DE102011089339A1

DE102011089339A1 - Induktives Übertragen von Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule eines elektromobilen Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011089339A1
Application number: DE102011089339A
Authority: DE
Inventors: Thomas Röhrl; Jörg Grotendorst; Lutz-Wolfgang Tiede
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013092361A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule (195) zu einer Sekundärspule (132) eines einen elektrischen Energiespeicher (110) aufweisenden elektromobilen Kraftfahrzeugs (100) beschrieben. Die Vorrichtung (130) weist auf (a) ein Grundelement (134), welches an dem elektromobilen Kraftfahrzeug (100) anbringbar ist, (b) die Sekundärspule (132), welche mit dem elektrischen Energiespeicher (110) energetisch koppelbar ist, wobei zumindest ein Teil (132b) der Sekundärspule (132) relativ zu dem Grundelement (134) bewegbar gelagert ist, und (c) ein Stellglied (136), mittels welchem zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) relativ zu dem Grundelement (134) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei sich in der ersten Position zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) näher an dem Grundelement (134) befindet als in der zweiten Position. Es wird ferner ein Kraftfahrzeug (100) mit einer derartigen Vorrichtung (130), eine entsprechende einer Fahrbahn zugeordnete Vorrichtung mit einer bewegbaren Primärspule sowie ein Verfahren zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung (130) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Ladens eines elektrischen Energiespeichers eines elektromobilen Fahrzeugs wie beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule eines einen elektrischen Energiespeicher aufweisenden elektromobilen Kraftfahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektromobiles Kraftfahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einer derartigen Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie.
Unter dem Begriff Elektromobilität wird üblicherweise eine Nutzung von Elektrofahrzeugen für unterschiedliche Verkehrsbedürfnisse bezeichnet. Dazu zählen seit langer Zeit schienengebundene Fahrzeuge. In jüngster Zeit erstreckt sich die Elektromobilität jedoch zunehmend auch auf Kraftfahrzeuge, die eher dem Individualverkehr zugeordnet werden. In der Zukunft ist eine Fortsetzung dieses Trends zu erwarten.
Elektromobile Kraftfahrzeuge wie Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen typischerweise einen elektrochemischen und/oder einen elektrostatischen Energiespeicher auf, der einen Elektromotor zum Antreiben des betreffenden elektromobilen Kraftfahrzeugs mit der notwendigen Energie versorgt. Bei einem elektrochemischen Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie mit vorzugeweise einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen erfolgt dabei (a) im Falle einer Ladung eine Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und (b) im Falle einer Entladung eine Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Bei einem elektrostatischen Energiespeicher wie zum Beispiel einem sog. Doppelschichtkondensator erfolgt eine elektrische Ladung bzw. eine elektrische Entladung von bevorzugt mehreren Doppelschichtkondensatoren.
Ein elektrischer Energiespeicher eines elektromobilen Kraftfahrzeugs wird üblicherweise mittels eines stationären Stromnetzes aufgeladen. Das Aufladen kann dabei über Kabel und/oder Steckverbindungen erfolgen. Alternativ kann ein Aufladen eines elektrischen Energiespeichers jedoch auch kontaktlos mittels eines sog. induktiven (magnetisch drahtlosen) Ladens erfolgen, wie es z.B. (mit wesentlichen geringeren Ladeleistungen) bei elektrischen Zahnbürsten bekannt ist.
Das induktive Aufladen hat zwar den unbestrittenen Vorteil eines deutlich höheren Komforts, jedoch tritt in der Praxis stets ein mehr oder weniger großer Luftspalt zwischen einer einer stationären Ladestation zugeordneten Primärspule und einer dem jeweiligen elektromobilen Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule auf. Da die Größe dieses Luftspalts ein direktes Maß für den Kopplungsfaktor oder die Kopplungsstärke zwischen der Energie abgebenden Primärspule und der Energie aufnehmenden Sekundärspule ist, wird durch einen Luftspalt der Wirkungsgrad der Energieübertragung verschlechtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übertragung von Energie bei einem induktiven Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektromobilen Fahrzeugs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule eines einen elektrischen Energiespeicher aufweisenden elektromobilen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) ein Grundelement, welches an dem elektromobilen Kraftfahrzeug anbringbar ist, (b) die Sekundärspule, welche mit dem elektrischen Energiespeicher energetisch koppelbar ist, wobei zumindest ein Teil der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement bewegbar gelagert ist, und (c) ein Stellglied, mittels welchem zumindest der Teil der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei sich in der ersten Position zumindest der Teil der Sekundärspule näher an dem Grundelement befindet als in der zweiten Position.
