Titel

Schutzvorrichtung für ein induktives Energieübertragungssystem und induktives Energieübertragungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein induktives Energieübertragungssystem mit einer Primärspule und einer Sekundärspule sowie ein induktives Energieübertragungssystem mit einer solchen

Schutzeinrichtung.

Stand der Technik

Die Druckschrift DE 10 2011 010 049 AI offenbart eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs, bei welcher die elektrische Energie zum Laden der Batterie zwischen einer Spule im Fahrzeug und einer Spule in der

Ladestation induktiv übertragen wird.

Induktive Energieübertragungssysteme benötigen Magnetfelder zur

Energieübertragung. Insbesondere bei resonanten induktiven

Energieübertragungssystemen entstehen bei der Erzeugung der Magnetfelder in den Übertragungsspulen auch hohe hochfrequente Wechselspannungen.

Metallflächen in der Nähe der Übertragungsspulen bilden mit diesen

Übertragungsspulen einen Kondensator. Auf diese Weise sind die Metallflächen in der Nähe der Übertragungsspulen für einen Wechselstrom an das

Bezugspotential der Übertragungsspulen angekoppelt. Um bei einer Berührung der Metallflächen einen elektrischen Stromfluss zu verhindern, können die Metallflächen beispielsweise elektrisch mit dem Bezugspotential verbunden werden, oder die Übertragungsspulen können elektrisch isoliert angeordnet werden. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schutzvorrichtung für ein induktives Energieübertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein induktives Energieübertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Schutzvorrichtung für ein induktives Energieübertragungssystem mit einer Primärspule und einer Sekundärspule. Die Schutzvorrichtung umfasst eine Schirmeinrichtung. Die Schirmeinrichtung ist zwischen der Primärspule und der Sekundärspule angeordnet. Ferner ist die Schutzeinrichtung dazu ausgelegt, ein elektrisches Feld der Primärspule abzuschirmen.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein induktives Energieübertragungssystem mit einer Primärspule, die dazu ausgelegt ist, orginär ein magnetisches Wechselfeld bereitzustellen und einer erfindungsgemäßen Schirmeinrichtung. Die Schirmeinrichtung schirmt hierbei ein parasitäres elektrisches Wechselfeld der Primärspule ab.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer induktiven Energieübertragung, insbesondere bei einer induktiven

Energieübertragung mit resonanten Systemen unter anderem auch hohe hochfrequente Wechselspannungen entstehen. Metallflächen in der Nähe der Übertragungsspulen eines induktiven Energieübertragungssystems bilden hierbei einen Kondensator. Werden diese Metallflächen in der Nähe der

Übertragungsspule während der induktiven Energieübertragung berührt, so kann ein signifikanter elektrischer Wechselstrom fließen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schutzvorrichtung für eine induktive Energieübertragung vorzusehen, welche einen unerwünschten kapazitiven Stromfluss bei einer Berührung von Metallflächen in der Nähe der

Übertragungsspulen bei der induktiven Energieübertragung verhindern oder zumindest signifikant minimieren kann.

Hierzu ist es vorgesehen, das elektrische Wechselfeld, welches bei der induktiven Energieübertragung entsteht, mittels einer geeigneten

Schirmeinrichtung abzuschirmen. Wird das elektrische Feld während der induktiven Energieübertragung abgeschirmt, so kann auch über in der

Umgebung befindliche Metallflächen selbst bei einer Berührung durch eine Person kein oder nur ein ungefährlich geringer elektrischer Strom fließen. Auf diese Weise kann sehr einfach ein zuverlässiger Schutz vor gefährlichen

Ableitströmen bei einer Berührung realisiert werden.

