Title:
Verfahren zur induktiven Energieübertragung und Vorrichtung zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule. Die Empfangsspule ist in einem auf einem Untergrund stehenden oder fahrenden Fahrzeug angeordnet, wobei das Fahrzeug mindestens einen Sensor aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt (A) wird ein Abstand zwischen der Sendespule und/oder dem Untergrund und der Empfangsspule ermittelt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt (B) wird aus dem Abstand ein minimal möglicher Luftspalt zwischen der Sendespule und/oder dem Untergrund und der Empfangsspule berechnet und in einem dritten Verfahrensschritt (C) wird die Empfangsspule so positioniert, dass der Abstand dem minimal möglichen Luftspalt entspricht.





Inventors:
Brenner, Ulrich (71696, Möglingen, DE)
Chevret, Anthony (Bage La Ville, FR)
Application Number:
DE102015217274A
Publication Date:
03/16/2017
Filing Date:
09/10/2015
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
H01F38/14; H02J50/10
Claims:
1. Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule (10) zu einer von der Sendespule (10) beabstandeten Empfangsspule (11), wobei die Empfangsspule (11) in einem auf einem Untergrund (14) stehenden oder fahrenden Fahrzeug (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– in einem ersten Verfahrensschritt (A) ein Abstand (15) zwischen der Sendespule (10) und/oder dem Untergrund (14) und der Empfangsspule (11) ermittelt wird,
– in einem zweiten Verfahrensschritt (B) aus dem Abstand (15) ein minimal möglicher Luftspalt (16) zwischen der Sendespule (10) und/oder dem Untergrund (14) und der Empfangsspule (11) berechnet wird und
– in einem dritten Verfahrensschritt (C) die Empfangsspule (11) so positioniert wird, dass der Abstand (15) dem minimal möglichen Luftspalt (16) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mindestens einen Sensor (13) aufweist, wobei der Abstand (15) mittels des Sensors (13) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) ein Radarsensor ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (15) mittels eines im Fahrzeug (12) angeordneten aktiv geregelten Dämpfungssystems (18) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Empfangsspule (11) über eine im Fahrzeug (12) angeordnete Regelaktorik (17) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule (11) beim Ausfall der Regelaktorik (17) in einem weiteren Verfahrensschritt (D) in eine Ruhelage angehoben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben der Empfangsspule (11) in eine Ruhelage durch Federn (19) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Empfangsspule (11) über das im Fahrzeug (12) angeordnete aktiv geregelte Dämpfungssystem (18) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Empfangsspule (11) abhängig von einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (12) ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Empfangsspule (11) abhängig von einer Reaktionszeit (t1) der Regelaktorik (17) und/oder einer Reaktionszeit (t2) des aktiv geregelten Dämpfungssystems (18) ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (10) im oder auf dem Untergrund (14) angeordnet ist.

12. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, sowie eine Vorrichtung zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung.

Stand der Technik

Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung 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) verbaut. Weiterhin sind im Elektrofahrzeug ebenfalls eine oder mehrere Spulen (Empfangsspule) angeordnet. Wird ein Elektrofahrzeug über der Sendespule abgestellt, sendet diese ein magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von der Empfangsspule innerhalb 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 induktive Leistungsübertragung verwendet werden. Die Druckschrift DE 10 2011 010 049 A1 offenbart ein solches System zum Laden einer Fahrzeugbatterie, bei dem die Energie induktiv übertragen wird. Nachteilig am Stand der Technik ist, dass das induktive Laden nicht während der Fahrt erfolgt – also statisch geladen wird. Stattdessen muss das Fahrzeug im abgestellten Zustand sein.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung, die zuverlässig das Aufladen des Fahrzeugs während des Stehens und/oder der Fahrt – als dynamisches Ladeverfahren – ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass das Fahrzeug sowohl während des Stehens als auch während der Fahrt geladen werden kann. Zusätzlich kann durch diese Art des dynamischen Ladens die Reichweite der elektrisch betriebenen Fahrzeuge erweitert werden.

Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass das Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Sendespule zu einer von der Sendespule beabstandeten Empfangsspule, wobei die Empfangsspulen einem auf dem Untergrund stehenden oder fahrenden Fahrzeug angeordnet ist, in drei Schritten abläuft. Beim ersten Verfahrensschritt wird ein Abstand zwischen der Sendespule und/oder dem Untergrund und der Empfangsspule ermittelt, in einem zweiten Verfahrensschritt wird aus dem Abstand ein minimal möglicher Luftspalt zwischen der Sendespule und/oder dem Untergrund und der Empfangsspule berechnet und in einem dritten Verfahrensschritt wird die Empfangsspule so positioniert, dass der Abstand dem minimal möglichen Luftspalt entspricht. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass der Luftspalt während des Ladevorgangs so gering wie möglich gehalten und somit der Wirkungsgrad möglichst hoch gehalten werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch den geregelten Luftspalt der Wirkungsgrad während des dynamischen Ladens verbessert und somit die maximal mögliche Leistung übertragen werden kann.

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

Vorteilhaft weist das Fahrzeug mindestens einen Sensor auf, wobei der Abstand mittels dieses Sensors ermittelt wird. Diese Sensoren erlauben vorteilhaft während der Fahrt die Überwachung des Luftspaltes zwischen den Spulen wodurch die Einstellung des minimalen Luftspaltes ermöglicht wird.

Da in modernen Fahrzeugen ein Abstandsradar verbaut ist, ist vorteilhaft, dass als Sensor ein Radarsensor verwendet wird.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Abstand mittels eines im Fahrzeug angeordneten, aktiv geregelten Dämpfungssystems ermittelt wird. Dabei kann über die Dämpfungswege Rückschlüsse auf den Fahrbahnzustand gezogen werden und der Luftspalt zwischen der Sende- und Empfangsspule entsprechend berücksichtigt werden.

Es ist vorteilhaft, dass die Positionierung der Empfangsspule über im Fahrzeug angeordnete Regelaktoren erfolgt. Da der aktuelle Abstand der Fahrzeugspulen zum Boden im Regelsystem stets bekannt ist, wird ein Aufsetzen der Spule während der Fahrt am Boden ausgeschlossen.

Die Empfangsspule wird vorteilhaft in einem weiteren Verfahrensschritt D in eine Ruhelage angehoben, wenn die Regelaktorik ausfällt. Die Aktuatoren umfassende Regelaktorik gewährleistet somit, dass aus Sicherheitsgründen auch beim Ausfall der Aktuatoren ein Anheben der Spule in die Ruhelage erfolgt. Auf diese Weise werden Schäden sowohl für das Fahrzeug als auch für die Infrastruktur vermieden.

Das Anheben der Empfangsspule in eine Ruhelage erfolgt vorteilhaft durch Federn. Es ist also keine Elektronik – die möglicherweise durch Stromausfall funktionsunfähig ist – notwendig, um die Spule anzuheben.

Die Positionierung der Empfangsspule wird über das im Fahrzeug angeordnete aktiv geregelte Dämpfungssystem vorteilhaft ausgeführt. Dies ist vorteilhaft, da hierbei die Fahrzeugspulen fest im Fahrzeug verbaut werden können.

Weiterhin wird die Positionierung der Empfangsspulen vorteilhaft an eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gekoppelt. Der aktuelle Abstand der Fahrzeugspulen zum Boden muss im Regelsystem stets bekannt sein. Durch die Regelung wird ein Aufsetzen der Spule am Boden während der Fahrt ausgeschlossen. Die Eingriffsdistanz entspricht hierbei vorteilhaft der Entfernung zwischen dem Sichtfeld der Sensoren und der Spule. Während des Zurücklegens dieser Distanz muss die abgesenkte Spule (Empfangsspule) aus dem Gefahrenbereich angehoben werden. Die Absenkung der Spule ist somit vorteilhaft abhängig von der Fahrgeschwindigkeit aber auch von der Reaktionszeit der Aktoren zum Anheben.

