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Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, mit deren Hilfe ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug induktiv aufgeladen werden kann.
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Aus
JP 2014 063768 A ist eine Ladeeinrichtung zum induktiven Aufladen eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem eine Erregerspule von einem Material mit hoher magnetische Permeabilität umgeben ist.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis bei einem geringen zur Verfügung stehenden Bauraum Streufelder von Ladeeinrichtungen zu reduzieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem geringen Bauraumbedarf eine Ladeeinrichtung mit einem nur geringen Streufeld ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Ladeeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Ladeeinrichtung zum induktiven Aufladen eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfelds zur Induktion eines elektrischen Stroms in einer Empfängerspule des Kraftfahrzeugs und mindestens einer außerhalb der Erregerspule angeordneten Kompensationsspule zur Erzeugung eines dem Erregerfeld entgegen gerichteten Kompensationsfelds.
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Das von der Erregerspule erzeugbare Erregerfeld ist so stark, dass es in der in dem Kraftfahrzeug vorgesehenen Empfängerspule einen elektrischen Strom induzieren kann. Mit Hilfe des in der Empfängerspule induzierten elektrischen Stroms kann eine aufladbare Batterie, insbesondere Traktionsbatterie, des Kraftfahrzeugs geladen werden. Die Batterie des Kraftfahrzeugs kann dadurch leicht berührungslos von der Ladeeinrichtung aufgeladen werden. Die Erregerspule kann als Erregerfeld ein magnetisches Dipolfeld erzeugen, das mittig ein starkes zur Erregung der Empfängerspule geeignetes, insbesondere im Wesentlichen homogenes, Magnetfeld mit einer hohen magnetischen Flussdichte aufweist, das außerhalb der Erregerspule über Streufelder geschlossen ist. Das von der Erregerspule erzeugte Erregerfeld kann jedoch so stark sein, dass außerhalb der Erregerspule die Streufelder immer noch so stark sein können, dass durch das Streufeld andere Komponenten, beispielsweise andere elektrische Leiter oder Bauteile mit weichmagnetischen und/oder hartmagnetischen Materialen, beeinträchtigt werden können. Durch die mindestens eine Kompensationsspule kann jedoch das Streufeld des Erregerfelds zumindest teilweise kompensiert und abgeschwächt werden, so dass sich eine Abschirmung für das Erregerfeld ergibt und die anderen Komponenten geschützt sind. Diese Abschirmung wird jedoch nicht durch ein physisch verbautes Bauteil, sondern durch ein unkörperliches magnetisches Feld erreicht, so dass im Vergleich zu einer körperlichen physischen Abschirmung kein Bauraum für eine körperliche Abschirmung vorgesehen werden muss. Das Kompensationsfeld kann hierbei stark genug sein, dass das Streufeld der Erregerspule weit genug geschwächt werden kann, wobei die Stärke des Kompensationsfelds so gering gehalten werden kann, dass der Dipol im Innern der Erregerspule nicht signifikant beeinträchtigt wird. Durch die Kompensierung des Streufelds mit dem Kompensationsfeld ist auch der von dem Erregerfeld weg weisende Teil des Kompensationsfelds soweit geschwächt, dass eine Beeinträchtigung weiterer Komponenten durch das Kompensationsfeld nicht zu erwarten ist. Die Richtung des magnetischen Felds und des magnetischen Flusses des Kompensationsfelds im Bereich des Streufelds der Erregerspule kann der Richtung des magnetischen Felds und des magnetischen Flusses des Streufelds des Erregerfelds entgegen gerichtet sein, so dass insbesondere eine um 180° phasenversetzte zumindest teilweise Feldauslöschung erfolgen kann. Durch die Kompensationsspule kann eine unkörperliche Abschirmung des Erregerfelds erfolgen, so dass bei einem geringen Bauraumbedarf eine Ladeeinrichtung mit einem nur geringen Streufeld ermöglicht ist.
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Insbesondere weist die Erregerspule in einer, insbesondere horizontalen, Erregerebene angeordnete Erregerspulenwindungen auf, wobei die Kompensationsspule mindestens eine im Wesentlichen in der Erregerebene abgeordnete Kompensationsspulenwindung aufweist, wobei die Stromrichtung der Kompensationsspulenwindung der Stromrichtung in den Erregerspulenwindungen entgegen gerichtet ist. Durch die Anordnung der Erregerspulenwindungen und der Kompensationsspulenwindung in einer gemeinsamen Erregerebene ist eine besonders geringen Erstreckung senkrecht zur Erregerebene entlang des magnetischen Flusses in der Mitte der Erregerspule erreicht, so dass die Ladeeinrichtung besonders flach und bauraumsparend ausgestaltet sein kann. Zur Erreichung der Abschirmwirkung des Kompensationsfeldes ist es hierbei bereits ausreichend wenn die Ströme in den Erregerspulenwindungen und der Kompensationsspulenwindung in entgegengesetzte Umfangsrichtungen fließen. Dadurch lässt sich über eine besonders einfache elektrische Schaltung der Abschirmeffekt erreichen.
