DE102018200231B4

DE102018200231B4 - Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts in einem Kraftfahrzeug sowie System, deren Verwendung und Verfahren

Info

Publication number: DE102018200231B4
Application number: DE102018200231.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Sutor; Jürgen Kellner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: DE102018200231A1; WO2019137860A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung (11) zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts (12) in einem Kraftfahrzeug (10), aufweisend einen Ablagebereich (13) zum Ablegen des Endgeräts (12) für einen Ladevorgang, eine elektrische Primärspule (14), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Versorgungsstrom (16) ein magnetisches Wechselfeld (15) im Ablagebereich (13) zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, den Versorgungsstrom (16) für den Ladevorgang zu schalten. Die Erfindung sieht vor, dass die Ladevorrichtung (11) dazu eingerichtet ist, das Endgerät (12) zumindest zeitweise mittels einer von einer Magnetkraft des magnetischen Wechselfelds (15) verschiedenen, zusätzlichen Magnetkraft (25, 31) in dem Ablagebereich (13) in eine vorbestimmte Ladeposition (23) zu führen und/oder in der Ladeposition (23) zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts in einem Kraftfahrzeug. Ein solches mobiles Endgerät kann beispielsweise ein Smartphone sein. In dem Kraftfahrzeug ist für das induktive Laden ein Ablagebereich zum Ablegen des Endgeräts vorgesehen. Zu der Erfindung gehören auch ein System mit der Ladevorrichtung und einem Endgerät, das mit der Ladevorrichtung zusammenwirken kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit der Ladevorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Ladevorrichtung.
Für einen kabellosen Ladevorgang eines mobilen Endgeräts, zum Beispiel eines Smartphones, kann in einem Kraftfahrzeug die Ladeenergie induktiv mittels einer so genannten Primärspule einer fahrzeugseitigen Ladevorrichtung mittels eines magnetischen Wechselfelds bereitgestellt werden, das in dem Endgerät mittels einer so genannten Sekundärspule durch magnetische Induktion in eine elektrische Ladespannung gewandelt werden kann. Eine solche Ladevorrichtung kann beispielsweise in einer Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein. Dort kann ein Ablagebereich zum Ablegen des Endgeräts vorgesehen sein, wo sich dann das Endgerät in einer Ladeposition befinden muss, in welcher die Sekundärspule des Endgeräts derart bezüglich der Primärspule der Ladevorrichtung angeordnet ist, dass eine Kopplung der beiden Spulen maximal ist oder, anders herum ausgedrückt, Streuverluste minimiert sind. Es ist wichtig, das Endgerät in einer solchen korrekten Ladeposition zu platzieren, um die größte Effizienz bei der Übertragung von Energie während des Ladevorgangs zu erhalten.
Hierzu muss zum einen der Benutzer die Ladeposition kennen oder in Erfahrung bringen können, damit er das Endgerät korrekt in der Ladeposition im Ablagebereich platziert. Während einer Fahrt kann es zudem dazu kommen, dass aufgrund beispielsweise einer Kurvenfahrt das Endgerät im Ablagebereich aus der Ladeposition rutscht. Denn der Ablagebereich kann oftmals nicht passgenau für ein Endgerät geformt sein, beispielsweise als eine Schale, da Endgeräte unterschiedlicher Größe für die Ladevorrichtung vorgesehen sein können. Zum Stand der Technik wird insbesondere die JP 2012-257381 A genannt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer induktiven Ladevorrichtung eines Kraftfahrzeugs eine korrekte Ablage eines mobilen Endgeräts in der vorgesehenen Ladeposition sicherzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
Durch die Erfindung ist eine Ladevorrichtung zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Bei dem mobilen Endgerät kann es sich zum Beispiel um eine Smartphone oder ein Tablet-PC oder eine Smartwatch handeln. Die induktive Ladevorrichtung sieht einen Ablagebereich zum Ablegen des Endgeräts für den Ladevorgang vor. Ein solcher Ablagebereich kann beispielsweise als eine Ablagefläche oder eine Ablageschale oder ein Ablagefach ausgestaltet sein. Eine elektrische Primärspule der Ladevorrichtung ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem elektrischen Versorgungsstrom ein magnetisches Wechselfeld im Ablagebereich zu erzeugen. Mit Wechselfeld ist gemeint, dass sich ein magnetischer Fluss des Wechselfelds mit der Zeit verändert, beispielsweise periodisch um einen Mittelwert schwankt. Der Versorgungsstrom kann hierzu entsprechend zeitlich moduliert sein. Durch das Wechselfeld wird in der Sekundärspule des Endgeräts eine Ladespannung induziert, die zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers des Endgeräts verwendet werden kann. Bei der Ladevorrichtung ist schließlich eine Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Versorgungsstrom für den Ladevorgang zu schalten. Die Steuereinrichtung kann eine elektronische Schaltung aufweisen, mittels welcher der Versorgungsstrom für die Primärspule geschaltet oder gesteuert werden kann. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung hierzu eine H-Brücke zum Schalten einer Gleichspannung aufweisen, um hierdurch den Versorgungsstrom mit wechselnder oder zeitlich veränderlicher Amplitude zu erzeugen.
