Titel

Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung Stand der Technik

Elektrofahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, bei- spielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektro- fahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahr- zeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbin- dung muss nachteilig von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen.

Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge bekannt. Beim induktiven Laden der Elektrofahrzeuge sind im oder auf dem Boden eine oder mehrere

Spulen (Sendespulen, Sendevorrichtung) verbaut. Weiterhin sind im Elektrofahrzeug oder am Unterboden eines Elektrofahrzeuges ebenfalls eine oder mehrere Spulen (Empfangsspule, Empfangsvorrichtung) angeordnet. Wird ein Elektrofahrzeug über der Sendespule abgestellt, sendet diese ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechsel- feld wird von einer am oder im Unterboden angebrachten Empfangsspule des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin durch die kontaktlose Energieübertragung eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden. Bei dem kabellosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeuges befindet sich zwischen der Sendespule der Ladestation und der Empfangsspule in dem Fahrzeug ein Luftspalt. Aufgrund der erforderlichen Bodenfreiheit von Kraftfahrzeugen beträgt dieser Luftspalt einige Zentimeter. Luftspalte sind dabei sehr verbreitet, wenn nicht durch Maßnahmen wie Absenken der fahrzeugfesten Spule, des gesamten Fahrzeugs oder Anheben der ortsfesten Spule oder einer Kombination dieser Maßnahmen ein ideal kleiner Luftspalt erreicht wird. Der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung hängt unter anderem vom Luftspalt (Abstand) zwischen der/den im Boden und der/den im Fahrzeugboden verbauten Spulen ab. Je kleiner der Luftspalt, desto größer ist der zu erreichende Wirkungsgrad.

Weiterhin kann der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs auch zur Rückspeisung verwendet werden. Hierzu kann gegebenenfalls eine Kabelverbindung oder auch eine induk- tive Leistungsübertragung verwendet werden.

Beim induktiven Laden soll insgesamt ein hoher Komfort und eine möglichst hohe Automatisierung des Ladevorgangs erreicht werden. Die Spulen werden daher so ausgelegt, dass sie eine möglichst hohe Toleranz gegen Positionsversatz anbieten. Bei Zirkularspu- len kann dies durch eine entsprechende Vergrößerung des Durchmessers erreicht werden. Ein alternativ bekannter Ansatz ist die Verwendung von Bipolarspulen.

Die Druckschrift DE102011010049 AI offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird. Nachteilig am Stand der Technik ist, dass der Bauraum oft stark begrenzt ist und die Spulen somit nicht beliebig groß ausgelegt werden können. Entsprechend sind die Übertragungsspulen durch konstruktive Vorgaben meist in ihrer Größe beschränkt. Besonders für die Empfängerspulen, die hierbei im oder am Fahrzeugunterboden verbaut sind, werden hohe Anforderungen an den Einbauraum und das Gewicht gestellt. Somit sind die Empfängerspulen am Fahr- zeugboden oft wesentlich kleiner als die im oder auf dem Boden positionierten Sendespulen.

Durch die Größenunterschiede der Sende- und Empfängerspulen kommt es je nach Positionierung der Spulen zueinander im dazwischenliegenden Luftspalt nachteilig zu einem ungünstigen Verlauf des magnetischen Feldes. Dies reduziert nachteilig den Wirkungs- grad des Übertragungssystems. Die Verlustleistung und somit die Erwärmung des Systems erhöhen sich.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, bei dem ein möglichst großer Anteil des magnetischen Flusses durch die Empfangsspulen geleitet wird, wobei das Energieübertragungssystem im Bereich der erlaubten Positionstoleranz bleibt. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vor- teile, dass ein größerer Anteil des magnetischen Flusses gezielt durch die Empfangsspulen geleitet wird. Dadurch erhöht sich vorteilhaft der Wirkungsgrad des Übertragungssystems und bleibt auch im Bereich der erlaubten Positionstoleranz besser.

