Title:
Energieübertragungsvorrichtung zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug mit einem ferrimagnetischen Flussführungselement aus einem Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff sowie Energieübertragungsanordnung
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungsvorrichtung (12) zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem elektrischen Spulenelement (14) und mit einem ferrimagnetischen Flussführungselement (18), welches zumindest bereichsweise das elektrische Spulenelement (14) umschließt, wobei das ferrimagnetische Flussführungselement (18) aus einem Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Energieübertragungsanordnung (10). embedded image




Inventors:
Cortese, Giuseppe (70176, Stuttgart, DE)
Barth, Daniel (76185, Karlsruhe, DE)
Application Number:
DE102018000908A
Publication Date:
08/09/2018
Filing Date:
02/05/2018
Assignee:
Daimler AG, 70327 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE9218475U1N/A1994-06-01



Foreign References:
WO2014122125A12014-08-14
Claims:
Energieübertragungsvorrichtung (12) zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem elektrischen Spulenelement (14) und mit einem ferrimagnetischen Flussführungselement (18), welches zumindest bereichsweise das elektrische Spulenelement (14) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das ferrimagnetische Flussführungselement (18) aus einem Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet ist.

Energieübertragungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferrimagnetische Flussführungselement (18) eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von größer 1 aufweist.

Energieübertragungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferrimagnetische Flussführungselement (18) zumindest eine Mehrzahl von Ferritkörner und/oder Ferritpulver aufweist.

Energieübertragungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferrimagnetische Flussführungselement (18) in einem verformbaren Zustand ausgebildet ist.

Energieübertragungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsvorrichtung (12) zusätzlich zum ferrimagnetischen Flussführungselement (18) eine Ferritplatte (20) aufweist.

Energieübertragungsanordnung (10) mit zwei Energieübertragungsvorrichtungen (12, 22), wobei die Energieübertragungsanordnung (10) zumindest eine Energieübertragungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 aufweist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungsvorrichtung zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug. Die Energieübertragungsvorrichtung weist zumindest ein elektrisches Spulenelement und zumindest ein ferrimagnetisches Flussführungselement auf. Das ferrimagnetische Flussführungselement umschließt zumindest bereichsweise das elektrische Spulenelement. Ferner betrifft die Erfindung eine Energieübertragungsanordnung.

In induktiven Energieübertragungssystemen werden Ferrite zur magnetischen Flussführung eingesetzt. Die induktiven Energieübertragungssysteme weisen dabei zumindest zwei Spulen auf, wobei eine erste der Spulen durch eine elektrische Quelle gespeist wird und einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Flussführung erhöht den Anteil des Flusses, der eine zweite der Spulen durchsetzt und dort eine Spannung induziert.

Im Bereich der Elektromobilität können sowohl auf der Seite der Bodenspule als auch auf der Seite der Fahrzeugspule herkömmliche Ferrite eingesetzt werden. Diese sind durch ihre mechanische Eigenschaft jedoch schlecht formbar und haben zudem ein hohes Gewicht.

Die WO 2014/122125 A1 offenbart eine Spuleneinheit zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule. Die Spuleneinheit weist eine Flussführungseinheit zur Führung eines im Betrieb der Spule auftretenden magnetischen Flusses auf, wobei die Flussführungseinheit zumindest teilweise um einen Überstand seitlich über die Außenabmessungen der Spule hinausreicht.

Ferner offenbart die DE 9 218 475 U1 ein magnetisches Material in Form einer homogenen Ferrit-Kunststoff-Zusammensetzung für Spulenkerne von induktiven Bauelementen, die in Anwesenheit hoher magnetischer Fremdfelder eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieübertragungsvorrichtung sowie eine Energieübertragungsanordnung zu schaffen, mittels welcher verbessert elektrische Energie übertragen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Energieübertragungsvorrichtung sowie durch eine Energieübertragungsanordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Energieübertragungsvorrichtung zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug. Die Energieübertragungsvorrichtung weist zumindest ein elektrisches Spulenelement und ein ferrimagnetisches Flussführungselement auf. Das ferrimagnetische Flussführungselement umschließt zumindest bereichsweise das elektrische Spulenelement.

Das ferrimagnetische Flussführungselement ist aus einem Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet. Dadurch kann eine Erhöhung der magnetischen Kopplung des induktiven Ladesystems, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, geschaffen werden. Des Weiteren kann es zur einer Reduzierung von Wirbelstromverlusten kommen, welche insbesondere durch den Proximity-Effekt hervorgerufen werden. Dadurch lässt sich verbessert die Energieübertragungsvorrichtung zum Energieübertragen betreiben.

Insbesondere kann es dabei zu einer Einsparung von konventionellem Ferrit kommen, was zu einer Reduzierung von Gewicht und Kosten führt. Des Weiteren kann dadurch Bauraum eingespart werden, da durch die Struktur/den Verbund (Ferrit-Kunststoffhalter und Ferrite) die gleiche magnetische Kopplung bei geringerem Bauraum und Baugewicht erzielt werden kann. Insbesondere können weiterhin Wirbelstromverluste gesenkt werden, wodurch es zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Energieübertragungsvorrichtung kommen kann.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass insbesondere ein Spulenhalter als elektrisches Spulenelement ausgebildet ist und der Spulenhalter entsprechend aus Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet ist. Ebenfalls möglich ist, dass die bisherige Struktur/der bisherige Verbund aus Spulenhalter und Ferrite durch den Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet sind (beispielsweise kann diese in einem Guss/Block ausgebildet sein. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, dass der Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff jede Windung der Spule von bis zu drei Seiten umschließen kann.

