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Die
Erfindung betrifft ein System zur elektrischen Energieübertragung
zwischen einem primären Andockmodul und einer an einem
Fahrzeug angebrachten Sekundärtrafoeinheit.
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Die
Batterien von Elektrofahrzeugen müssen regelmäßig
aufgeladen werden. Dazu sind Vorrichtungen nötig, um die
Batterie des Elektrofahrzeugs und eine äußere
Spannungsquelle elektrisch leitend zusammenzubringen.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren bekannt,
die eine Energieübertragung von einer stationären
Ladestation zu einem Fahrzeug durch elektromagnetische Induktion ermöglichen.
Die
WO 94/10004 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen, berührungslosen
Laden der Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs.
Mittels eines induktiven Übertragers, dessen Primärelement stationär
und dessen Sekundärelement am Fahrzeug angebracht ist,
wird das Sekundärelement, spätestens nachdem das
Fahrzeug in eine Näherungsposition zur Ruheposition des
Primärelements gebracht worden ist, frei zugänglich
gemacht und vorgesehen, dass das Primärelement innerhalb
eines vorgegebenen Raumbereichs in allen drei Raumkoordinaten motorisch
bewegbar ist. Bei dem Verfahren werden Primärelement und
Sekundärelement sensorgesteuert in eine vorgegebene Position
zueinander gebracht. Anschließend, wird elektrische Energie
mittels des induktiven Überträgers im Mittelfrequenzbereich übertragen.
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Nachteilig
an diesem System ist die Anordnung von Primär- und Sekundärelement
an der Unterseite des Fahrzeugs. An der Unterseite eines Fahrzeugs
zu montieren ist immer aufwändig, da dazu z. B. Hebebühnen
oder Schächte eingesetzt werden müssen. Nachteilig
ist auch die komplizierte dreidimensionale Motorsteuerung des Primärelements
zur Positionierung an das Sekundärelement des Fahrzeugs.
Es besteht die Gefahr, dass das Fahrzeug beim Rangieren die zur
Energieübertragung erforderliche Position verfehlt oder
das Primärelement durch Überfahren zerstört.
Eine Vertiefung für die Primäreinheit zu bauen,
wie in der
WO 94/10004
A1 gezeigt, ist aufwändig und teuer. Extreme Witterungsverhältnisse
können die im Boden versenkte Primäreinheit durch
Verunreinigung, Korrosion, Vereisung etc. schädigen. Eine Überdachung bzw.
Abdeckung der Primäreinheit wäre wiederum aufwändig
und teuer.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges,
robustes, elektrisches Energieübertragungssystem für
Fahrzeuge zu schaffen, dass die oben genannten Nachteile vermeidet,
dessen Komponenten einfach zu montieren sind und einfacher zu erreichen
sind.
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Die
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße System
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Systems dargestellt.
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Die
Lösung ist ein System zur elektrischen Energieübertragung
zwischen einem sich außerhalb des Fahrzeugs befindlichen
primären Andockmodul und einer an einem Fahrzeug angebrachten
Sekundärtrafoeinheit. Das erfindungsgemäße
System ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sekundärtrafoeinheit
am Bug oder am Heck des Fahrzeugs befindet.
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Vorteilhaft
ist, dass das System einfach zu montieren, bedienen und zu warten
ist. Es ist einleuchtend, dass die Montage der Sekundärtrafoeinheit
an Bug oder Heck des Fahrtzeugs viel weniger Aufwand erfordert,
als an der Fahrzeugunterseite. Die Bewegung des Fahrzeugs selbst
wird dazu verwendet, die Sekundärtrafoeinheit und die Primartrafoeinheit
des Andockmoduls zur Energieübertragung zusammenzubringen.
Eine Bewegungssteuerung der Primärtrafoeinheit durch einen
Motor in drei Raumrichtungen, nach dem das Fahrzeug sich, wie in
der
WO 94/10004 A1 dargestellt
ist, ungefähr über der Primäreinheit
befindet, entfällt dadurch.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen werden gemäß den Unteransprüchen
im Folgenden beschrieben.
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Da
die Energieübertragung zwischen einer Primärtrafoeinheit
des Andockmoduls und der Sekundärtrafoeinheit des Fahrzeugs
durch direkte magnetische Kopplung erfolgt, liegt vorteilhafterweise
der Wirkungsgrad der Energieübertragung bei mindestens
95%.
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Von
Vorteil ist, dass die Kontaktaufnahme von Primärtrafoeinheit
und Sekundärtrafoeinheit sich bis auf die in einem später
beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgende Motorsteuerung
des Andockmoduls rein mechanisch vollzieht. Dazu weist das Andockmodul
einen vorgelagerten Öffnungsstift auf, der durch die Fahrbewegung
des Fahrzeugs gegen diesen Öffnungsstift die durch eine
Schutzklappe geschützte Sekundärtrafoeinheit freilegt.
Komplizierte Motoren zur Kontaktaufnahme in drei Raumrichtungen
von Primärtrafoeinheit und Sekundärtrafoeinheit
sind daher nicht erforderlich.
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Vorteilhafterweise
ist die Sekunddärtrafoeinheit durch eine Schutzklappe vor
Verschmutzung und Witterungseinflüsse geschützt.
