DE102014207719A1

DE102014207719A1 - Skalierbare induktive Ladestation

Info

Publication number: DE102014207719A1
Application number: DE102014207719.2A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29
Also published as: CN106232419B; US20170036553A1; WO2015161935A1; US10427531B2; CN106232419A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Ladesystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung den Aufbau einer induktiven Ladestation. Es wird eine Bodeneinheit (111) beschrieben, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (100) zu erzeugen. Die Bodeneinheit (111) umfasst eine erste Schnittstelle (405), die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an der Bodeneinheit (111) zu empfangen. Desweiteren umfasst die Bodeneinheit (111) einen Wechselstrom-Generator (305), der eingerichtet ist, den Gleichstrom in einen Wechselstrom zu wandeln. Außerdem umfasst die Bodeneinheit (11) eine Primärspule (312), die eingerichtet ist, anhand des Wechselstroms das elektromagnetische Ladefeld zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Ladesystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung den Aufbau einer induktiven Ladestation.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit 120 die elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Speicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine sogenannte Sekundärspule im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule über eine nicht gezeigte Impedanzanpassung und einen Gleichrichter 101 mit dem Speicher 103 verbunden ist. Die Sekundärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 102.
Die Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 kann über einer Primärspule positioniert werden, wobei die Primärspule z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 111. Die Primärspule ist mit einer Stromversorgung 110 (in diesem Dokument auch als Ladeeinheit 110 bezeichnet) verbunden. Die Stromversorgung 110 kann einen Radio-Frequenz-Generator umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit 111 erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld induziert wird. Dieses magnetische Feld wird in diesem Dokument auch als elektromagnetisches Ladefeld bezeichnet. Das elektromagnetische Ladefeld kann einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Der Ladefeld-Frequenzbereich kann im Frequenzbereich von z.B. 80–90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.
Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule der WPT-Bodeneinheit 111 und Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 über die Unterbodenfreiheit 120 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule der WPT-Fahrzeugeinheit 102 wird durch den Gleichrichter 101 gleichgerichtet und im Speicher 103 (z.B. in der Batterie) gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung 110 zum Energie-Speicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät 105 (auch als WPT-Steuergerät 105 bezeichnet) gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät 105 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos, mit der Ladeeinheit 110 (z.B. mit einer Wallbox) zu kommunizieren.
Aufgrund der begrenzten Unterbodenfreiheit 120 sind die möglichen Dimensionen einer WPT-Bodeneinheit 111 typischerweise begrenzt. Die Dimensionen der WPT-Bodeneinheit 111 können z.B. dadurch reduziert werden, dass gewisse Komponenten aus der WPT-Bodeneinheit 111 in die Ladeeinheit 110 ausgelagert werden. Dies kann jedoch zu erhöhten Anforderungen bzgl. eines Verbindungskabels 112 zwischen Bodeneinheit 111 und Ladeeinheit 110 führen.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem technischen Problem des Aufbaus einer WPT-Bodeneinheit 111, durch den eine Reduzierung der Dimensionen der WPT-Bodeneinheit 111 und eine Reduzierung der Anforderungen an das Verbindungskabel 112 zwischen Bodeneinheit 111 und Ladeeinheit 110 ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Bodeneinheit (insbesondere eine WPT-Bodeneinheit) beschrieben, die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (insbesondere ein Fahrzeug mit Elektroantrieb) zu erzeugen. Das Fahrzeug kann einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen und/oder ein Motorrad umfassen. Die Bodeneinheit kann Teil einer Ladestation sein, die neben der Bodeneinheit eine Ladeeinheit (z.B. eine Wallbox) umfasst, die mit der Bodeneinheit über ein Verbindungskabel verbunden ist.
Die Bodeneinheit umfasst eine erste Schnittstelle, die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an der Bodeneinheit zu empfangen bzw. aufzunehmen. Über die erste Schnittstelle der Bodeneinheit kann insbesondere das Verbindungskabel von einer Ladeeinheit angeschlossen sein. Die Bodeneinheit kann somit eingerichtet sein, an einem Eingang der Bodeneinheit (d.h. an der ersten Schnittstelle) einen DC (Direct Current) Strom aufzunehmen.
