Die Erfindung betrifft ein Induktionsladesystem für induktives Laden eines

Kraftfahrzeugs, mit einer Induktionsspule, und einer Gehäusestruktur für die Induktionsspule.

Aus der DE 10 2010 050 935 A1 ist eine Spuleneinheit bekannt, bei der die Spulenwicklungen und ein Ferritkern in eine Vergussmasse eingegossen sind.

Derartige Induktionsladesysteme dienen zum berührungslosen Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Zum Laden ist das Kraftfahrzeug, in dem eine Sekundärspule angeordnet ist, über einen längeren Zeitraum über einer Primärspule als Ladevorrichtung zu platzieren, welche ein sich änderndes Magnetfeld emittiert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine am oder im Boden (z.B. Fahrbahn, Parkplatz, Garage) angeordnete Primärspuleneinheit 1 und eine am Unterboden eines Fahrzeugs 2 angeordnete Sekundärspuleneinheit 3. Zwischen der Primär- und Sekundärspuleneinheit ist ein Luftspalt vorhanden. Der Luftspalt sollte einerseits möglichst klein sein, um einen hohen Wirkungsgrad des

Induktionsladesystems zu erreichen und andererseits groß sein, um kein Hindernis für das Fahrzeug 2 darzustellen oder um nicht beim Überfahren durch das Fahrzeug 2 beschädigt zu werden.

Fig. 2 zeigt das Induktionsladesystem aus Fig. 1 etwas detaillierter. In der Primärspuleneinheit 1 und der Sekundärspuleneinheit 3 sind entsprechend eine Primärspule 4 und eine Sekundärspule 5 vorgesehen, die jeweils um eine Hochachse gewickelt und in Vertikalrichtung möglichst flach ausgebildet sind, so dass sich die Spulenwickiungen in der Horizontalen erstrecken. Die Pnmärspuie 4 ist im Wesentlichen gleich zur Sekundärspule 5 aufgebaut, jedoch vertikal gespiegelt, wobei die Primärspule 4 typischerweise größer ist als die Sekundärspule 5. Zum Führen der Magnetfeldlinien sind Ferritkerne 6 vorgesehen. Für den Schutz der Primär- und Sekundärspule 4, 5 sind die Spulen jeweils in einer Vergussmasse 7 aus magnetisch neutralem Material eingebettet. So muss die Sekundärspule 3 vor Steinschlag und Aufsetzen des Fahrzeugs 2 (z.B. an Bordsteinkanten) geschützt werden. Die Oberseite der Primärspule 1 muss Schutz gegen Beschädigungen beim Überfahren (z.B. PKW, LKW) oder gegen Eindrücken von Steinen bieten.

Fig. 3 zeigt eine geschnittene Draufsicht einer Induktionsspule, wie beispielsweise der Primärspule 4 oder der Sekundärspule 5. Beispielsweise kann die Spule im Wesentlichen quadratisch oder rund gewickelt sein.

Fig. 4 zeigt einen Feldlinienverlauf im Betrieb des Induktionsladesystems. Die Primärspule 4 erzeugt ein Magnetfeld dessen Magnetfeldlinien in Fig. 4 eingezeichnet sind. Einige der Feldlinien durchlaufen sowohl die Primär- als auch die Sekundärspule 4, 5, wohingegen andere Feldlinien nur die

Primärspule 4 durchlaufen. Der Anteil, der nur die Primärspule 4

durchlaufenden Feldlinien ist für einen guten Wirkungsgrad möglichst gering zu halten. Dies wird beispielsweise durch Gestaltung der die Feldlinien führenden Ferritkerne 6 erreicht. Andererseits ist darauf zu achten, dass eine Einhausung der Induktionsspulen, die, wie bereits erwähnt, zum Schutz der Induktionsspulen erforderlich ist, den Wirkungsgrad des

Induktionsladesystems nicht negativ beeinflusst.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Induktionsladesystem zur induktiven Energieübertragung zu schaffen, das einen guten Schutz vor mechanischen Beschädigungen bietet und dabei den Wirkungsgrad möglichst wenig negativ beeinflusst. Diese Aufgabe wird mit einem Induktionsladesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind

Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein

Induktionsladesystem für induktives Laden eines Kraftfahrzeugs

bereitgestellt, mit einer Induktionsspule, und einer Gehäusestruktur für die Induktionsspule, mit Trägerelementen umfassend Kohlenstofffasern, die so in ein Basismaterial eingebettet sind, dass im Wesentlichen alle der einzelnen Kohlenstofffasern eines Trägerelements berührungsfrei in dem

Trägerelement angeordnet sind oder dass die einzelnen Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserbündel von maximal 0,1 mm Durchmesser zusammengefasst sind und im Wesentlichen alle der Kohlenstofffaserbündel in dem

Trägerelement berührungsfrei angeordnet sind. Der Begriff„im Wesentlichen alle" soll verdeutlichen, dass auch Trägerelemente, bei denen sich auf Grund von Toleranzen oder Fertigungsfehlem eine sehr geringe Anzahl an

Kohlenstofffasern bzw. Bündel doch berühren, auch als innerhalb des Schutzumfanges zu verstehen sind. Vorzugsweise bedeutet„im

Wesentlichen alle" mehr als 90% der Kohlenstofffasern bzw.

