstruktur, also insbesondere zwischen Innenrahmen und Außenrahmen sowie zwischen benachbarten Trägem hindurch, und somit platzsparend.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die jeweilige Ansteuerschaltung mehrere elektronische Komponenten aufweist, wobei wenigstens eine Komponente auf einem Positionierspulenträger angeordnet ist, der die Positionierspule trägt, während wenigstens eine andere Komponente auf einen Schaltungsträger angeordnet ist, der in einem oberhalb der Magnetfeldleiter liegenden Bereich angeordnet ist. Steuerleitungen können nun vom Positionierspulenträger durch die Tragstruktur hindurch zum Schaltungsträger führen. Durch die Aufteilung der Ansteuerschaltung auf wenigstens zwei verschiedene Träger, lässt sich einerseits der vorhandene Bauraum besser ausnutzen. Andererseits lassen sich dadurch störende Wechselwirkungen reduzieren, insbesondere thermische und/oder elektromagnetische Wechselwirkungen.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Induktionsladeeinrichtung wenigstens einen Positionsgeber aufweist, der die wenigstens eine Positionierspule und außerdem eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der jeweiligen Positionierspule aufweist. Zweckmäßig kann dabei die jeweilige Positionierspule als Sendespule zum Erzeugen eines magnetischen Positionsfelds ausgestaltet sein.
Beispielsweise kann die jeweilige Ansteuerschaltung als elektronische Komponenten wenigstens eine Kondensatoranordnung, ein Dämpfungsglied, einen Filter und ein Schaltglied aufweisen. Die Kondensatoranordnung dient zur Ausbildung eines Schwingkreises mit der Positionierspule. Die Kondensatorschaltung weist zumindest einen Kondensator auf. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Kondensatoranordnung zwei parallel geschaltete Kondensatoren aufweist. Zumindest die Kondensatoranordnung ist dann auf dem Positionierspulenträger angeordnet, während zumindest das Schaltglied auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Für eine Variantenbildung kann es zweckmäßig sein, möglichst viele Komponenten auf dem Schaltungsträger anzuordnen, der mit seiner Bestückung dann für alle Varianten identisch ausgebildet werden kann. Im Unterschied dazu kann eine für die Variantenbildung erforderliche Anpassung des Schwingkreises an Randbedingungen der jeweiligen Variante preiswerter durchgeführt werden, wenn die Kondensatoranordnung am Positionierspulenträger angeordnet ist. Optional können das Dämpfungsglied und/oder der Filter auf dem Positionierspulenträger angeordnet sein.
Bei diesen Ausführungsformen mit durch die Tragstruktur hindurchgeführten Steuerleitungen ist grundsätzlich denkbar, dass die Steuerleitungen an Bestandteilen der Tragstruktur außen vorbeigeführt sind, innerhalb eines Umfangs der Tragstruktur. Alternativ ist ebenso denkbar, dass in Bestandteilen der Tragstruktur Kanäle ausgebildet sind, durch die die Steuerleitungen hindurchgeführt sind. Derartige Kanäle können nach Art einer Nut seitlich offen sein oder nach Art einer Bohrung seitlich geschlossen sein.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Induktionsladeeinrichtung quer zur Höhenrichtung eine Längsrichtung und eine parallel zur Längsrichtung verlaufende Längsmittellinie aufweist, wobei die Träger so angeordnet sind, dass der jeweilige Trägerzwischenraum, in dem die jeweilige
Positionierspule angeordnet ist, im Wesentlichen mittig zur Längsmittellinie ausgerichtet ist. Mit anderen Worten, die Längsmittellinie erstreckt sich mittig durch den jeweiligen Trägerzwischenraum. Insbesondere erstreckt sich dadurch die Längsmittellinie im Wesentlichen mittig durch die jeweilige Positionierspule. Hierdurch wird das Auffinden der optimalen Positionierung zwischen stationärer Induktionsladeeinrichtung und mobiler Induktionsladeeinrichtung bei der Verwendung des Fahrzeugladesystems vereinfacht.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Induktionsladeeinrichtung zumindest zwei solche Positionierspulen aufweist, die bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung verlaufenden Mittelachse der Induktionsladeeinrichtung diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Sofern ein Positionsgeber der vorstehend beschriebenen Art um Einsatz kommt, kann dieser diese beiden diametral gegenüberliegend angeordneten Positionierspulen aufweisen. Ebenso ist der Einsatz von zwei solchen Positionsgebern mit je einer Positionierspule denkbar, die dann diametral gegenüberliegend positioniert sind. Die geometrische Mitte der beiden Positionierspulen entspricht dann der Position der Mittelachse, was bei der Verwendung des induktiven Fahrzeugladesystems das Auffinden der optimalen Positionierung zwischen den Induktionsladeeinrichtungen vereinfacht.