Um nun sicherzustellen, dass das Endgerät korrekt in einer vorbestimmten Ladeposition positioniert ist oder zumindest beim Ablegen dort positioniert wird, ist die Ladevorrichtung dazu eingerichtet, das mobile Endgerät zumindest zeitweise mittels einer von einer Magnetkraft des beschriebenen magnetischen Wechselfelds verschiedenen, zusätzlichen Magnetkraft in dem Ablagebereich in die vorbestimmte Ladeposition zu führen und/oder in der Ladeposition zu halten. Mit anderen Worten kann beim Ablegen des Endgeräts mittels der zusätzlichen Magnetkraft dafür gesorgt werden, dass das Endgerät in die Ladeposition gleitet oder geführt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann bei bereits in der Ladeposition abgelegtem Endgerät mittels der zusätzlichen Magnetkraft dafür gesorgt werden, dass das Endgerät in der Ladeposition gehalten wird, selbst wenn es z.B. zu einer Kurvenfahrt kommt.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass das Endgerät ohne mechanische Verankerung im Ablagebereich in die Ladeposition gebracht und/oder in der Ladeposition gehalten werden kann und somit der Ladevorgang mit optimaler Kopplung oder minimiertem Verlust zwischen der Primärspule der Ladevorrichtung und der Sekundärspule des Endgeräts durchgeführt werden kann. Die zusätzliche Magnetkraft kann mittels einer magnetischen Felderzeugungseinrichtung der Ladevorrichtung erzeugt werden. Die zusätzliche Magnetkraft kann mit einem Magnetelement, beispielsweise mittels zumindest eines Permanentmagneten, erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die zusätzliche Magnetkraft beispielsweise mittels der Primärspule erzeugt werden, indem dem Versorgungsstrom ein zusätzlicher Haltestrom, beispielsweise ein Gleichstrom, überlagert wird. Das Magnetelement ist dann also die Primärspule.
Eine Ausführungsform sieht allerdings vor, dass die Ladevorrichtung zum Erzeugen der Magnetkraft eine zusätzliche, von der Primärspule verschiedene elektrische Haltespule aufweist, die dazu eingerichtet ist, in dem Ablagebereich zum Bereitstellen der zusätzlichen Magnetkraft ein magnetisches Haltefeld in Abhängigkeit von einem Haltestrom zu erzeugen. Das besagte Magnetelement ist also durch eine Haltespule gebildet. Durch Bestromen der Haltespule mit dem Haltestrom wird das magnetische Haltefeld erzeugt, welches die zusätzliche Magnetkraft zum Führen und/oder Halten des Endgeräts hervorruft. Die Steuereinrichtung der Ladevorrichtung ist dazu eingerichtet, den Haltestrom in Abhängigkeit von zumindest einem vorbestimmten Auslösesignal zu erzeugen. Mit anderen Worten muss die Haltespule nicht durchgehend oder dauerhaft mit dem Haltestrom versorgt oder durchflossen sein. Vielmehr kann der Haltestrom durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von zumindest einem Auslösesignal geschaltet oder gesteuert sein. Die Steuereinrichtung kann hierzu eine elektronische Schaltung aufweisen, mittels welcher der Haltestrom für die Haltespule geschaltet oder gesteuert werden kann.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Haltespule mehr Windungen als die Primärspule aufweist. Hierzu kann eine Feldstärke des Haltefelds größer eingestellt werden als eine Feldstärke des Wechselfelds.
Der Haltestrom ist gemäß einer Ausführungsform ein Gleichstrom und/oder weist eine geringere Frequenz als der Versorgungsstrom der Primärspule auf. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Induktion von Wirbelströmen in dem Endgerät vermieden oder gering gehalten.