Kohlenstofffaserbündel innerhalb eines Trägerelements. Mehr bevorzugt bedeutet„im Wesentlichen alle" mehr als 95% der Kohlenstofffasern bzw. Kohlenstofffaserbündel innerhalb eines Trägerelements. Dadurch, dass sich die Kohlenstofffasern nicht berühren, können sich keine magnetischen Wirbelströme bilden. Durch diese Anordnung ist es möglich, die bisher ungeeigneten Kohlenstofffasern als Material zur Einhausung einer

Induktionsspule zu verwenden. Die Vorteile der Kohlenstofffasern liegen in ihrer Stabilität und dem geringen Gewicht.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das

Basismaterial ein elektrisch nicht leitfähiges Material.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das

Basismaterial Harz, Lack oder Kunststoff. Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung umfasst die Gehäusestruktur ein Bodenelement, auf dem die Induktionsspule angeordnet ist, wobei das Bodenelement ein Trägerelement in Form einer Platte oder mehrere Trägerelemente in Form von Streben umfasst.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Gehäusestruktur eine Distanzstruktur, welche das Bodenelement an einem Fahrzeugunterboden befestigt, wobei die Distanzstruktur ein Trägerelement in Form einer Platte oder mehrere Trägerelemente in Form von Streben umfasst.

—Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Gehäusestruktur ferner einen Zwischenboden, wobei die Induktionsspule zwischen dem Bodenelement und dem Zwischenboden angeordnet ist, wobei der Zwischenboden ein Trägerelement in Form einer Platte oder mehrere Trägerelemente in Form von Streben umfasst.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die

Kohlenstofffasern eines Trägerelements im Wesentlichen alle unidirektional ausgerichtet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die

Kohlenstofffasern eines Trägerelements in Lagen angeordnet, wobei die Kohlenstofffasern innerhalb einer Lage im Wesentlichen alle unidirektional ausgerichtet sind.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die

Kohlenstofffasern zweier benachbarter Lagen um 90° verdreht ausgerichtet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die einzelnen Kohlenstofffasern oder Kohlenstofffaserbündel zur Abstandswahrung mit einem elektrisch nicht leitfähigen Faden umwickelt. Beispielsweise kann der Faden zusätzlich zum Basismaterial angeordnet sein.

Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Fahrzeug mit solch einem

Induktionsladesystem bereit.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt ein Induktionsladesystem vom Stand der Technik;

Figur 2 zeigt das Indukttonsladesystem aus Fig. 1 mehr im Detail; Figur 3 zeigt eine geschnittene Draufsicht einer Induktionsspule des

Induktionsladesystems aus Fig. 1 ;

Figur 4 zeigt einen Feldlinienverlauf im Betrieb des

Induktionsladesystems aus Fig. 1 ;

Figur 5 zeigt ein Fahrzeug mit einem Induktionsladesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 6 t eine Sekundärspuleneinheit des Induktionsladesyst

Figur 5 mehr im Detail;

Figur 7 a zeigt Trägerelemente in Form von Streben;

Figur 7b zeigt ein Trägerelement in Form einer Platte;

Figur 8 zeigt eine Ausführung eines Trägerelements; Figur 9 zeigt eine umwickelte Kohlenstofffaser;

Figur 10 zeigt eine andere Ausführung eines Trägerelements, und

Figur 1 1 zeigt eine Sekundärspuleneinheit des Induktionsladesystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Figur 5 zeigt schematisch ein Induktionsladesystem gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Induktionsladesystem umfasst eine Primärspuleneinheit 10, die in oder auf einem Boden 1 1 beispielsweise einer Fahrbahn, eines Parkplatzes, einer Abstellfiäche oder, wie in Fig. 5 angedeutet, einer Garage montiert ist. Die Primärspuleneinheit 10 wirkt mit einer Sekundärspuleneinheit 12 zusammen, die an oder in einem Kraftfahrzeug 13 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die

Sekundärspuleneinheit 12 an einem Unterboden des Kraftfahrzeugs 13 montiert. Das Kraftfahrzeug 13 weist einen elektrischen Energiespeicher 14, vorzugsweise einen Hochvolt-Akkumulator, wie beispielsweise einen Lithium- Ionen-Akkumulator auf, der über eine elektrische Leitung 15 elektrisch mit der Sekundärspuleneinheit 12 verbunden ist und über diese induktiv aufgeladen werden kann. Zwischen der Primärspuleneinheit 10 und der Sekundärspuleneinheit 12 verbleibt ein Luftspalt. Zum Aufladen des

Energiespeichers 14 emittiert die Primärspuleneinheit 10 ein sich änderndes Magnetfeld. Durch Induktion entsteht dadurch in der Sekundärspuleneinheit 12 der zum Laden des Energiespeichers 14 erforderliche Ladestrom.