Die Bodeneinheit umfasst weiter einen Wechselstrom-Generator (in diesem Dokument auch als HF (High Frequency) Generator bezeichnet), der eingerichtet ist, den Gleichstrom in einen Wechselstrom zu wandeln. Der Wechselstrom hat typischerweise die gleiche Frequenz wie das elektromagnetische Ladefeld, das durch die Bodeneinheit erzeugt wird. Beispielsweise kann der Wechselstrom eine Frequenz von 80–90kHz (insbesondere 85kHz) aufweisen.
Die Bodeneinheit umfasst außerdem eine Primärspule, die eingerichtet ist, anhand des Wechselstroms das elektromagnetische Ladefeld zu erzeugen.
Die Bodeneinheit ist somit eingerichtet, das elektromagnetische Ladefeld auf Basis eines Gleichstroms am Eingang der Bodeneinheit zu generieren. Dadurch wird es ermöglicht, Gleichstrom von der Ladeeinheit über das Verbindungskabel an die Bodeneinheit zu übertragen, wodurch die Anforderungen an das Verbindungskabel reduziert werden. Gleichzeitig umfasst die Bodeneinheit keine Einheiten zur Erzeugung des Gleichstroms aus einem Versorgungsnetz und/oder zur Korrektur eines Power Faktors (Power Factor Correction). Diese Einheiten können in der Ladeeinheit angeordnet sein. So kann eine möglichst kompakte Bodeneinheit bereitgestellt werden.
Die Bodeneinheit kann weiter einen Sensor umfassen, der eingerichtet ist, Messdaten bzgl. eines Zustands der Bodeneinheit zu erfassen. Beispielsweise kann eine Temperatur der Bodeneinheit und/oder die Präsenz eines Fremdkörpers in der Umgebung der Bodeneinheit erfasst werden. Desweiteren kann die Bodeneinheit eine Kommunikationseinheit umfassen, die eingerichtet ist, auf den Messdaten basierende Daten an die Ladeeinheit zu übermitteln. Wie oben dargelegt, kann die Ladeeinheit eingerichtet sein, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an der Bodeneinheit bereitzustellen. Insbesondere kann die Ladeeinheit eingerichtet sein, die elektrische Energie in Abhängigkeit von den empfangenen Daten bereitzustellen.
Die Kommunikationseinheit kann eingerichtet sein, eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z.B. eine WLAN Verbindung) mit der Ladeeinheit aufzubauen, insbesondere mit einer entsprechenden Kommunikationseinheit in der Ladeeinheit. Alternativ oder ergänzend kann die Kommunikationseinheit der Bodeneinheit eingerichtet sein, eine Power Line Communication (PLC) Verbindung mit der Ladeeinheit aufzubauen, insbesondere über die Stromleitung des Verbindungskabels. Das Verbindungskabel benötigt somit keine dedizierte Signalleitung zur Übertragung der Daten von der Bodeneinheit zur Ladeeinheit (oder umgekehrt). Somit können die Anforderungen und Kosten des Verbindungskabels reduziert werden.
Die Bodeneinheit kann eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Erzeugung des Wechselstroms durch den Wechselstrom-Generator zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, Anweisungen von der Ladeeinheit zu empfangen (über die Kommunikationseinheit der Bodeneinheit). Die Steuereinheit kann dann die Erzeugung des Wechselstroms in Abhängigkeit von den empfangenen Anweisungen steuern.
Die Bodeneinheit kann eine zweite Schnittstelle (und ggf. weitere Schnittstellen) umfassen. Die zweite Schnittstelle kann eingerichtet sein, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an eine andere Bodeneinheit weiterzugeben. Es können somit mehrere Bodeneinheiten in Reihe geschaltet oder kaskadiert werden. Dies ist vorteilhaft, da so mit einer Ladeeinheit eine Vielzahl von Bodeneinheiten versorgt werden können. So können die Kosten für Ladestationen mit mehreren Stellplätzen reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladeeinheit für eine Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug beschrieben. Die Ladeeinheit umfasst eine Power Factor Correction (PFC) Einheit, die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms aus einem elektrischen Versorgungsnetz zu entnehmen. Das elektrische Versorgungsnetz kann einen AC (Alternating Current) Strom bereitstellen. Die PFC Einheit kann einen Gleichrichter umfassen, um aus dem AC Strom des elektrischen Versorgungsnetzes einen Gleichstrom zu generieren, der über eine erste Schnittstelle der Ladeeinheit einer Bodeneinheit bereitgestellt werden kann.