Ein erfindungsgemäßes batterieelektrisches Fahrzeug weist zumindest eine Batterie, ein mit der Batterie gekoppeltes Ladesteuergerät zum Laden der Batterie sowie eine mobile Induktionsladeeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art auf, die mit dem Ladesteuergerät gekoppelt ist. Zweckmäßig ist die Tragstruktur der mobilen Induktionsladeeinrichtung am Fahrzeugboden, insbesondere am Unterboden, befestigt.
Ein erfindungsgemäßes induktives Fahrzeugladesystem, das zum Laden einer Batterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs dient, ist mit einer mobilen Induktionsladeeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art ausgestattet, die zur Anbringung an einem Fahrzeug vorgesehen ist. Des Weiteren ist das induktiven Fahrzeugladesystem mit einer stationären Induktionsladeeinrichtung ausgestattet, die zur Anbringung an einem Fahrzeugstellplatz vorgesehen ist. Die stationäre Induktionsladeeinrichtung weist zumindest eine Induktionsspule zum Erzeugen eines magnetischen bzw. elektromagnetischen Wechselfelds und eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung des jeweiligen Positionsfelds auf. Bei der Positionserfassungseinrichtung kann es sich insbesondere um eine Fremdkörpersensorik handeln.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte Ansicht von unten auf eine mobile Induktionsladeeinrichtung mit zwei Positionierspulen im Bereich einer Induktionsspule,
Fig. 2 eine Ansicht wie in Fig. 1 , jedoch bei weggelassener Induktionsspule und mit zwei Positionierspulen bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittansicht der Induktionsladeeinrichtung im Bereich einer Positionierspule aus Fig. 1 ,
Fig. 4 eine Schnittansicht der Induktionsladeeinrichtung im Bereich einer Positionierspule aus Fig. 2,
Fig. 5 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Ansteuerschaltung der Positionierspule,
Fig. 6 ein vergrößertes Detail VI aus Fig. 2 im Bereich einer der Positionierspulen.
Entsprechend den Figuren 1 und 2 weist eine mobile Induktionsladeeinrichtung 1 zumindest eine Induktionsspule 2 auf, die zur Vereinfachung in Figur 2 weggelassen ist. Die Induktionsspule 2 der mobilen Induktionsladeeinrichtung 1 dient zum Empfangen eines magnetischen bzw. elektromagnetischen
Wechselfelds und erstreckt sich in einer Spulenebene 3, die in den Figuren 3 und 4 mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist. Die Spulenebene 3 erstreckt sich in den Figuren 1 und 2 parallel zur Zeichnungsebene und verläuft senkrecht zu einer Höhenrichtung Z, die in den Figuren 1 , 2 und 6 senkrecht auf der Zeichnungsebene steht. Die Induktionsladeeinrichtung 1 definiert außerdem eine Längsrichtung X sowie eine Querrichtung Y, die sich senkrecht zur Längsrichtung X erstreckt. Die Höhenrichtung Z verläuft senkrecht zur Längsrichtung X und senkrecht zur Querrichtung Y. Eine Umfangsrichtung U läuft um die Höhenrichtung Z um und ist in den Figuren 1 , 2 und 6 jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Des Weiteren weist die mobile Induktionsladeeinrichtung 1 eine Tragstruktur 4 auf, die zum Befestigen der Induktionsladeeinrichtung 1 an einem Fahrzeug 5 dient, das in den Figuren 3 und 4 durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Die Tragstruktur 4 weist mehrere Träger 6 auf, die sich in einem Tragbereich 7 erstrecken, der in den Figuren 3 und 4 durch eine geschweifte Klammer angedeutet ist und der parallel zur Spulenebene 3 verläuft.
