Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges

Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges.

Viele moderne Fahrzeuge sind Hybrid- oder Elektrofahrzeuge . Gerade solche Fahrzeuge weisen häufig elektrische

Energiespeicher mit einer hohen Ladekapazität auf. Um einen Ladevorgang der elektrischen Energiespeicher zu vereinfachen ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Energiespeicher kabellos geladen werden können.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist eine

Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges zu schaffen, die sehr effizient ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Die Spuleneinheit umfasst eine Spule, wobei die Spule mehrere Wicklungen von mindestens zwei elektrischen Leitungen umfasst. Die elektrischen

Leitungen sind parallel geschaltet. Jede der elektrischen Leitungen weist jeweils einen Wicklungsteil auf, in dem die Wicklungen ausgebildet sind und einen Zusatzteil, in dem eine Zusatzinduktivitätseinheit angeordnet ist mit einer

vorgegeben elektrischen Induktivität. Die Spuleneinheit ist beispielsweise im oder am Fahrzeug angeordnet und die Spule ist eine so genannte Sekundärspule. Alternativ ist die Spuleneinheit beispielsweise außerhalb des Fahrzeuges angeordnet und die Spule ist eine so genannte Primärspule .

Durch die Anzahl von mindestens zwei elektrischen Leitungen kann eine hohe Stromtragfähigkeit erreicht werden, da sich der Strom auf die parallelen elektrischen Leitungen verteilt. Durch die Zusatzinduktivitätseinheit kann dazu beigetragen werden, dass sich der Strom gleichmäßig auf die parallelen elektrischen Leitungen verteilt. Die Anzahl an elektrischen Leitungen ist prinzipiell frei wählbar, es können somit beliebig viele elektrische Leitungen verwendet werden um eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen.

Die elektrischen Leitungen sind insbesondere HF-Litzen. Eine HF-Litze, auch Hochfrequenzlitze genannt, ist eine Litze, welche eine größere Anzahl voneinander isolierter Drähte umfasst. Die Drähte sind insbesondere so verflochten, dass im Mittel jeder Einzeldraht möglichst jede Stelle im

Gesamtquerschnitt der Litze gleich oft einnimmt. Hierdurch weist die Litze eine sehr große Anzahl an leitfähiger

Oberfläche auf, so dass trotz des Skin-Effekts eine hohe Effizienz erreicht werden kann.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung weist die

Zusatzinduktivitätseinheit eine elektrische Induktivität auf, die mindestens dem 0,02-fachen der elektrischen Induktivität der jeweiligen elektrischen Leitung in dem Wicklungsteil entspricht . Je kleiner die elektrische Induktivität der

Zusatzinduktivitätseinheit ist, desto geringer ist ihre

Auswirkung auf Systemparameter der Spuleneinheit. Mit einer größeren Zusatzinduktivitätseinheit kann jedoch

gegebenenfalls genauer dazu beigetragen werden, dass sich der Strom gleichmäßig auf die parallelen elektrischen Leitungen verteilt. Somit ist eine Größe von mindestens dem 0,02-fachen der elektrischen Induktivität der jeweiligen elektrischen Leitung in dem Wicklungsteil ein guter Kompromiss. Die jeweilige Zusatzinduktivitätseinheit weist beispielsweise eine elektrische Induktivität auf, die in einem Bereich von 0,02-fachen bis 0,1-fachen der elektrischen Induktivität der jeweiligen elektrischen Leitung in dem Wicklungsteil liegt. Beispielsweise entspricht die elektrische Induktivität der Zusatzinduktivitätseinheit dem 0,02-fachen, dem 0,04-fachen, dem 0,06-fachen, dem 0,08-fachen oder dem 0,1-fachen der elektrischen Induktivität der jeweiligen elektrischen Leitung in dem Wicklungsteil.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die Anzahl von elektrischen Leitungen zwei und die

Zusatzinduktivitätseinheiten der zwei elektrischen Leitungen sind entgegengesetzt gekoppelt.

Durch die entgegengesetzte Kopplung der

Zusatzinduktivitätseinheiten der zwei elektrischen Leitungen wird die Gesamtimpedanz der Spule nicht durch die

Zusatzinduktivitätseinheiten geändert. Die entgegengesetzte Kopplung kann beispielsweise realisiert werden, indem die beiden Zusatzinduktivitätseinheiten durch zwei Spulen

realisiert sind, die einen gemeinsamen Ferrit aufweisen und die entgegengesetzt gewickelt sind. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die

Zusatzinduktivitätseinheit als separates Bauteil ausgebildet.