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Von
Vorteil ist auch, dass das Andockmodul eine horizontal verschiebbare
Anfahrmulde für die beiden Vorder- bzw. beiden Hinterräder
des Fahrzeugs aufweist. So kann der Abstand zwischen Andockmodul
und Fahrzeug für das elektrische Beladen des Fahrzeugs
genau vorgegeben werden. Unsicherheiten, wie nahe ein Fahrzeug eines
bestimmten Fahrzeugtyps an das Andockmodul herangefahren werden
muss, treten somit nicht mehr auf.
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Vorteilhafterweise
sind sowohl das Andockmodul als auch die Sekundärtrafoeinheit
horizontal gefedert, um Stöße des Fahrzeugs abzuschwächen und
für eine Gegenhaltekraft zu sorgen, damit der Öffnungsstift
den Öffnungsmechnismus der Schutzklappe der Sekundärtrafoeinheit
des Fahrzeugs auslösen kann. Das verhindert, dass durch
zu schnelles Einfahren in die Anfahrmulde das Andockmodul und/oder
die Sekundärtrafoeinheit beschädigt werden.
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Vorteilhaft
ist das Andockmodul vertikal schwimmend gelagert. Dadurch können
kleine Abweichungen von der Ideallinie zwischen den Trafoeinheiten überwunden
werden. Das Fahrzeug muss nicht millimetergenau an das Andockmodul
herangefahren werden.
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Weiterhin
von Vorteil ist, dass das Andockmodul höhenverstellbar
auf vertikalen Schienen montiert ist, so dass Fahrzeuge von verschiedener Bauhöhe
durch das erfindungsgemäße System mit Energie
versorgt werden können.
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Es
sei kurz erklärt, wie das erfindungsgemäße
System zur elektrischen Energieübertragung funktioniert:
Ein Fahrzeug, dessen Sekundärtrafoeinheit beispielsweise
am Bug montiert ist, befindet sich zunächst in einer Anfahrposition.
Das Fahrzeug fährt aus dieser Anfahrposition mit seinen
beiden Vorderrädern in eine Anfahrmulde eines primären
Andockmoduls. Beim Einfahren in die Anfahrmulde drückt ein Öffnungsstift
des primären Andockmoduls gegen ein Schutzgehäuse,
in der die Sekundärtrafoeinheit geschützt gelagert
ist. Durch die Druckbeaufschlagung öffnet der Öffnungsstift
eine Schutzklappe des Schutzgehäuses der Sekundärtrafoeinheit.
Die Sekundärtrafoeinheit ist somit freigelegt, und die
Vorderreifen befinden sich am tiefsten Punktes der Anfahrmulde.
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Ein
Halbtrafokern des primären Andockmoduls kontaktiert einen
Halbtrafokern der Sekundärtrafoeinheit, und eine Feder
des Andockmoduls drückt gegen die Fahrzeughaltekraft. Wenn
das Fahrzeug zum Stehen kommt, wird durch die Andockmodulfederkraft
der magnetische Kreis der beiden Halbtrafokerne sicher und nahezu
ohne Luftspalt geschlossen, woraufhin die Energieübertragung
durch direkte magnetische Kopplung erfolgt.
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Die
Ankopplung der Sekundärtrafoeinheit des Fahrzeugs an das
primäre Andockmodul geschieht bis auf die in einem Ausführungsbeispiel
beschriebene vertikale Motorsteuerung des Andockmoduls rein mechanisch
durch die Einfahrbewegung des Fahrzeugs relativ gegen das primäre
Andockmodul.
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Vorteilhaft
werden keine Schaltregler, keine Taktung und keine Gleichrichtung
benötigt. Die elektrischen Komponenten des erfindungsgemäßen
Systems zur Energieübertragung selbst beschränken sich
vorteilhaft lediglich auf zwei halbe Trafokerne, zwei Anschlussleitungen
inklusive Ein-Ausschalter und Sicherungen.
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Die
Figuren der Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Systems. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems mit einem stationären Andockmodul und einem Fahrzeug
in Anfahrposition;
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2 das
gleiche Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems mit dem Fahrzeug in der darauffolgenden Ladeposition;
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3 die
Primärtrafoeinheit und die Sekundärtrafoeinheit
mit den beiden sich berührenden Halbtrafokernen in einer
Längsschnittdarstellung;
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4 ein
zweites, spezielles Ausführungsbeispiel mit einem mobilen
Andockmodul, das an ein weiteres Fahrzeug montiert ist;
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5 einen
Drucksensor, der richtungsabhängig auf Druck reagiert;
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6 eine
Hebebühne als zusätzliche vertikale Positionierhilfe.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 sowie
den 5 und 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Alle Bezugszeichen der 1 bis 3, die zwischen 1 und 99 liegen,
betreffen das Andockmodul, und alle Bezugszeichen ab 100 betreffen
die fahrzeugseitigen Teile des erfindungsgemäßen
Systems. Alle Bezugszeichen der 4, die zwischen 200 und 299 liegen,
betreffen das Andockmodul eines Spezialfahrzeugs, und alle Bezugszeichen
ab 100 bis 199 betreffen alle Teile des Fahrzeugs
aus den 1 bis 3 mit gleichen
Bezugszeichen.