Der beschriebenen induktiven Energieübertragungsvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch ein adaptives Positionieren von einer Sekundärspule oder einem Teil einer Sekundärspule relativ zu einer Primärspule im Vorfeld oder während eines induktiven Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers die Größe eines Luftspaltes zwischen der Primärspule und der Sekundärspule minimiert werden kann. Ein minimierter Luftspalt führt dann in bekannter Weise dazu, dass die induktive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule verbessert und damit insgesamt die Effizienz der induktiven Energieübertragung verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil durch eine Minimierung des Luftspaltes kann darin bestehen, dass die Stärke von aus biomedizinischen Gründen unerwünschten elektromagnetischen Streufeldern (sog. EMV-Smog) reduziert wird.
Unter dem Begriff "energetisch koppelbar" ist nicht nur eine direkte sondern insbesondere auch eine indirekte Kopplung zwischen der Sekundärspule und dem elektrischen Energiespeicher zu verstehen. In der Praxis muss nämlich häufig die in der Sekundärspule induzierte Spannung noch in der Höhe und/oder in der Form insbesondere mittels einer Gleichrichtung angepasst werden. Ferner muss häufig auch der Ladestrom, welcher in den elektrischen Energiespeicher fließt, überwacht bzw. konstant gehalten werden. Für diese Zusatzfunktionen kann noch eine Reihe von elektrischen und/oder elektronischen "Zwischenkomponenten" zwischen der Sekundärspule und dem elektrischen Energiespeicher notwendig sein.
Unter dem o.g. Begriff "adaptives Positionieren" kann insbesondere verstanden werden, dass im Vorfeld oder während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers, nachdem mittels des Stellglieds die Sekundärspule oder der Teil der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement in die zweite Position gebracht worden ist, die Sekundärspule oder der Teil der Sekundärspule mit der Oberseite (eines Gehäuses) der Primärspule, welche beispielsweise in einer Fahr- bzw. Standfläche für das elektromobile Kraftfahrzeug integriert ist, in mechanischem Kontakt kommt. Dies bedeutet, dass die zweite Position bei dem elektromobilen Fahrzeug (a) durch eine Bodenfreiheit des elektromobilen Fahrzeugs und (b) durch einen ggf. vorhandenen Höhenunterschied zwischen (b1) der Oberfläche der Fahr- bzw. Standfläche und (b2) der Oberseite (eines Gehäuses) der Primärspule bestimmt wird.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die räumliche Lage der ersten Position unabhängig von der Dimension und/oder der relativen räumlichen Anordnung von verschiedenen Komponenten eines Systems bestehend aus dem elektromobilen Kraftfahrzeug (mit der beschriebenen Energieübertragungsvorrichtung) und der Primärspule ist. Die beschriebene Energieübertragungsvorrichtung sollte lediglich derart ausgebildet sein, dass, wenn sich zumindest die Sekundärspule oder der Teil der Sekundärspule in der ersten Position befindet, eine Fahrbewegung des elektromobilen Fahrzeugs erfolgen kann, ohne dass eine Beschädigung der Sekundärspule an einem ggf. unebenen Fahrbahnuntergrund zu besorgen wäre.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene Stellglied die Sekundärspule bzw. den Teil der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement nicht nur zwischen den beiden genannten Positionen bewegen kann. Vielmehr kann das Stellglied auch derart ausgebildet sein, dass mehr als zwei Positionen und insbesondere eine oder mehrere Zwischenpositionen zwischen zwei Endlagenpositionen angenommen werden können. Im Prinzip kann eine beliebige Anzahl von Zwischenpositionen eingenommen oder sogar eine kontinuierliche Positionierung der Sekundärspule bzw. des Teils der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement durchgeführt werden.