Hierdurch wird die Herstellung der Spuleneinheit vereinfacht, da die Zusatzinduktivitätseinheit in einem separaten

Herstellungsschritt hinzugefügt werden kann.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die

Zusatzinduktivitätseinheit ausgebildet, indem die jeweilige elektrische Leitung zu einer Zusatzspule gewickelt ist.

Hierdurch kann auf sehr einfache und kostengünstige Weise die Zusatzinduktivitätseinheit realisiert werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung sind die

Zusatzspulen der elektrischen Leitungen um einen gemeinsamen Ferrit gewickelt.

Hierdurch kann auf sehr einfache Weise eine Kopplung der Zusatzspulen realisiert werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung weist die

Spuleneinheit zusätzlich einen Trägerkörper auf, welcher eine Anzahl von Ferriten aufweist, die der Anzahl an elektrischen Leitungen entspricht. Zwischen den Ferriten ist jeweils ein magnetisch neutraler Träger angeordnet. Die Zusatzspulen der elektrischen Leitungen sind jeweils um die Ferrite des

Trägerkörpers gewickelt.

Hierdurch kann auf sehr einfache Weise eine Entkopplung der Zusatzspulen realisiert werden. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die Anzahl von elektrischen Leitungen zwei. Die elektrischen

Induktivitäten der Zusatzinduktivitätseinheiten sind derart vorgegeben, so dass L_S1+L1 = L_S2+L2 gilt. LI ist die

Induktivität einer ersten der beiden

Zusatzinduktivitätseinheiten. L2 ist die Induktivität einer zweiten der beiden Zusatzinduktivitätseinheiten. L_S1 ist die Induktivität in dem Wicklungsteil der elektrischen Leitung, welche die erste Zusatzinduktivitätseinheit aufweist. L_S2 ist die Induktivität in dem Wicklungsteil der elektrischen Leitung, welche die zweite Zusatzinduktivitätseinheit

aufweist .

Die beiden elektrischen Leitungen weisen häufig

unterschiedliche Längen in dem Wicklungsteil und somit unterschiedliche Durchmesser in dem Wicklungsteil auf, insbesondere bei einer planaren Wicklung. Da bei einer planaren Wicklung einer der beiden elektrischen Leitungen immer an der Außenseite verläuft, hat dieser eine größere Induktivität und aufgrund des längeren Wegs einen größeren Widerstand. Sind die elektrischen Induktivitäten der

Zusatzinduktivitätseinheiten derart vorgegeben, so dass L_S1+L1 = L_S2+L2 gilt, kann eine solche Asymmetrie

ausgeglichen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Aufbau eines induktiven Ladesystems,

Figur 2 eine Draufsicht auf eine Bodeneinheit, Figur 3 eine Ausgestaltung einer Primärspule

Sekundärspule,

Figur 4 Spulenmodell ,

Figur 5 ein Ersatzmodell,

Figur 6 ein Diagramm eines imaginären Teils von Strömen aufgetragen über einen Kopplungsfaktor,

Figur 7 ein Diagramm von Beträgen eines absoluten Teils von

Strömen aufgetragen über einen Kopplungsfaktor,

Figur 8 eine Spuleneinheit zum induktiven Laden eines

Fahrzeuges ,

Figur 9 ein Ersatzmodell der Spuleneinheit zum induktiven

Laden eines Fahrzeuges,

Figur 10 die Spuleneinheit zum induktiven Laden eines

Fahrzeuges, bei der zwei elektrischen Leitungen entgegengesetzt gekoppelt sind,

Figur 11 ein Ersatzmodell der Spuleneinheit zum induktiven

Laden eines Fahrzeuges, bei der zwei elektrischen Leitungen entgegengesetzt gekoppelt sind,

Figur 12 einen Wicklungsteil der Spuleneinheit,

Figur 13 ein Ersatzmodell der Spuleneinheit zum induktiven

Laden eines Fahrzeuges, Figur 14 ein Ersatzmodell der Spuleneinheit zum induktiven Laden eines Fahrzeuges,

Figur 15 die Spuleneinheit zum induktiven Laden eines

Fahrzeuges ,

Figur 16 die Spuleneinheit, wobei Zusatzspulen um einen

gemeinsamen Ferrit gewickelt sind und

Figur 17 die Spuleneinheit, wobei Zusatzspulen um einen

Trägerkörper gewickelt sind.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind

figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen

gekennzeichnet .