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Zunächst
wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems
anhand der 1 bis 3 in einem
ersten Ausführungsbeispiel detailiert beschrieben. Danach
wird die elektrische Energieübertragung als Vorgang gemäß den 1 bis 3 ausführlich beschrieben.
Anschließend wird noch ein zweites, spezielles erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel anhand der 4 vorgestellt.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems 1 in der Seitenansicht. Links befindet sich ein
stationäres Andockmodul 2 und rechts ist ein Fahrzeug 100 abgebildet.
Das Andockmodul 2 besteht aus einem Andockkörper 12 und
einer davorliegenden Anfahrmulde 13. Das Andockmodul 2 ist
auf zwei vertikal verlaufenden geraden Schienen 15 von
ca. 1 m Länge montiert. Diese sind wiederum an eine vertikale Wand 28 montiert.
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Eine
Netzversorgung 25 mit 230 V oder 400 V Wechselspannung
mit 50 Hz ist ebenfalls an der vertikalen Wand 28 montiert.
Die Netzversorgung 25 ist über eine elektrische
Leitung 29 mit dem Andockmodul 2 verbunden. Das
Andockmodul 2 ist durch die vertikalen Schienen 15 höhenverstellbar
und vertikal schwimmend gelagert. Das Andockmodul 2 weist eine
hintere Platte 31, mit der das Andockmodul 2 an die Schienen 15 montiert
ist, und eine vordere Platte 32 auf. Zwischen diesen Platten 31 und 32 ist
das Andockmodul 2 durch mindestens zwei starke Rückholfedern 8 und
durch mindestens zwei weitere Federn 26 horizontal gefedert.
Die Federn 26 befinden sich jeweils in einem der Federzylinder 30.
In den Federzylindern 30 ragt von rechts jeweils ein Kolben 37 mit Kolbenstange 38 hinein.
Die Kolbenstangen 38 sind mit der vorderen Platte 32 fest
verbunden.
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Die
Enden der starken Rückholfedern 8 sind jeweils
mit der vorderen Platte 32 und der hinteren Platte 31 ebenfalls
fest verbunden. Auf die vordere Platte 32 ist eine im Längsschnitt
zweistufig geformte Primärtrafoeinheit 5 montiert,
wobei die weiter nach rechts vorragende Stufe 33 sich weiter
oben und die andere Stufe 34 sich darunter befindet. Die
Primärtrafoeinheit 5 ist mit einem Verschmutzungsschutz 17 in
der Form einer Klappe oder eines Deckels ausgestattet. Diesen Deckel
kann mit einem Schloss ausgestattet sein, um die Tankstelle vor
unbefugtem Tanken zu schützen.
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An
der unteren Stufe 34 ist ein horizontaler Öffnungsstift 4 angebracht.
Dieser Öffnungsstift 4 kann dabei aus extrem hartem,
bruchsicherem Stahl bestehen. Der Öffnungsstift 4 überragt
dabei die vorragende Stufe 33 nach rechts, wie in der 1 gezeigt
ist. Das offene Ende 39 des Öffnungsstifts 4 ist konisch
abgeflacht. Durch die konische Form wird die Zentrierung des Öffnungsstifts 4 in
die Ausnehmung 137 erleichtert, indem möglicher
Versatz zwischen dem Öffnungsstift 4 und einer
fahrzeugseitigen korrespondierenden Ausnehmung 137, die
später beschrieben wird, ausgeglichen werden kann.
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Die
Zentrierung bzw. Positionierung des Fahrzeugs 100 an das
Andockmodul 2 kann beispielsweise mit Infrarotsensoren
unterstützt werden. Dazu befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel, hier
nur in 1 gezeigt, auf dem offenen Ende 39 des Öffnungsstifts 4 eine
infrarotempfindliche Fotozelle 51 und in der fahrzeugseitigen
korrespondierenden Ausnehmung 137 eine Infrarot-Diode 152,
die über eine hier nicht gezeigte elektrische Leitung mit Energie
versorgt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Höhenverstellung
des Andockmoduls 2 motorgetrieben durch einen Motor 70.
Es ist auch eine rein mechanische Höhenverstellung ohne
Motor 70 möglich. Dieser Motor 70 ist
mit der Spannungsquelle über eine elektrische Leitung 71 verbunden. Sobald
mindestens ein der Anfahrmulde 13 vorgelagerter Drucksensor 60 das
Gewicht des einfahrenden Fahrzeugs 100 registriert, sendet
dieser Drucksensor 60 ein elektrisches Signal über
eine Signalleitung 61 an den Motor 70. Ausgelöst
durch diesen elektrischen Impuls, wird der Motor 70 eingeschaltet und
bewegt das Andockmodul 2 auf seinen vertikalen Schienen 15 aus
einer Mittelposition auf und ab.
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Sobald
der Infrarotstrahl der Infrarot-Diode 152 die infrarotempfindliche
Fotozelle 51 trifft, gibt die Fotozelle ein elektrisches
Signal ab, woraufhin der Motor 70 das Andockmodul 2 auf
dieser Höhe anhält. Zur besseren Übersicht
wurde auf die Einzeichnung der Signalleitung der Fotozelle 51 verzichtet.
