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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung und einer damit induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung, eine Primärspulenanordnung für eine solche Vorrichtung, eine Sekundärspulenanordnung für eine solche Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen Sekundärspulenanordnung.
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Die
WO 2010/093 997 A1 und die
WO 2008/035248 A2 zeigen Vorrichtungen zur berührungslosen Energieübertragung.
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In der
DE 40 23 792 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Näherungsschalters mit Befestigungshöhe beschrieben.
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Die
EP 2 146 375 A1 zeigt ein Halbleitermodul. In der
US 2008/0029890 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips offenbart. In der
US 6,839 963 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines IC Chips gezeigt.
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In der
US 5 821 731 A ist ein Verbindungsystem zum Laden einer Autobatterie gezeigt.
US 2010/0117596 A1 zeigt ein Batterieladesystem zum kontaktlosen Laden einer Fahrzeugbatterie.
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Vorrichtungen und Verfahren werden zum berührungslosen Laden einer Energiespeichereinheit eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges, wie beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs, eines Lastkraftfahrzeugs, eines Fahrrads, eines Zweiradkraftfahrzeugs (Motorrades, Rollers oder dergleichen), eines Dreiradkraftfahrzeugs (Trikes oder dergleichen), eines Flugzeuges oder eines Wasserkraftfahrzeuges verwendet. Sie weisen üblicherweise eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, die jeweils in einem plattenförmigen Gehäuse angeordnet sind und derart gegenüberliegend angeordnet werden können, dass mittels dem Verfahren der Gegeninduktion eine mit der Sekundärspule verbundene Energiespeichereinheit geladen werden kann. Die Primärspule ist dabei mit einer Energiequelle, wie beispielsweise einem öffentlichen Stromnetz verbunden.
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Zur optimierten Energieübertragung ist es erforderlich, dass die plattenförmigen Gehäuse der Primärspule und der Sekundärspule im Wesentlichen derart gegenüberliegend in zwei zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet werden, dass die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule optimiert ist.
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Realisiert wird das Prinzip der berührungslosen Energieübertragung vorzugsweise mittels des Prinzips der Gegeninduktion, bei welcher eine Stromänderung in der Spule des Primärspulensystems eine Veränderung des Flusses durch die Spule des Sekundärspulensystems, in welcher dann eine Spannung erzeugt wird, bewirkt wird. Durchsetzt der von der Primärspule erzeugte magnetische Fluss die Sekundärspule, entsteht nämlich eine magnetische Kopplung der beiden Spulensysteme.
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Dabei ist die Sekundärspule vorzugsweise in einem Bereich des Fahrzeuges und die Primärspule in einem Bereich außerhalb des Fahrzeuges, wie beispielsweise einem Boden-, Wand- oder Deckenbereich einer Garage oder eines Stellplatzes bzw. eines Parkplatzes des Fahrzeuges angeordnet.
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Bekannte Vorrichtungen beziehungsweise diskret gewickelte Spulensysteme bestehen aus einem Kupferdraht, welcher um einen Wickelkörper zur Ausbildung von Spulenwicklungen angeordnet ist, wobei diese Spulen bekannterweise eine Höhe bzw. Dicke von ca. mindestens 1,5 cm bis 2 cm aufweisen. Weitere für das Gesamtsystem erforderliche elektrische Bauteile und/oder Schaltungen müssen unter Verwendung einer definiert ausgelegten Verdrahtung extern an dieses Spulensystem angeordnet werden.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 zu schaffen, die kompakt aufgebaut sowie eine sichere und zuverlässige Energieübertragung von einer Primär zu einer Sekundärspulenanordnung gewährleistet.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Durch die Erfindung ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung und einer damit induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung geschaffen, wobei die Sekundärspulenanordnung an einem eine Energiespeichereinheit aufweisenden Fahrzeug anordnenbar ist und die Primärspulenanordnung einer Energiequelle, wie beispielsweise ein öffentliches beziehungsweise nichtöffentliches Stromnetz, zuordnenbar ist und wobei die Primärspulenanordnung auf einer ersten Leiterplatte und/oder die Sekundärspulenanordnung auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet ist.
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Zur Energieübertragung selbst ist es erforderlich, dass mindestens die Primärspulenanordnung und die Sekundärspulenanordnung im Wesentlichen übereinander in zwei zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet werden.
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Dabei ist die Sekundärspulenanordnung in einem Bereich des Fahrzeuges und die Primärspulenanordnung in einem Außenbereich des Fahrzeuges, wie beispielsweise einem Boden, Wand- oder Deckenbereich einer Garage oder eines Stellplatzes bzw. eines Parkplatzes des Fahrzeuges angeordnet.
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Die Leiterplatte einer Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung weist eine Spule als Leiterbahnstruktur auf einem Leiterplattenmaterial auf, wobei die Spule vorzugsweise als Planarspule ausgebildet ist. Die gesamte Höhe des leiterplattenbasierten Spulensystem beträgt nur noch maximal 1,2 cm bis 1,5 cm, so dass die Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung vorteilhaft in der Dicke bzw. Höhe verringert wird.
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Folglich zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine Primärspulenanordnung und/oder eine Sekundärspulenanordnung aufweisende Leiterplatte und die darin angeordnete Planarspulen durch eine extrem flache Bauweise, eine mechanische Robustheit und ein geringes Gewicht aus. Zudem können derartige leiterplattenbasierten Vorrichtungen im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, kostenreduziert mit bestehenden Leiterbahnherstellungsverfahren hergestellt werden, ohne ein wesentlich prozessunsicheres Wickeln des Drahtes auf den Spulenkörper durchführen zu müssen.