Da durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung die Gefahr von signifikanten und zum Teil gefährlichen elektrischen Wechselströmen im Falle einer Berührung durch die Schirmeinrichtung verhindert werden kann, sind keine weiteren aufwendigen zusätzlichen Schutzmaßnahmen erforderlich. Hierdurch kann das induktive Energieübertragungssystem vereinfacht werden. Insbesondere sinken die erforderlichen Kosten für ein sicheres induktives Energieübertragungssystem.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Schirmeinrichtung für ein von der

Primärspule generiertes magnetisches Wechselfeld durchlässig. Die

Schirmeinrichtung absorbiert somit ausschließlich das elektrische Wechselfeld, während das magnetische Wechselfeld weiterhin durch die Schirmeinrichtung ungehindert oder zumindest annähernd ungehindert hindurchdringen kann.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Schirmeinrichtung mit einem

Bezugspotential der Primärspule elektrisch gekoppelt. Insbesondere kann die Schirmeinrichtung mit einem Bezugspotential elektrisch gekoppelt sein, welches dem Bezugspotential der Umgebung entspricht, an dem die Primärspule angeordnet ist. Auf diese Weise befinden sich die Schirmeinrichtung und

Personen in der Umgebung des induktiven Energieübertragungssystems auf dem gleichen elektrischen Potential. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schirmeinrichtung mehrere strahlenförmige Leiterbahnen. Der zentrale Punkt, an dem die Strahlen dieser strahlenförmigen Leiterbahnanordnung zusammentreffen, kann insbesondere mit einem Punkt auf einer Mittenachse der Primärspule zusammenfallen. Durch eine solche strahlenförmige Leiterbahnanordnung kann eine gute Absorption der elektrischen Wechselfelder bei gleichzeitig minimaler Absorption der

magnetischen Wechselfelder erreicht werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Schirmeinrichtung mehrere parallel angeordnete Leiterbahnen. Die Leiterbahnen sind hierbei elektrisch miteinander verbunden. Die Leiterbahnen können beispielsweise eine kammförmige oder eine meanderförmige Leiterbahnstruktur aufweisen. Durch eine derartige Leiterbahnanordnung mit mehreren parallel angeordneten

Leiterbahnen kann ebenfalls eine gute Absorption der elektrischen Wechselfelder erreicht werden, ohne dass dabei das magnetische Wechselfeld signifikant gedämpft wird.

Gemäß einer Ausführungsform weisen benachbarte Leiterbahnen einen maximalen Abstand von 1 mm auf. Insbesondere können benachbarte

Leiterbahnen einen Abstand von weniger als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm, 0,1 mm oder weniger aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Leiterbahnen der Schirmeinrichtung auf einem elektrisch isolierenden Trägersubstrat angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrisch isolierenden Trägersubstrat um eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie oder ähnliches handeln. Auf diese Weise kann eine effiziente und kostengünstige Schirmeinrichtung realisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Leiterbahnen auf dem elektrisch isolierten Trägersubstrat aufgedruckt. Insbesondere durch das Drucken von elektrischen Leiterbahnstrukturen kann eine sehr flexible und kostengünstige Schirmeinrichtung realisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform des induktiven Energieübertragungssystems ist die Schirmeinrichtung auf der Primärspule angeordnet. Insbesondere weist die Schirmeinrichtung eine Fläche auf, welche mindestens der Fläche der

Primärspule entspricht.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den

Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder

Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines induktiven

Energieübertragungssystems mit einer Schirmeinrichtung gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2-5: schematische Darstellungen von Schirmeinrichtungen gemäß

mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines induktiven

Energieübertragungssystems gemäß einer Ausführungsform. Das induktive Energieübertragungssystem umfasst eine Primärspule 2. Diese Primärspule 2 ist dazu ausgelegt, ein elektrisches Wechselfeld bereitzustellen. Hierzu kann mittels einer Einspeisevorrichtung 3 an der Primärspule 2 eine elektrische

Wechselspannung bereitgestellt werden. Diese elektrische Wechselspannung verursacht in der Primärspule 2 einen elektrischen Wechselstrom, der wiederum durch die Primärspule 3 ein magnetisches Wechselfeld verursacht. Die Frequenz der elektrischen Wechselspannung und somit des magnetischen Wechselfelds kann dabei einer beliebigen vorgegebenen Frequenz entsprechen. Insbesondere sind beispielsweise Frequenzen zwischen 30 und 140 kHz, insbesondere Frequenzen im Bereich von 85 kHz möglich.