Die Längsschnitt-Profilkurve der Anfahrmulde 13 verläuft von
rechts nach links folgendermaßen: Zuerst ein leichter gerader
Anstieg, gefolgt von einem ersten Tableau 34. Nun kommt
die eigentliche Mulde 35 mit konstanten Krümmungsradius
r. Daran schließt sich ein zweites Tableau 36 an,
dessen Höhe das erste Tableau 34 überragt.
Es ist der höchste Abschnitt der Anfahrmulde 13.
Nun folgt ein relativ steiler Abstieg, der von einem ebenen Abschnitt
gefolgt ist. Danach kommt eine rechteckige Ausnehmung 49,
die ungefähr halb so tief ist wie der vorangehende ebene
Abschnitt. Nach der rechteckigen Ausnehmung 49 folgt wieder
ein ebener Abschnitt 46, der rechtwinklig mit der Wand 28 bündig
schließt. Die rechteckige Ausnehmung 49 korrespondiert
mit einer Ausnehmung 48.
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Durch
die beiden korrespondierenden Ausnehmungen 48 und 49 kann
die Anfahrmulde 13 relativ zum Andockmodul 2 waagrecht
ineinander verschoben werden und durch mindestens zwei Arretier-Stifte 47 arretiert
werden, indem diese in vertikale Bohrungen 47a gesteckt
werden. Die Bohrungen 47a für diese Arretier-Stifte 47 sind
in Fahrtrichtung in mindestens zwei Reihen angeordnet.
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Rechts
ist das Fahrzeug 100 von der Seite bis einschließlich
zur Windschutzscheibe im Längsprofil dargestellt. Am Bug 110 des
Fahrzeugs 100 ist an der Stoßstange 109 eine
Sekundärtrafoeinheit 103 montiert. Die Sekundärtrafoeinheit 103 ist
durch ein Schutzgehäuse 106 gegen Stöße
und Witterungseinflüsse geschützt. Das Schutzgehäuse 106 weist
links eine im geschlossenen Zustand vertikal verlaufende Schutzklappe 117 mit
einem unten liegenden quer zur Abbildungsebene verlaufenden Scharnier 138 auf.
Unterhalb der Schutzklappe 117 verläuft waagrecht
eine mit dem Öffnungsstift 4 der Primartrafoeinheit 5 korrespondierende
zylindrische Ausnehmung 137, die in die Sekundärtrafoeinheit 103 hineinragt.
Die Sekundärtrafoeinheit 103 besitzt einen Halbtrafokern 124,
der über zwei elektrischen Leitungen 142 mit der
Ladeelektronik 123 elektrisch verbunden ist, die ihrerseits über
zwei elektrische Leitungen 150 mit der Batterie 130 des
Fahrzeugs 100 elektrisch verbunden ist. An die Ladeelektronik 123 ist über
zwei elektrische Leitungen 160 ein elektrischer Generator 140 zur
Aufnahme und Rückführung von Bremsenergie angeschlossen.
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Die 2 zeigt
den Aufbau des gleichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Systems 1 wiederum in Seitenansicht, nun mit dem Fahrzeug 100 in
Ladeposition. Alle Bezugszeichen der Elemente aus der 1 entsprechen
den Bezugszeichen in der 2 und in der 3.
Auf eine wiederholende Beschreibung aller Elemente aus der 1 wird
verzichtet. Im Folgenden werden in der 2 nur die
für die Ladeposition wichtigen Elemente beschrieben. Das
Fahrzeug 100 ist in Ladeposition und steht mit seinen beiden
Vorderreifen 120 in der Mulde 35 der Anfahrmulde 13 und
wird mit elektrischer Energie versorgt. Dazu ist die Schutzklappe 117 des
Schutzgehäuses 106 der Sekundärtrafoeinheit 103 durch
den Öffnungsstift 4 geöffnet worden. Wie
in der 2 zu sehen ist, ist die Schutzklappe 117 nach
unten geklappt, nachdem der Öffnungsstift 4 die
Schutzklappe 117 durch die Einfahrbewegung des Fahrzeugs 100 geöffnet
hat, indem er in die Ausnehmung 137 eingedrungen ist und
den Öffnungsmechanismus ausgelöst hat.
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Die
Primärtrafoeinheit 5 des Andockmoduls 2 berührt
dabei mit der oberen Stufe 33 die freigelegte Sekundärtrafoeinheit 103 des
Fahrzeugs 100. Die Primärtrafoeinheit 5 enthält
einen z. B. U-förmigen oder E-förmigen Halbtrafokern 23.
Die Sekundärtrafoeinheit 103 enthält
einen Halbtrafokern 124, der ebenfalls z. B. entweder jeweils
U-förmig oder jeweils E-förmig ist. So trifft
E-Kern auf E-Kern oder U-Kern auf U-Kern. Diese beiden Halbtrafokerne 23 und 124 berühren
sich an ihren Polen nahezu ohne dazwischenliegenden Luftspalt. Somit
wird das Fahrzeug 100 in der Ladeposition durch den Strom,
der von der nun eingeschalteten Netzversorgung 25 durch
die elektrische Leitung 29 und durch die Spulenwicklung 43 des
primären Halbtrafokerns 23 fließt, über
direkte magnetische Kopplung der beiden Halbtrafokerne 23 und 124 und
die somit in der Spulenwicklung 144 des sekundären
Haltrafokerns 124 induzierte Spannung mit elektrischer
Energie versorgt. Dazu fließt durch die induzierte Spannung
in der Spulenwicklung 144 ein elektrischer Strom durch
die Zuleitungen 142 durch eine Ladeelektronik 123.