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Des Weiteren können vorteilhaft zusätzliche für das Gesamtsystem erforderliche Bauteile, wie beispielsweise oberflächenmontierte Bauteile (SMD – surface mounted device) und/oder bedrahtete Bauteile in Durchsteckmontage (THT – through hole technology), d. h. beispielsweise elektrische bzw. elektronische Komponenten, wie Widerstände, Transistoren. Kondensatoren, Relais usw. in die Leiterplatte/n integriert werden. Dies kann beispielsweise erfolgen nachdem die die Spule enthaltene Leiterplatte mittels den zur Verfügung stehenden Leiterplattentechnologien hergestellt worden ist, indem auf einer äußeren Schicht (Layer) der Leiterplatte die Bauteile angeordnet und verlötet bzw. verdrahtet werden; oder auch während der Herstellung der Leiterplatte selbst, so dass die besagten Bauteile beispielsweise auf einer inneren Schicht der Leiterplatte aufgebracht bzw. integriert werden. Demzufolge ist es möglich, dass die Bauelemente direkt als Kupferschichtstruktur ausgebildet werden, während beispielsweise Widerstände mittels spezieller Pasten auf der Oberfläche oder in die verdeckten Schichten eingedruckt werden, wodurch nicht nur Bauelemente, sondern auch deren Bestückung gespart werden kann. Auch ist es denkbar, dass auf oder in den Leiterplatten Schaltkreise direkt platziert sind (chip an board/chip in board), welche direkt zur Platine gebondet und durch beispielsweise einen Tropfen Kunstharz geschützt sind.
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Dadurch kann die gesamte Leistungselektronik zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der die Primärspulenanordnung und/oder die Sekundärspulenanordnung aufweisenden Leiterplatte aufgebracht beziehungsweise darin, insbesondere in einer zwischen zwei Außenschichten der jeweiligen Leiterplatte eingebetteten Innenschicht, angeordnet werden. Es ist also keine separate Verdrahtung der Leistungselektronik mehr notwendig.
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Vorzugsweise weist die Leiterplatte deshalb eine Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten auf, wobei die Primärspulenanordnung und/oder die Sekundärspulenanordnung sowie eventuell auch weitere elektrische bzw. elektronische Bauteile in bzw. auf einer durch mindestens zwei Außenschichten eingeschlossenen Innenschichten angeordnet bzw. in dieser Innenschicht integriert sind.
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Nach einem anderen Aspekt weist wenigstens eine der Planarspulen wenigstens zwei Wicklungsbereiche auf. Die Wicklung dieser Planarspule, welche beispielsweise in runder bzw. ovaler Form oder auch in eckiger Form ausgeführt werden kann, weist eine erste Wicklung bzw. einen ersten Wicklungsbereich oder -verlauf auf, welcher beispielsweise in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt verläuft und einen daran anschließenden zweiten Wicklungsbereich, welcher beispielsweise in Richtung des Uhrzeigersinns gewickelt verläuft. Dabei erfolgt vorzugsweise die erste Wicklung des definierten Drahtes von außen nach innen in Schneckenform, während die zweite Wicklung des Drahtes von innen nach außen in Schneckenform erfolgt.
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So wird der Draht nach der ersten Wicklung im Zentrum der Wicklung in einen im Wesentlichen in Höhen- bzw. Dickenrichtung der Leiterplatte gesehenen unteren zweiten Bereich der Leiterplatte geführt und in diesem zweiten Bereich wird eine weitere Wicklung von innen nach außen stattfindet. Dadurch wird gewährleistet, dass der Draht am selben Seitenbereich der Leiterplatte dieser zugeführt, wie auch aus dieser herausgeführt werden kann.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass der Draht an einem Seitenbereich der jeweiligen Leiterplatte dieser zugeführt und an einem anderen Seitenbereich der Leiterplatte aus dieser herausgeführt wird, wenn dies erforderlich sein sollte.
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Vorzugsweise weist die Leiterplatte mindestens zwei Außenschichten und eine Innenschicht auf, wobei die Wicklung in der zwischen den Außenschichten liegenden Innenschicht angeordnet ist- Die beiden Außenschichten decken die Leiterplatte jeweils nach außen ab, so dass jeweils durch eine Außenschicht auf jeder Seite der jeweiligen Leiterplatte eine Schutzschicht gegeben ist, welche die Leiterplatte folglich vor Beschädigungen schützt.
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Zum Laden der Energiespeichereinrichtung des Fahrzeuges, welche beispielsweise eine Akkumulatoreinheit oder eine Batterie sein kann, wird das Fahrzeug zumindest bereichsweise über die Leiterplatte mit der Primärspulenanordnung bewegt, so dass die dem Fahrzeug zugeordnete Leiterplatte mit der Sekundärspulenanordnung vorzugsweise parallel oberhalb der Primärspulenanordnung ausgerichtet ist, um mittels induktiver Übertragung eine berührungslose Übertragung von elektrischer Energie von der Primärspulenanordnung an die Sekundärspulenanordnung zu ermöglichen.
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Die berührungslose bzw. kontaktlose Verbindung bzw. Übertragung zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspulenanordnung verursacht im Schnittstellenbereich zwischen den beiden Spulenanordnungen vorteilhaft keinen Verschleiß der Vorrichtungen bzw. Bauteile durch Reibung etc. sowie ebenfalls auch keine Beeinträchtigung der Übertragung durch beispielsweise auftretende Korrosion.
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Die Spulen bzw. die Wicklungen der Spulen, insbesondere der Planarspulen der Leiterplatten sind vorteilhaft gegen Verschmutzungen durch Fremdstoffe, Flüssigkeiten oder Gase durch die Außenschichten der jeweiligen Leiterplatte, welche die Spule selbst im Wesentlichen hermetisch abdichten, geschützt.
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Die mit der kontaktlosen Verbindung einhergehende galvanische Trennung ermöglicht, dass die Übertragung von elektrischer Energie auch in Bereichen mit Explosionsschutz eingesetzt werden kann, wobei jedoch bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu beachten ist, dass zwischen elektrischen Leitern der Umgebung Funken entstehen könnten.