Darüber hinaus ist die mobile Induktionsladeeinrichtung 1 mit mehreren plattenförmigen Magnetfeldleitern 8 ausgestattet. Diese Magnetfeldleiter 8 können eben konfiguriert sein und sich dabei jeweils parallel zur Spulenebene 3 erstrecken. Außerdem sind die Magnetfeldleiter 8 oberhalb der Induktionsspule 2 angeordnet.
Gemäß den Figuren 1 und 2 sowie gemäß Fig. 6 sind nun je zwei dieser Träger 6 im Tragbereich 7 in Umfangsrichtung U zueinander benachbart, verlaufen zueinander geneigt und bilden zwischen sich einen Trägerzwischenraum 9 aus. Die Magnetfeldleiter 8 sind nun jeweils im Bereich eines solchen Trägerzwischenraums 9 an der Tragstruktur 4 angeordnet. Dabei können diese
Magnetfeldleiter 8 jeweils passend in einen solchen Trägerzwischenraum 9 eingesetzt sein. Ebenso ist denkbar, dass sich die Magnetfeldleiter 8 an den Trägem 6 in der Höhenrichtung Z abstützen.
Die hier gezeigte Induktionsladeeinrichtung 1 ist außerdem mit wenigstens einen Positionsgeber 10 ausgestattet. Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsformen weist die Induktionsladeeinrichtung 1 jeweils zwei derartige Positionsgeber 10 auf, die bezüglich einer Mittelachse 11 der Induktionsladeeinrichtung 1 diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Mittelachse 11 verläuft parallel zur Hochachse Z und kann insbesondere im Zentrum der Tragstruktur 4 und/oder im Zentrum der Induktionsspule 2 angeordnet sein. In den Figuren 1 und 2 steht die Mittelachse 11 senkrecht auf der Zeichnungsebene.
Der jeweilige Positionsgeber 10 weist zumindest eine Positionierspule 12 zum Erzeugen eines magnetischen bzw. elektromagnetischen Positionsfelds sowie eine Ansteuerschaltung 13 zum Ansteuern der jeweiligen Positionierspule 12 auf. Die jeweilige Positionierspule 12 ist in den Figuren 1 und 2 sowie 6 jeweils durch einen geschlossenen Ring symbolisiert. Die Ansteuerschaltung 13 ist in den Figuren 3 und 4 angedeutet. Figur 5 zeigt ein Schaltbild für eine solche Ansteuerschaltung 13. Die jeweilige Positionierspule 12 ist in der Höhenrichtung Z vorzugsweise zwischen einem solchen Magnetfeldleiter 8 und der Induktionsspule 2 angeordnet. Alternativ kann die jeweilige Positionierspule 12 auch unterhalb der Induktionsspule 2 angeordnet sein. Ferner ist die jeweilige Positionierspule 12 vollständig innerhalb eines solchen Trägerzwischenraums 9 angeordnet. Insoweit ist die jeweilige Positionierspule 12 innerhalb des jeweiligen Trägerzwischenraums 9 seitlich bzw. lateral zur Höhenrichtung Z von der Tragstruktur 4 beabstandet. Bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Anordnung der jeweiligen Positionierspule 12 in der Höhenrichtung Z zwischen dem
jeweiligen Magnetfeldleiter 8 und der Induktionsspule 2 kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Positionierung der jeweiligen Positionierspule 12 so gewählt ist, dass an keiner Stelle eine Überdeckung in der Höhenrichtung Z der Positionierspule 12 durch eine Komponente der Tragstruktur 2, insbesondere durch einen Träger 6 stattfindet.