Die Figur 1 zeigt einen Aufbau eines induktiven Ladesystems. Das Ladesystem besteht aus einer Bodeneinheit 100 und einer Fahrzeugeinheit 200, die mit einer Fahrzeugbatterie verbunden ist .

Die Bodeneinheit 100 umfasst ein Gehäuse 101, eine

Primärspule 103 und einen Ferrit 105.

Die Fahrzeugeinheit 200 umfasst ebenfalls ein Gehäuse 201, eine Sekundärspule 203 und einen Ferrit 205.

Bei einem Ladevorgang ist die Fahrzeugeinheit 200 in einem Abstand d über der Bodeneinheit 100 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Bodeneinheit 100. Wie zu sehen ist, liegt die Primärspule 103 auf dem Ferrit 105 auf . Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung der Primärspule 103 oder Sekundärspule 203. Die Ausgestaltung der Primärspule 103 oder Sekundärspule 203 umfasst mehrere Wicklungen von zwei

elektrischen Leitungen, wobei die elektrischen Leitungen parallel geschaltet sind. Die Wicklungen sind insbesondere so ausgeführt, dass die beiden elektrischen Leitungen möglichst nahe aneinander liegen und eventuell sogar überkreuzt werden, um möglichst gleiche Verhältnisse für die elektrischen

Leitungen zu erzeugen.

Nimmt man für eine der elektrischen Leitungen ein Modell, wie in Figur 4 gezeigt, welches aus einem Widerstand R und einer Induktivität L besteht, so ergibt sich das in Figur 5

gezeigte Ersatzmodell für die Ausgestaltung der Figur 3. Die beiden Wicklungen können als Transformator interpretiert werden. Aufgrund der Wicklungsart ergibt sich für beide

Wicklungen eine annähern gleiche Induktivität und ein

Kopplungsfaktor sehr nahe 1. Die beiden elektrischen

Leitungen werden an einem Anschluss verbunden.

Aus dem Ersatzmodell ergeben sich folgende Gleichungen, unter der Annahme, dass k = 1, AL-^ = 0, = 0, M = k-jL ₁ L ₂ = kL = L ist, k ist hierbei der Kopplungsfaktor, L ₁ ist die

Induktivität der Wicklung einer ersten der beiden

elektrischen Leitungen, L ₂ ist die Induktivität der Wicklung einer zweiten der beiden elektrischen Leitungen, R ₁ der

Leitungswiderstand der ersten elektrischen Leitung und R ₂ der Leitungswiderstand der zweiten elektrischen Leitung: M

z = (2)

M L ₂ + R ₂

Zur Vereinfachung wird statt rr L" geschrieben.

Hieraus ergibt sich folgendes:

wobei i/ ₁ =i/ ₂ =U und/ ₁ +/ ₂ =I ist.

Wie zu sehen ist, gibt es unendlich viele Lösungen für das Gleichungssystem (4) . In der Praxis bedeutet dass, das der Strom sich beliebig zwischen den beiden Wicklungen aufteilen kann. Dies wird Anhand der Figuren 6 und 7 näher

veranschaulicht .

Figur 6 zeigt den imaginären Teil der Ströme I _{L R} I ₂ abhängig von dem Kopplungsfaktor k unter der Annahme, dass AL ₁ =luH, Ll= lOluH, L2=100uH U1=U2=100V, R1=R2=0 Ohm ist.

Geht der Kopplungsfaktor k gegen 1, so sind die Ströme gegenläufig und die einzelnen Spulenströme übersteigen den Gesamtstrom.

Figur 7 zeigt den absoluten Teil der Ströme I _{L R} I ₂ abhängig von dem Kopplungsfaktor k unter der Annahme, dass AR ₁ = 0,5 Ohm, Ll= L2 = lOOuH, L2=100uH U1=U2=100V, Rl=0.5Ohm, R2=0Ohm ist

Geht der Kopplungsfaktor k gegen 1, so fließt der Strom nur durch einen Leiter. Dies zeigt, dass parallele Spulenwicklungen sehr empfindlich auf Abweichung einzelner Parameter reagieren. Der ungleiche Stromfluss steigt bei einem Kopplungsfaktor nahe 1 sehr stark an, z.B bei k>~0.99. Bereits bei kleinen

Widerstandsunterschieden kann sich der Stromfluss auf einen Leiter konzentrieren. Noch extremer können sich

unterschiedliche Induktivitäten auswirken. Hier kann sich der Strom in einem der elektrischen Leiter 5,7 sogar umdrehen, so dass in einem anderen der elektrischen Leiter 5,7 ein

Mehrfaches des notwendigen Stromes fließt. Da in der Praxis die einzelnen elektrischen Leiter 5,7 immer Unterschiede aufweisen, ein elektrischer Leiter ist z.B. näher an einem Ferrit, ist eine Parallelschaltung nur mit sehr viel Aufwand effizient, indem die exakte Gestaltung der Wicklungen sehr genau geplant wird.