Mehrere Ausführungsformen beschäftigen sich mit dem zumindest einen Auslösesignal für den Haltestrom.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine Detektoreinrichtung dazu eingerichtet ist, das Endgerät zu detektieren und durch ein Auslösesignal zu signalisieren, falls sich das Endgerät näher als ein vorbestimmter Höchstabstand von dem Ablagebereich entfernt befindet. Ein mögliches Auslösesignal signalisiert also, falls sich das Endgerät näher als der Höchstabstand zu dem Ablagebereich entfernt befindet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der Haltestrom nur dann eingeschaltet oder aktiviert, falls das Haltefeld das Endgerät überhaupt nur erreichen kann. Insbesondere wird dieses Auslösesignal erzeugt, während das Endgerät noch an die Ladeposition herangeführt wird und/oder die Ladeposition noch nicht erreicht hat. Ein Benutzer kann somit während des Ablegens des Endgeräts die Magnetkraft in seiner Hand spüren und sich daran orientieren, um die Ladeposition anzupeilen.
Eine Ausführungsform hierzu sieht vor, dass die Detektoreinrichtung eine NFC-Kommunikationseinrichtung nutzt (NFC - near field communication). Die Detektoreinrichtung ist dabei dazu eingerichtet, mittels der NFC-Kommunikationseinrichtung das Endgerät auf der Grundlage einer NFC-Kommunikation zu detektieren. Durch eine NFC-Kommunikationseinrichtung ist eine Kommunikation nur innerhalb einer vorbestimmten Reichweite möglich, durch die dann beispielsweise auch der besagte Höchstabstand definiert ist. Kommt eine NFC-Kommunikation erfolgreich zustande, so bedeutet dies, dass sich das Endgerät innerhalb der Reichweite der NFC-Kommunikationseinrichtung befindet. Die Reichweite kann in einem Bereich von 5 Zentimeter bis 20 Zentimeter liegen. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise eine Kapazitätssensorik eine Gegenwart des Endgeräts erkennen und/oder eine Q-Faktor-Messung eines RF-Feldes, z.B. des Wechselfelds 15, die Ausrichtung der Sekundärspule bezüglich der Primärspule erkennen, wobei dann der Q-Faktor oder Gütefaktor der Kombination aus Primärspule und Sekundärspule gemessen werden kann. Diese Detektionsmechanismen sind vorteilhafte Beispiele. Es handelt sich aber nicht um eine abschließende Auflistung, sondern es ist auch ein anderer Detektionsmechanismus verwendbar.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung der Ladevorrichtung dazu eingerichtet ist, den Haltestrom für die Haltespule während des Ladevorgangs (Energieübertragung von der Primärspule zum Endgerät mittels des Wechselfelds) nur aufrecht zu erhalten, während zumindest eines von dem zumindest einen Auslösesignal vorliegt. Mit anderen Worten wird der Haltestrom durch die Steuereinrichtung abgeschaltet, es sei denn, es liegt zumindest ein Auslösesignal vor. Dies sorgt für einen effizienten Betrieb.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, als ein mögliches Auslösesignal zumindest ein Bewegungssignal zu empfangen und bei im Ablagebereich abgelegtem Endgerät anhand des Bewegungssignals eine auf das Endgerät wirkende vorbestimmte Beschleunigung oder Beschleunigungskraft oder Fliehkraft zu ermitteln. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Querbeschleunigung handeln, die parallel zu einer Auflagefläche des Auflagebereichs wirkt, auf welcher das Endgerät abgelegt sein kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass es sich bei der Beschleunigung um eine solche handelt, welche von der Ladeposition weggerichtet ist. Mit anderen Worten wirkt die Beschleunigung oder die Beschleunigungskraft oder Fliehkraft auf das Endgerät derart, dass es aus der Ladeposition bewegt werden kann. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Haltestrom zu aktivieren, falls die Beschleunigung oder die Beschleunigungskraft oder Fliehkraft größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Durch Aktivieren des Haltestroms wird dann die Haltespule bestromt und das zusätzliche Haltefeld erzeugt, wodurch die zusätzliche Magnetkraft wirkt und sie damit das Endgerät gegen die Beschleunigung oder die Beschleunigungskraft oder Fliehkraft in der Ladeposition hält oder das Endgerät am Verrutschen hindert. Dies wirkt natürlich nur so lange, bis die Beschleunigungskraft oder Fliehkraft größer als die zusätzliche Magnetkraft ist.