Unter dem Begriff "elektromobiles Kraftfahrzeug" können alle Fahrzeuge verstanden werden, welche einen Elektromotor an Bord haben, welcher zumindest teilweise, d.h. zumindest in bestimmten Betriebszuständen zum Einsatz kommt. Elektromobile Kraftfahrzeuge können insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge sein. Bei dem elektromobilen Kraftfahrzeug kann es sich um ein Zweirad oder ein Kraftfahrzeug mit drei, vier oder mehr als vier Rädern handeln.
Unter dem Begriff "Elektrofahrzeug" ist in diesem Dokument jedes ausschließlich mittels elektrischer Energie angetriebenes Fahrzeug zu verstehen. Ein Elektrofahrzeug treibt seine Räder grundsätzlich mittels eines Elektromotors an. Die dafür notwendige Antriebsenergie wird insbesondere in Form von aufladbaren Akkumulatoren im Fahrzeug mitgeführt.
Unter dem Begriff "Hybridfahrzeug" ist in diesem Dokument ein Fahrzeug zu verstehen, das neben einem Elektromotor noch mindestens einen weiteren Energie-Umwandler, insbesondere einen Verbrennungsmotor, aufweist, um einen Vortrieb des elektromobilen Fahrzeugs zu realisieren. Demzufolge muss in einem Hybridfahrzeug neben einem elektrischen Energiespeicher noch mindestens ein weiterer Energiespeicher, insbesondere ein Kraftstofftank, eingebaut sein, um das Hybridfahrzeug in allen Betriebssituationen mit der notwendigen Energie zu versorgen.
Das beschriebene Stellglied kann jedes beliebige Stellorgan sein, mittels welchem die Sekundärspule oder zumindest der Teil der Sekundärspule von der ersten Position in die zweite Position und/oder umgekehrt von der zweiten Position in die erste Position bewegt werden kann. Dabei kann das Stellglied auch ein manuell zu betätigendes Bedienorgan sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Stellvorrichtung auf, welche mit dem Stellglied gekoppelt ist.
Die Stellvorrichtung kann jeder beliebige Aktor sein, welcher als Antwort auf geeignete elektronische Signale, welche z. B. von einem Steuerungscomputer ausgehende Befehle darstellen, das Stellglied in geeigneter Weise mechanisch bewegt, so dass die gewünschte Positionsänderung der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule umgesetzt wird. Die beschriebene Stellvorrichtung kann beispielsweise ein elektrischer Stellmotor sein. Eine motorisierte und/oder automatische Bewegung kann jedoch nicht nur mittels eines elektrischen Stellmotors sondern beispielsweise unter Verwendung von einem magnetischen, pneumatischen und/oder hydraulischen Antrieb realisiert werden.
Ein motorisiertes und/oder auch automatisches Bewegen der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule hat gegenüber einer manuell erzeugten Betätigung des Stellglieds den Vorteil, dass ein Benutzer und insbesondere ein Fahrzeuglenker von manuellen Handgriffen entlastet wird.
Die Bewegung der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule von der ersten Position in die zweite Position kann beispielsweise allein durch die Schwerkraft oder mit Unterstützung der Schwerkraft erfolgen, welche auf die Sekundärspule oder zumindest auf den Teil der Sekundärspule wirkt. Die Bewegung der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule von der zweiten Position zurück in die erste Position kann entgegen der Schwerkraft mittels einer geeigneten Ansteuerung des Stellmotors erfolgen.
Selbstverständlich kann auch sowohl die Bewegung von der ersten Position in die zweite Position als auch umgekehrt von der zweiten Position in die erste Position von dem beschriebenen Stellmotor veranlasst werden.