Figur 8 zeigt eine Spuleneinheit 1 zum induktiven Laden eines Fahrzeuges. Die Spuleneinheit 1 umfasst eine Spule 3. Die Spule 3 kann beispielsweise die Primärspule 103 der

Bodeneinheit 100 sein. In diesem Fall ist die Spuleneinheit 1 beispielsweise die Bodeneinheit 100. Alternativ kann die Spule 3 beispielsweise die Sekundärspule 203 der

Fahrzeugeinheit 200 sein. In diesem Fall ist die

Spuleneinheit 1 beispielsweise die Fahrzeugeinheit 200.

Die Spule 3 umfasst mehrere Wicklungen von mindestens zwei elektrischen Leitungen 5,7. Jede der elektrischen Leitungen 5,7 weist jeweils einen Wicklungsteil 10 auf, in dem die Wicklungen ausgebildet sind und einen Zusatzteil 15 auf, in dem eine Zusatzinduktivitätseinheit L _s angeordnet ist mit einer vorgegeben elektrischen Induktivität. Die elektrischen Leitungen 5,7 sind parallel geschaltet.

Hierfür sind beispielsweise die beiden elektrischen Leitungen 5, 7 an einem Anschluss verbunden.

Ist die Anzahl von elektrischen Leitungen 5,7 zwei, so ergibt sich das Ersatzmodell der Figur 9. Aus dem Ersatzmodell ergibt sich folgende Gleichung: h _x + L _s + M

Z = (5)

M L ₂ + L _s + R ₂

Unter der Annahme, dass L=Li=L2=M (k=l ) und R=Ri=R2 ist, ergibt sich :

L + L _s + L

(6)

L L + L _s + R ₂ und mit L _A = (L-L +Z^), L = h = L ₂ :

M _A = k^ ^+Ls Lz +Ls = k _A (L+L _s ) = L (7)

Somit ergibt sich folgende Kopplung:

Die Kopplung wird also reduziert, je nach Größe von L _s . Mit L _s j> 0.02 L wird ein kritischer Bereich (vgl. Figuren 6 und 7) vermieden, da dann die Kopplung k _A immer kleiner als 0.99 ist .

Durch die zusätzlichen Induktivitäten ändert sich die

Gesamtimpedanz der Spule. Die Gesamtimpedanz ergibt sich aus einer Auflösung der obigen Gleichungssysteme mit Z-Matrix. Für L=Li=L ₂ =M (k=l) , R=Ri=R ₂ ergibt sich

^res L+R/2+L _s /2 (9)

Wie zu sehen ist, reduziert sich der Gesamtwiderstand R durch die Parallelschaltung. Gleichzeitig erhöht sich die

GesamtInduktivität L+Ls/2, jedoch nur um den Wert Ls/2. Die Blindleistung in dem System steigt also gering an.

Figur 10 zeigt die Spuleneinheit 1, bei der die Anzahl von elektrischen Leitungen 5,7 zwei ist und die

Zusatzinduktivitätseinheiten Ls der zwei elektrischen

Leitungen 5,7 entgegengesetzt gekoppelt sind. Die

entgegengesetzte Kopplung kann beispielsweise realisiert werden, indem die beiden Zusatzinduktivitätseinheiten Ls durch zwei Spulen realisiert sind, die einen gemeinsamen Ferrit aufweisen und die entgegengesetzt gewickelt sind.

Hierdurch ergibt sich das Ersatzmodell der Figur 11. Aus dem Ersatzmodell ergibt sich folgende Gleichung:

Li + L _s + M - L _s

Z = (10)

M— L _s L ₂ + L _s + R ₂

Unter der Annahme, dass L=Li=L2=M (k=l ) , ks=l und R=Ri=R2 ist, ergibt sich:

L + L _s + L— L _s

Z = (11)

und mit L _A = (L+L ₅ ) und M _A = (L—L

M _A = k _A {L+L _s ) {L+L _s ) = k _A (L+L _s ) = (L - L _s ) (12) und somit k _A = - ^L ^ (13)

L+L _S

Wie aus Formel 13 zu sehen ist, wird im Vergleich zu Formel 8 die Kopplung der beiden elektrischen Leiter 5,7 stärker durch L _s reduziert. Somit sind kleinere Zusatzinduktivitätseinheiten L _s nötig, um denselben Effekt zu erzielen.