Eine Ausführungsform hierzu sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, von dem zumindest einen besagten Bewegungssignal zumindest eines aus dem Endgerät zu empfangen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Beschleunigungssensor oder Bewegungssensor des Endgeräts zum Schalten des Haltestroms genutzt werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, von dem zumindest einen Bewegungssignal zumindest eines aus einem Beschleunigungssensor und/oder aus einem Gierratensensor des Kraftfahrzeugs zu empfangen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Sensorik des Kraftfahrzeugs genutzt, sodass die Ladevorrichtung keine eigene Sensorik zum Erzeugen eines Bewegungssignals aufweisen muss. Ein Bewegungssignal des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise aus einem Datenbus des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem CAN-Bus (CAN - controller area network) abgegriffen oder ausgelesen werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, durch Umschalten zwischen der Primärspule und der Haltespule den Versorgungsstrom und den Haltestrom aus derselben Quelle bereitzustellen. Mit anderen Worten wird zum Bestromen der Haltespule mit dem Haltestrom zunächst der Ladevorgang unterbrochen, während dann der Haltestrom fließen kann. Anschließend kann nach Unterbrechen des Haltestroms und Einschalten des Versorgungsstroms der Ladevorgang weiter durchgeführt werden. Bei der Quelle kann es sich beispielsweise um ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs handeln. Die Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass dieselbe Schaltungselektronik zum Betreiben sowohl der Primärspule als auch der Haltespule genutzt werden kann. Es ist lediglich eine Umschalteinrichtung zusätzlich bereitzustellen.
Um die besagte Magnetkraft zum Führen und/oder Halten des Endgeräts wirksam werden zu lassen, muss das Endgerät magnetisierbar sein. Das magnetische Haltefeld kann beispielsweise auf ein weichmagnetisches Gehäuse des Endgeräts einwirken.
Für eine gezielte Erzeugung der Magnetkraft umfasst die Erfindung aber auch ein System, welches eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung und ein portables mobiles Endgerät umfasst. Das Endgerät weist ein weichmagnetisches Fixierelement auf, welches in dem Endgerät an einer Position angeordnet ist, die bei in einer vorbestimmten Ladeposition in dem Ablagebereich der Ladevorrichtung abgelegtem Endgerät einen minimalen Abstand zu dem eingangs beschriebenen Magnetelement der Ladevorrichtung, insbesondere der Haltespule, aufweist. Mit anderen Worten ist der Abstand des weichmagnetischen Fixierelements zu der Haltespule am geringsten, wenn das Endgerät korrekt in der Ladeposition angeordnet ist. Sodann ergibt sich der Effekt, dass durch Bewegen des Endgeräts aus der Ladeposition sich stets eine Magnetkraft ergibt, die auf das Fixierelement wirkt und das Endgerät in Richtung zur Ladeposition zurückzieht, also eine Rückstellkraft. Das weichmagnetische Fixierelement kann auch einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Weicheisen, sein. Mit „weichmagnetisch“ ist gemeint, dass eine magnetische Koerzitivfeldstärke kleiner als 1000 A/m ist.
Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Systems in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Kraftwagen sein, beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen. Das Kraftfahrzeug kann auch eine Landmaschine (landwirtschaftliches Nutzfahrzeug) sein.
Die Erfindung umfasst schließlich auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Systems, um ein portables mobiles Endgerät in einem Kraftfahrzeug mittels eines induktiven Ladevorgangs zu laden. Mit Laden des Endgeräts ist gemeint, dass ein elektrischer Energiespeichers des Endgeräts mit Energie aufgeladen wird. Bei dem Verfahren schaltet eine Steuereinrichtung einen Versorgungsstrom in einer Primärspule für den Ladevorgang. Dies kann in an sich bekannter Weise vorgesehen oder durchgeführt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zudem vorgesehen, dass die Ladevorrichtung das mobile Endgerät zumindest zeitweise (also entweder durchgängig oder nur für einzelne verschiedene, getrennte Zeitintervalle) mittels einer von einer Magnetkraft des magnetischen Wechselfelds der Primärspule der Ladevorrichtung verschiedenen Magnetkraft in dem Ablagebereich in eine vorbestimmte Ladeposition führt und/oder in der Ladeposition hält. Dies kann mittels einer magnetischen Felderzeugungseinrichtung durchgeführt werden. Das zeitweise Bereitstellen oder Aktivieren der Magnetkraft ergibt sich in der beschriebenen Weise beispielsweise immer dann, wenn in Abhängigkeit von dem Auslösesignal der Haltestrom für die Haltespule aktiviert wird. Das Führen in die Ladeposition ergibt sich, wenn das Endgerät beispielsweise von einem Benutzer in der Hand gehalten wird und in die Nähe der Ladeposition (Abstand kleiner als der Höchstabstand) gebracht wird und das Magnetfeld beispielsweise mittels eines Permanentmagneten oder der Primärspule oder der Haltespule erzeugt wird und hierdurch das Endgerät in die Ladeposition bezogen wird.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems aus Ladevorrichtung und mobilem Endgerät; und
2 ein Flussschaudiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, zum Beispiel einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder um eine Landmaschine handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann eine Ladevorrichtung 11 aufweisen, mittels welcher ein mobiles Endgerät 12, beispielsweise ein Smartphone, mittels eines induktiven Ladevorgangs aufgeladen werden kann. Die Ladevorrichtung 11 kann hierzu einen Ablagebereich 13 zum Ablegen des Endgeräts 12 für den Ladevorgang aufweisen. Der Ablagebereich 13 kann durch eine Ablageschale oder Vertiefung oder ein Ablagefach gebildet sein.
