DE102014205952A1

DE102014205952A1 - Elektrisch betriebenes Fahrzeug mit Wicklungseinrichtung

Info

Publication number: DE102014205952A1
Application number: DE102014205952.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Blum; Thomas Komma; Monika Poebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-10-01
Also published as: WO2015150136A1

Abstract

Es wird ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Wicklungseinrichtung zur Aufnahme von induktiv übertragener Energie für den Antrieb des Fahrzeugs angegeben, bei dem die Wicklungseinrichtung einen Ferritkern und wenigstens eine den Ferritkern umgebende Wicklung umfasst, wobei die Wicklung ein in Wesentlichen Teilen flächiges Leitermaterial umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Wicklungseinrichtung zur Aufnahme von induktiv übertragener Energie für den Antrieb des Fahrzeugs.
Sekundärwicklungen für drahtlose induktive Energieübertragungssysteme, beispielsweise zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, werden in der Regel mit HF-Litze ausgeführt. Dadurch lassen sich die Verluste durch Stromverdrängung deutlich reduzieren.
Die Herstellung ist nachteilig mit einem erheblichen manuellen Aufwand verbunden. Geeignete HF-Litzen besitzen ein relativ hohen Durchmesser bzw. Höhe im Fall von Profillitze. Die sich dadurch ergebende Gesamthöhe der Sekundärseite ist unangenehm hoch. Weiterhin müssen der Ferritkern und die Wicklung voneinander isoliert werden. Eine thermische Anbindung des Ferritkerns an das Gehäuse, beispielsweise über das Schirmblech, zur Kühlung ist nur schwer möglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Wicklungseinrichtung zur Aufnahme von induktiv übertragener Energie für den Antrieb des Fahrzeugs anzugeben, bei dem die eingangs genannten Nachteile vermindert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Fahrzeugs.
Das erfindungsgemäße elektrisch betriebene Fahrzeug umfasst eine Wicklungseinrichtung zur Aufnahme von induktiv übertragener Energie für den Antrieb des Fahrzeugs, wobei die Wicklungseinrichtung ihrerseits einen weichmagnetischen Kern, insbesondere Ferritkern, und wenigstens eine den weichmagnetischen Kern umgebende Wicklung umfasst. Die Wicklung wiederum umfasst ein in Wesentlichen Teilen flächiges Leitermaterial.
Mit anderen Worten wird die Wicklung nicht mittels der bekannten Hochfrequenzlitze aufgebaut, sondern mit einem weitgehend flächigen Leitermaterial. Das Leitermaterial ist also in seinem flächigen Bereich nicht als Sammlung gegeneinander isolierter Drähte aufgebaut. Für die Erfindung wurde erkannt, dass sich durch Anwesenheit eines entsprechend großen Metallschirms im elektrisch betriebenen Fahrzeug ein Streufeld an der fahrzeugseitigen Spule, d.h. der Wicklungseinrichtung ausbildet, welches nahezu nur eine horizontale Komponente besitzt.
HF-Litze besitzt die Eigenschaft, geringe Stromverdrängungseffekte auch bei mehrdimensionalem Streufeld aufzuweisen. Dies wird bei der vorgeschlagenen Anordnung jedoch nicht benötigt. Es wurde vielmehr erkannt, dass eine planare Wicklungsanordnung eine gezielte Ausnutzung dieses im Wesentlichen eindimensionalen Streuflusses ermöglicht und dabei nur geringe Stromverdrängungseffekte aufweist. Hierfür wird der weichmagnetische Kern nicht mehr mit HF-Litze bewickelt, sondern mit dem in Wesentlichen Teilen flächigen Leitermaterial.
Weiterhin ergibt sich als Vorteil, dass ein Spulenkörper zur Aufnahme der Wicklung nicht mehr notwendig ist. Zusätzlich ist der Aufbau gemäß der Erfindung weitgehend maschinell herstellbar. Schließlich wirkt die Wicklung als Schirm zur Feldformung.
Besonders von Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau, dass die Wicklungseinrichtung insgesamt flacher wird als bei bekannten Aufbauten. Gerade bei der Anwendung im elektrisch betriebenen Fahrzeug ist die Bauhöhe von besonderem Interesse.
Das flächige Leitermaterial bildet dabei zweckmäßig eine oder mehrere im Vergleich zu einer Litze große und auf jeweils einer Seite des weichmagnetischen Kerns zusammenhängende Flächen, die jeweils beispielsweise wenigstens 10% der Flächengröße des weichmagnetischen Kerns ausmachen. Insbesondere machen die Flächen jeweils wenigstens 20% oder sogar wenigstens 50 % der Flächengröße des weichmagnetischen Kerns aus. Dabei ist es möglich, dass mehrere der so gebildeten Flächen elektrische voneinander isoliert übereinander liegen.
Mit anderen Worten beträgt die Breite der zusammenhängenden Flächen – im Vergleich zu den schmalen Litzen – wenigstens beispielsweise 10%, insbesondere wenigstens 25% der gesamten Breite der Wicklung. Mit Breite ist dabei die Ausdehnung entlang einer gedachten Achse der Wicklung gemeint. Beispielsweise könnte die Ausdehnung einer, insbesondere aller Flächen jeweils wenigstens 5 cm × 10 cm bei einer Dicke von 70 µm betragen.
Die Wicklungseinrichtung ist ausgestaltet, induktiv angebotene elektrische Energie aufzunehmen und beispielsweise in einer Batterie zu speicherbar zu machen. Die Wicklungseinrichtung kann zusätzlich ausgestaltet sein, elektrische Energie auch ihrerseits anbieten zu können. Mit anderen Worten ist die Wicklungseinrichtung so gestaltet, dass die Energieübertragung bidirektional möglich ist. So kann beispielsweise ein Fahrzeug mit der Wicklungseinrichtung in bei sog. Vehicle-to-Grid-Systemen eingesetzt werden, in denen das Fahrzeug als temporärer Energiespeicher dient.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung umfassen:

– Zweckmäßig ist das Leitermaterial im Wesentlichen Kupfer.
– Die Wicklung kann Leitermaterialfolie umfassen, beispielsweise Kupferfolie. Die Stirnseite der Folie bietet dem Streufeld vorteilhaft die geringstmögliche Fläche zum Erzeugen von Stromverdrängungseffekten. In Abhängigkeit von Stromform, Frequenz und Anzahl der Lagen der Leitermaterialfolie (in senkrechter Richtung) gibt es ein Verlustleistungsminimum in Abhängigkeit von der Leiterdicke. Im vorgesehenen Anwendungsfall beträgt die Kupferdicke bevorzugt zwischen 35 µm und 400 µm, beispielsweise 70 µm oder 105 µm.
– Die Wicklung kann als Leiterplattenwicklung ausgestaltet sein. Dabei bedeckt beispielsweise eine mehrlagige Leiterplatte die Kernoberseite und eine weitere mehrlagige Leiterplatte die Kernunterseite. Die Verbindung zwischen den Platinen kann beispielsweise mit Draht oder mit Pfostensteckverbindern erfolgen. Vorteilhaft ergibt sich die Isolation des Kerns von der Wicklung beispielsweise schon die Platine selbst.
– Die Wicklungseinrichtung kann bedingt durch ihren flächigen Aufbau flächig an das Gehäuse angebunden werden. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine gute Kühlung der Wicklung.
– Zusätzliche Bauelemente wie beispielsweise Kompensationselemente (Kondensatoren oder andere) können mit auf einer Platine angeordnet werden. Dadurch werden vorteilhaft zusätzlich Kabel unnötig.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen
1 schematisch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Wicklungseinrichtung zur Aufnahme induktiv übertragener Energie,
2 eine beispielhafte Wicklungseinrichtung mit Leiterplattenwicklung im Längsschnitt,
3...6 eine Aufsicht auf die Wicklungseinrichtung mit Details zu Schichten der Leiterplattenwicklung.
1 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1 mit einer Wicklungseinrichtung 10 zur Aufnahme induktiv übertragener Energie.
Die weiteren Figuren verdeutlichen ein Ausführungsbeispiel für eine Wicklungseinrichtung 10 gemäß der Erfindung. Sie zeigen dabei verschiedene Ansichten einer Leiterplattenwicklung. Die Leiterplattenwicklung ist zweilagig und mit drei Windungen in jeder der Lagen ausgeführt, umfasst also 6 Windungen. Andere Ausführungsformen mit mehr Lagen und mehr Windungen pro Lage sind ebenfalls denkbar, beispielsweise können 12 Windungen mittels dreier Lagen und vier Windungen pro Lage erzielt werden.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch die Wicklungseinrichtung 10. Die Wicklungseinrichtung 10 umfasst einen quaderförmigen flachen Ferritkern 11. Der Ferritkern 11 ist im Bezug zu einem Fahrzeug, in das die Wicklungseinrichtung 10 eingebaut ist, horizontal angeordnet, wobei die beiden großen Seitenflächen des Ferritkerns 11 nach oben und unten weisen.
Auf der Oberseite und der Unterseite des Ferritkerns ist fest mit diesem verbunden jeweils eine Leiterplatte 12, 13 angeordnet. Die obere Leiterplatte 12 umfasst zwei übereinanderliegende nahezu durchgängige Kupferschichten, die so unterteilt sind, dass sich jeweils drei weitgehend rechteckförmige, nebeneinander liegende und elektrisch voneinander isolierte Kupferbereiche 141...143, 151...153 ergeben. Die untere Leiterplatte 13 ist gleichermaßen aufgebaut und umfasst ebenfalls sechs weitgehend rechteckförmige und elektrisch voneinander isolierte Kupferbereiche 161...163, 171...173.
Ein erster, vierter, siebter und zehnter Kupferbereich 141, 151, 161, 171 liegen dabei im gegebenen Beispiel bei typischer Einbaulage im Fahrzeug übereinander. Das gleiche gilt für einen zweiten, fünften, achten und elften Kupferbereich 142, 152, 162, 172 und einen dritten, sechsten, neunten und zwölften Kupferbereich 143, 153, 163, 173.
Es ist nicht notwendig, dass die Kupferbereiche übereinander liegen. In anderen Ausführungsformen sind die Kupferbereiche zueinander versetzt angeordnet.