Gemäß den Figuren 1 und 2 sowie 6 kann die Tragstruktur 4 einen Innenrahmen 14 aufweisen, der in den gezeigten Beispielen ringförmig ausgestaltet ist und alle Träger 6 in der Umfangsrichtung U miteinander verbindet. Ferner begrenzt der Innenrahmen 14 die Trägerzwischenräume 9 radial nach innen. Darüber hinaus kann die Tragstruktur 4 einen Außenrahmen 15 aufweisen, der in den gezeigten Beispielen ringförmig ausgestaltet ist und alle Träger 6 in der Umfangsrichtung U miteinander verbindet. Der Außenrahmen 15 begrenzt nun die Trägerzwischenräume 9 radial nach außen. Erkennbar ist die jeweilige Positionierspule 12 auch vom Innenrahmen 14 und vom Außenrahmen 15 seitlich bzw. lateral beabstandet. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Positionierspule 12 in der Höhenrichtung Z auch nicht durch den Innenrahmen 14 oder durch den Außenrahmen 15 abgedeckt ist. Insbesondere kann die Tragstruktur 4 so konfiguriert sein, dass die Trägerzwischenräume 9 in der Höhenrichtung Z offen ausgestaltet sind, also nicht durch eine Komponente der Tragstruktur 4 in der Höhenrichtung Z abgedeckt sind.
Ferner weist die jeweilige Positionierspule 12 quer oder lateral zur Höhenrichtung Z eine Verlaufskontur 16 auf, die den Ring der Positionierspule 12 bildet. Die Verlaufskontur 16 kann und zweckmäßig an eine Umlaufkontur 17 des zugehörigen Trägerzwischenraums 9 angepasst sein, wobei diese Umlaufkontur 17 durch die Tragstruktur 4 quer bzw. lateral zur Höhenrichtung Z definiert bzw. begrenzt ist. In den Beispielen der Figuren 1 und 2 sowie 6 ist die Umlaufkontur 17 der betreffenden Trägerzwischenräume 9 im Wesentlichen trapezförmig
konfiguriert. Passend dazu ist die Verlaufskontur 16 der jeweiligen Positionierspule 12 in den Beispielen ebenfalls trapezförmig gestaltet. Ferner lässt sich den Figuren 1 und 2 sowie 6 entnehmen, dass die jeweilige Positionierspule 12 zwei Spulenabschnitte 18 aufweist, die sich jeweils parallel zu einem der beiden Träger 6 erstrecken, die den jeweiligen Trägerzwischenraum 9 begrenzen, in dem die jeweilige Positionierspule 12 angeordnet ist. In den Figur 2 und 6 ist außerdem eingetragen, dass ein weiterer, innerer Spulenabschnitt 19 parallel zum Innenrahmen 14 verläuft, während ein weiterer, äußerer Spulenabschnitte 20 parallel zum Außenrahmen 15 verläuft.
Wie sich insbesondere den Figuren 1 bis 4 und 6 entnehmen lässt, kann die jeweilige Positionierspule 12 auf einem Positionierspulenträger 21 ausgebildet sein, der im jeweiligen Trägerzwischenraum 9 angeordnet ist. Die Positionierspule 12 kann auf den Positionierspulenträger 21 aufgedruckt sein. Der Positionierspulenträger 21 ist eben ausgestaltet und kann sich senkrecht zur Höhenrichtung Z erstrecken. Ferner kann der Positionierspulenträger 21 aus Platinenmaterial gebildet sein. Bei der in den Figuren 1 und 3 gezeigten Ausführungsform ist der Positionierspulenträger 21 plattenförmig oder vollflächig ausgestaltet. Im Unterschied dazu zeigen die Figuren 2 und 4 sowie 6 eine Ausführungsform, bei welcher der Positionierspulenträger 21 ringförmig ausgestaltet ist, sodass er eine zentrale Durchgangsöffnung 22 aufweist, um welche die Positionierspule 12 umläuft.
Gemäß Figur 4 kann nun vorgesehen sein, dass die Induktionsspule 2 bzw. ein in den Figuren 3 und 4 gezeigter Induktionsspulenträger 23, in den die Induktionsspule 2 eingebettet ist, durch die jeweilige Durchgangsöffnung 22 hindurch mit dem jeweiligen Magnetfeldleiter 8 verklebt bzw. vergossen ist. Eine entsprechende Klebverbindung bzw. ein entsprechender Verguss ist in Figur 4
angedeutet und mit 24 bezeichnet. Die Induktionsspule 2 ist mit einem Spulendraht gewickelt, der insbesondere als Litze ausgestaltet sein kann.