Die Ladeeinheit umfasst weiter eine erste Schnittstelle, die eingerichtet ist, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms für eine Bodeneinheit bereitzustellen. Die erste Schnittstelle der Ladeeinheit kann mit einer ersten Schnittstelle der Bodeneinheit über ein Verbindungskabel verbunden werden, um die elektrische Energie von der Ladeeinheit an die Bodeneinheit zu übertragen. Die Bereitstellung eines Gleichstroms ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigen und flexibel gestaltbaren Verbindungskabels. Desweiteren kann durch die Anordnung der PFC Einheit in der Ladeeinheit die Größe der Bodeneinheit reduziert werden. Außerdem kann so eine PFC Einheit für eine Vielzahl von Bodeneinheiten verwendet werden, wodurch die Kosten einer Ladestation mit einer Vielzahl von Stellplätzen reduziert werden.
Die Ladeeinheit kann eine Vielzahl von Schnittstellen umfasst, die eingerichtet sind, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms für eine entsprechende Vielzahl von Bodeneinheiten bereitzustellen. Wie bereits oben dargelegt, ermöglicht dies die Bereitstellung einer kostenreduzierten Ladestation mit einer Vielzahl von Ladeplätzen.
Die Ladeeinheit kann eine Kommunikationseinheit umfassen, die eingerichtet ist, mit dem Fahrzeug und mit der Bodeneinheit (ggf. mit einer Vielzahl von Bodeneinheiten) zu kommunizieren. Die Kommunikationseinheit kann eingerichtet sein, eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z.B. WLAN) und/oder eine Power Line Communication (PLC) Verbindung aufzubauen. Somit kann auf dedizierte Signalleitungen in dem Verbindungskabel verzichtet werden.
Die Ladeeinheit kann eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug durch die Bodeneinheit zu steuern. Dazu können Anweisungen über die Kommunikationseinheit an die ein oder mehreren Bodeneinheiten übermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladestation zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug beschrieben. Die Ladestation umfasst eine in diesem Dokument beschriebene Ladeeinheit, die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an einer ersten Schnittstelle der Ladeeinheit bereitzustellen. Desweiteren umfasst die Ladestation zumindest eine in diesem Dokument beschriebene Bodeneinheit, die eingerichtet ist, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an einer ersten Schnittstelle der Bodeneinheit aufzunehmen, und daraus ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug zu erzeugen. Die Ladestation kann weiter ein Verbindungskabel umfassen, das eingerichtet ist, die erste Schnittstelle der Ladeeinheit galvanisch mit der ersten Schnittstelle der Bodeneinheit zu verbinden.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
1 ein beispielhaftes System zum induktiven Laden eines elektrischen Speichers eines Fahrzeugs;
2 ein Blockdiagram einer beispielhaften Ladestation;
3 beispielhafte Komponenten einer Ladeeinheit, eines Verbindungskabels und einer Bodeneinheit;
4 einen verbesserten Aufbau einer Ladeeinheit, eines Verbindungskabels und einer Bodeneinheit;
5a eine beispielhafte Parallelschaltung von einer Vielzahl von Bodeneinheiten; und
5b eine beispielhafte Parallelschaltung und/oder Kaskadierung von Bodeneinheiten.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit dem Aufbau einer Ladestation. Eine beispielhafte Ladestation ist in 2 dargestellt. Eine Ladestation umfasst insbesondere eine Ladeeinheit 110, die eingerichtet ist, mit einem Fahrzeug 100 zu kommunizieren (z.B. über eine drahtlose Kommunikationsverbindung) und die eingerichtet ist, den Ladevorgang eines elektrischen Speichers 103 des Fahrzeugs 100 über eine Bodeneinheit 111 zu steuern. Die Bodeneinheit 111 der Ladestation ist über ein Verbindungskabel 112 mit der Ladeeinheit 110 verbunden. Die Ladeeinheit 110 ist typischerweise mit einer elektrischen Energieversorgung (z.B. mit einem elektrischen Versorgungsnetz) verbunden. Das Verbindungskabel 112 ist eingerichtet, elektrische Energie von der Ladeeinheit 110 an die Bodeneinheit 111 zu übertragen. Mittels einer Primärspule in der Bodeneinheit 111 kann diese elektrische Energie dann induktiv an die Sekundärspule in der Fahrzeugeinheit 102 des Fahrzeugs 100 übertragen werden.