Erfindungsgemäß ist dazu eine Vorrichtung vorgesehen, die induktive Energie von min- destens einer Sendevorrichtung zu einer von der mindestens einen Sendevorrichtung be- abstandeten mindestens einen Empfangsvorrichtung überträgt, wobei die Sendevorrichtung mindestens zwei Primärspulen umfasst, die parallel zu einer ersten Ebene angeordnet sind und oberhalb der ersten Ebene angeordnet sind, wobei die Sendevorrichtung einen Primärferrit umfasst, der unterhalb der ersten Ebene und der Primärspulen angeord- net ist, wobei die Empfangsvorrichtung eine erste Sekundärspule und eine zweite Sekundärspule umfasst, die ringförmig ausgeführt sind und jeweils ein Spulenzentrum umfassen, dass jeweils ein Symmetriezentrum der Sekundärspulen darstellt, wobei das jeweilige Spulenzentrum in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene angeordnet ist, wobei jede Sekundärspule eine Spulenoberseite und eine Spulenunterseite aufweist, wobei mindestens ein Sekundärferrit auf der Spulenoberseite und der Spulenunterseite der ersten Sekundärspule und auf der Spulenoberseite und der Spulenunterseite der zweiten Sekundärspule angeordnet ist.

Dieses vorgeschlagene Konzept hat den Vorteil, dass durch die zusätzliche Anordnung des Sekundärferrits im Luftspalt zwischen der Sekundärspule (Empfängerspule) und der Primärspule (Sendespule) der Anteil des magnetischen Flusses Phi vorteilhaft aufgefangen und gezielt durch die Sekundärspule geleitet wird, der bei Abwesenheit des Sekundärferrits nicht durch die Sekundärspule geleitet würde. Somit wird der Wirkungsgrad der Energieübertragung deutlich verbessert.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Vorteilhafterweise ist der Sekundärferrit dreiteilig ausgeführt, wobei ein erster Teil unter- halb der ersten Sekundärspule angeordnet ist, ein zweiter Teil oberhalb der ersten und zweiten Sekundärspule angeordnet ist und ein dritter Teil unterhalb der zweiten Sekundärspule angeordnet ist. Durch die aus dieser Anordnung resultierende gestufte Bauform der Sekundärspulen und die stufige Anordnung der Sekundärferrite wird der magnetische Fluss Phi gezielt durch die Sekundärspulen geleitet. Dies verbessert den Wirkungsgrad der Energieübertragung.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Sekundärferrit aus mindestens zwei Stäben besteht. Der Sekundärferrit ist somit nicht einstückig ausgeführt, sondern aus mehreren einzelnen Teilen aufgebaut, die eine Stabform aufweisen. Vorteilhaft wird durch diesen Aufbau die Ent- stehung von Wirbelströmen unterdrückt.

Der Sekundärferrit verläuft durch das jeweilige Spulenzentrum der ersten Sekundärspule und das Spulenzentrum der zweiten Sekundärspule. Aufgrund dieser Anordnung wird ein wesentlicher Anteil des magnetischen Flusses Phi aufgefangen und gezielt vorteilhaft durch die Sekundärspulen geleitet und somit der Wirkungsgrad der Energieübertragung optimiert.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Spulenoberseite der ersten Sekundärspule zumindest teilweise oberhalb und zumindest teilweise unterhalb des Sekundärferrits angeordnet ist und dass die Spulenoberseite der zweiten Sekundärspule zumindest teilweise oberhalb und zumindest teilweise unterhalb des Sekundärferrits angeordnet ist. Diese Art der Ausformung der Sekundärspulen erleichtert das Durchführen des Sekundärferrits durch das Spulenzentrum der Sekundärspulen, insbesondere wenn der Sekundärferrit flach ausgeführt ist.

Weiterhin ist vorteilhaft dass die Sekundärspulen kleiner als die Primärspulen sind. Dies hat den Vorteil, dass für die Sekundärspulen (Empfängerspulen) ein geringerer Einbauraum im Fahrzeug zur Verfügung stehen muss. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung; eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung. eine weitere schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung mit gestuftem Sekundärferrit. eine weitere schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung mit gekippten Sekundärspulen und flachem Sekundärferrit.

Fig. 5: eine weitere schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven

Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung mit gewinkelten Sekundärspulen.

Fig. 6: eine weitere schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven

Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung mit wellenförmigem Sekundärferrit. Fig. 7: eine weitere schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven

Energieübertragung verwendeten Spulenanordnung mit gewinkeltem Sekundärferrit.

Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 24 und die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10, wie sie beispielsweise zum Aufladen einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 umfasst eine Empfangsvorrichtung 12 und eine Sendevorrichtung 11, wobei die Empfangsvorrichtung 12 in oder an einem Fahrzeug/Elektrofahrzeug/Hyb- ridfahrzeug 24 angeordnet ist und wobei die Sendevorrichtung 11 unterhalb des Fahrzeugs 24 angeordnet ist, bevorzugt auf dem Unterboden 25 aufliegt bzw. in diesen eingelassen ist. Die Sendevorrichtung 11 besteht aus zwei Primärspulen (Einzelspulen) 13.1 und 13.2 (hier nicht dargestellt).