Figur 6 zeigt die Sekundärspuleneinheit 12 detaillierter. Die

Sekundärspuleneinheit 12 umfasst eine Sekundärspule 16, deren

Wicklungen um eine Hochachse als Zentrum gewickelt sind. Die Wicklungen beschreiben dabei in einer Draufsicht im Wesentlichen eine quadratische (siehe Fig. 7a, 7b) oder runde Form, deren Mitte frei ist. Auf der der

Primärspule abgewandten Seite der Sekundärspule ist ein Ferritkern 17 angeordnet. Dieser wird zusammen mit der Sekundärspule 16 in einer Vergussmasse 18 eingebettet Die Sekundärspule 16 ist über die elektrische Leitung 15 mit dem elektrischen Energiespeicher 14 verbunden.

Erfindungsgemäß umfasst die Sekundärspuleneinheit 12 eine

Gehäusestruktur, die die Sekundärspule 16 trägt, umgibt und vor

mechanischen Beschädigungen schützt. Die Gehäusestruktur umfasst ein Befestigungselement 19, das vorzugsweise an einem Fahrzeugunterboden befestigt ist, ein Bodenelement 20, eine Distanzstruktur 21 und

Seitenelemente 22. Die Sekundärspule 16 ist zwischen dem

Befestigungselement 19 und dem Bodenelement 20 angeordnet. Das Befestigungselement 19 ist aus einem Material hoher Festigkeit,

beispielsweise Aluminium. Das Bodenelement 20, die Distanzstruktur 21 und die Seitenelemente 22 umfassen jeweils Trägerelemente oder bestehen aus Trägerelementen, die nachfolgend genauer erläutert werden, und die in Form von Platten oder Streben (beispielsweise mit rechteckigem oder rundem Querschnitt) ausgebildet sind (siehe Fig. 7a, 7b). Das Material der

Trägerelemente unterscheidet sich vom Material des Befestigungselements 19 und weist ein steiferes Elastizitätsmodul und Neutralität gegenüber einem magnetischen Wechselfeld auf, d.h. es handelt sich nicht um ein

ferromagnetisches Material oder ein Material, welches Wirbeiströme zulässt. Die Trägerelemente der Distanzstruktur 21 stehen im Wesentlichen senkrecht zum Befestigungselement 19 und zum Bodenelement 20 und beabstanden somit das Bodenelement 20 vom Befestigungselement 19. Dadurch verteilen sich die Kräfte, die auf die Gehäusestruktur wirken, auf zwei Elemente mit Abstand, was den Effekt einer Fachwerkanordnung hat und zu hoher Festigkeit und einer Verringerung der Torsionskräfte führt. Die Trägerelemente der Distanzstruktur können dabei durch Öffnungen in dem Verbund aus Sekundärspule 16, Ferritkern 17 und Vergussmasse 18 geführt werden. Die Enden des Bodenelements 20 sind mit schräg zum

Befestigungselement 19 verlaufenden Seitenelementen 22 verbunden.

Fig. 7a zeigt beispielhaft eine Ausführung, bei der die Trägerelemente des Bodenelements 20 in Form von Streben 23 ausbildet sind. Dies spart gegenüber einer flächigen Ausführung Gewicht, Kräfte werden jedoch im

Wesentlichen nur in einer Richtung gut aufgenommen.

Fig. 7b zeigt beispielhaft eine Ausführung, bei der die Trägerelemente des Bodenelements 20 in Form einer Platte 24 ausgebildet sind. Diese

Ausführung hat ein höheres Gewicht als Streben, Kräfte werden jedoch in zwei Dimensionen aufgenommen.

Nachfolgend werden beispielhaft verschiedene Ausführungen der

Trägerelemente beschrieben.

Fig. 8 zeigt ein Trägerelement 30 welches eine Vielzahl an Kohlenstofffasern 31 aufweist, wobei alle Kohlenstofffasern 31 innerhalb eines Trägerelements 30 berührungsfrei zueinander angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 8 nur eine aus der Vielzahl an Kohlenstofffasern 31 mit einem Bezugszeichen versehen. Alternativ handelt es sich statt einzelner berührungsfreier Kohlenstofffasern um berührungsfreie Bündel aus

Kohlenstofffasern, wobei die Bündel nicht dicker als 0,1 mm im Durchmesser sind. Die Erfinder dieser Erfindung haben herausgefunden, dass sich bei Bündeln bis zu diesem Durchmesser oder einzelnen Kohlenstofffasern, die sich nicht berühren, keine magnetischen Wirbelströme ausbilden können, weil sich bei den leitfähigen Kohlenstofffasern keine Stromschleifen bilden können. Somit kann eine Gehäusestruktur geschaffen werden, die neutral gegenüber einem magnetischen Wechselfeld ist.