Wie eingangs dargelegt, ist es vorteilhaft eine WPT-Bodeneinheit 111 bereitzustellen, die eine möglichst geringe räumliche Ausbreitung aufweist. Dies ermöglicht es, die Bodeneinheit 111 in flexibler Weise mit unterschiedlichen Typen von Fahrzeugen 100 zu verwenden, insbesondere mit Fahrzeugen 100, welche eine relativ geringe Unterbodenfreiheit 120 aufweisen.
Um die Bodeneinheit 111 möglichst klein dimensionieren zu können, kann ein HF-Generator (auch als Wechselstrom-Generator bezeichnet) 305 zur Erzeugung eines Wechselstroms für das Ladefeld in die Ladeeinheit 110 integriert werden, für welche keine (oder verminderte) Platzanforderungen vorliegen. Eine derartige Anordnung ist in 3 gezeigt. Insbesondere zeigt 3 eine Ladeeinheit 110, die eine Power Factor Correction (PFC) Einheit 303 mit Gleichrichter umfasst, wobei der Gleichrichter eingerichtet ist, einen Gleichstrom aus einem Wechselstrom (z.B. aus dem Versorgungsnetz) zu erzeugen. Die Ladeeinheit 110 umfasst weiter einen Zwischenkreiskondensator 304, der eingerichtet ist, den erzeugten Gleichstrom zu glätten. Der HF-Generator 305 ist eingerichtet, auf dem Gleichstrom einen Wechselstrom zur Erzeugung des Ladefelds zu erzeugen. Eine Frequenz des Wechselstroms entspricht typischerweise der Frequenz des Ladefelds (z.B. 85kHz). Die Ladeeinheit 110 aus 3 umfasst weiter eine Steuereinheit 302, die eingerichtet ist, den Ladevorgang (insbesondere die Erzeugung des Wechselstroms zur Erzeugung des Ladefelds) zu steuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 302 Messdaten über eine Signalleitung 322 von ein oder mehreren Sensoren 311 der Bodeneinheit 311 empfangen. Anhand der ein oder mehreren Sensoren 311 kann z.B. detektiert werden, dass die Sekundärspule eines Fahrzeugs 100 über der Bodeneinheit 111 positioniert ist.
Die Ladeeinheit 110 umfasst weiter eine Kommunikationseinheit 301, die eingerichtet ist, mit einem Fahrzeug 100 zu kommunizieren, z.B. über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 331 (beispielsweise Wireless LAN). Insbesondere kann über die Kommunikationseinheit 301 ein Ladevorgang von einem Fahrzeug 100 angestoßen werden.
Die in 3 dargestellte Bodeneinheit 111 umfasst neben den ein oder mehreren Sensoren 311 die Primärspule 312 zur Erzeugung des Ladefelds aus dem von dem HF-Generator 305 erzeugten Wechselstrom. Desweiteren umfasst die Bodeneinheit 111 typischerweise einen Resonanzkondensator 313 (insbesondere zur Bereitstellung eines LC Schwingkreises). Wie oben dargelegt, können die ein oder mehreren Sensoren 311 eingerichtet sein, die Präsenz der Sekundärspule eines Fahrzeugs 100 zu detektieren. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Sensoren 311 eingerichtet sein, die Präsenz von Fremdkörpern in der Umgebung der Bodeneinheit 111 zu detektieren und/oder die Temperatur der Bodeneinheit 111 zu erfassen.
In der Ladestation von 3 wird ein Wechselstrom über das Verbindungskabel 112 von der Ladeeinheit 110 an die Bodeneinheit 111 übertragen. Die Übertragung eines Wechselstroms erfordert typischerweise die Verwendung einer HF-Leitung mit einem elektromagnetischen Schirm 321. Desweiteren erfordert die Übertragung von Messdaten von den ein oder mehreren Sensoren 311 an die Steuereinheit 302 die Verwendung einer Signalleitung 322. In Summe ergeben sich somit relativ hohe und komplexe Anforderungen für die Kabelverbindung 112 zwischen Ladeeinheit 110 und Bodeneinheit 112. Desweiteren wird die Wahl der Länge der Kabelverbindung 112 typischerweise durch die Übertragung eines HF-Wechselstroms begrenzt.