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 verwendeten Spulenanordnung. Die Sendevorrichtung 11 umfasst mindestens zwei Primärspulen 13.1, 13.2, die parallel zu einer ersten Ebene 14 angeordnet sind (oder sich alternativ in der Mitte teilweise überlappen und deshalb in der Höhe unter- scheiden) und oberhalb dieser ersten Ebene angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Sendevorrichtung 11 einen Primärferrit 23, der unterhalb der ersten Ebene 14 und der Primärspulen 13.1 und 13.2 angeordnet ist. Die Primärspulen 13.1, 13.2 liegen bevorzugt auf dem Primärferrit 23 auf bzw. in geringem Abstand über dem Primärferrit 23. Die Empfangsvorrichtung 12 umfasst eine erste Sekundärspule 15.1 und eine zweite Sekundär- spule 15.2, die jeweils ringförmig bzw. als geschlossene Schleife ausgeführt sind (kreisförmig, oval oder rechteckig). Die Sekundärspulen 15.1, 15.2 sind so groß wie die die Primärspulen bzw. bevorzugt kleiner als die Primärspulen 13.1, 13.2 ausgeführt. Beide Sekundärspulen 15.1 und 15.2 umfassen jeweils ein Spulenzentrum 16.1 und 16.2, dass jeweils ein Symmetriezentrum 22.1, 22.2 der Sekundärspulen darstellt. Das jeweilige Spu- lenzentrum 16.1, 16.2 ist in einer zweiten Ebene 17 angeordnet. Diese zweite Ebene 17 verläuft vorzugsweise parallel zur ersten Ebene 14. Jede Sekundärspule 15.1 und 15.2 weist eine Spulenoberseite 18.1, 18.2 und eine Spulenunterseite 19.1, 19.2 auf. Ein Sekundärferrit 20 ist nun so angeordnet, dass ein Teil des Sekundärferrits 20 oberhalb der Spulenoberseite 18.1 der ersten Sekundärspule 15.1 und oberhalb der Spulenoberseite 18.2 der zweiten Sekundärspule 15.2 befindet. Weiterhin ist der Sekundärferrit 20 so angeordnet, dass ein Teil des Sekundärferrits 20 unterhalb der Spulenunterseite 19.1 der ersten Sekundärspule 15.1 und unterhalb der Spulenunterseite 19.2 der zweiten Sekundärspule 15.2 befindet. Der Sekundärferrit 20 kann einstückig bzw. einteilig ausgeführt sein und somit durch das Spulenzentrum 16.1, 16.2 der Sekundärspulen 15.1 und 15.2 hindurch ragen oder. Alternativ kann der Sekundärferrit 20 aus mehreren Teilen bestehen - beispielsweise dreiteilig, wobei ein erster Teil 20.1 unterhalb der ersten Sekundärspule 15.1 angeordnet ist, ein zweiter Teil 20.2 oberhalb der ersten und zweiten Sekundärspule 15.1, 15.2 angeordnet ist und ein dritter Teil 20.3 unterhalb der zweiten Sekundärspule