Das von der Primärspule 2 erzeugte magnetische Wechselfeld koppelt in eine Sekundärspule 4 ein und induziert hierdurch in der Sekundärspule 4 einen elektrischen Wechselstrom. Dieser Wechselstrom kann beispielsweise einem Laderegler 5 bereitgestellt werden. Dieser Laderegler 5 kann daraufhin beispielsweise elektrische Energie an einem elektrischen Energiespeicher 6, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bereitstellen. Auf diese Weise kann der elektrische Energiespeicher 6 aufgeladen werden, ohne dass zwischen dem elektrischen Energiespeicher 6 oder dem Laderegler 5 eine galvanische Verbindung zu einer Energiequelle hergestellt werden muss.

Darüber hinaus ist zwischen der Primärspule 2 und der Sekundärspule 4 zusätzlich eine Schutzvorrichtung 1 angeordnet. Insbesondere kann diese Schutzvorrichtung 1 unmittelbar über der Primärspule 2 oder in einem

vorgegebenen Abstand von der Primärspule 2 angeordnet sein. Diese

Schutzvorrichtung 1 weist insbesondere eine Schirmeinrichtung auf, welche ein elektrisches Wechselfeld der Primärspule 2 in Richtung der Sekundärspule 4 abschirmt. Auf diese Weise können während der induktiven Energieübertragung auftretende hochfrequente Wechselspannungen an der Primärspule 2 nicht an weitere Metallteile im Bereich der Sekundärspule 4 einkoppeln.

Die Schirmeinrichtung der Schutzvorrichtung 1 kann zum Beispiel mit einem Bezugspotential der Primärseite gekoppelt. Beispielsweise kann die

Schirmeinrichtung der Schutzvorrichtung 1 mit dem Potential elektrisch gekoppelt werden, auf dem sich auch der Bereich um die Primärspule 1 befindet.

Um trotz der Abschirmung der elektrischen Felder durch die Schirmeinrichtung eine induktive Energieübertragung gewährleisten zu können, ist die

Schirmeinrichtung der Schutzvorrichtung 1 für magnetische Felder, insbesondere für magnetische Wechselfelder durchlässig. Hierzu ist die Schirmeinrichtung derart ausgebildet, dass sich durch das Magnetfeld der Primärspule 2 möglichst keine oder zumindest nur sehr geringe Wirbelströme innerhalb der

Schirmeinrichtung ausbilden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass in der Schirmeinrichtung keine geschlossenen ringförmigen

Leiterbahnstrukturen oder metallische Flächen vorhanden sind. Darüber hinaus kann die Schirmeinrichtung eine beliebige geeignete Struktur aufweisen, welche einerseits ein elektrisches Feld von der Primärspule 2 möglichst stark abschirmt und dabei für die von der Primärspule 2 generierten Magnetfelder durchlässig ist. Einige mögliche Ausführungsformen hierzu werden nachfolgend näher beschrieben.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterbahnstruktur für die Schirmeinrichtung der Schutzvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform.

Hierbei weist die Schirmeinrichtung mehrere parallel verlaufende Leiterbahnen 10 auf, welche an einem Ende miteinander elektrisch verbunden sind. Auf diese Weise entsteht eine Art kammförmige Leiterbahnstruktur. Diese

Leiterbahnstruktur ist an einer Stelle mit einem Bezugspotential elektrisch gekoppelt. Für eine möglichst gute Abschirmung der elektrischen Felder betragen die Abstände zwischen den einzelnen benachbarten Leiterbahnen 10 jeweils 1 Millimeter oder weniger. Insbesondere können die Abstände zwischen den einzelnen Leiterbahnen 10 jeweils 0,5 Millimeter, 0,1 Millimeter oder weniger betragen.

Die Leiterbahnen 10 können in diesem Ausführungsbeispiel, wie auch in allen nachfolgenden beispielsweise auf einem elektrisch isolierenden Trägersubstrat (hier nicht dargestellt) angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei diesem elektrisch isolierenden Trägersubstrat um eine Kunststofffolie oder ähnliches handeln. Auch können die einzelnen Leiterbahnen 10 beispielsweise zwischen zwei Kunststofffolien oder zwischen zwei elektrisch isolierenden Substraten angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger Schutz der

Schirmeinrichtung vor Beschädigungen erreicht werden.