Die für die Bewegung zwischen den beiden Positionen geeignete Prozedur (entweder Senken mittels der Schwerkraft und aktives Heben mittels des Stellmotors oder aktives Senken und Heben mittels des Stellmotors) kann je nach verfügbarem Bauraum, je nach gewünschter Funktion und/oder je nach vorhandenen Sicherheitsanforderungen gewählt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Rückstellfeder auf, welche derart mit dem Stellglied gekoppelt ist, dass die erste Position eine Vorzugsposition von zumindest dem Teil der Sekundärspule darstellt. Dies kann bedeuten, dass die genannte Sekundärspule oder der genannte Teils der Sekundärspule ohne eine Kraftausübung von dem Stellmotor in der ersten Position gehalten oder zurück nach einer Auslenkung aus der ersten Position zurück in die erste Position gedrückt oder gezogen wird. Die Vorzugsposition stellt somit vor einem Ladevorgang, der nach einem Absenken zumindest des Teils der Sekundärspule auf die Primärspule beginnt, eine Ausgangsposition dar, welche vorzugsweise auch während einer Fahrt des elektromobilen Kraftfahrzeugs eingenommen wird, um eine Beschädigung der Sekundärspule insbesondere durch einen unebenen Fahrbahnbelag zuverlässig zu vermeiden.
Die beschriebe Rückstellfeder kann insbesondere dazu führen, dass ein Bewegen (Absenken) der Sekundärspule oder des Teils der Sekundärspule entgegen der Federkraft der Rückstellfeder mittels des Stellmotors erfolgt. Die entgegengesetzte Bewegung von der zweiten Position in die erste Position erfolgt dann entweder vollständig mittels dieser Federkraft oder gemeinsam mittels des Stellmotors und dieser Federkraft.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen Sicherungsmechanismus auf, welcher derart ausgebildet ist, dass erst nach einer Freigabe des Sicherungsmechanismus zumindest der Teil der Sekundärspule in die zweite Position bewegbar ist.
Der beschriebene Sicherungsmechanismus kann auf vorteilhafte Weise dazu beitragen, dass während einer Fahrt des elektromobilen Kraftfahrzeugs ein versehentliches Bewegen der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule in die zweite Position verhindert wird.
Der beschriebene Sicherungsmechanismus kann jede beliebige Einrichtung sein, welche erst nach einer Deaktivierung eine Bewegung der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule weg von der ersten Position erlaubt. Der Sicherungsmechanismus kann elektrisch, magnetisch und/oder mechanisch (beispielsweise mittels eines mechanischen Eingriffs) wirken.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass unabhängig von der Art des verwendeten Stellgliedes eine Verrastung der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule in zumindest einer Position relativ zu dem Grundelement insbesondere im Hinblick auf eine mechanisch einfache Realisierung der beschriebenen Vorrichtung hilfreich sein kann.
Insbesondere kann ein Herablassen der Sekundärspule oder zumindest des Teils der Sekundärspule von dem beschriebenen Sicherungsmechanismus erst dann freigegeben werden, wenn sich das elektromobile Kraftfahrzeug in einer geeigneten Ladeposition befindet, bei der die Sekundärspule räumlich mit der Primärspule ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhang kann räumlich ausgerichtet insbesondere bedeuten, dass die Primärspule und die Sekundärspule auf einer gemeinsamen Achse liegen, welche parallel zu der Richtung der Bewegung von der ersten Position zur zweiten Position verläuft.