Diese Ladeelektronik 123 steuert den Zufluss elektrischer
Energie über die elektrischen Zuleitungen 150 zur
Batterie 130 des Fahrzeugs 100.
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Die 3 zeigt
eine Ausschnittvergrößerung der Primärtrafoeinheit 5 und
der Sekundärtrafoeinheit 103 aus der 2 im
Längsschnitt. Es ist zu sehen, dass die Primartrafoeinheit 103 einen
Halbtrafokern 23 und die Sekundärtrafoeinheit 103 einen
Halbtrafokern 124 enthält. Links ist zu sehen,
wie die beiden elektrischen Zuleitungen 40, die mit der
elektrischen Leitung 29 elektrisch leitend verbunden sind, die
vordere Platte 32 des Andockmoduls 2 geradlinig durchdringen.
In der oberen Stufe 33 der Primärtrafoeinheit 5 befindet
sich der primäre Halbtrafokern 23. Die elektrischen
Zuleitungen 40 umwickeln den Halbtrafokern 23.
Die Spulenwicklung 43 ist dabei schiefwinklig auf den primärseitigen
Halbtrafokern 23 aufgewickelt.
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Rechts
ist ein Ausschnitt des Fahrzeugs 100 zu sehen, dessen Sekundärtrafoeinheit 103 durch die
geöffnete gefederte Schutzklappe 117 freigelegt ist.
Der Halbtrafokern 124 der Sekundärtrafoeinheit 103 berührt
den Halbtrafokern 23 der Primärtrafoeinheit 5 auf
gleicher Höhe an den Polen nahezu ohne Luftspalt. Zum Schutz
vor Umwelteinflüssen und zur Isolation ist die Sekundärtrafoeinheit 103 komplett mit
Gießharz vergossen. Die Spulenwicklung 144 des
sekundärseitigen Halbtrafokerns 124 ist dabei ebenfalls
schiefwinklig aufgewickelt. Die schiefwinklige Spulenwicklung 144 des
sekundärseitigen Halbtrafokerns 124 im Längsschnitt
verläuft parallel zu der schiefwinkligen Spulenwicklung 43 des
primärseitigen Halbtrafokerns 23. An der oberen
Stufe 33 der Primartrafoeinheit 5 dringen ein
oder mehrere waagrecht angebrachte zylindrische, gerade Zentrierstifte 14 zur
Feinzentrierung in jeweils eine oder mehrere korrespondierenden
Ausnehmungen 139 der Sekundärtrafoeinheit 103 ein.
Der Stift 14 zur Feinzentrierung ist dabei kürzer
als der Öffnungsstift 4 und weist wie dieser ein
konisch abgeflachtes Ende zum Ausgleich von Versätzen zwischen
den dem Zentrierstift 14 und der korrespondierenden Ausnehmung 139 auf.
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Um
den magnetischen Fluss in den Halbtrafokernen nicht störend
zu beeinflussen, können die Stifte 14 aus hartem
Gießharz oder aus einem anderen isolierenden und bruchsicheren
Material bestehen. Die Zentrierstifte 14 und die dazugehörenden Ausnehmungen 139 können
dabei ebenso wie der Öffnungsstift 4 zur Feinzentrierung
mit Infrarotsensoren ausgestattet sein. Wie die 2 zeigt,
ist im gleichen Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße System 1 mit
dem Fahrzeug 100 in Ladeposition. Dabei ist die Sekundärtrafoeinheit 103 über
eine Sicherung 190 direkt mit einem Fahrzeug-Beladeanschlussstecker 121 parallel
geschaltet. Es können mindestens 8 parallelgeschaltete
Trafos in dem Schutzgehäuse 106 untergebracht
sein.
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Ein
elektrischer Wechselstrom von z. B. 50 Hz, gespeist durch eine Netzversorgung 25 des
Andockmoduls 2 mit einer Versorgungsspannung von wahlweise
z. B. 230 V oder 400 V, fließt durch die Spulenwicklung 43 des
Halbtrafokerns 23 des primären Andockmoduls 2 und überträgt
durch magnetische Induktion die elektrische Energie auf die Spulenwicklung 144 des
Halbtrafokerns 124 der Sekundärtrafoeinheit 103.
Die so in der Sekundärtrafoeinheit 103 erzeugte
elektrische Spannung lädt über die Ladeelektronik 123 die
Batterie 130 des Fahrzeugs 100 auf, die über
die elektrische Leitung 142 mit der Spulenwicklung 144 des
sekundären Halbtrafokerns 124 der Sekundärtrafoeinheit 103 elektrisch
verbunden ist. Die Ladeleistung beträgt dabei z. B. 1–2
kW und der Wirkungsgrad der Energieübertragung beträgt
vorzugsweise mindestens 95%. Die beiden Halbtrafokerne 23 und 124 sind
für ein-phasigen Strom U-förmig und für
drei-phasigen Strom E-förmig ausgestaltet.