Die Kabelverbindung zwischen Ladeeinheit 110 und Bodeneinheit 111 ist somit für die in 3 dargestellte Ladestation relativ aufwendig, da zur Übertragung der Hochfrequenz (HF) zur Versorgung der Spule 312 typischerweise sogenannte Hochfrequenzlitzen verwendet werden müssen. Diese müssen zusätzlich typischerweise wasserdicht und geschirmt verlegt werden. Die Konfektionierung derartiger Verbindungskabel 112 (insbesondere des Stecker-Anschlusses) erweist sich als schwierig.
Neben der Leistungsversorgung der Primärspule 312 sind in dem Verbindungskabel 112 oder in einem separaten parallelen Kabel zahlreiche Signale zu übertragen. Dies erhöht zusätzlich den Aufwand für die Verbindung zwischen Ladeeinheit 110 und Bodeneinheit 111.
Ein weiterer Nachteil der in 3 dargestellten Ladestation 110, 112, 111 ist, dass für jeden Ladeplatz eine vollständige Ladestation (d.h. ein jeweils eigenes Paar Ladeeinheit 110 mit Bodeneinheit 111) benötigt wird. Verfügt ein Elektrofahrzeugbesitzer mehrere Stellplätze (z.B. in der Garage und vor der Garage) an denen er abwechselnd parkt, benötigt der Fahrzeugbesitzer zwei vollständige Ladestationen, obwohl immer nur eine Ladestation genutzt wird.
Aufgrund der oben dargelegten Nachteile des in 3 dargestellten Aufbaus, wird in diesem Dokument vorgeschlagen, den HF-Generator 305 mit in die Bodeneinheit 111 zu integrieren. Ein derartiger Aufbau ist in 4 dargestellt. Die in 4 dargestellte Bodeneinheit 111 umfasst den HF-Generator 305. Dies hat den Vorteil, dass über das Verbindungskabel 112 ein Gleichstrom übertragen wird, wodurch die Anforderungen an das Verbindungskabel 112 reduziert werden. Die Bodeneinheit 111 kann somit über eine Schnittstelle 405 elektrische Energie in Form eines Gleichstroms aufnehmen. Die Schnittstelle 405 kann einen Stecker oder eine Steckdose aufweisen. Das Verbindungskabel 112 kann so über eine Steckverbindung mit der Bodeneinheit 111 verbunden sein. In entsprechender Weise kann auch die Ladeeinheit 110 eine Schnittstelle 406 aufweisen, an der elektrische Energie in Form eines Gleichstroms bereitgestellt wird.
Desweiteren kann die Bodeneinheit 111 eine dedizierte Steuereinheit 402 umfassen, die eingerichtet ist, die Messdaten der ein oder mehreren Sensoren 311 zu empfangen und ggf. auszuwerten. Die Messdaten und/oder die ausgewerteten Daten können über eine Kommunikationseinheit 401 der Bodeneinheit 111 an die Ladeeinheit 110 kommuniziert werden. Insbesondere kann die Kommunikationseinheit 301 der Ladeeinheit 110 eingerichtet sein, über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z.B. Wireless LAN) mit der Kommunikationseinheit 401 der Bodeneinheit 111 zu kommunizieren. Eine drahtlose Kommunikationsverbindung bietet sich zur Kommunikation zwischen Ladeeinheit 110 (z.B. einer Wallbox) und Bodeneinheit 111 an, da eine drahtlose Kommunikationsverbindung zur Kommunikation mit dem Fahrzeug 100 in der Ladeeinheit 110 bereits genutzt wird. Anstelle von zwei Kommunikationsteilnehmern (d.h. der Ladeeinheit 110 und dem Fahrzeug 100), bedient der drahtlose Kommunikationskanal dann zusätzlich die Bodeneinheit 111. Durch die Verwendung einer dedizierten Steuereinheit 402 und Kommunikationseinheit 401 für die Bodeneinheit 111 kann auf eine Signalleitung 322 im Verbindungskabel 112 verzichtet werden. Desweiteren ergibt sich durch die Verwendung einer dedizierten Steuereinheit 402 in der Bodeneinheit 111 eine Vereinfachung der Steuereinheit 302 in der Ladeeinheit 110.
Mit anderen Worten, es wird in diesem Dokument vorgeschlagen, die Funktion der Ladeeinheit 110 zumindest teilweise in die Bodeneinheit 111 zu verlagern. Dadurch werden die Anforderungen an das Verbindungskabel 112 zur Ladeeinheit 110 reduziert. In der Ladeeinheit 110 wird der Netzwechselstrom in Gleichstrom gewandelt. Dies erfolgt in der PFC Einheit 303 und/oder in dem Gleichrichter 303. Die PFC Einheit 303 ist typischerweise als Teilschaltung zur Einhaltung der Netzanschlussbedingungen erforderlich. Die Übertragung von der Ladeeinheit 110 zur Bodeneinheit 111 erfolgt mittels Gleichstrom. In der Bodeneinheit 111 wird der Gleichstrom in den zur induktiven Übertragung notwendigen hochfrequenten Wechselstrom gewandelt.