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Vorzugsweise ist mindestens eine Spule, insbesondere eine Planarspule, mit einer im Wesentlichen in zwei übereinander liegenden Ebenen angeordneten Wicklung in beziehungsweise auf der Leiterplatte angeordnet, wobei es jedoch auch denkbar ist, dass mehrere dieser Spulen in bzw. auf der Leiterplatte angeordnet sind. Diese Spulen sind dann vorzugsweise in einem definierten Abstand zueinander im Wesentlichen gleichmäßig über die jeweilige Leiterplatte der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung verteilt angeordnet, und liegen bevorzugt im Wesentlichen in einer identischen Ebene bzgl. der Dicke der Leiterplatte.
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Durch eine derartige Segmentierung dieser Spulen, insbesondere Planarspulen, ist es möglich einen Versatz zwischen der Primärspulenanordnung mit dessen Primärspulen und der Sekundärspulenanordnung mit den Sekundärspulen in x- sowie in y-Richtung zu detektieren. Die x-Richtung steht hierbei beispielsweise für eine in Breitenrichtung des Fahrzeuges betrachtete Länge beziehungsweise Richtung, während die y-Richtung hierbei beispielsweise für eine in Fahrzeuglängsrichtung (in Fahrtrichtung) betrachtete Länge beziehungsweise Richtung steht.
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Dadurch kann beispielsweise ein im Fahrzeug oder auch außerhalb des Fahrzeuges angeordnetes Steuersystem ermitteln, welche Sekundärspulen im Wesentlichen oberhalb welcher Primärspulen angeordnet sind, indem beispielsweise die Induktivität oder auch die Kapazität der einzelnen Spulen gemessen wird. Folglich wäre es möglich, dass mittels dieser Positionsermittlung eine Richtungsanweisung an den Fahrer des Fahrzeuges ausgegeben werden kann, durch welche diesem angezeigt wird, wie weit er noch das Fahrzeug in welche Richtung bewegen muss, damit im Wesentlichen alle Sekundärspulen vorzugsweise im Wesentlichen direkt über den entsprechenden Primärspulen angeordnet sind. Die Richtungsanweisung kann natürlich auch an ein automatisiertes System des Fahrzeugs gesendet werden, durch welche die exakte Positionierung der Sekundär- zu den Primärspulen beziehungsweise der Primärspulenanordnung zu der Sekundärspulenanordnung selbsttätig erfolgt Dabei ist es möglich, dass die Primärspulenanordnung im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Primärspulen aufweist, wie die Sekundärspulenanordnung Sekundärspulen.
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Jedoch ist es ebenfalls möglich, dass beispielsweise die Primärspulenanordnung weniger Primärspulen aufweist als die Sekundärspulenanordnung Sekundärspulen oder anders herum.
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In diesem Fall ist es denkbar, dass während des Ladevorgangs der Fahrzeugbatterie die nicht mit einer Sekundärspule überlagerten Primärspulen deaktiviert werden. Dadurch kann beispielsweise vorteilhaft verhindert werden, dass Primärspulen aktiv sind, obwohl keine entsprechenden Sekundärspulen zum Übermitteln der Energie vorhanden sind, wodurch lediglich Energie ungenutzt von den Primärspulen abgeleitet werden würde, ohne dass diese Energie von einer Sekundärspule genutzt werden könnte. Damit würden ansonsten nämlich erhöhte Energiekosten verursacht werden.
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Die vorzugsweise auf den Leiterplatten angeordneten bzw. in den Leiterplatten integrierten elektrischen bzw. elektronischen Bauteile aus beispielsweise dem Bereich der Leistungselektronik können während ihres Betriebes eine enorme Verlustenergie in Form von Wärmestrahlung abgeben, welche vorzugsweise derart von den Bauteilen abgeleitet werden muss, dass diese nicht überhitzen und aufgrund der Überhitzung ausfallen bzw. eine irreparable Beschädigung erleiden. dass in der Innschicht beziehungsweise den Innenschichten wenigstens eine wärmeableitende Schicht eingebettet ist, welche sich wenigstens teilweise von der einen Außenschichten zu der anderen Außenschicht erstreckt, wobei die Schicht vorzugsweise aus Kupfer oder einem ähnlich gut wärmeleitenden Material besteht. Durch diese Maßnahme kann die in der jeweiligen Leiterplatte der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung entstehende Wärmeenergie gut abgeführt werden.
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Um die Wärmeableitung nochmals zu verbessern, hat es sich bewährt, dass die Außenschicht der jeweiligen Leiterplatte der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung einen Kühlkörper aufweist, der vorzugsweise aus Aluminium oder einem ähnlich gut wärmeleitenden Material besteht. Ein solcher Kühlkörper ist in der Lage, die aus dem Inneren der Leiterplatte der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung abgeleitete Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben.
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Vorzugsweise erstreckt sich die wärmeableitende Schicht zumindest teilweise bis in den Kühlkörper, wodurch dieser mit der wärmeableitende Schicht in Kontakt steht und somit eine gute Wärmeübertragung auf den Kühlkörper gegeben ist, so dass dieser besonders gut die aus dem Inneren der Leiterplatte der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung abgeleitete Wärmeenergie an die Umgebung abgeben kann.
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Nach einem anderen Gedanken weist wenigstens eine der Leiterplatten in wenigsten einer Ebene der Innenschichten eine durchschlagsfeste Schicht auf, so dass verschiedene Innenschichen elektrisch beziehungsweise elektronisch voneinander getrennt sind und auch hohe Spannungen keinen Durchschlag durch diese Schicht verursachen können. Die durchschlagsfeste Schicht besteht dabei vorzugsweise aus Kapton oder einem ähnlich durchschlagsfesten Material.