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Der
in den 1 und 2 gezeigte Öffnungsstift 4 der
Primärtrafoeinheit 5 kann auch durch einen nach
unten beweglichen Klappmechanismus mittels Drucklaschen realisiert
sein. Zur Reinigung sind die Primärtrafoeinheit 5 und/oder
die Sekundärtrafoeinheit 103 mit mindestens einer
Reinigungsbürste 122 ausgestattet. Dazu befinden
sich in der Ausnehmung 137 für den Öffnungsstift 4 an
den Innenwänden Reinigungsborsten 122, wie in
der 1 gezeigt, die den Öffnungsstift 4 beim
Heraus- oder Hinein-Gleiten von Schmutz reinigen. Es ist auch möglich,
dass sich Reinigungsborsten 22 am Öffnungsstift 4 befinden.
Ebenso können auch die Ausnehmungen 139 für
die Zentrierstifte 14 Reinigungsborsten 122 aufweisen.
Um die Sekundärtrafoeinheit 103 fahrzeugtechnisch
anpassen zu können, gibt es vorzugsweise für verschiedene
Fahrzeugtypen Zwischenadapterkits.
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Im
Folgenden werden der Ablauf der elektrischen Energieübertragung
und weitere Details in diesem ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel anhand der 1 bis 3 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, ist an einem Fahrzeug 100 eine
Sekundärtrafoeinheit 103 an der Stoßstange 109 montiert.
An der Sekundärtrafoeinheit 103 ist das Nummernschild 101 des
Fahrzeugs 100 montiert. Die Sekundärtrafoeinheit 103 ist
durch ein Schutzgehäuse 106 geschützt.
Zum weiteren Schutz ist die Sekundärtrafoeinheit 103 komplett
in Gießharz vergossen. Das Schutzgehäuse 106 weist
eine gefederte Schutzklappe 117 auf.
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Für
den Einfahrvorgang des Fahrzeugs 100 sind mindestens eine
Zentriervorrichtung 27 und mindestens eine Positioniereinheit 16 vorhanden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Positioniereinheit 16 in
Form zweier geradlinigen Schienen 50 ausgebildet, die im
Querschnitt ein rechteckiges Profil aufweisen. Als Zentriervorrichtung 27 können
dabei die Schienen 50 jeweils mit je einer im Längsschnitt V-förmig
verbreiterte Einfahrschiene 53 ausgestattet sein. Für
den Außenbereich und für verschiedene Fahrzeugklassen
wird die Zentrierung durch eine zusätzliche Positioniereinheit 16a auch
in vertikaler Richtung vorgenommen. Das kann durch eine in der 6 dargestellte
Hebebühne 16a realisiert werden, um den Höhenunterschied
zwischen der Primärtrafoeinheit 5 des Andockmoduls 2 und
der fahrzeugseitigen Sekundärtrafoeinheit 103 von
besonders kleinen oder besonders großen Fahrzeugtypen überwinden
zu können, wenn die Höhenverstellbarkeit des Andockmoduls 2 bereits
voll ausgenutzt ist. Dabei kann sich die Hebebühne 16a auch
unter der Anfahrmulde 13 befinden, um besonders große
Fahrzeugtypen absenken oder besonders kleine Fahrzeugtypen in Ladeposition
heben zu können.
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Das
Fahrzeug 100 steuert nun, nachdem es über die
V-förmigen Einfahrschienen 53 eingefädelt ist,
auf den sich anschließenden Schienen 50 auf ein stationäres,
primäres Andockmodul 2 zu. Das primäre
Andockmodul 2 besteht aus einem Andockkörper 12 und
einer Anfahrmulde 13. Das Fahrzeug 100 fährt
aus einer Anfahrposition mit seinen Vorderrädern 120 in
Richtung Anfahrmulde 13. Die Anfahrmulde 13 kann
für verschiedene Fahrzeugklassen variabel angepasst werden,
z. B. durch eine relative Verschiebung der Anfahrmulde 13 gegen
das Andockmodul 2. Beim Einfahren des Fahrzeugs 100 gegen
das Andockmodul 2 dringt ein Öffnungsstift 4 des primären
Andockmoduls 2 in eine Ausnehmung des Schutzgehäuse 106 ein,
in der die Sekundärtrafoeinheit 103 des Fahrzeugs 100 geschützt
gelagert ist. Bei geschlossener Schutzklappe 117 kann die
Sekundärtrafoeinheit 103 durch einen elektrischen Schalter 135 freigeschaltet
werden. Dieser Schalter 135 kann mit der Ladeelektronik 123 verbunden
sein, die das Aufladen der Batterie 130 erst dann zulässt, wenn
der Schalter 135 eingeschaltet ist.
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Die
Primärtrafoeinheit 5 kann bei nicht beaufschlagter
Adaptierung ebenfalls durch einen elektrischen Schalter 18 freigeschaltet
werden. Dies kann über eine Chipkartenprüfung
erfolgen. Dazu muss vor dem Tankvorgang eine Chipkarte zum Bezahlen in
eine Chipkartensäule gesteckt werden. Erst nach Authentifizierung
und Bezahlung wird die Primärtrafoeinheit 5 durch
den Schalter 18 freigeschaltet. Sonst fließt kein
Strom durch die Primärtrafoeinheit 5. Dabei muss
der Fahrer vorteilhafterweise, wie im Parkhaus, zum Einstecken der
Chipkarte in die Chipkartensäule das Fahrzeug 100 nicht
verlassen. Diese Chipkartenlösung ist natürlich
auch bei beaufschlagter Adaptierung möglich.