Weiterhin ergibt sich für L=Li=L2=M (k=l ) , R=Ri=R2 durch

Auflösung des Gleichungssystems mit Z-Matrix die

Gesamtimpedanz :

Z=L+R/2 (14)

Wie zu sehen ist, reduziert sich der Gesamtwiderstand R durch die Parallelschaltung. Gleichzeitig erhöht sich die

GesamtInduktivität L nicht. Die Blindleistung in dem System steigt also nicht an.

Figur 12 zeigt ein Beispiel eines parallel gewickelten

Wicklungsteils 10 mit zwei elektrischen Leitern 5,7. Aufgrund der planaren Wicklung haben beide elektrische Leiter 5,7 unterschiedliche Durchmesser. Da einer der elektrischen

Leiter 7 immer an der Außenseite verläuft hat dieser eine größere Induktivität und aufgrund des längeren Wegs einen größeren Widerstand.

Unterschiedlich dimensionierte Induktivitätseinheiten können diese Unterschiede zwischen Li und L2 kompensieren, wie aus dem Ersatzmodel der Figur 13 ersichtlich ist: (14)

Analog kann ein Zusatzwiderstand den Wert von R2 an Ri anpassen .

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Gegentakt-Drossel eingesetzt werden, also entgegengesetzt gekoppelte

Zusatzinduktivitätseinheiten L _s wie bei den Figuren 10 und 11.

So ergibt sich folgende Z-Matrix, wie aus dem Ersatzmodel der Figur 14 ersichtlich ist:

In diesem Fall können mittels folgender Gleichung die

beschriebenen Unterschiede kompensiert werden:

+^S1+R1 -^2 +^S2 +^2 (16)

Prinzipiell kann eine beliebige Anzahl an elektrischen

Leitern 5,7 verwendet werden. In den Figuren 15, 16 und 17 ist beispielhaft die Anzahl 4 veranschaulicht. Die additive Gesamt Induktivität von Ls /n sinkt mit Anzahl der

Einzelleitungen. Für großes n ist die additive Induktivität vernachlässigbar .

Figuren 16 und 17 zeigen ein System aus einem Trägerkörper 20 und einem Ferrit 30. Der Trägerkörper 30 umfasst eine Anzahl von Ferriten 21, 22, 23, 24, die der Anzahl an elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 entspricht. Magnetisch neutrale Träger 25, 26, 27, 28, die auch als Anker bezeichnet werden können unterbinden die magnetische Kopplung der Ferrite 21, 22, 23, 24.

In Figur 16 sind die Zusatzspulen der elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 um den gemeinsamen Ferrit 30 gewickelt.

In Figur 17 sind die Zusatzspulen der elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 jeweils um die Ferrite 21, 22, 23, 24 des

Trägerkörpers 20 gewickelt.

Anschließend können die Luftspalte geschlossen werden, wie in Fig. 16 durch die Pfeile angedeutet ist.

Der gemeinsame Ferrit 30 kann mit einem Ferrit der Spule verbunden sein, also beispielsweise mit dem Ferrit 105 der Primärspule 103 oder dem Ferrit 205 der Sekundärspule 203 oder er kann Bestandteil dieses Ferrits 105, 205 sein.

Zusammengefasst wird durch die Anzahl von mindestens zwei elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 eine hohe

Stromtragfähigkeit erreicht, da sich der Strom auf die parallelen elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 verteilt. Durch die Zusatzinduktivitätseinheit L _s kann dazu beigetragen werden, dass sich der Strom gleichmäßig auf die parallelen elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 verteilt. Die Anzahl an elektrischen Leitungen 5, 6, 7, 8 ist prinzipiell frei wählbar, es können somit beliebig viele elektrische Leitungen 5, 6, 7, 8 verwendet werden um eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen. Bezugszeichenliste

1 Spuleneinheit

3 Spule

5,6,7,8 elektrische Leitungen

10 Wicklungsteil

15 Zusatzteil

20 Trägerkörper

21, 22, 23, 24 Ferrite

25, 26, 27, 28 magnetisch neutrale Träger

30 Ferrit

100 Bodeneinheit

101 Gehäuse

103 Primärspule

105 Ferrit

200 Fahrzeugeinheit

201 Gehäuse

203 Sekundärspule

205 Ferrit

Zusat z Induktivitätseinheit