Zur Realisierung der gewünschten Leiterbahnstruktur kann die Leiterbahnstruktur beispielsweise auf dem Trägersubstrat aufgedruckt, aufgedampft oder in einem beliebigen anderen Verfahren auf das Trägersubstrat aufgebracht werden. Insbesondere kommen als Materialien für die Leiterbahnen 10 beispielsweise Metalle wie Silber, Kupfer, Aluminium oder auch weitere elektrisch leitfähige Substanzen wie zum Beispiel Graphit oder ähnliches in Frage.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schirmeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform umfasst die

Schirmeinrichtung ebenfalls mehrere parallel angeordnete Leiterbahnen. Dabei sind die einzelnen Leiterbahnen 10 jedoch nicht alle gemeinsam auf einer Seite miteinander elektrisch verbunden, sondern die Leiterbahnstruktur weist eine meanderförmige Leiterbahnstruktur auf. Auch in diesem Fall ist die

Leiterbahnstruktur an einer einzigen Stelle mit einem Bezugspotential elektrisch gekoppelt.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform für eine Schirmeinrichtung der Schutzvorrichtung 1. In dieser Ausführungsform weisen die Leiterbahnen 10 eine sternförmige Struktur auf. Die einzelnen Leiterbahnen 10 sind dabei an einem zentralen Punkt, beispielsweise in der Mitte miteinander elektrisch verbunden. Von diesem Mittelpunkt ausgehend weist die Leiterbahnstruktur eine strahlenförmige Geometrie auf. Um hierbei

beispielsweise im Außenbereich eine effizientere Abschirmung zu erreichen, können gegebenenfalls auch im Außenbereich zusätzliche Leiterbahnen vorgesehen sein, die in geeigneter Weise mit den Leiterbahnen verbunden sind, die im Mittelpunkt zusammenlaufen. Auch diese Leiterbahnstruktur ist an einem einzigen Punkt mit einem Bezugspotential verbunden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Schirmeinrichtung für eine Schutzvorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser

Ausführungsform weist die Schirmeinrichtung eine meanderförmige

Leiterbahnstruktur auf, wobei die meanderförmige Leiterbahnstruktur im Bereich eines Kreisrings angeordnet ist. Dieser Kreisring überdeckt hierbei

beispielsweise den Bereich der darunter angeordneten Primärspule 2. Dabei ist auch diese Leiterbahnstruktur an einem Punkt mit einem Bezugspotential verbunden. Bei dieser Ausführungsform, wie auch bei allen zuvor beschriebenen

Ausführungsformen ist es dabei essentiell, dass keine geschlossenen ringförmigen Leiterbahnstrukturen gebildet werden. Daher muss die

meanderförmige Leiterbahnstruktur in dem Kreisring an mindestens einer Stelle offen sein.

Die Schirmeinrichtung kann in allen Ausführungsformen beispielsweise in den Bereichen der Primärspule 2 vorgesehen sein, an denen große Spannungen auftreten. Insbesondere kann beispielsweise eine Leiterbahnstruktur realisiert werden, die vorzugsweise oder ausschließlich Randbereiche der Primärspule 2 abschirmt. Ferner ist es auch möglich, dass die Schirmeinrichtung der

Schutzvorrichtung 1 die Primärspule 2 vollflächig überdeckt und beispielsweise insbesondere an den Bereichen verstärkt wird, an denen große Spannungen auftreten.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung für ein induktives Energieübertragungssystem. Zwischen der Primärspule und der Sekundärspule einer induktiven Energieübertragung ist eine Abschirmung vorgesehen, welche zwar für die Magnetfelder der induktiven

Energieübertragung durchlässig ist, jedoch auftretende elektrische Felder zuverlässig abschirmt. Hierzu kann insbesondere eine geeignete

Leiterbahnstruktur vorgesehen sein, in welcher sich keine Wirbelströme ausbilden.