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Damit
der Öffnungsstift 4 des Andockmoduls 2 den Öffnungsmechanismus
der Schutzklappe 117 der Sekundärtrafoeinheit 103 trifft,
ist eine Höhenpositionierung des Andockmoduls 2 möglich.
Durch Infrarotsensoren unterstützt, wie im Abschnitt zu 1 beschrieben,
wird die motorgetriebene Höhenverstellung des Andockmoduls 2 vorgenommen.
Auch um den Stoß des Fahrzeugs 100 gegen das Andockmodul 2 zu
mildern, ist das Andockmodul 2 horizontal gefedert. Die
gefederte Schutzklappe 117 des Schutzgehäuses 106 wird
durch eine starke Rückholfeder 8 mit dem Öffnungsstift 4 des
Andockmoduls 2 bei entsprechender Kraftbeaufschlagung nach
unten geklappt. Die Sekundärtrafoeinheit 103 des
Fahrzeugs 100 ist somit freigelegt, und die Vorderreifen 120 bewegen
sich in Richtung des tiefsten Punkts der Anfahrmulde 13.
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Ein
Halbtrafokern 23 des primären Andockmoduls 2 kontaktiert
einen Halbtrafokern 124 der Sekundärtrafoeinheit 103 und
eine Feder 26 des Andockmoduls 2 drückt
gegen die Fahrzeughaltekraft. Damit eine flächendeckende,
genaue Kontaktierung der Trafohälften 23 und 124 erfolgen
kann, ist das Andockmodul 2 vertikal schwimmend gelagert
und zur Feinzentrierung mit Zentrierstiften 14 ausgestattet.
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Wenn
das Fahrzeug 100 zum Stehen kommt, dringen ein oder mehrere
Zentrierstifte der primären Trafohälfte 23 in
ein oder mehrere korrespondierende Ausnehmungen 139 der sekundären Trafohälfte 124 ein,
wie in 3 dargestellt, und durch die Andockmodulfederkraft
wird der magnetische Kreis der beiden Halbtrafokerne 23 und 124 nahezu
ohne Luftspalt geschlossen, woraufhin die Energieübertragung
erfolgt, und dadurch die elektrische Batterie 130 des Fahrzeugs 100 geladen
wird. Dazu ist die Sekundärtrafoeinheit 103 über
zwei elektrische Leitungen 142 mit einer Ladeelektronik 123 verbunden.
Diese ist wiederum über zwei elektrische Leitungen 150 mit
der aufzuladenden Batterie 130 des Fahrzeugs 100 verbunden.
Nach dem Ladevorgang fährt das Fahrzeug rückwärts
aus der Mulde 35. Durch die Bewegung relativ zum Andockmodul
verlässt der Öffnungsstift 4 die Ausnehmung 137 und darauf
schließt die gefederte Schutzklappe 117 die Sekundärtrafoeinheit 103.
Der im Abschnitt zu 1 beschriebene Drucksensor 60 ist
so intelligent, dass er, wenn das Fahrzeug 100 über
diesen Drucksensor 60 mit seinen Rädern 120 rückwärts
fährt, den Motor 70 zur vertikalen Auf- und Ab-Bewegung
des Andockmoduls 2 nicht wieder einschaltet. Der Drucksensor 60 ist
so beschaffen, dass er richtungsabhängig auf Druck reagiert.
Dies kann erzielt werden durch anisotrope Piezo-Kristalle, die im
Drucksensor 60 so ausgerichtet sind, dass diese nur in
einer Richtung auf Druck mit einer bestimmten elektrischen Spannung
reagieren, die über die Leitung 60 den Motor einschaltet.
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In
der Hinfahrbewegung des Fahrzeugs 100 schaltet der Drucksensor 60 den
Motor 70 zur Auf- und Ab-Bewegung des Andockmoduls 2 ein.
Durch die Infrarotsensoren, die im Abschnitt zu 1 beschrieben
sind, wird der Motor 60 ausgeschaltet, wenn die richtige
Höhenposition zur Energieübertragung erreicht
ist. Das Andockmodul ist somit gestoppt und in Tankposition. Wenn
aber das Fahrzeug 100 nach dem Laden das Andockmodul 2 in
umgekehrter Richtung wieder verlässt, ist es unnötig,
dass das Andockmodul 2 wieder vertikal bewegt wird, und daher
schaltet der Drucksensor 60 in dieser umgekehrten Richtung
den Motors 70 nicht wieder ein.
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In 5 ist
der Drucksensor 60 mit seinen hier gegenüber dem
abgebildeten Rad 120 des Fahrzeugs 100 stark vergrößerten
Piezokristallen 300 schematisch dargestellt. Dabei erzeugen
die Piezokristalle, die zu ihrem Schutz gummiert und gefedert gelagert
sind, bei Druckbeaufschlagung nur in der Richtung I die
elektrische Spannung UI. In der anderen
Richtung II erzeugen die Piezokristalle bei Druckbeaufschlagung
eine andere elektrische Spannung UII ≠ UI. Wenn also das Fahrzeug 100 von
rechts kommend das Andockmodul 2 ansteuert, drücken
die Vorderreifen 120 in Richtung I, und der Motor 70 des Andockmoduls 2 wird
durch die Wirkspannung UI eingeschaltet.