Ferner kann im Sinne einer hohen Betriebssicherheit der Sicherungsmechanismus derart ausgebildet sein, dass das elektromobile Kraftfahrzeug nur dann fahrbereit ist, wenn die Sekundärspule oder zumindest der Teil der Sekundärspule in einem Fahrzeugboden des elektromobile Kraftfahrzeug eingezogen und verriegelt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Grundelement ein Gehäuse auf, in welchem zumindest der Teil der Sekundärspule aufgenommen ist, wenn es sich in der ersten Position befindet. Die Aufnahme der Sekundärspule oder zumindest des beschriebenen Teils der Sekundärspule in einem Gehäuse kann den Vorteil haben, dass sich die Sekundärspule und insbesondere der bewegliche Teil oder die beweglichen Teile der Sekundärspule vor unerwünschten Verschmutzungen geschützt werden können. Dadurch kann auf einfache Weise die Betriebssicherheit der beschriebenen Vorrichtung erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die gesamte Sekundärspule mittels des Stellglieds bewegbar. Dies kann den Vorteil haben, dass die induktive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule maximiert und ferner unerwünschte elektromagnetische Streufelder minimiert werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mittels des Stellglieds lediglich ein Teil der Sekundärspule, insbesondere ein Spulenkern, bewegbar. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise nicht erforderlich, die gesamte Sekundärspule zu bewegen und insbesondere den elektrischen Teil der Sekundärspule und die dafür notwendigen elektrischen Anschlüsse relativ zu dem Grundelement der beschriebenen Energieübertragungsvorrichtung in einer festen räumlichen Position zu belassen. Dadurch können auf einfache Weise mögliche Anschlusskontaktfehler vermieden werden.
Der Spulenkern kann aus jedem beliebigen permeablen Werkstoff wie z.B. einem Ferrit hergestellt sein. Insbesondere kann der Spulenkern in Form eines Blechpaketes realisiert sein, welches in bekannter Weise eine "Führung" von magnetischen Feldlinien zwischen der Primärspule und der Sekundärspule bewirkt. Dabei kann der Spulenkern in bekannter Weise zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten in Form von einer gestapelten Anordnung von flächigen Spulenkernelementen realisiert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektromobiles Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, beschrieben. Das beschriebene elektromobile Kraftfahrzeug weist auf (a) ein Fahrzeugchassis, (b) einen elektrischen Energiespeicher und (c) eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie. Das Grundelement ist an dem Fahrzeugchassis angebracht und die Sekundärspule ist mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt.
Dem beschriebenen elektromobilen Kraftfahrzeug liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die vorstehend beschriebene Energieübertragungsvorrichtung einfach an einem Fahrzeugchassis und bevorzugt an einem Fahrzeugboden des elektromobilen Kraftfahrzeugs angebracht werden kann und dass damit bei einem Ladevorgang eines elektrischen Energiespeichers des elektromobilen Kraftfahrzeugs auf einfache Weise eine Luftspaltminimierung zwischen (a) einer in einer Fahrbahn integrierten Primärspule und (b) der Sekundärspule oder des Teils der Sekundärspule realisiert werden kann. Diese Luftspaltminimierung führt dann dazu, dass, wie bereits vorstehend beschrieben, die Effizienz der induktiven Energieübertragung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule erhöht wird.
Bevorzugt ist die Primärspule möglichst eben in der Fahrbahn verbaut, so dass ein Überfahren der Primärspule auch bei einer geringen Bodenfreiheit zu keinen Schäden an der Primärspule und/oder am beschriebenen elektromobilen Kraftfahrzeug führt. Um derartige Schäden zu vermeiden ist der bewegliche Teil der vorstehend beschriebenen Energieübertragungsvorrichtung am elektromobilen Kraftfahrzeug verbaut.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Grundelement derart an dem Fahrzeugchassis angebracht, dass die gesamte Vorrichtung, wenn sich zumindest der Teil der Sekundärspule in der ersten Position befindet, vollständig in dem elektromobilen Kraftfahrzeug versenkt ist. Dies hat den Vorteil, dass während einer Fahrt des beschriebenen elektromobilen Kraftfahrzeugs durch die Energieübertragungsvorrichtung keine zusätzlichen abstehenden Komponenten oder Strukturen vorhanden sind, welche beispielsweise bei einem steinigen Untergrund beschädigt werden könnten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule beschrieben, welche energetisch mit einem elektrischen Energiespeicher eines elektromobilen Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) ein Grundelement, welches an einer Fahrbahn für das elektromobile Kraftfahrzeug anbringbar ist, (b) die Primärspule, welche mit einer elektrischen Energieversorgung energetisch koppelbar ist, wobei zumindest ein Teil der Primärspule relativ zu dem Grundelement bewegbar gelagert ist, und (c) ein Stellglied, mittels welchem zumindest der Teil der Primärspule relativ zu dem Grundelement zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei sich in der ersten Position zumindest der Teil der Primärspule näher an dem Grundelement befindet als in der zweiten Position.