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Zur Vereinfachung der Platzierung bzw. Ausrichtung der Sekundärspulenanordnung und oder der Primärspulenanordnung weist in einem nicht beanspruchten Beispiel wenigstens eine der Leiterplatten Mittel auf, um die Leiterplatten senkrecht zur Ebene ihrer Längserstreckung und/oder in der Ebene ihrer Längserstreckung zu verfahren und/oder die Ebene ihrer Längserstreckung zu verschwenken. Es wird also im Wesentlichen eine beweglich angeordnete Primärspulenanordnung und/oder Sekundärspulenanordnung geschaffen.
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Dieses Mittel ist vorzugsweise als Drehpunkt ausgebildet, welcher vorzugsweise in einem Eckbereich der Leiterplatte angeordnet ist. Dabei ist die Primärspulenanordnung oder auch eine entsprechende Bodenplatte, in welcher die Primärspulenanordnung eingebracht ist, vorzugsweise um einen Drehpunkt drehbar beziehungsweise schwenkbar gelagert werden, so dass eine Positionierung der Primärspulenanordnung in x-, sowie in y-Richtung ermöglicht wird.
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Das Fahrzeug mit der entsprechend angeordneten Sekundärspulenanordnung kann dann auch derart oberhalb der Primärspulenanordnung abgestellt werden, dass die Sekundärspulenanordnung und die Sekundärspulen anfänglich nicht zur optimalen Energieübertragung zu der Primärspulenanordnung und den Primärspulen ausgerichtet sind. Durch eine Drehung z. B. der Primärspulenanordnung oder auch dessen Trägerplatte beziehungsweise durch die Sekundärspulenanordnung oder auch dessen Trägerplatte ist es möglich die Primärspulenanordnung zu der Sekundärspulenanordnung oder auch die Sekundärspulenanordnung zu der Primärspulenanordnung auszurichten, so dass diese im Wesentlichen derart kongruent übereinander – in Höhenrichtung des Fahrzeuges betrachtet – positioniert sind, dass zumindest der Großteil beziehungsweise eine Mehrzahl der Primärspulen zur Übertragung der Energie an die Sekundärspulen verwendet werden können beziehungsweise eine Mehrzahl an Sekundärspulen zum Empfang der Energie von den Primärspulen verwendet werden können. In diesem Falle wird entweder die Primärspulenanordnung relativ zu der Sekundärspulenanordnung oder die Sekundärspulenanordnung relativ zu der Primärspulenanordnung bewegt.
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Es ist folglich auch denkbar, dass die Primärspulenanordnung bzw. deren Trägerplatte oder ein entsprechendes Fahrbahnbodenelement sowie das Sekundärspulensystem bzw. dessen Trägerplatte oder ein entsprechendes Fahrzeugbodenelement im Wesentlichen gemeinsam bzw. zeitgleich relativ zueinander bewegt werden, so dass es möglich ist eine nahezu vollständige Überlagerung der Leiterplatten zu ermöglichen, um vorteilhaft einen hohen Wirkungsgrad bei der Übertragung der Energie sowie einen hohen Kopplungsfaktor zu erreichen.
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Alternativ ist es natürlich auch möglich, ein solches Mittel als Schienensystem zum Verfahren der Leiterplatte senkrecht zu ihrer Normalenrichtung N auszubilden.
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Der Kopplungsfaktor kann vorteilhaft noch weiter erhöht werden wenn beispielsweise der Abstand zwischen der Primärspulenspulenanordnung mit der Primärspule und der Sekundärspulenanordnung mit der Sekundärspule reduziert wird. Insbesondere bei Fahrzeugen mit einem weit von der Fahrbahn beabstandeten Fahrzeugbodenbereich (große Bodenfreiheit), wie beispielsweise bei SUV's oder Lastkraftwagen etc. würde aufgrund des geringen Kopplungsfaktors eine lediglich geringe Energieübertragung stattfinden, so dass ein Ladeprozess der Fahrzeugbatterie im Wesentlichen zeitlich länger benötigt, als beispielsweise ein Ladeprozess bei einem Sportwagen, welcher bekannterweise einen Fahrzeugboden aufweist, der nur sehr gering von der Fahrbahnoberfläche beabstandet angeordnet ist (geringe Bodenfreiheit).
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Der Kopplungsfaktor entspricht dabei dem Verhältnis des Teilflusses des gesamten magnetischen Flusses, welcher von der Sekundärspule aufgenommen wird, zu dem Gesamtfluss, welcher durch die Primärspule erzeugt wird. Der Rest geht als so genannter Streufluss an der Sekundärspule vorbei, so dass der Gesamtfluss der Primärspule sich im Wesentlichen aus dem Teilfluss und dem Streufluss zusammensetzt.
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Je geringer nun der Abstand zwischen Primärspule und Sekundärspule ist, desto weniger Streufluss entsteht und desto größer ist der Teilfluss.
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Um folglich den Kopplungsfaktor zu erhöhen, ist es erforderlich die Bodenfreiheit der Fahrzeuge, d. h. den Abstand zwischen dem Primärspulensystem und dem Sekundärspulensystem zu reduzieren.
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Dazu ist als Mittel eine Abstandsminimierungseinrichtung vorgesehen, welche vorzugsweise ein Tragelement zum Anordnen einer Leiterplatte, ein Halteelement zum Anordnen an einen Ladestation oder einen Fahrzeugbereich sowie Verfahrmittel zum Verfahren des Tragelementes gegenüber dem Halteelement aufweist, wobei das Tragelement und das Halteelement parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Auf einer solchen Abstandsminimierungseinrichtung ist entweder die Leiterplatte mit der Primärspulenanordnung direkt oder indirekt oder aber die Leiterplatte mit der Sekundärspulenanordnung direkt oder indirekt angeordnet. Damit ist der Abstand zwischen beiden Spulenanordnungen bevorzugt derart zu minimieren, dass beide Spulenanordnungen und insbesondere deren Leiterplatten sich zumindest teilweise beziehungsweise abschnittsweise berühren.