Kommt das Fahrzeug 100 beim Verlassen des Andockmoduls 2 von
links, so drücken die Vorderreifen 120 oder die
Hinterreifen 120' in die Richtung II, wobei die
Piezokristalle 300 in dieser Richtung II die unwirksame
Spannung UII erzeugen. Der Motor 70 des
Andockmoduls 2 wird nicht wieder eingeschaltet.
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Es
ist auch möglich, die zweite in der Richtung II ausgelöste
Spannung UII zu verwenden, so dass der Drucksensor 60 durch
diese Spannung UII den Motor wieder ausschaltet.
Das ist dann von Vorteil, wenn das Fahrzeug durch den Drucksensor 60 den
Motor 70 des Andockmoduls 2 zwar eingeschaltet
hat, aber ohne zu tanken sofort wieder aus der Anfahrmulde 13 rückwärts
herausfährt. Der Drucksensor 60 schaltet dann
den Motor 70 energiesparend wieder aus.
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Die 4 zeigt
ein zweites spezielles Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Energieübertragungssystems 1: Die mobile Variante.
Sie löst das Problem, wenn ein Fahrzeug auf halber Strecke plötzlich
stehen bleibt und eine Tankstelle, wie sie in dieser Anmeldung beschrieben
ist, nicht mehr erreichen kann. Es sei hier nur auf die wesentlichen
Bezugszeichen eingegangen. Die Bezugszeichen der erfindungswesentlichen
Teile des Fahrzeugs 100 entsprechen den Bezugszeichen in
den 1 bis 3. Die Bezugszeichen des fahrzeugseitigen
Andockmoduls 202 des Spezialfahrzeugs 200 entsprechen
den Bezugszeichen des Andockmoduls aus dem ersten Ausführungsbeispiel,
das in den 1 bis 3 gezeigt
ist, bis auf die vorangestellte „2” bzw. „20”,
so dass sich eine dreistellige Nummer ergibt. Dazu zwei Beispiele:
Die Primärtrafoeinheit des Andockmoduls aus dem ersten
Ausführungsbeispiel trägt das Bezugszeichen 5,
die Primärtrafoeinheit des Andockmoduls aus dem zweiten
Ausführungsbeispiel trägt die Nummer 205.
Der Öffnungsstift des Andockmoduls aus dem ersten Ausführungsbeispiel hat
das Bezugszeichen 4, der Öffnungsstift des zweiten
Ausführungsbeispiels hat das Bezugszeichen 204.
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Links
ist ein Spezialfahrzeug 200 mit einem am Bug montierten
Andockmodul 202, hier natürlich ohne eine Anfahrmulde,
in Anfahrposition zu sehen. Seine eigene Sekundärtrafoeinheit – hier
nicht dargestellt – befindet sich am Heck, so dass auch
das Spezialfahrzeug 200 selbst über das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem 1 betankt
werden kann.
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Rechts
steht das elektrisch zu betankende, stehengebliebene Fahrzeug 100.
Dem Fahrzeug 100 ist während der Fahrt die elektrische
Energie ausgegangen. Mit dem erfindungsgemäßen
Energieübertragungssystem ist es nun möglich,
die leere Batterie 130 des stehengebliebenen Fahrzeugs 100 durch das
Spezialfahrzeug 200 aufzuladen, das an seinem Bug 210 ein
höhenverstellbares, durch Federn 208 und 226 gefedertes
primäres Andockmodul 202 aufweist und durch seine
Anfahrbewegung mit der Sekundärtrafoeinheit 103 des
Fahrzeugs 100, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
gezeigt, Kontakt aufnimmt. Dieses Andockmodul 202 ist dabei
handgetrieben in der Höhe auf Schienen 215 verstellbar. Der Öffnungsstift 204 des
Spezialfahrzeugs 200 ist dabei in einer Ausnehmung 295 versenkbar,
um zu verhindern, dass der Öffnungsstift 204 durch
Fremdeinwirkung abbricht. Dabei kann auch diese Ausnehmung 295 mit
einem Deckel geschützt und mit einem Schloss vor unbefugter
Benutzung abgeriegelt werden.
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Zur
Energieübertragung ist die Primärtrafoeinheit 203 des
Andockmoduls 202 des Spezialfahrzeugs 200 ebenfalls über
direkte magnetische Kopplung mit der Sekundärtrafoeinheit 103 des
Fahrzeugs 100 und wiederum mit dessen Batterie 130 verbunden.
Die Energieübertragung verläuft somit analog zu
der im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Energieübertragung.
Die primärseitige Spannungsversorgungsquelle ist in diesem
Ausführungsbeispiel die Batterie 230 des Spezialfahrzeugs 200. Es
kann auch eine zusätzliche Batterie 230' verwendet
werden, die unabhängig von der antriebseigenen Batterie 230 des
Spezialfahrzeugs 200 die Batterie 130 des stehengebliebenen
Fahrzeugs 100 auflädt.
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Alle
beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im
Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 94/10004
A1 [0003, 0004, 0008]