Die Übertragung der Signale (d.h. der Steuersignale und/oder Messdaten) zwischen Ladeeinheit 110 und Bodeneinheit 111 kann mittels eines geeigneten Kommunikationsmediums 431 erfolgen. Beispiele für geeignete Kommunikationsmedien 431 sind ein CAN-Bus, Ethernet, PLC (Power-Line-Communication) über die Gleichstromversorgung des Verbindungskabels 112, und/oder WLAN (wie z.B. für die Kommunikationsverbindung zwischen Fahrzeug 100 und Ladeeinheit 110 verwendet).
Die Ladeeinheit 110 kann Anschlüsse oder Schnittstellen 406 für eine Vielzahl von Bodeneinheit 111 umfassen. Dies ist beispielhaft in 5a und 5b dargestellt. Sowohl die Gleichstromversorgung, als auch das Kommunikationsmedium können parallel geschaltet werden, so dass mit einer Ladeeinheit 110 ohne zusätzlichen Elektronikaufwand mehrere Bodeneinheiten 111, 511 versorgt werden können. 5a zeigt die parallelen Versorgungsleitungen 112, 512 und die parallelen Kommunikationskanäle 431, 531.
Es sei darauf hingewiesen, dass der gleichzeitige Ladevorgang mehrerer Fahrzeuge 100 auf den angeschlossenen Bodeneinheiten 111, 511 typischerweise durch die Leistungsfähigkeit der Ladeeinheit 110 (insbesondere der PFC Einheit 303), die die entsprechende Summenleitung für die Vielzahl von Bodeneinheit 111 zur Verfügung stellt, limitiert ist.
5b zeigt die Möglichkeit eine Vielzahl von Bodeneinheit 111, 511 zu kaskadieren oder in Reihe zu schalten. Zu diesem Zweck ist das Kaskadierungskabel 513 von einer ersten Bodeneinheit 111 zu einer zweiten Bodeneinheit 511 dargestellt. Die Ladeeinheit 110 benötigt dann eine reduzierte Anzahl von Anschlüssen für die Bodeneinheiten 111, 511. Insbesondere wird dann kein Verbindungskabel 512 zwischen der Bodeneinheit 511 zu der Ladeeinheit 110 benötigt.
Durch den in den 4, 5a und 5b gezeigten Aufbau der Ladeeinheit 110 und der ein oder mehreren Bodeneinheiten 111, 511 ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen. Insbesondere ergibt sich eine Vereinfachung der Anforderungen an das Verbindungskabel 112, 512 zwischen Ladeeinheit 110 und Bodeneinheit 111 durch die Gleichstromübertragung. Es können bspw. Standardkabel und Standardstecker statt Speziallösungen für HF verwendet werden. Außerdem ergeben sich Vereinfachungen bei der Installation. Desweiteren kann die Leitungsanzahl in der Kabelverbindung 112 (Ladeeinheit 110 <–> Bodeneinheit 111) durch alternative Kommunikationsverfahren reduziert werden. Bei PLC und WLAN kann vollständig auf Signalleitungen 322 verzichtet werden. Bei Verwendung des Kommunikationskanals, der bereits zwischen Fahrzeug 100 und Ladeeinheit 110 (insbesondere WLAN) verwendet wird, muss nur in der Bodeneinheit 111 eine zusätzliche Kommunikationseinheit 401 bereitgestellt werden, da in der Ladeeinheit 110 bereits eine Kommunikationseinheit 301 vorhanden ist.