Des Weiteren kann eine elektrische Primärspule 14 zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds 15 vorgesehen sein, wobei das Wechselfeld 15 durch Schalten eines Versorgungsstroms 16 der Primärspule 16 in an sich bekannter Weise erzeugt werden kann. Der Versorgungsstrom 16 kann durch eine Steuereinrichtung 17 der Ladevorrichtung 11 geschaltet oder gesteuert werden. Die Ladevorrichtung 11 kann dabei an eine Quelle 18, beispielsweise ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs, angeschlossen sein, um elektrische Energie zum Erzeugen des Wechselfelds 15 zu empfangen.
Das Endgerät 12 kann eine elektrische Sekundärspule 19 zum Empfangen und Wandeln des Wechselfelds 15 aufweisen. Das gewandelte Wechselfeld 15 kann eine Ladespannung 20 erzeugen, die mittels einer Ladeelektronik 21 in an sich bekannter Weise in eine Gleichspannung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 22 des Endgeräts 12 umgewandelt werden kann. Der Energiespeicher 22 kann ein elektrischer Akkumulator sein.
Damit die Primärspule 14 und die Sekundärspule 19 magnetisch gekoppelt sind, muss das Endgerät 12 in dem Ablagebereich 13 in einer vorbestimmten Ladeposition 23 angeordnet werden. Hierfür kann ein Benutzer des Endgeräts 12 durch die Ladevorrichtung 11 unterstützt werden. Das Endgerät 12 kann ein weichmagnetisches Fixierelement 24 aufweisen, das beispielsweise ein Teil eines Gehäuses des Endgeräts 12 sein kann oder zusätzlich beispielsweise in Form einer Platte oder eines Kubus oder eines Quaders oder eines Zylinders in dem Endgerät 12 eingebaut sein kann. Die Ladevorrichtung 11 kann eine Magnetkraft 25 auf das Fixierelement 24 ausüben, durch welche das Endgerät 12 in die Ladeposition 23 geführt oder gezogen wird und/oder dort gehalten wird. Die Magnetkraft 25 kann mittels eines zusätzlichen magnetischen Haltefelds 26 erzeugt werden, dass in der Ladevorrichtung 11 durch eine von der Primärspule 14 verschiedene zusätzliche elektrische Haltespule 27 erzeugt werden kann.
Dargestellt ist eine Haltespule 27, die mehr Windungen als sie die Primärspule 14 aufweist. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass ein weichmagnetischer Kern 28 zum Führen und/oder Konzentrieren des Haltefelds 26 vorgesehen ist. Ein Haltestrom 29, der durch die Haltespule 27 fließt, um das Haltefeld 26 zu erzeugen, kann durch die Steuereinrichtung 17 geschaltet sein. Falls sich das Endgerät 12 korrekt in der Ladeposition 23 befindet, kann ein Abstand 30 zwischen dem Fixierelement 24 und der Haltespule 27 am geringsten sein. Wird dann das Endgerät 12 bei aktiviertem Haltefeld 26 aus der Ladeposition 23 bewegt, beispielsweise seitlich oder lateral entlang des Auflagebereichs 13, so ergibt sich eine Rückstellkraft 31, welche das Endgerät 12 in der Ladeposition 23 hält oder es dorthin zurückzieht. Die Rückstellkraft 31 ist ebenfalls eine Magnetkraft.