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Eine dafür erforderliche Abstandsminimierungseinrichtung weist vorzugsweise ein Tragelement zum Halten und Positionieren einer der Leiterplatten einer Spulenanordnung und ein Halteelement zum Anordnen der Abstandsminimierungseinrichtung in einem Fahrzeugbodenbereich oder einem Fahrbahnbodenbereich auf.
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Beabstandet werden beide Elemente bevorzugt mittels eines Scherengestells, welches zumindest auf zwei zueinander gegenüberliegenden Seite jeweils zwei Scherenarme aufweist, die sich in einem Schnittpunkt schneiden und vorzugsweise auch in diesem Schnittpunkt miteinander verbunden sind. Zumindest ein Ende jedes Scherenarmes ist beweglich innerhalb einer Führungsschiene angeordnet, wobei jeweils eine der Führungsschienen an dem Tragelement und an dem Halteelement angeordnet ist. Dadurch ist eine Verstellung des Tragelementes gegenüber dem Halteelement in z-Richtung möglich, wobei die z-Richtung vorzugsweise der Höhenrichtung des Fahrzeuges bzw. der vertikalen Richtung entspricht.
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Ist eine derartige Abstandsminimierungseinrichtung im Fahrbahnboden angeordnet, könnte folglich die Primärspulenanordnung in Richtung des Fahrzeugbodens und damit in Richtung der Sekundärspulenanordnung bewegt werden, wenn das Fahrzeug oberhalb der Primärspulenanordnung geparkt wurde, wodurch eine Verringerung des Abstandes zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspulenanordnung und folglich der Primärspule/n und der Sekundärspule/n realisiert werden kann. Eine entsprechende Abstandsminimierung würde auftreten, wenn die Abstandsminimierungseinrichtung derart im Fahrzeugbodenbereich angeordnet ist, dass sich bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Tragelement und dem Haltelement aufgrund des Aufspannens der Scherengelenke, das Tragelement einer Leiterplatte mit einer Sekundärspulenanordnung nach unten in Richtung einer Leiterplatte mit einer Primärspulenanordnung bewegt wird.
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Jedoch ist es auch denkbar, dass die Primärspulenanordnung nicht im Bodenbereich einer Fahrbahn und damit eines Stellplatzes oder einer Garage angeordnet sein kann, sondern eventuell in einem Wandbereich oder auch in einem Deckenbereich einer entsprechenden Fahrzeuggarage.
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In diesem Falle wäre es erforderlich, dass auch die Sekundärspulenanordnung in einem entsprechenden seitlichen Bereich oder im Dachbereich des Fahrzeuges angeordnet ist, um eine im Wesentlichen übereinander beziehungsweise nebeneinander beziehungsweise hintereinander ausgerichtete Positionierung der Sekundärspulenanordnung mit der Primärspulenanordnung zu ermöglichen, um eine Basis zur berührungslosen Energieübertragung zu schaffen.
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So ist es beispielsweise möglich, dass die Sekundärspulenanordnung im Frontbereich des Fahrzeuges, d. h. im Bereich der Stoßstange oder des Nummernschildes angeordnet ist, so dass das Fahrzeug frontal auf ein in einem Wandungsbereich oder einer Säule etc. angeordnete und im Wesentlichen auf eine sich in vertikaler Richtung erstreckenden Primärspulenanordnung zubewegt werden kann, um vorzugsweise direkt an diese Primärspulenanordnung anzustoßen. Der Abstand und die Ausrichtung des Fahrzeuges beziehungsweise der Sekundärspulenanordnung zu der Primärspulenanordnung kann dabei beispielsweise über die Induktivität oder auch Kapazität der Primärspulen) bzw. Sekundärspule(n) ermittelt werden, so dass die Verwendung der Spulenanordnungen auch als Parkassistent dienen kann.
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Auch ist es möglich, dass ein Fahrzeug eine Vielzahl von Sekundärspulenanordnungen in unterschiedlichen Bereichen des Fahrzeuges aufweist, so dass eine Ladung der Energiespeichereinheit auch mittels unterschiedlich positionierter Primärspulenanordnungen möglich ist. D. h., dass es dem Fahrzeugnutzer ermöglicht werden soll an unterschiedlichen Ladestationen, welche jeweils eine zueinander unterschiedliche Anordnung und Ausrichtung der Primärspulenanordnungen aufweisen, ein Aufladen zu gestatten.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter noch eine Leiterplatte mit einer darin integrierten zuvor beschriebenen Primärspulenanordnung beziehungsweise Sekundärspulenanordnung.
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Ferner ist noch Gegenstand der Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Leiterplatte mit einer darin integrierten zuvor beschriebenen Primärspulenanordnung.
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Abschließend ist eine Ladestation mit einer Leiterplatte mit einer darin integrierten zuvor beschriebenen Sekundärspulenanordnung beansprucht.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit Bauteilbestückung in einer Draufsicht;
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2 Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer Leiterplatte einer Vorrichtung in einer seitlichen Schnittdarstellung;
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3 Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit einer eine Vielzahl von Spulen aufweisenden Primär- beziehungsweise Sekundärspulenanordnung;
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4 Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer nicht beanspruchten Vorrichtung, welche beweglich um einen Drehpunkt gelagert ist;
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5 Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer hier nicht beanspruchten Abstandsminimierungseinrichtung zum Minimieren eines Zwischenraums zwischen einer eine Primärspulenanordnung aufweisende Leiterplatte und einer eine Sekundärspulenanordnung aufweisende Leiterplatte;
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6 Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer nicht beanspruchten Vorrichtung mit einer in einer Fahrzeugfront angeordneten Leiterplatte mit einer Sekundärspulenanordnung und einer davor angeordneten, in der Höhe verstellbaren Leiterplatte mit einer Primärspulenanordnung; und
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7 Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer in einem Fahrzeugboden angeordneten Leiterplatte mit einer Sekundärspulenanordnung und einer darunter angeordneten Leiterplatte mit einer Primärspulenanordnung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit Bauteilbestückung in einer Draufsicht, wobei die Bauteile 4 hierbei zumindest in den Eckbereichen der Leiterplatte 7, 7' angeordnet sind. Die Spule 3, 9, 9' und insbesondere die erste Wicklung 3a bzw. der erste Wickelbereich 3a zeigt schematisch, dass der vorzugsweise verwendete Kupferdraht, welcher beispielsweise einen Durchmesser von 4 mm2 aufweist, von außen nach innen in Richtung des Zentrums der Leiterplattenfläche derart gewickelt ist, dass die Wicklung 3a im Wesentlichen in einer Ebene liegt.