Desweiteren ermöglicht der in diesem Dokument beschriebene Aufbau eine einfache (auch nachträgliche) und kostengünstige Erweiterung einer Ladestation auf mehrere Stellplätze (d.h. mehrere Bodeneinheit 111, 511). Außerdem kann das Laden einer Flotte von Fahrzeugen 100 einfach organisiert werden, indem über den Bodeneinheiten 111, 511 abgestellt Fahrzeuge 100 nacheinander durch die zentrale Ladeeinheit 110 gesteuert geladen werden. Durch die Verwendung einer Ladeeinheit 110 mit erhöhter Leistung können auch mehrere Bodeneinheiten 111, 511 gleichzeitig betrieben werden. Entsprechend schneller kann so eine Flotte von Fahrzeugen 110 geladen werden. Für die in 5a, 5b dargestellte Ladestation ist nur ein Netzanschluss erforderlich. Die zentrale Ladeeinheit 110 verteilt die Leistung auf die angeschlossenen Bodeneinheiten 111, 511 und kann gewährleisten, dass der Netzanschluss nicht überlastet wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Bodeneinheit (111), die eingerichtet ist, ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (100) zu erzeugen, wobei die Bodeneinheit (111) umfasst, – eine erste Schnittstelle (405), die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an der Bodeneinheit (111) zu empfangen; – einen Wechselstrom-Generator (305), der eingerichtet ist, den Gleichstrom in einen Wechselstrom zu wandeln; und – eine Primärspule (312), die eingerichtet ist, anhand des Wechselstroms das elektromagnetische Ladefeld zu erzeugen.
Bodeneinheit (111) gemäß Anspruch 1, wobei die Bodeneinheit weiter umfasst, – einen Sensor (311), der eingerichtet ist, Messdaten bzgl. eines Zustands der Bodeneinheit (111) zu erfassen; und – eine Kommunikationseinheit (401), die eingerichtet ist, auf den Messdaten basierende Daten an eine Ladeeinheit (110) zu übermitteln; wobei die Ladeeinheit (110) eingerichtet ist, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an der Bodeneinheit (111) bereitzustellen.
Bodeneinheit (111) gemäß Anspruch 3, wobei die Kommunikationseinheit (401) eingerichtet ist, – eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Ladeeinheit (110) aufzubauen; und/oder – eine Power Line Communication Verbindung mit der Ladeeinheit (110) aufzubauen.
Bodeneinheit (111) gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Bodeneinheit (111) eine Steuereinheit (402) umfasst; und – die Steuereinheit (111) eingerichtet ist, die Erzeugung des Wechselstroms durch den Wechselstrom-Generator (305) zu steuern.
Bodeneinheit (111) gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Bodeneinheit (111) eine zweite Schnittstelle umfasst; und – die zweite Schnittstelle eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an eine andere Bodeneinheit (511) weiterzugeben.
Bodeneinheit (111) gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wechselstrom eine Frequenz von 80–90kHz aufweist.
Ladeeinheit (110) für eine Ladestation (110, 112, 111) zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (100), wobei die Ladeeinheit (110) umfasst, – eine Power Factor Correction Einheit (303), die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms aus einem elektrischen Versorgungsnetz zu entnehmen; und – eine erste Schnittstelle (406), die eingerichtet ist, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms für eine Bodeneinheit (111) bereitzustellen.
Ladeeinheit (110) gemäß Anspruch 7, wobei die Ladeeinheit (110) eine Vielzahl von Schnittstellen umfasst, die eingerichtet sind, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms für eine entsprechende Vielzahl von Bodeneinheiten (111, 511) bereitzustellen.
Ladeeinheit (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Ladeeinheit (110) eine Kommunikationseinheit (301) umfasst, die eingerichtet ist, mit dem Fahrzeug (100) und mit der Bodeneinheit (111) zu kommunizieren.
Ladeeinheit (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Ladeeinheit (110) eine Steuereinheit (302) umfasst, die eingerichtet ist, die Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug (100) durch die Bodeneinheit (111) zu steuern.
Eine Ladestation (110, 112, 111) zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Fahrzeug (100), wobei die Ladestation (110, 111) umfasst, – eine Ladeeinheit (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, die eingerichtet ist, elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an einer ersten Schnittstelle (406) der Ladeeinheit (110) bereitzustellen; – eine Bodeneinheit (111) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die eingerichtet ist, die elektrische Energie in Form eines Gleichstroms an einer ersten Schnittstelle (405) der Bodeneinheit (111) aufzunehmen, und daraus ein elektromagnetisches Ladefeld zur Übertragung von elektrischer Energie an das Fahrzeug (100) zu erzeugen; und – ein Verbindungskabel (112), das eingerichtet ist, die erste Schnittstelle (406) der Ladeeinheit (110) galvanisch mit der ersten Schnittstelle (405) der Bodeneinheit (111) zu verbinden.