Auch der beschriebenen induktiven Energieübertragungsvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch ein adaptives Positionieren von einer Primärspule oder von einem Teil einer Primärspule relativ zu einer Sekundärspule im Vorfeld oder während eines induktiven Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers die Größe eines Luftspaltes zwischen der Primärspule und der Sekundärspule minimiert werden kann.
Unter dem Begriff "Fahrbahn" kann in diesem Zusammenhang jede Art von Untergrund oder Boden verstanden werden, auf dem sich das elektromobile Kraftfahrzeug während des Ladevorgangs befindet.
Unter dem Begriff "elektrische Energieversorgung" kann jede Art von Vorrichtung verstanden werden, welche in der Lage ist, die Primärspule so zu erregen, dass ein induktives Übertragen von elektrischer Energie von der Primärspule zu der Sekundärspule möglich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule eines elektromobilen Kraftfahrzeugs beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Positionieren des elektromobilen Kraftfahrzeugs relativ zu der Primärspule, so dass die Sekundärspule zumindest annähernd mit der Primärspule räumlich ausgerichtet ist, (b) ein Bewegen zumindest des Teils der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement von der ersten Position in die zweite Position, wobei ein Luftspalt zwischen der Primärspule und zumindest dem Teil der Sekundärspule verkleinert wird, und (c) ein induktives Übertragen der elektrischen Energie von der Primärspule zu der Sekundärspule.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch ein adaptives Positionieren von einer Sekundärspule oder einem Teil einer Sekundärspule an einer Primärspule im Vorfeld oder während eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers die Größe eines Luftspaltes zwischen der Primärspule und der Sekundärspule minimiert werden kann. Ein minimierter Luftspalt führt dann in bekannter Weise dazu, dass die induktive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule verbessert und damit insgesamt die Effizienz der induktiven Energieübertragung bis hin zu dem elektrischen Energiespeicher verbessert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Bewegen der Sekundärspule oder des Teils der Sekundärspule relativ zu dem Grundelement nicht nur eine vertikale Bewegung (d.h. parallel oder antiparallel zu der Richtung der Schwerkraft) sondern ggf. auch eine horizontale Bewegung (d.h. senkrecht zu der Richtung der Schwerkraft) umfassen kann. Dies bedeutet, dass das o.g. Vorrichtung und insbesondere die o.g. Stellvorrichtung eine Aktorik aufweist, welche auch eine horizontale Ausrichtung der Sekundär- zur Primärspule ermöglicht, so dass auch auf diese Weise der Luftspalt verkleinert werden kann. Bevorzugt wird für eine vertikale und für eine horizontale Ausrichtung die gleiche Aktorik verwendet.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt ein elektromobiles Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Ladevorgang.
2 zeigt das elektromobiles Kraftfahrzeug während eines Fahrbetriebs.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
1 zeigt ein elektromobiles Kraftfahrzeug 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines induktiven Ladevorgangs, bei dem ein elektrischer Energiespeicher 110 des Kraftfahrzeugs 100 aufgeladen wird.
Das elektromobile Kraftfahrzeug 100 weist ein Fahrzeugchassis 104, eine Fahrgastzelle 106 und vier Reifen 102 auf. In der Schnittdarstellung von 1 sind nur zwei Reifen zu sehen.