Der Haltestrom 29 soll aber bevorzugt nicht dauerhaft fließen, sondern nur bei Bedarf eingeschaltet sein. Hierzu kann die Steuereinrichtung 17 vor Ablage oder Annäherung des Endgeräts 12 an den Ablagebereich 13 zunächst den Haltestrom 29 ausgeschaltet lassen und erst nach Detektieren des Endgeräts 12 innerhalb eines vorbestimmten Höchstabstands 32 den Haltestrom 29 aktivieren. Für das Detektieren kann eine Detektionseinrichtung 33 der Steuereinrichtung 17 beispielsweise eine NFC-Kommunikationseinrichtung 34 nutzen. Bei erfolgreicher NFC-Kommunikation 35 kann angenommen werden, dass sich das Endgerät 12 innerhalb des Höchstabstands 32 befindet und es kann der Haltestrom 29 aktiviert werden. Für die NFC-Kommunikation 35 kann die Kommunikationseinrichtung 34 mit einer NFC-Kommunikationseinheit 36 des Endgeräts 12 kommunizieren. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise eine Kapazitätssensorik eine Gegenwart des Endgeräts 12 erkennen und/oder eine Q-Faktor-Messung eines RF-Feldes, z.B. des Wechselfelds 15, die Ausrichtung der Sekundärspule 19 bezüglich der Primärspule 14 erkennen, wobei der Q-Faktor Q des Systems aus Primärspule 14 und Sekundärspule 19 gemessen werden kann.
Ist das Endgerät 12 dann in der Ladeposition 23 angeordnet, kann der Haltestrom 29 zunächst abgeschaltet werden. Ergibt sich dann während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs 10 eine Fliehkraft oder Beschleunigung 37, beispielsweise aufgrund einer Kurvenfahrt, so kann der Haltestrom 29 durch die Steuereinrichtung 17 zeitweise aktiviert werden und hierdurch die Rückstellkraft 31 erzeugt werden, welche der Fliehkraft 37 entgegenwirken kann. Zum Detektieren dieser Situation mit wirkender Fliehkraft oder Beschleunigung 37, kann die Detektionseinrichtung 33 beispielsweise aus einem Beschleunigungssensor 38 des Endgeräts 12 als ein Auslösesignal 39 ein Bewegungssignal 40 des Beschleunigungssensors 38 empfangen und für den Fall, dass eine Fliehkraft oder Beschleunigung 37 größer als ein Schwellenwert 41 detektiert wird, der Haltestrom 29 aktiviert oder eingeschaltet werden. Das Bewegungssignal 39 kann beispielsweise mittels einer Bluetooth-Funkverbindung 42 von dem Endgerät 12 zur Ladevorrichtung 11 übertragen werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Auslösesignal 39 in Form eines Bewegungssignals 43 aus einem Beschleunigungssensor und/oder Gierratensensor 44 des Kraftfahrzeugs 10 empfangen werden. Beispielsweise kann das Bewegungssignal 43 aus dem Beschleunigungssensor und/oder Gierratensensor 44 über einen Kommunikationsbus 45, zum Beispiel einen CAN-Bus, empfangen werden.
Wird anhand der Auslösesignale 39 erkannt, dass keine Rückstellkraft 31 mehr benötigt wird, kann der Haltestrom 29 wieder abgeschaltet werden. Die Steuereinrichtung 17 kann zum Auswerten der Auslösesignale 39 einen Mikrocontroller 46 aufweisen. Die Detektionseinrichtung 33 kann dann zumindest teilweise auf der Grundlage eines Programmcodes für den Mikrocontroller 36 realisiert sein. Anstelle eines Mikrocontrollers 36 kann auch eine andere Prozessoreinrichtung oder eine Schaltlogik vorgesehen sein.
2 veranschaulicht nochmals, wie ein Ladevorgang in dem Kraftfahrzeug 10 von 1 durchgeführt werden kann. In einem Schritt S10 kann das Endgerät 12 mittels der Magnetkraft 25 in die Ladeposition 23 geführt werden. Ein Benutzer, der das Endgerät 12 in der Hand hält, spürt die Magnetkraft 25 und erkennt daran, in welcher Ladeposition 23 er das Endgerät 12 im Ablagebereich 13 ablegen muss. Nach dem Ablegen kann der Haltestrom 29 abgeschaltet werden. Das Ablegen kann z.B. mittels der Primärspule erkannt werden, indem deren Induktivitätswert in bekannter Weise überwacht wird. In einem Schritt S11 kann dann der Versorgungsstrom 16 aktiviert werden, sodass bei in der Ladeposition 23 angeordneten Endgerät 12 der Energiespeicher 22 des Endgeräts 12 durch den induktiven Ladevorgang geladen wird. Falls durch die Steuereinrichtung 17 erkannt wird, dass ein Auslösesignal 39 vorliegt, kann in einem Schritt S12 der abgeschaltete Haltestrom 29 eingeschaltet und hierdurch das Haltefeld 26 erzeugt werden. Dies erzeugt die Rückstellkraft 31, mit welcher der Fliehkraft oder Beschleunigung 37 entgegengewirkt werden kann. Es kann hierbei vorgesehen sein, zwischen der Primärspule 14 und der Haltespule 27 umzuschalten, das heißt es fließt entweder der Versorgungsstrom 16 oder der Haltestrom 29. Hierdurch kann die gleiche elektronische Schaltung zum Versorgen oder Betreiben sowohl der Primärspule 14 als auch der Haltespule 27 verwendet werden.