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Vorzugsweise ist die Kompensationsspulenwindung im Wesentlichen konzentrisch zu den Erregerspulenwindungen angeordnet. Die mindestens eine Kompensationsspulenwindung kann die Erregerspulenwindungen hierbei insbesondere nahezu über den vollen Umfang radial außen umschließen. Hierzu kann beispielsweise eine spiralförmige Wicklung mit mehreren Windungen vorgesehen sein, von denen zumindest die äußerste Windung von den übrigen inneren Windungen abgetrennt und als Kompensationsspule verwendet wird. Die Herstellung der Erregerspule und der Kompensationsspule ist dadurch vereinfacht.
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Besonders bevorzugt sind mehrere Kompensationsspulen außerhalb der Erregerspule angeordnet. Beispielsweise können viele einzelne Kompensationsspulen vergleichsweise klein ausgestaltet sein, so dass über die Verteilung der Mehrzahl an Kompensationsspulen die Abschirmung des Erregerfelds geeignet gewählt werden kann. Dadurch ist es möglich für das Streufeld besonders empfindliche Stellen über eine Mehrzahl von in der Nähe dieser Stelle positionierten Kompensationsspulen besonders stark abzuschirmen und vor dem Streufeld der Erregerspule zu schützen, während weniger durch das Streufeld beeinträchtigte Stellen schwächer abgeschirmt sind. Der Energieeinsatz für die Kompensationsspulen kann dadurch auf das erforderliche Ausmaß begrenzt werden.
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Insbesondere ist der Abstand zwischen zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Kompensationsspulen zur Bereitstellung einer höheren Abschirmung des Erregerfelds geringer als der Abstand zwischen zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten anderen Kompensationsspulen zur Bereitstellung einer geringeren Abschirmung des Erregerfelds. Das Ausmaß der durch die Kompensationsspulen erreichten Abschirmung kann an besonders problematischen Stellen stärker als an weniger problematischen Stellen sein. Anstelle eines durch die Kompensationsfeder erzeugten im Wesentlichen homogenen Abschirmfelds kann ein bewusst inhomogenes Abschirmfeld aufgebaut werden, dessen Durchlässigkeit für das Streufeld der Erregerspule an die magnetische Schutzbedürftigkeit der hinter dem jeweiligen Bereich des Abschirmfelds liegenden Umfangswinkelbereich abhängt. Der Energieeinsatz für die Kompensationsspulen kann dadurch auf das erforderliche Ausmaß begrenzt werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich mindestens eine Kompensationsspule in Umfangsrichtung der Erregerspule nur über einen kleineren Winkelbereich α, wobei insbesondere für den Winkelbereich α 1° ≤ α ≤ 20°, vorzugsweise 2° ≤ α ≤ 15° und besonders bevorzugt 5° ≤ α ≤ 10° gilt. Das Kompensationsfeld der jeweiligen Kompensationsspule kann dadurch für einen bestimmten Winkelbereich angepasst werden. Je kleiner die Erstreckung der Kompensationsspule in Umfangsrichtung ist, desto hochauflösender kann das durch die Kompensationsfelder zusammengesetzte Abschirmfeld gestaltet werden. Für viele Anwendungsfälle ist eine hohe Auflösung jedoch nicht erforderlich, so dass durch größere Kompensationsspulen die Anzahl der Kompensationsspulen gering gehalten werden kann.
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Besonders bevorzugt sind mindestens zwei zur Abschirmung eines gemeinsamen Winkelbereichs des Erregerfelds vorgesehene Kompensationsspulen vorgesehen, wobei die Kompensationsspulen unabhängig voneinander zuschaltbar ausgestaltet sind. Bei einem besonders starken Erregerfeld können die mindestens zwei Kompensationsspulen den gemeinsam abgedeckten Winkelbereich des Erregerfelds ausreichend abschirmen. Wenn die Stärke des Erregerfelds, beispielsweise aufgrund eines vergleichsweise hohen Ladezustands der Batterie des Kraftfahrzeugs und/oder weil ein Schnelladen nicht gewünscht ist, reduziert ist, kann eine ausreichende Abschirmung des Erregerfelds auch mit einer Kompensationsspule weniger erreicht werden. Eine unnötig starke Abschirmung durch die Kompensationsspulen kann dadurch vermieden werden, so dass der Energieeinsatz für die Kompensationsspulen auf das erforderliche Minimum begrenzt werden kann.