Die Energie, welche induktiv in das Fahrzeug 100 bzw. in den Energiespeicher 110 eingespeist wird, wird in bekannter Weise von einer Primärspule 195 bereitgestellt, welche gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in einem Fahrbahnbelag 190 integriert ist. Alternativ kann die Primärspule 195 beispielsweise in einer (privaten) Garage auch zumindest teilweise oberhalb des Untergrunds angeordnet sein. Die induktive Energieübertragung erfolgt zwischen der Primärspule 195 und einer Sekundärspule 132 einer Energieübertragungsvorrichtung 130. Wie aus 1 ersichtlich, weist die Energieübertragungsvorrichtung 130 ein Grundelement 134 auf, welches an einem unteren Teil des Fahrzeugchassis 104 angebracht ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Grundelement als ein Gehäuse 134 ausgebildet.
Die Sekundärspule 132 weist stationäre Spulenwicklungen 132a und einen entlang einer vertikalen z-Richtung verschiebbaren Spulenkern 132b auf. Mittels eines Stellgliedes 136, welches manuell oder mittels eines geeigneten Aktors betätigt werden kann, kann der Spulenkern 132b entlang der z-Achse verschoben werden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Verschiebung des Spulenkerns 132b ein Stellmotor 138 verwendet, welcher auf dem Gehäuse 134 angeordnet ist.
Zum induktiven Laden des elektrischen Energiespeichers 110 wird, nachdem das Fahrzeug 100 so positioniert wurde, dass sich die Sekundärspule 132 unmittelbar oberhalb der im Fahrbahnbelag 190 integrierten Primärspule 195 befindet, der Spulenkern 132b entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 137 von dem Stellmotor 138 in Verbindung mit dem Stellglied 136 nach unten bewegt, bis der Spulenkern 132b (sanft) an der Primärspule 195 aufliegt. In diesem Fall ist ein Luftspalt zwischen (a) der Primärspule 195 auf der einen Seite und (b) dem Spulenkern 132b auf der anderen Seite minimiert. Dadurch wird die induktive Energieübertragung zwischen der Primärspule 195 und der Sekundärspule 132 nicht nur besonders effizient sondern beispielsweise im Hinblick auf unerwünschte magnetische Streufelder auch besonders sicher.
Nach Beendigung des Ladevorgangs wird der Spulenkern 132b von der Rückstellfeder 137 und/oder von dem Stellmotor 138 in Verbindung mit dem Stellglied 136 wieder nach oben bewegt, bis der Spulenkern 132b vollständig im Fahrzeugboden des Fahrzeugs 100 eingezogen ist. Dieser Zustand ist in 2 schematisch illustriert. Es ist ersichtlich, dass sich keine Komponente der Energieübertragungsvorrichtung 130 mehr unterhalb des Fahrzeugbodens befindet.
Nach dem Einfahren des Spulenkerns 132b kann das Fahrzeug 100 dann bewegt bzw. gefahren werden, ohne dass eine Beschädigung der Sekundärspule an einem ggf. unebenen Fahrbahnuntergrund zu besorgen wäre.
Um ein versehentliches Absenken des Spulenkerns 132b während der Fahrt zu verhindern, weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Energieübertragungsvorrichtung 130 noch einen Sicherungsmechanismus 140 auf, welcher während der Fahrt den Spulenkern 132b in der oberen Position arretiert. Erst nach einem Deaktivieren des Sicherungsmechanismus 140 kann der Spulenkern 132b dann zum Zwecke eines weiteren Ladevorgangs wieder nach unten abgesenkt werden.
Die in diesem Dokument beschriebene induktive Energieübertragungsvorrichtung weist unter anderem folgenden Vorteile auf:

(A) Durch die Möglichkeit des Minimierens des Luftspaltes kann die Effizienz des induktiven Ladevorgangs erheblich verbessert werden, ohne dass die Fahrfunktion und/oder die Fahrsicherheit negativ beeinträchtigt und/oder ein umständliches Hantieren eines Benutzers notwendig werden.
(B) Hochstromleitungen oder Hochstrom führende Komponenten müssen relativ zu dem Fahrzeugchassis des Fahrzeugs nicht bewegt werden, wodurch eine besonders hohe funktionale Sicherheit gewährleistet werden kann.
(C) Durch eine Minimierung des Luftspaltes können ferner EMV-Probleme reduziert werden, da alle Spulen und hochfrequent betriebene Kabel in einem geschirmten Gehäuse verbleiben können.