Vorteilhaft ist die Sendespule im oder auf dem Untergrund angeordnet. Die Anordnung der Sendespule im Untergrund hat den Vorteil dass diese nicht als Hindernis, welches auf der Straße liegt, angesehen werden kann. Wohingegen die Anordnung der Sendespule auf dem Untergrund den Vorteil hat, dass man zu Reparaturzwecken einfach an die Sendespule gelangen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

1: ein schematisches Diagramm der unterschiedlichen Schritte bezüglich des Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

3: eine weitere schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

4: eine weitere schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung und einer Regelaktorik zum Anheben oder Absenken der Empfangsspule.

Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung 21, wie sie beispielsweise zum Aufladen einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug, Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug/Elektrofahrzeug 12 befindet sich im stehenden oder fahrenden Zustand. In einem ersten Verfahrensschritt A wird ein Abstand zwischen der Sendespule 10 und/oder dem Untergrund 14 und der Empfangsspule 11 ermittelt. In einem zweiten Verfahrensschritt B wird aus dem Abstand 15 ein minimal möglicher Luftspalt 16 zwischen der Sendespule 10 und/oder dem Untergrund 14 und der Empfangsspule 11 berechnet. Weiterhin wird in Schritt C die Empfangsspule 11 so positioniert, dass der Abstand 15 dem minimal möglichen Luftspalt 16 entspricht. Durch dieses Verfahren kann das induktive Laden auch während der Fahrt erfolgen, wodurch die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges erheblich erweitert wird. Durch Sensoren im Fahrzeug 12 wird während der Fahrt der mögliche minimale Luftspalt 16 zwischen der Sendespule 10 und der Empfangsspule 11 überwacht und durch eine Regelaktorik 17 bei Bedarf angepasst. Dadurch wird der Luftspalt 16 während des Ladevorgangs so gering wie möglich gehalten und der Wirkungsgrad möglichst hoch gehalten bzw. maximiert. Der Kontakt der Empfangsspule mit dem Untergrund 14 bzw. der Fahrbahn 14 wird so sicher vermieden.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug 12 mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung 21. Die induktive Energieübertragungsvorrichtung 21 befindet sich in einem Fahrzeug 12, welches ein Elektrofahrzeug ist. Das Fahrzeug 12 steht bzw. fährt auf dem Untergrund 14, der eine Straße oder ein Parkplatz ist. Im Fahrzeug 12 ist eine Empfangsspule 11 angeordnet, die vorzugsweise im Unterboden des Fahrzeugs 12 verbaut ist. Unterhalb des Fahrzeugs 12 befindet sich mindestens eine Sendespule 10. Diese ist im Untergrund 14 verbaut bzw. liegt auf diesem auf. Das Fahrzeug 12 verfügt über eine Regelaktorik 17 und/oder über ein aktiv geregeltes Dämpfungssystem 18 mit dem die Empfangsspule 11 oder das Fahrzeug 12 abgesenkt oder angehoben werden kann, wodurch der Abstand 15 zwischen der Sendespule 10 und der Empfangsspule 11 angepasst werden kann. Weiterhin verfügt das Auto 12 über einen Abstandssensor 13. Mit diesem kann der Abstand 15 zwischen der Sendespule 10 und der Empfangsspule 11 ermittelt werden. Vorzugsweise ist der Abstandssensor 13 ein Radarsensor. Befindet sich das Fahrzeug 12 im Zustand des Fahrens, ereignet sich ein ständiger Positionswechsel der Empfangsspule 11 über den auf dem Untergrund bzw. im Untergrund 14 befindlichen Sendespulen 10. Zur Optimierung des Wirkungsgrads beim dynamischen Laden, wird der Abstand 15 zwischen Sendespule 10 und Empfangsspule 11 permanent nachgeregelt. Entsprechend wird die Fahrbahn beim Ladebetrieb während der Fahrt so überwacht, dass die abgesenkte Empfangsspule 11 bei Unebenheiten 23 oder Hindernissen 23 rechtzeitig angehoben wird, um eine mögliche Kollision zwischen Empfangsspule 11 mit den jeweiligen