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Insbesondere sind die der Erregerspule zugeführte Stromstärke und die der Kompensationsspule zugeführte Stromstärke variabel einstellbar. Die Stromstärke der Kompensationsspule kann dadurch leicht an die durch die Stromstärke der Erregerspule beeinflusste Stärke des Erregerfelds angepasst werden. Hierzu ist insbesondere eine Regelung der Stromstärke der Kompensationsspule in Abhängigkeit von der Stromstärke der Erregerspule vorgesehen. Eine unnötig starke Abschirmung durch die Kompensationsspulen kann dadurch vermieden werden, so dass der Energieeinsatz für die Kompensationsspulen auf das erforderliche Minimum begrenzt werden kann.
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Vorzugsweise sind die der Erregerspule und die Kompensationsspule an einer gemeinsamen Stromquelle angeschlossen. Dadurch kann durch eine einfache Schaltung leicht ein zum Strom der Erregerspule um 180° phasenversetzter Strom der Kompensationsspule vorgesehen werden, um einander auslöschende Felder zu erreichen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Ladeeinrichtung und
- 2: eine schematische Prinzipdarstellung einer Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer Ladeeinrichtung.
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Die in 1 dargestellte Ladeeinrichtung 10 weist eine spiralförmig in einer Erregerebene mit mehreren im Wesentlichen konzentrischen Windungen angeordnete Erregerspule 12 auf, die ein magnetisches Erregerfeld 14 erzeugt. Die Erregerspule 12 kann auch als DD-Spule ausgestaltet sein. Das im Wesentlichen als Dipol ausgestaltete Erregerfeld 14 kann mit einer in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Empfängerspule 16 interagieren und in der Empfängerspule 16 einen elektrischen Strom induzieren, mit dessen Hilfe eine aufladbare Batterie des Kraftfahrzeugs aufgeladen werden kann.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform der Ladeeinrichtung 10 ist in der Erregerebene eine Kompensationsspule 18 vorgesehen, dessen mindestens eine Windung die Erregerspule 12 im Wesentlichen konzentrisch, insbesondere über den gesamten Umfang, umschließt. Der elektrische Strom in der Kompensationsspule 18 fließt in die entgegengesetzte Umfangsrichtung als der elektrische Strom in der Erregerspule 12 und/oder die Ströme der Kompensationsspule 18 und der Erregerspule 12 sind um 180°phasenversetzt. Dadurch kann das von der Kompensationsspule 18 erzeugte magnetische Kompensationsfeld das Streufeld am radial äußeren Rand des Erregerfelds 14 zumindest teilweise auslöschen, wodurch eine unkörperliche bauraumsparende Abschirmung des Erregerfelds 14 erreicht ist.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform der Ladeeinrichtung 10 ist im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform der Ladeeinrichtung 10 die einzelne konzentrische Kompensationsspule 18 durch eine Vielzahl kleinerer in Umfangsrichtung hintereinander radial außerhalb der Erregerspule 12 in der Erregerebene angeordnete Kompensationsspulen 18 ersetzt. Über die Größe der einzelnen Kompensationsspulen 18, den Abstand von in Umfangsrichtung nachfolgenden Kompensationsspulen 18, den radialen Abstand der der einzelnen Kompensationsspulen 18 zur Erregerspule 12, der Stromstärke der einzelnen Kompensationsspulen 18 und/oder dem Schaltungszustand der einzelnen Kompensationsspulen 18 kann die von den Kompensationsspulen 18 erreichte Abschirmung des Erregerfelds 14 individuell an die Bedürfnisse der radial außerhalb zu der jeweiligen Kompensationsspule 18 vorgesehenen Bauteile angepasst werden.
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Die vorstehend beschriebene Kompensation der Streufelder in der bodenseitigen Erregerspule ist nicht auf diese begrenzt.
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Die Kompensation kann auch auf der Fahrzeugseite bei der Empfängerspule erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die Federführung auf der Fahrzeugseite erfolgt und das jeweilige Fahrzeug dediziert ausgelegt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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