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In einer zweiten Ebene, welcher vorzugsweise in Dickenrichtung D der Leiterplatte 7, 7' betrachtet unterhalb der ersten Ebene liegt, weist die Spule 3, 9, 9' eine zweite Wicklung 3b bzw. einen zweiten Wickelbereich 3b auf, der sich durch eine von innen, d. h. vom Zentrum der Leiterplatte 7, 7' nach außen gerichtete Wicklung auszeichnet. Der Wickeldraht ist zwischen dem ersten Wickelbereich 3a und dem zweiten Wickelbereich 3b nicht unterbrochen, sondern wird vom ersten Wickelbereich 3a im Wesentlichen senkrecht in die zweite Ebene geführt, um dort als zweiter Wickelbereich 3a in Schneckenform nach außen gerichtet gewickelt zu werden.
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Wie in 1 dargestellt, ist der zweite Wickelbereich 3b der Wicklung zumindest, in Längsrichtung L betrachtet, leicht seitlich zu dem ersten Wickelbereich 3a der Wicklung versetzt, so dass die Wicklungen des zweiten Wickelbereiches 3a im Wesentlichen zwischen den Wicklungen des ersten Wickelbereiches 3a liegen, wodurch eine entsprechende Wicklungsdichte erzeugt werden kann, ohne dass ein erforderlicher Abstand A zwischen den Drahtbereichen der Wicklung unterschritten werden muss.
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Der Abstand A zwischen den Drahtbereichen der Wicklung kann beispielsweise mit einem Füllmaterial, wie beispielsweise Epoxidharz, gefüllt werden, um eine Positionierung und ausreichende Abschirmung der Drahtbereiche zueinander zu gewährleisten.
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In der 2 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer Leiterplatte einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt.
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Es lässt sich deutlich erkennen, dass eine Primärspulenanordnung 1 beziehungsweise eine Sekundärspulenanordnung 2 aus einer Leiterplatte 7, 7' mit zwei Außenschichten 10, 11 beziehungsweise 10', 11' und mehreren Innenschichten 12, 12', 31, wobei innerhalb der Leiterplatte 7, 7' in der Schicht 12, 12' eine Spule 3 angeordnet ist, wobei die Spule 3 einen ersten Wicklungsbereich 3a und einen zweiten Wicklungsbereich 3b aufweist.
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Des Weiteren sind eine Vielzahl von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen 4 auf der Oberfläche oder in einer der Schichten 10, 10', 11, 11', 31 der Leiterplatte 7, 7' angeordnet bzw. integriert.
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Vorzugsweise im Bereich eines Bauteils 4, welches eine erhöhte Verlustleistung aufweist, welche in Form von Wärmestrahlung vom Bauteil 4 abgegeben wird, erstreckt sich in diesem Fall unterhalb des Bauteils 4 eine Kupfereinlage 5 von dem Bauteil 4 in Richtung eines aus Aluminium bestehenden Kühlkörpers 17, welcher vorzugsweise einen Vorsprung bzw. einen erhobenen Bereich in dem Bereich der Leiterplatte 7, 7 aufweist, in welchem die Kupfereinlage 5 sich im Wesentlichen zumindest teilweise durch die Leiterplatte 7, 7' hindurch erstreckt.
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Durch diese Kupfereinlage 5 kann ein Wärmeabtransport von dem Bauteil 4, welches vorzugsweise die Kupfereinlage 5 zumindest abschnittweise tangiert, in Richtung des Kühlkörpers 17 und von dort heraus aus dem Bereich der Spulenanordnung 1, 2 erfolgen, um ein Überhitzen der Bauteile 4 zu verhindern.
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Vorzugsweise ist der Kühlkörper 17 kein Bestandteil des Spulenanordnung 1, 2 und ist zumindest an einer Seite bzw. an einem Bereich der Leiterplatte 7, 7' angeordnet, welche vorzugsweise nicht die Seite ist, welche mit einer möglichen zweiten Spulenanordnung (hier nicht gezeigt) in induktive Wirkverbindung gebracht werden kann.
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Die Wicklungen 3a und 3b der Spule 3 werden jeweils mittels einer Klebeschicht 7 auf einer ca. 200 μm breiten Kaptonfolie 6a bzw. Kaptonschicht 6a, welche den ersten Wickelbereich 3a von dem zweiten Wickelbereich 3b trennt, aufgebracht. Die Innenschicht 12, 12' ist dabei durch die ca. 200 μm breiten Kaptonfolie 6a bzw. Kaptonschicht 6a gebildet.
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Die Kaptonschicht 6a zeichnet sich durch eine hohe Durchgangsfestigkeit aus, so dass aufgrund hoher Spannungen beziehungsweise Potentialdifferenzen zwischen beiden Seiten der Innschicht 12, 12' keine elektrischen beziehungsweise elektronischen Durchschläge zu befürchten sind, es allerdings auch möglich ist, ein anderes Material als Innschicht 12, 12' beziehungsweise Trennschicht zwischen dem ersten Wicklungsbereich 3a und dem zweiten Wicklungsbereich 3b zu verwenden, welches zumindest vergleichbare Durchgangsfestigkeitswerte aufweist wie Kapton.