15.2 angeordnet ist. Der Sekundärferrit 20 kann als Platte oder aus mehreren länglichen Stäben 21.1, 21.2, ... 21. n ausgeführt sein. Durch die aufgeführte Bauweise wird eine grö- ßerer Anteil des magnetischen Flusses gezielt durch die Spulen geleitet und der Wirkungsgrad des Übertragungssystems bzw. der Vorrichtung 10 erhöht, wodurch diese auch im Bereich der Positionstoleranz besser bleibt.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energie- Übertragung 10 verwendeten Spulenanordnung mit gestuftem Sekundärferrit 20. Gleiche Elemente in Bezug auf Figur 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Hier exemplarisch dargestellt sind drei Feldlinien, die den magnetischen Fluss Φ1, Φ2, Φ3 (Phi l, Phi_2, Phi_3) symbolisieren. Ohne die erfindungsgemäße Ausführung des Sekundärferrits 20 ist lediglich der magnetische Fluss, der von den Primärspulen 13.1, 13.2 ausgesendet wird und die Sekundärspulen 15.1, 15.2 durchdringt für die induktive Energieübertragung relevant (hier Φ2 / Phi_2). Der Flussanteil Φ3 / Phi_3, würde ohne Sekundärferrit 20 an den Sekundärspulen 15.1, 15.2 vorbeifließen und nicht zur Energieübertragung beitragen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Sekundärferrits 20, wird ein wesentlicher Anteil des magnetischen Flusses Φ3 / Phi_3 aufge- fangen und gezielt, zusätzlich mit dem Fluss Φ2 / Phi_2, durch die Sekundärspulen 15.1, 15.2 geleitet und somit der Wirkungsgrad der Energieübertragung verbessert. Der Sekundärferrit 20 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus drei Teilen, wobei ein erster Teil 20.1 unterhalb der ersten Sekundärspule 15.1 angeordnet ist, ein zweiter Teil 20.2 oberhalb der ersten und zweiten Sekundärspule 15.1, 15.2 angeordnet ist und ein dritter Teil 20.3 unterhalb der zweiten Sekundärspule 15.2 angeordnet ist. Die Sekundärspulen 15.1 und 15.2 sind gewinkelt aufgebaut, so dass sich ein Teil der Sekundärspulen 15.1, 15.2 oberhalb der zweiten Ebene 17, die sich durch das Spulenzentrum 16.1 und 16.2 der beiden Sekundärspulen 15.1, 15.2 erstreckt, befinden und ein Teil der Sekundärspulen 15.1 und 15.2 unterhalb der zweiten Ebene 17 befinden.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 verwendeten Spulenanordnung mit gekippten Sekundärspulen und flachem Sekundärferrit .Gleiche Elemente in Bezug auf Figuren 2 und 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbei- spiel ist der Sekundärferrit 20 flach ausgeführt. Weiterhin liegt er in einer Ebene mit der zweiten Ebene 17, ist also bevorzugt parallel zur ersten Ebene 14 angeordnet. Die Sekundärspulen 15.1 und 15.2 flach ausgeführt und sind mit Bezug zur zweiten Ebene 17 gekippt angeordnet, nehmen also einen Winkel 26.1, 26.2 zu dieser Ebene 17 ein. Der Sekundärferrit 20 tritt durch das Spulenzentrum 16.1, 16.2 der Sekundärspulen 15.1, 15.2 hindurch.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 verwendeten Spulenanordnung mit gewinkelten Sekundärspulen und flachem Sekundärferrit. Gleiche Elemente in Bezug auf Figuren 2 bis 4 sind mit gleichen Be- zugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sekundärferrit 20 flach ausgeführt. Weiterhin liegt er in einer Ebene mit der zweiten Ebene 17, ist also vorzugsweise parallel zur ersten Ebene 14 angeordnet. Die Sekundärspulen 15.1 und 15.2 sind gewinkelt aufgebaut, so dass sich ein Teil der Sekundärspulen 15.1, 15.2 oberhalb der zweiten Ebene 17, die sich durch das Spulenzentrum 16.1 und 16.2 der beiden Sekundärspulen 15.1, 15.2 erstreckt, befindet und ein Teil der Sekundärspulen 15.1 und 15.2 unterhalb der zweiten Ebene 17 befindet. Der Sekundärferrit 20 tritt durch das Spulenzentrum 16.1, 16.2 der Sekundärspulen 15.1, 15.2 hindurch.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energie- Übertragung 10 verwendeten Spulenanordnung mit flachen Sekundärspulen 15.1, 15.2 und wellenförmigem Sekundärferrit 20. Gleiche Elemente in Bezug auf Figuren 2 bis 5 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sekundärferrit 20 wellenförmig ausgeführt. Die Sekundärspulen 15.1, 15.2 liegen in einer Ebene mit der zweiten Ebene 17. Der Sekundärferrit 20 ist wellenförmig ausgeführt und tritt jeweils durch das Spulenzentrum 16.1, 16.2 der Sekundärspulen 15.1, 15.2 hindurch.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung 10 verwendeten Spulenanordnung mit flachen Sekundärspulen 15.1, 15.2 und gewinkeltem Sekundärferrit 20. Gleiche Elemente in Bezug auf Figuren 2 bis 6 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sekundärferrit 20 gewinkelt ausgeführt. Die Sekundärspulen 15.1, 15.2 liegen in einer Ebene mit der zweiten Ebene 17. Der Sekundärferrit 20 ist gewinkelt ausgeführt und tritt jeweils durch das Spulenzentrum 16.1, 16.2 der Sekundärspulen 15.1, 15.2 hindurch.