Hindernissen bzw. Unebenheiten 23 zu vermeiden. Diesbezüglich wird der Abstandssensor 13 verwendet. Verfügt das Fahrzeug 12 über ein aktiv geregeltes Dämpfungssystem 18 und entsprechenden Abstandssensor 13, kann über die Dämpfungswege Rückschlüsse auf den Fahrbahnzustand gezogen werden und der Luftspalt 16 zwischen den Spulen entsprechend berücksichtigt und angepasst werden. Dadurch wird während der Fahrt ein Aufsetzen der Empfangsspule 11 auf dem Untergrund/Boden 14 ausgeschlossen. Die Eingriffsdistanz 22 entspricht hierbei der Entfernung zwischen dem Sichtfeld des mindestens einen Sensors 13 und der Empfangsspule 11. Während des Zurücklegens dieser Distanz muss die abgesenkte Empfangsspule 11 aus dem Gefahrenbereich angehoben werden. Somit ist die Absenkung der Empfangsspule 11 auch abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der Reaktionszeiten (t1) der Regelaktorik 17 und/oder einer Reaktionszeit (t2) des aktiv geregelten Dämpfungssystems 18. Die Regelaktorik 17 umfasst Aktuatoren, die die Empfangsspule/Fahrzeugspule 11 während des Ladebetriebs in Richtung der Fahrbahn 14 absenken. Aus Sicherheitsgründen (wie zum Beispiel beim Ausfall der Aktuatoren) erfolgt ein Anheben der Empfangsspule in die Ruhelage; dies erfolgt beispielsweise durch Federn. Verfügt das Fahrzeug 12 über ein aktiv geregeltes Fahrwerk (aktiv geregeltes Dämpfungssystem) 18, ist das Absenken auch durch das Fahrwerk möglich. In diesem Fall können die Fahrzeugspulen/Empfangsspulen 11 auch fest im Fahrzeug verbaut werden. Die Absenkung der Fahrzeugspule/Empfangsspule 11 kann natürlich auch während des Ladens im Stand zur Steigerung des Wirkungsgrades benutzt werden. Hierdurch ist es möglich zu verhindern, dass lebende oder metallische Objekte während des Ladevorgangs in den Luftspalt zwischen den Spulen (Sendespulen und Empfangsspulen) gelangen. Somit wäre eine Fremdobjekterkennung schon während des Ladens nicht notwendig.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in 2 beschriebenen Verfahrens zum Betrieb einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung 21. Gleiche Elemente in Bezug auf 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Fahrzeug 12 im Zustand des Fahrens. Hier sind im Untergrund/in der Fahrbahn 14 Sendespulen 10 angeordnet, über die das Fahrzeug 12 sich während des Fahrens bewegt. Der Luftspalt 16 zwischen den Sendespule 10 und der mindestens einen Empfangsspule 11 wird während der Fahrt permanent überwacht, indem mindestens ein Sensor 13 den Abstand zwischen der Sendespule 10/dem Untergrund 14 und der Empfangsspule 11 misst und daraus der minimal mögliche Luftspalt 16 errechnet wird. Die Absenkung der Spule 11 wird in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit und der Reaktionszeit (t1) der Aktoren vorgenommen.

4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Fahrzeug mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung als Fortsetzung des in 2 und 3 beschriebenen Verfahrens. Gleiche Elemente in Bezug auf 2 und 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel sind Sendespule 10 auf dem Untergrund bzw. auf der Fahrbahn 14 angeordnet.

5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Querschnitt durch das Fahrzeug 12 mit einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung 21 und eine Regelaktorik 17 zum Anheben oder Absenken Empfangsspule 11. Die Regelaktorik 17 verfügt über Aktuatoren, mit denen die Empfangsspule 11 angehoben oder abgesenkt werden kann, wodurch der Luftspalt zwischen Sendespule 10 und Empfangsspule 11 eingestellt wird. Im Fehlerfall (zum Beispiel beim Ausfallen der Regelaktorik 17 bzw. der Aktuatoren) erfolgt das Anheben der Empfangsspule 11 in die Ruhelage beispielsweise durch Federn 19.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102011010049 A1 [0003]