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Auch ist es denkbar, dass unterhalb weiterer Innenschichten eine weitere Kaptonschicht 6b angeordnet ist, um beispielsweise einen Spannungsdurchschlag zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass zwischen dem aus Aluminium bestehenden Kühlkörper 17 und der unteren Kaptonschicht 6b eine Ferritschicht 8 bzw. eine Ferritplatte 8 angeordnet ist.
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3 zeigt eine Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer eine Vielzahl von Spulen 3, 9, 9' aufweisenden Primärbeziehungsweise Sekundärspulenanordnung 1, 2, welche in einer Schicht der Leiterplatte 7, 7' angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Spulen 3, 9, 9' über die gesamte Länge L und Breite B der Leiterplatte 7, 7' im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet voneinander verteilt angeordnet.
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Vorzugsweise kann ein entsprechende Steuersystem (hier nicht gezeigt) welches mit jeder der Spulen 3, 9, 9' der Spulenanordnung 1, 2 verbunden ist, eine Aktivierung und Deaktivierung einzelner Spulen 3, 9, 9' ermöglichen, so dass lediglich die Spulen 3, 9, 9' zum Ladevorgang einer Energiespeichereinheit eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges verwendet werden können, welche durch andere Spulen einer anderen im Aufbau vergleichbaren beziehungsweise identischen Spulenanordnung überlagert sind.
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In der 4 ist eine Prinzipskizze einer Innenschicht eines Ausführungsbeispiels einer nicht beanspruchten Vorrichtungeiner erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, welches beweglich um einen Drehpunkt 10 gelagert ist.
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Die Spulenanordnung 1, 2 weist hierbei lediglich eine Spule 3, 9, 9' auf und ist mittels eines Eckbereiches der Leiterplatte 7, 7' oder auch eines Tragelementes (hier nicht gezeigt) der Leiterplatte 7, 7' an einem Drehelement (hier nicht gezeigt) angeordnet. Dieses Drehelement kann beispielsweise lediglich ein Vorsprung oder ein Zahnradelement usw. sein, welches beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben wird, um eine Drehung der Leiterplatte 7, 7' zu bewirken.
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Eine Drehung der Leiterplatte 7, 7' kann ebenfalls aufgrund der entstehenden Induktion oder Kapazität in den Spulen, d. h. durch das ausgelöste Magnetfeld bewirkt werden, wenn eine zweite Spulenanordnung (hier nicht gezeigt), welche beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet ist, über die hier gezeigte Spulenanordnung 1, 2 positioniert wird.
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Somit kann sich lediglich durch eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung der Leiterplatte 7, 7' um den Drehpunkt 10 eine Veränderung der Position der Spule 3, 9, 9' in x- und y-Richtung ergeben.
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5 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer hier nicht beanspruchten Abstandsminimierungseinrichtung 20 zum Minimieren eines Zwischenraums 32 zwischen einer eine Primärspulenanordnung 1 aufweisende Leiterplatte 7 und einer eine Sekundärspulenanordnung 2 aufweisende Leiterplatte 7'.
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Die Abstandsminimierungseinrichtung 20 weist ein Tragelement 21 sowie ein Halteelement 22 auf, wobei das Tragelement 21 zum Anordnen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spulensystems dient, während das Halteelement 22 ein Verankern der Abstandsminimierungseinrichtung 20 in einem Fahrbahnbodenbereich (hier nicht gezeigt) oder einem Fahrzeugbodenbereich (hier nicht gezeigt), einem Dachbereich des Fachzeuges (hier nicht gezeigt), einem Wand- oder Türbereich des Fahrzeuges (hier nicht gezeigt) usw. ermöglicht.
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Das Tragelement 21 und das Halteelement 22 sind mittels eines Scherengestells 23 voneinander beabstandbar, wobei das Scherengestell 23 beispielsweise auf mindestens zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Abstandsminimierungseinrichtung 20 jeweils zwei Scherenarme 24, 25 aufweist. Jeder Scherenarm 24, 25 weist ein erstes Ende 24a, 25a auf, welches vorzugsweise um eine sich im Wesentlichen in Breitenrichtung B erstreckende Achse drehbar, jedoch nicht verschiebbar in Längsrichtung L an dem Halteelement 22 bzw. dem Tragelement 21 angeordnet ist. Ein zweites Ende 24b bzw. 25b der Scherenarme 24 und 25 ist dabei drehbar um eine sich im Wesentlichen in Breitenrichtung B erstreckende Achse sowie verschiebbar in Längsrichtung L in einer Führungsschiene 26, 27 gelagert, um eine Höheneinstellung in Höhenrichtung H der Abstandsminimierungseinrichtung 20 zu ermöglichen. Durch einen Antrieb von beispielsweise zumindest einem Ende 24b, 25b eines Scherenarmes 24, 25 ist das Tragelement 21 von dem Haltelement 22 entfernbar bzw. heranfahrbar, so dass eine beispielsweise auf dem Tragelement 21 angeordnete Leiterplatte 7, 7' mit einer Spulenanordnung 1, 2 (hier nicht gezeigt) an eine andere Spulenanordnung 2, 1 (hier nicht gezeigt) angenähert werden kann.
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6 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer in einer Fahrzeugfront angeordneten Leiterplatte 7' mit einer Sekundärspulenanordnung 2 und einer davor angeordneten, in der Höhe verstellbaren Leiterplatte 7 mit einer Primärspulenanordnung 1.