In den Figuren 1 bis 4 sowie 6 sind außerdem Steuerleitungen 25 angedeutet, die zum Steuern der jeweiligen Positionierspule 12 dienen. Diese Steuerleitungen 25 können nun gemäß den Figuren 3 und 4 von der jeweiligen Positionierspule 12 durch die Tragstruktur 4 hindurch bis zu einem Bereich 26 führen, der oberhalb der Magnetfeldleiter 8 liegt und der in den Figuren 3 und 4 durch eine geschweifte Klammer angedeutet ist. In Figur 1 ist erkennbar, wie die Steuerleitungen 25 zumindest abschnittsweise innerhalb einer Komponente der Tragstruktur 4, nämlich im Außenrahmen 15 verlaufen. In den Figuren 2 und 6 ist dagegen gezeigt, wie die Steuerleitungen 25 zumindest abschnittsweise innerhalb von Trägern 6 verlaufen. In den Figuren 3 und 4 ist erkennbar, wie die Steuerleitungen 25 durch einen Träger 6 hindurchgeführt sind.
Gemäß Figur 5 kann die Ansteuerschaltung 13 mehrere Komponenten 27 aufweisen, bei denen es sich rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit um eine Kondensatoranordnung 28, um ein Dämpfungsglied 29, um einen Filter 30 und um ein Schaltglied 31 handeln kann. Die Kondensatoranordnung 28 kann mit einem einzigen Kondensator C auskommen. Im Beispiel ist jedoch eine bevorzugte Variante mit zwei parallel geschalteten Kondensatoren C gezeigt. Die Kondensatoranordnung 28 bildet mit der Positionierspule 12 einen elektrischen Schwingkreis. Das Dämpfungsglied 29 kann beispielsweise durch einen ohmschen Widerstand R gebildet sein. Der Filter 30 kann durch eine Induktivität L, einen Kondensator C und einen ohmschen Widerstand R gebildet sein. Das Schaltglied 31 kann durch einen Transistor T gebildet sein. Zweckmäßig kann nun wenigstens eine dieser Komponenten 27 auf dem Positionierspulenträger 21 angeordnet sein. Beispielsweise ist zumindest die Kondensatoranordnung 28 auf dem
Positionierspulenträger 21 angeordnet. Wenigstens eine andere dieser Komponenten 27 ist dagegen auf einem Schaltungsträger 32 angeordnet, der sich gemäß den Figuren 3 und 4 oberhalb der Magnetfeldleiter 8 befindet, nämlich in besagtem Bereich 26 oberhalb der Magnetfeldleiter 8. Beispielsweise ist zumindest das Schaltglied 31 auf diesem Schaltungsträger 32 angeordnet. Für eine preiswerte Variantenbildung kann es zweckmäßig sein, außerdem das Dämpfungsglied 29 auf dem Positionierspulenträger 21 anzubringen. Für eine verbesserte EMV kann es zweckmäßig sein, den Filter 30 auf dem Positionierspulenträger 21 anzubringen, wobei EMV für elektromagnetische Verträglichkeit steht.
In den Figuren 3 und 4 ist außerdem eine Kühlplatte 33 gezeigt, mit deren Hilfe Wärme von der Induktionsladeeinrichtung 1 abgeführt werden soll. Es ist klar, dass hierzu beispielsweise die Magnetfeldleiter 8 wärmeübertragen und mit dieser Kühlplatte 33 verbunden sind, z.B. durch eine Verklebung oder durch einen Verguss aus einem Stoff bzw. Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit wie vorstehend zur Verklebung 24 bzw. zum Verguss 24 beschrieben.