Der Luftspalt kann so klein werden, dass auch an dieser Stelle nur sehr geringe elektromagnetische Störungen austreten.

Claims

Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule (195) zu einer Sekundärspule (132) eines einen elektrischen Energiespeicher (110) aufweisenden elektromobilen Kraftfahrzeugs (100), insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs (100), die Vorrichtung (130) aufweisend ein Grundelement (134), welches an dem elektromobilen Kraftfahrzeug (100) anbringbar ist, die Sekundärspule (132), welche mit dem elektrischen Energiespeicher (110) energetisch koppelbar ist, wobei zumindest ein Teil (132b) der Sekundärspule (132) relativ zu dem Grundelement (134) bewegbar gelagert ist, und ein Stellglied (136), mittels welchem zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) relativ zu dem Grundelement (134) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei sich in der ersten Position zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) näher an dem Grundelement (134) befindet als in der zweiten Position.
Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Stellvorrichtung (138), welche mit dem Stellglied (136) gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Rückstellfeder (137), welche derart mit dem Stellglied (136) gekoppelt ist, dass die erste Position eine Vorzugsposition von zumindest dem Teil der Sekundärspule (132) darstellt.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Sicherungsmechanismus (140), welcher derart ausgebildet ist, dass erst nach einer Freigabe des Sicherungsmechanismus (140) zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) in die zweite Position bewegbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Grundelement ein Gehäuse (134) aufweist, in welchem zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) aufgenommen ist, wenn es sich in der ersten Position befindet.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels des Stellglieds (136) die gesamte Sekundärspule (132) bewegbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels des Stellglieds (136) lediglich ein Teil (132b) der Sekundärspule (132), insbesondere ein Spulenkern (132b), bewegbar ist.
Elektromobiles Kraftfahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, das elektromobile Kraftfahrzeug (100) aufweisend ein Fahrzeugchassis (104), einen elektrischen Energiespeicher (110), eine Vorrichtung (130) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Grundelement (134) an dem Fahrzeugchassis (1104) angebracht ist und wobei die Sekundärspule (132) mit dem elektrischen Energiespeicher (110) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Grundelement (134) derart an dem Fahrzeugchassis (104) angebracht ist, dass die gesamte Vorrichtung (130), wenn sich zumindest der Teil (132b) der Sekundärspule (132) in der ersten Position befindet, vollständig in dem elektromobilen Kraftfahrzeug (100) versenkt ist.
Vorrichtung zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule zu einer Sekundärspule, welche energetisch mit einem elektrischen Energiespeicher eines elektromobilen Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, die Vorrichtung aufweisend ein Grundelement, welches an einer Fahrbahn für das elektromobile Kraftfahrzeug anbringbar ist, die Primärspule, welche mit einer elektrischen Energieversorgung energetisch koppelbar ist, wobei zumindest ein Teil der Primärspule relativ zu dem Grundelement bewegbar gelagert ist, und ein Stellglied, mittels welchem zumindest der Teil der Primärspule relativ zu dem Grundelement zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei sich in der ersten Position zumindest der Teil der Primärspule näher an dem Grundelement befindet als in der zweiten Position.
Verfahren zum induktiven Übertragen von elektrischer Energie von einer Primärspule (195) zu einer Sekundärspule (132) eines elektromobilen Kraftfahrzeugs (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, das Verfahren aufweisend Positionieren des elektromobilen Kraftfahrzeugs (100) relativ zu der Primärspule (195), so dass die Sekundärspule (132) mit der Primärspule (195) zumindest annähernd räumlich ausgerichtet ist, Bewegen zumindest des Teils (132b) der Sekundärspule (132) relativ zu dem Grundelement (134) von der ersten Position in die zweite Position, wobei ein Luftspalt zwischen der Primärspule (195) und zumindest dem Teil der Sekundärspule (132) verkleinert wird, und induktives Übertragen der elektrischen Energie von der Primärspule (195) zu der Sekundärspule (132).