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Die Sekundärspulenanordnung 2 nimmt dabei Energie von der Primärspulenanordnung 1 auf, um eine hier nicht gezeigte Energiespeichereinheit mit elektrischer Energie zu speisen. Die Anordnung der Sekundärspulenanordnung 2 und der Primärspulenanordnung 1 kann, wie oben bereits aufgeführt, unterschiedlich sein, so dass die Spulensysteme in verschiedensten Bereichen des Fahrzeuges 30 sowie der Haltestellen, Parkplätze, Garagen, Doppelparker usw. integriert sein können.
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In der Ausführungsform gemäß 6 ist eine im Frontbereich eines Fahrzeuges 30 angeordnete Sekundärspulenanordnung 2 geringfügig von einer Primärspulenanordnung 1 beabstandet, welche vorzugsweise in Höhenrichtung H, Breitenrichtung B und/oder Längsrichtung L verstellbar an einer Wandung beziehungsweise Wand eines Parkbereiches angeordnet ist. Somit kann durch ein Heranfahren des Fahrzeuges an diese Wandung und durch eine entsprechende Justierung der Primärspulenanordnung 1 gegenüber der Sekundärspulenanordnung 2 eine berührungslose Energieübertragung gewährleistet werden.
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7 zeigt eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer in einem Fahrzeugboden angeordneten Leiterplatte 7' mit einer Sekundärspulenanordnung 2 und einer darunter angeordneten Leiterplatte 7 mit einer Primärspulenanordnung 1.
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Dabei ist die die Primärspulenanordnung 1 aufweisende Leiterplatte 7 unter Bildung eines Zwischenraumes 31 gegenüber einer eine Sekundärspulenanordnung 2 aufweisende Leiterplatte 7' angeordnet. Wie zu erkennen ist, fluchten dabei die Primärspulenanordnung 1 und die Sekundärspulenanordnung 2 hinsichtlich ihrer Längserstreckung. Zudem sind die Primärspulenanordnung 1 und die Sekundärspulenanordnung 2 hinsichtlich ihrer Längserstreckung parallel zueinander angeordnet. Innerhalb der Primärspulenanordnung 1 und der Sekundärspulenanordnung 2 sind dabei hier nicht näher dargestellte Spulen 3, 9, 9' angeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Planarspulen 9, 9' innerhalb einer Innenschicht 12, 12' der Primärspulenanordnung 1 beziehungsweise der Sekundärspulenanordnung 2 ausgebildet sind. Die Anzahl der einzelnen Planarspulen 9, 9' innerhalb der Primärspulenanordnung 1 und der Sekundärspulenanordnung 2 kann dabei unterschiedlich sein. Allerdings empfiehlt es sich eine gleiche Anzahl von Planarspulen 9 innerhalb der Primärspulenanordnung 1 und der Sekundärspulenanordnung 2 zu verwenden, da dadurch jede Planarspule 9, 9' zu einer berührungslosen induktiven Energieübertragung von der Primärspulenanordnung 1 zu der Sekundärspulenanordnung 2 beitragen kann.
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Deutlich zu erkennen ist ebenfalls eine in die Innenschicht 12, 12' der jeweiligen Leiterplatte 7, 7' eingebrachte Leistungselektronik 13, 13', wobei die Innenschicht 12, 12' aus mehreren Layern aufgebaut sein kann. Vorzugweise ist die Leistungselektronik 13, 13' dabei in einem anderen Layer angeordnet wie die Primärspulenanordnung 1 beziehungsweise Sekundärspulenanordnung 2, wobei allerdings eine hier nicht dargestellte elektronische Verbindung zwischen der Leistungselektronik 13, 13' und der Primärspulenanordnung 1 beziehungsweise Sekundärspulenanordnung 2 besteht.
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Die Leiterplatten 7, 7' der Primärspulenanordnung 1 und der Sekundärspulenanordnung 2 weisen zudem Außenschichten 10, 10' und 11, 11' auf, zwischen denen die Innschicht 12, 12' in Art einer Sandwichpackung eingebettet ist. Die Außenschichten dienen dabei in erster Linie dazu, die Primärspulenanordnung 1 und Sekundärspulenanordnung 2 sowie die Leistungselektronik 13, 13' aufweisende Innschicht vor mechanischen Beschädigungen zu schützen.
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Des Weiteren kann die Leistungselektronik 13 der die Primärspulenanordnung 1 aufweisende Leiterplatte 7 eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Betrieb der Vorrichtung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärspulenanordnung
- 2
- Sekundärspulenanordnung
- 3
- Spule
- 3a
- erster Wicklungsbereich
- 3b
- zweiter Wicklungsbereich
- 4
- Bauteil
- 5
- Kupfereinlage
- 6a, 6b
- Kaptonschicht/Kaptonfolie
- 7
- Leiterplatte
- 7'
- Leiterplatte
- 8
- Ferritplatte
- 9
- Planarspule
- 9
- Planarspule
- 10
- Außenschicht
- 10'
- Außenschicht
- 11
- Außenschicht
- 11'
- Außenschicht
- 12
- Innenschicht
- 12'
- Innenschicht
- 13
- Leistungselektronik
- 13'
- Leistungselektronik
- 14
- Klebeschicht
- 15
- durchschlagsfeste Schicht
- 16
- wärmeableitende Schicht
- 17
- Kühlkörper
- 18
- Mittel
- 19
- Drehpunkt
- 20
- Abstandsminimierungeinrichtung
- 21
- Tragelement
- 22
- Halteelement
- 23
- Scherengestell
- 24, 25
- Scherenarm
- 24a, 25a
- erstes Ende
- 24b, 25b
- zweites Ende
- 26, 27
- Führungsschiene
- 30
- Fahrzeug
- 31
- Innenschicht
- 32
- Zwischenraum
- A
- Abstand
- B
- Breitenrichtung
- D
- Dickenrichtung
- L
- Längsrichtung
- N
- Normalenrichtung
- R
- Drehrichtung
- x
- x-Richtung
- y
- y-Richtung