Die Dicke der Kupferschichten beträgt zweckmäßig zwischen 35 µm und 400 µm. Im gegenwärtigen Beispiel soll die Dicke der Kupferschichten 105 µm betragen.
Die Kupferbereiche 141...143, 151...153, 161...163, 171...173 umfassen dabei laterale Auskragungen. Die Auskragungen sind mit Steckverbindern so untereinander verbunden, dass sich für den elektrischen Strom ein Fluss analog dem in einer Wicklung ergibt. Dabei wird im gegebenen Beispiel der Strom ausgehend von einem ersten elektrischen Anschluss, der auf einer ersten Auskragung 1511 realisiert ist, zuerst in den inneren Kupferbereichen 151...153, 161...163 geführt und darauf folgend in den äußeren Kupferbereichen 171...173, 141...143 zu einem zweiten Anschluss geführt.
Die Auskragungen sind im vorliegenden Beispiel links- und rechtsseitig ausgeführt und führen aus einem gedachten Rechteck, das die Kupferbereiche umhüllt, heraus. Dabei bezeichnen links- und rechtsseitig die seitlichen Bereiche aus Sicht einer gedachten Achse der Wicklung. Linke und rechte Seite sind dabei willkürlich zugeordnet. Es versteht sich, dass die Wicklung auch beispielsweise gespiegelt ausführbar ist, solange auf die Stromflussrichtung geachtet wird.
Im vorliegenden Beispiel wird die Seite der ersten Auskragung 1511 als rechte Seite betrachtet. Dann ist es zweckmäßig, wenn der Strom innerhalb des vierten Kupferbereichs 151 zur linken Seite geführt wird, wo dann eine zweite Auskragung 1512 vorhanden ist. Diese ist durch einen Steckverbinder mit einer dritten Auskragung 1611 des siebten Kupferbereichs 161 verbunden.
Dort wird der Strom wieder zur rechten Seite geleitet und dort in eine vierte Auskragung 1612. Diese ist per Steckverbinder verbunden mit einer fünften Auskragung 1521 des fünften Kupferbereichs 152.
Die weitere Stromführung passiert analog zu der bisher gezeigten. Im neunten Kupferbereich 163 wird der Strom über eine sechste Auskragung 1631 zu einer siebten Auskragung 1431 des dritten Kupferbereichs 143 geleitet. Dort findet über analog gestaltete Auskragungen eine Rückleitung des Stroms bei Beibehaltung der Windungsrichtung zum zehnten Kupferbereich 171 statt, wo der zweite Anschluss auf einer achten Auskragung 1711 angeordnet ist.
Im vorliegenden Beispiel wurden Pfostensteckverbinder als Verbindung zwischen den übereinanderliegenden Auskragungen verwendet. Alternativ können auch Drahtverbindungen eingesetzt werden.

Claims

Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) mit einer Wicklungseinrichtung (10) zur Aufnahme von induktiv übertragener Energie für den Antrieb des Fahrzeugs (1), bei dem die Wicklungseinrichtung (10) umfasst: – einen weichmagnetischen Kern (11), – wenigstens eine den weichmagnetischen Kern (11) umgebende Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung ein in Wesentlichen Teilen flächiges Leitermaterial (141...143, 151...153, 161...163, 171...173) umfasst.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die Wicklung Leitermaterialfolie umfasst.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die Wicklung als Leiterplattenwicklung ausgestaltet ist.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 3, bei dem die Leiterplattenwicklung eine Leiterplatte (12, 13) mit einer Mehrzahl von Leitermaterialschichten (141...143, 151...153, 161...163, 171...173) umfasst.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 4, bei dem jeweils wenigstens eine der Leiterplatten (12, 13) ober- und unterseitig am weichmagnetischen Kern (11) angeordnet ist.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dicke des flächigen Leitermaterials (141...143, 151...153, 161...163, 171...173) zwischen 35 µm und 400 µm beträgt.
Elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem Verbindungen zwischen den Leitermaterialschichten (141...143, 151...153, 161...163, 171...173) durch Pfostensteckverbinder hergestellt sind.