Es wird also zum Halten des Endgeräts 12 in der Ladeposition 23 eine Magnetkraft verwendet, die von der Ladevorrichtung 11 erzeugt wird.
Um diese gewünschte Magnetkraft zu erzeugen, kann eine zusätzliche elektrische Spule, die Haltespule 27, bereitgestellt werden. Natürlich kann auch mehr als eine einzelne Haltespule 27 vorgesehen sein. Die Haltespule 27 kann wie ein elektromechanisches Relais ausgestaltet sein, also einen Kern 28 aufweisen, der von der elektrischen Haltespule 27 umgeben ist. Die Anzahl der Windungen der Haltespule 27 ist größer als die Windungen der Primärspule 14, die für das eigentliche induktive Laden vorgesehen ist. Insbesondere ist die Anzahl der Windungen fünfmal größer, bevorzugt zehnmal größer. Dennoch kann die Haltespule 27 von derselben Treiberelektronik oder derselben Schaltung der Steuereinrichtung 17 betrieben werden wie die Primärspule 14, da das induktive Laden während der Zeit unterbrochen werden kann, wenn die Magnetkraft benötigt wird und der Haltestrom 29 bereitgestellt werden muss. Um eine ausreichend große Magnetkraft sicherzustellen, kann das Endgerät 12 ein ferromagnetisches Material, insbesondere das weichmagnetische Fixierelement 24, aufweisen.
Zwei Funktionen können mit diesem Ansatz realisiert werden. Während des Ablegens des Endgeräts 12 auf dem Ablagebereich 13, kann das Haltefeld 26 derart definiert oder ausgelegt oder erzeugt werden, dass der Benutzer die korrekte Lageposition 23 erfühlen kann oder haptisch oder taktil erfährt, wo das Endgerät 12 abgelegt werden muss.
Während des Ladevorgangs kann ein Verrutschen des Endgeräts 12 aus der Ladeposition 23 verhindert werden. Ein Beschleunigungssensor des Endgeräts 12 und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder Gierratensensor des Kraftfahrzeugs 10 kann hierfür verwendet werden. Falls eine Fliehkraft oder eine Beschleunigung einen vorbestimmten Schwellenwert 41 überschreitet, kann die Magnetkraft erzeugt werden, um das Endgerät 12 in der korrekten Ladeposition 23 zu halten.
Es ist keine optische Markierung der Ladeposition notwendig. Es ist auch keine mechanische Fixierung des Endgeräts 12 in der Ladeposition nötig. Dennoch kann sichergestellt werden, dass die optimale Ladeposition 23 von dem Endgerät 12 eingenommen wird.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein mobiles Endgerät mittels einer magnetischen Kraft während eines kabellosen Ladevorgangs in einem Kraftfahrzeug fixiert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
11: Ladevorrichtung
12: Mobiles Endgerät
13: Ablagebereich
14: Primärspule
15: Magnetisches Wechselfeld
16: Versorgungsstrom
17: Steuereinrichtung
18: Quelle
19: Sekundärspule
20: Ladespannung
21: Elektronik
22: Energiespeicher
23: Ladeposition
24: Fixierelement
25: Magnetkraft
26: Magnetisches Haltefeld
27: Haltespule
28: Kern
29: Haltestrom
30: Abstand
31: Rückstellkraft
32: Höchstabstand
33: Detektionseinrichtung
34: NFC-Kommunikationseinrichtung
35: NFC-Kommunikation
36: NFC-Kommunikationseinheit
37: Fliehkraft
38: Beschleunigungssensor
39: Auslösesignal
40: Bewegungssignal
41: Schwellenwert
42: Bluetooth-Funkverbindung
43: Bewegungssignal
44: Beschleunigungs- und/oder Gierratensensor
45: Datenbus
S10: Verfahrensschritt
S11: Verfahrensschritt
S12: Verfahrensschritt

Claims

Ladevorrichtung (11) zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts (12) in einem Kraftfahrzeug (10), aufweisend - einen Ablagebereich (13) zum Ablegen des Endgeräts (12) für einen Ladevorgang, - eine elektrische Primärspule (14), die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem elektrischen Versorgungsstrom (16) ein magnetisches Wechselfeld (15) im Ablagebereich (13) zu erzeugen, und - eine Steuereinrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, den Versorgungsstrom (16) für den Ladevorgang zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (11) dazu eingerichtet ist, das Endgerät (12) zumindest zeitweise mittels einer von einer Magnetkraft des magnetischen Wechselfelds (15) verschiedenen, zusätzlichen Magnetkraft (25, 