Im Beispiel der Figuren 1 und 2 sowie 6 besitzt die Induktionsladeeinrichtung 1 eine parallel zur Längsrichtung X verlaufende Längsmittellinie 34. Zweckmäßig sind die Träger 6 innerhalb der Tragstruktur 4 so positioniert bzw. angeordnet, dass der bzw. die für die Unterbringung der jeweiligen Positionierspule 12 vorgesehene Trägerzwischenraum 9 bezüglich dieser Längsmittellinie 34 im Wesentlichen mittig ausgerichtet ist. In der Folge lässt sich die jeweilige Positionierspule 12 in diesem Trägerzwischenraum 9 ebenfalls im Wesentlichen mittig zur Längsmittellinie 34 ausrichten. Bei der Verwendung von zwei Positionierspulen 12, die bezüglich der Mittelachse 11 einander diametral gegenüberliegend, kann die Anordnung der beiden Positionierspulen12
außerdem so erfolgen, dass sich die Mittelachse 11 im geometrischen Mittelpunkt der beiden Positionierspulen 12 befindet.
Die hier vorgestellte mobile Induktionsladeeinrichtung 1 ist gemäß den Figuren 1 und 2 zweckmäßig ein Bestandteil eines im Übrigen nicht dargestellten induktiven Fahrzeugladesystems 35, das als weitere wichtige Komponente eine stationäre Induktionsladeeinrichtung aufweist, die komplementär zur mobilen Induktionsladeeinrichtung 1 konfiguriert ist, um die induktive Energieübertragung zu bewirken.
*****
Claims
Ansprüche
1 . Mobile Induktionsladeeinrichtung (1 ) für ein induktives Fahrzeugladesystem
(35) zum Laden einer Batterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs (5),
- mit wenigstens einer Induktionsspule (2) zum Empfangen eines magnetischen Wechselfelds, die sich in einer senkrecht zur Höhenrichtung (Z) der Induktionsladeeinrichtung (1 ) verlaufenden Spulenebene (3) erstreckt,
- mit einer Tragstruktur (4) zum Befestigen der Induktionsladeeinrichtung (1 ) an einem Fahrzeug (5), die mehrere Träger (6) aufweist, die sich in einem parallel zur Spulenebene (3) verlaufenden Tragbereich (7) erstrecken,
- mit mehreren plattenförmigen Magnetfeldleitern (8), die sich jeweils oberhalb der Induktionsspule (2) parallel zur Spulenebene (3) erstrecken,
- wobei wenigstens zwei dieser Träger (6) im Tragbereich (7) in Umfangrichtung (U) benachbart sind, zueinander geneigt verlaufen und zwischen sich im Tragbereich (7) einen Trägerzwischenraum (9) ausbilden,
- wobei im Bereich des jeweiligen Trägerzwischenraums (9) einer der Magnetfeldleiter (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Induktionsladeeinrichtung (1 ) wenigstens eine Positionierspule (12) zum Senden und/oder Empfangen eines magnetischen Positionsfelds aufweist,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) unterhalb eines solchen Magnetfeldeiters (8) und oberhalb oder unterhalb der Induktionsspule (2) angeordnet ist,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) vollständig innerhalb eines solchen Trägerzwischenraums (9) angeordnet ist.
2. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) in der Höhenrichtung (Z) zwischen einem solchen Magnetfeldleiter (8) und der Induktionsspule (2) angeordnet ist.
3. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) in der Höhenrichtung (Z) vollständig innerhalb der Tragstruktur (4) angeordnet ist.
4. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Tragstruktur (4) einen Innenrahmen (14) aufweist, der zwei oder mehr oder alle Träger (6) bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung (Z) verlaufenden Mittelachse (11 ) der Induktionsladeeinrichtung (1 ) radial innen miteinander verbindet,
- dass der jeweilige Trägerzwischenraum (9) radial innen durch den Innenrahmen (14) radial begrenzt ist.
5. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Tragstruktur (4) einen Außenrahmen (15) aufweist, der zwei oder mehr oder alle Träger (6) bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung (Z) verlaufenden Mittelachse (11 ) der Induktionsladeeinrichtung (1 ) radial außen miteinander verbindet,
- dass der jeweilige Trägerzwischenraum (9) radial außen durch den Außenrahmen (15) radial begrenzt ist.
6. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) lateral oder senkrecht zur Höhenrichtung (Z) eine Verlaufskontur (16) aufweist, die geometrisch an eine durch die Tragstruktur (4) lateral oder senkrecht zur Höhenrichtung (Z) begrenzte Umlaufkontur (17) des jeweiligen Trägerzwischenraums (9) angepasst ist.
7. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) zwei Spulenabschnitte (18) aufweist, die sich parallel zu je einem der beiden Träger (6) erstrecken, die den jeweiligen Trägerzwischenraum (9) begrenzen, in dem die jeweilige Positionierspule (12) angeordnet ist.
8. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) auf einem Positionierspulenträger (21 ) ausgebildet ist, der im jeweiligen Trägerzwischenraum (9) angeordnet ist.
9. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass der jeweilige Positionierspulenträger (21) eine zentrale Durchgangsöffnung (22) aufweist.
10. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Induktionsspule (2) oder ein die Induktionsspule (2) tragender Induktionsspulenträger (23) durch die Durchgangsöffnung (22) hindurch mit dem jeweiligen Magnetfeldleiter (8) verklebt oder vergossen ist.
11 . Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass Steuerleitungen (25) zum Ansteuern der jeweiligen Positionierspule (12) durch die Tragstruktur (4) hindurch bis zu einem oberhalb der Magnetfeldleiter (8) liegenden Bereich (26) geführt sind.
12. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Induktionsladeeinrichtung (1 ) wenigstens einen Positionsgeber (10) aufweist, der die wenigstens eine Positionierspule (12) und eine Ansteuerschaltung (13) zum Ansteuern der jeweiligen Positionierspule (12) aufweist,
- dass die jeweilige Positionierspule (12) als Sendespule zum Erzeugen eines magnetischen Positionsfelds ausgestaltet ist.
13. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Ansteuerschaltung (13) mehrere elektronische Komponenten (27) aufweist,
- dass wenigstens eine Komponente (27) auf einem Positionierspulenträger (21 ) angeordnet ist, der die jeweilige Positionierspule (12) trägt,
- dass wenigstens eine andere Komponente (27) auf einen Schaltungsträger (32) angeordnet ist, der in einem oberhalb der Magnetfeldleiter (8) liegenden Bereich (26) angeordnet ist,
- dass Steuerleitungen (25) vom Positionierspulenträger (21) durch die Tragstruktur (4) hindurch zum Schaltungsträger (32) führen.
14. Induktionsladeeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass die jeweilige Ansteuerschaltung (13) als elektronische Komponenten (27) wenigstens eine Kondensatoranordnung (28), ein Dämpfungsglied (29), einen Filter (30) und ein Schaltglied (31) aufweist,
- dass zumindest die Kondensatoranordnung (28) auf dem Positionierspulenträger (21) angeordnet ist,
- dass zumindest das Schaltglied (31 ) auf dem Schaltungsträger (32) angeordnet ist.
15. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Induktionsladeeinrichtung (1 ) quer zur Höhenrichtung (Z) eine Längsrichtung (X) und eine parallel zur Längsrichtung (X) verlaufende Längsmittellinie (34) aufweist,
- dass die Träger (6) so angeordnet sind, dass der jeweilige Trägerzwischenraum (9), in dem die jeweilige Positionierspule (12) angeordnet ist, im Wesentlichen mittig zur Längsmittellinie (34) ausgerichtet ist.
16. Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Induktionsladeeinrichtung (1 ) zumindest zwei solche Positionierspulen (12) aufweist, die bezüglich einer parallel zur Höhenrichtung (Z) verlaufenden Mittelachse (11 ) diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
17. Batterieelektrisches Fahrzeug (5),
- mit einer Batterie,
- mit einem Ladesteuergerät, das mit der Batterie gekoppelt ist,
- mit einer mobilen Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit dem Ladesteuergerät gekoppelt ist.
18. Induktives Fahrzeugladesystem (35) zum Laden einer Batterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs (5),
- mit einer mobilen Induktionsladeeinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Anbringung an einem Fahrzeug (5),
- mit einer stationären Induktionsladeeinrichtung zur Anbringung an einem Fahrzeugstellplatz, die wenigstens eine Induktionsspule zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds und eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung des jeweiligen Positionsfelds aufweist.
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