Ferner sind sämtliche der einzelnen Kohlenstofffasern bzw. Bündel innerhalb desselben Trägerelements 30 unidirektional ausgerichtet, d.h. die

Längsrichtungen verlaufen im Wesentlichen in die gleiche Richtung.

Die beabstandeten Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel können in ihrer beabstandeten Art und Weise in ein Basismaterial 32 eingebettet sein. Das Basismaterial 32 ist ein elektrisch nicht leitfähiges Material, beispielsweise Lack, Kunststoff oder Harz, insbesondere Epoxidharz. Die Beabstandung der Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel kann beim Einbetten in das Basismaterial 32 beispielsweise durch Vorspannen der Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel während des Umgebens mit dem Basismaterial 32 erreicht werden.

Außerdem ist möglich, die einzelnen Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel mit elektrisch nicht leitfähigen Fäden 33, z.B. Aramid, zu umwickeln, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Alternativ werden die Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel in ein Textilgewebe, z.B. Aramid, eingelegt oder eingewebt. Ferner ist möglich, die einzelnen Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel durch Lackieren der einzelnen Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel mit einem elektrisch nicht leitenden Lack zu beabstanden.

Das Beabstanden der Kohlenstofffasern 31 bzw. Bündel kann zusätzlich zum Einbetten in das Basismateriai 32 erfolgen.

Fig. 10 zeigt ein anderes Trägerelement 40 welches eine Vielzahl an

Kohlenstofffasern 41 aufweist. Um auf Wiederholungen zu verzichten, werden nachfolgend nur die Unterschiede zwischen dem Trägereiement 30 und dem Trägerelement 40 beschrieben. Beim Trägerelement 40 sind die einzelnen Kohlenstofffasern 41 bzw. Bündel nicht alle unidirektional ausgerichtet, sondern in Form von Lagen angeordnet, wobei alle

Kohlenstofffasern 41 bzw. Bündel innerhalb einer Lage unidirektional ausgerichtet sind. Die Kohlenstofffasern 41 bzw. Bündel zweier benachbarter Lagen sind unterschiedlich ausgerichtet, vorzugweise sind sie um 90° verdreht. Zusätzlich kann zwischen zwei benachbarten Lagen aus

Kohlenstofffasern 41 bzw. Bündel jeweils eine Lage 42 aus elektrisch nicht leitfähigen Fasern oder Textil angeordnet sein,

Fig. 1 1 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sekundärspuleneinheit 1 12. Um auf Wiederholungen zu verzichten, werden nachfolgend nur die Unterschiede zwischen der Sekundärspuleneinheit 12 und der

Sekundärspuleneinheit 1 12 beschrieben. Die Sekundärspuleneinheit 1 12 weist zusätzlich einen Zwischenboden 125 auf, der zwischen dem

Befestigungselement 19 und dem Bodenelement 20, vorzugsweise parallel zu diesen, verläuft. Die Sekundärspule 16 ist zwischen dem Zwischenboden und dem Bodenelement 20 angeordnet. Der Zwischenboden 125 umfasst 5 oder besteht aus Trägerelementen 30, 40, wie vorstehend beschrieben. Die Seitenelemente 122 verbinden im Unterschied zu den Seitenelementen 22 nicht das Bodenelement mit dem Befestigungselement 19, sondern das Bodenelement 20 mit dem Zwischenboden 125. i o Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der

vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu

15 beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in

verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Bezugszeichenliste:

1 Primärspuleneinheit

2 Fahrzeug

3 Sekundärspuleneinheit

4 Primärspule

5 Sekundärspule

6 Ferritkerne

7 Vergussmasse

10 Primärspuleneinheit

1 1 Boden

12 Sekundärspuleneinheit

13 Kraftfahrzeug

14 Elektrischer Energiespeicher

15 Elektrische Leitung

16 Sekundärspule

17 Ferritkern

18 Vergussmasse

19 Befestigungselement

20 Bodenelement

21 Distanzstruktur

22 Seitenelemente

23 Streben

24 Platte

30 Trägerelement

31 Kohlenstofffaser

32 Basismaterial

40 Trägerelement

41 Kohlenstofffasern

42 Lage aus nicht-leitfähigem Materia

1 12 Sekundärspuleneinheit

122 Seitenelemente

125 Zwischenboden