31) in dem Ablagebereich (13) in eine vorbestimmte Ladeposition (23) zu führen und/oder in der Ladeposition (23) zu halten, wobei die Ladevorrichtung zum Erzeugen der Magnetkraft (25, 31) eine elektrische Haltespule (27) aufweist, die dazu eingerichtet ist, in dem Ablagebereich (13) zum Bereitstellen der zusätzlichen Magnetkraft (25, 31) ein magnetisches Haltefeld (26) in Abhängigkeit von einem elektrischen Haltestrom (29) zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, den Haltestrom (29) in Abhängigkeit von zumindest einem vorbestimmten Auslösesignal (39) zu erzeugen, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, als ein Auslösesignal (39) zumindest ein Bewegungssignal (40, 41) zu empfangen und bei im Ablagebereich (13) abgelegtem Endgerät (12) anhand des Bewegungssignals (40, 41) eine auf das Endgerät (12) wirkende vorbestimmte Beschleunigung (37) zu ermitteln, welche von der Ladeposition (23) weggerichtet ist, und den Haltestrom (29) zu aktivieren, falls die Beschleunigung (37) größer als ein vorbestimmter Schwellenwert (41) ist, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist,zumindest ein Bewegungssignal (40) aus einem Beschleunigungssensor (38) des Endgeräts (12) zu empfangen.
Ladevorrichtung (11) nach Anspruch 1, wobei die Haltespule (27) mehr Windungen als die Primärspule (14) aufweist.
Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Haltestrom (29) ein Gleichstrom ist und/oder eine geringere Frequenz als der Versorgungsstrom (16) der Primärspule (14) aufweist.
Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Detektoreinrichtung (33) dazu eingerichtet ist, das Endgerät (12) zu detektieren und durch ein Auslösesignal zu signalisieren, falls sich dieses näher als ein vorbestimmter Höchstabstand (32) von dem Ablagebereich (13) entfernt befindet.
Ladevorrichtung (11) nach Anspruch 4, wobei die Detektoreinrichtung (33) dazu eingerichtet ist, mittels einer NFC-Kommunikationseinrichtung (34) das Endgerät (12) auf der Grundlage einer NFC-Kommunikation (35) und/oder mittels einer Kapazitätssensorik und/oder mittels einer Q-Faktor-Messung zu detektieren.
Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, den Haltestrom (29) während des Ladevorgangs nur aufrecht zu erhalten, während zumindest ein von dem zumindest einen Auslösesignal (39) vorliegt.
Ladevorrichtung (11) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, von dem zumindest einen Bewegungssignal (41) zumindest eines aus einem Gierratensensor (44) des Kraftfahrzeugs (10) zu empfangen.
Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, durch Umschalten zwischen der Primärspule (14) und der Haltespule (27) den Versorgungsstrom (16) und den Haltestrom (29) aus derselben Quelle (18) bereitzustellen.
System aus einer Ladevorrichtung (11) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8 und mit einem portablen mobilen Endgerät (12), wobei das Endgerät (12) ein weichmagnetisches Fixierelement (24) aufweist, welches in dem Endgerät (12) an einer Position angeordnet ist, die bei in einer vorbestimmten Ladeposition (23) in einem Ablagebereich (13) der Ladevorrichtung (11) abgelegtem Endgerät (12) einen minimalen Abstand (30) zu einer Haltespule (27) der Ladevorrichtung (11) aufweist. Verwendung einer Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Systems nach Anspruch 9 in einem Kraftfahrzeug.
Verfahren zum Betreiben einer Ladevorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Systems nach Anspruch 9 zum induktiven Laden eines portablen mobilen Endgeräts (12) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei eine Steuereinrichtung (17) einen Versorgungsstrom (16) in einer Primärspule (14) für einen Ladevorgang schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (11) das Endgerät (12) zumindest zeitweise mittels einer von einer Magnetkraft eines magnetischen Wechselfelds (15) einer Primärspule (14) der Ladevorrichtung (11) verschiedenen Magnetkraft (25, 31) in einem Ablagebereich (13) in eine vorbestimmte Ladeposition (23) führt und/oder in der Ladeposition (23) hält.