Es ist vorgesehen, dass durch die Flussführung der Anteil des Flusses erhöht wird, der durch das elektrische Spulenelement durchsetzt wird und dort eine Spannung induziert. Dadurch kann somit eine bessere Flussführung als bei herkömmlichen Ferriten aus dem Stand der Technik erzielt werden. Zudem kann Bauraum und/oder Gewicht eingespart werden. Es ist beispielsweise auch die Kombination aus hochpermeablen Ferritplatten und formbaren Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff möglich. Beispielsweise können Ferritplatten eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von µr=3000 und der Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von µr=8 aufweisen. Dadurch kann eine verbesserte Kopplung erreicht werden.

Durch das Füllen der Räume zwischen den Windungen des elektrischen Spulenelements werden zudem die durch den Proximity-Effekt verursachten Wirbelstromverluste reduziert. Dieses magnetische Abschirmen der einzelnen Windungen des elektrischen Spulenelements voneinander wird durch die Formbarkeit des weichmagnetischen Verbundwerkstoffs ermöglicht. Das Ferritmaterial sorgt dafür, dass der magnetische Widerstand zwischen den Windungen geringer ist als innerhalb der Windungen. Somit verlaufen die magnetischen Feldlinien zu einem kleineren Anteil durch das Leitermaterial, was sich physikalisch durch eine geringere magnetische Feldstärke ausdrückt. Die magnetische Feldstärke innerhalb des Leitermaterials verursacht den unerwünschten Proximity-Effekt.

Ebenfalls möglich ist, dass der Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff beim induktiven Laden auch als Abschirmmaterial eingesetzt werden kann, anstatt beispielsweise Aluminium.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das ferrimagnetische Flussführungselement eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von größer 1 aufweisen. Dadurch kann eine Verbesserung der Kopplung durchgeführt werden. Insbesondere kann dadurch eine verbesserte Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung an beispielsweise eine weitere Energieübertragungsvorrichtung durchgeführt werden.

Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das ferrimagnetische Flussführungselement zumindest eine Mehrzahl von Ferritkörnern und/oder Ferritpulver aufweist. Dadurch kann Bauraum reduziert das ferrimagnetische Flussführungselement hergestellt werden. Des Weiteren kann dadurch die Möglichkeit geschaffen werden, dass das ferrimagnetische Flussführungselement formbar ist. Dadurch kann eine verbesserte Kopplung realisiert werden.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das ferrimagnetische Flussführungselement in einem verformbaren Zustand ausgebildet ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass das ferrimagnetische Flussführungselement die Windungen des elektrischen Spulenelements verbessert umschließen kann und insbesondere bis zu drei Seiten des elektrischen Spulenelements umschließen kann. Damit wird eine verbesserte Flussführung erzielt. Des Weiteren ist es dadurch ermöglicht, dass durch das Umschließen des verformbaren ferrimagnetischen Flussführungselements das magnetische Abschirmen der einzelnen Windungen des elektrischen Spulenelements voneinander ermöglicht ist. Somit kann der magnetische Widerstand zwischen den Windungen geringer sein als innerhalb der Windungen. Somit verlaufen die magnetischen Feldlinien zu einem kleineren Anteil durch das Leitermaterial, was sich physikalisch durch eine geringere magnetische Feldstärke ausdrückt. Die magnetische Feldstärke innerhalb des Leitermaterials verursacht den unerwünschten Proximity-Effekt. Somit kann verbessert die Energieübertragungsvorrichtung zum elektrischen Energieübertragen bereitgestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Energieübertragungsvorrichtung zusätzlich zum ferrimagnetischen Flussführungselement eine Ferritplatte auf. Dadurch kann der Koppelfaktor der Energieübertragungsvorrichtung nochmals erhöht werden. Beispielsweise kann die Ferritplatte eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von µr=3000 aufweisen. Somit kann verbessert elektrische Energie von der Energieübertragungsvorrichtung übertragen werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Energieübertragungsanordnung mit zwei Energieübertragungsvorrichtungen, wobei die Energieübertragungsanordnung zumindest eine Energieübertragungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt aufweist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Energieübertragungsanordnung zumindest zwei Energieübertragungsvorrichtungen gemäß dem vorhergehenden Aspekt aufweist. Dadurch kann verbessert elektrische Energie von der Energieübertragungsvorrichtung zur anderen Energieübertragungsvorrichtung übertragen werden. Des Weiteren kann dabei sowohl Gewicht als auch Bauraum eingespart werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Energieübertragungsvorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Energieübertragungsanordnung anzusehen.

Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigt die einzige Fig. schematisch eine Ausführungsform einer Energieübertragungsanordnung.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die einzige Fig. zeigt eine Energieübertragungsanordnung 10. Die Fig. zeigt eine vertikale Achse z, die einer Kraftfahrzeughochachse entsprechen kann. Ferner zeigt die Fig. eine Achse y, welche insbesondere einer Kraftfahrzeuglängsachse entspricht, wobei die Fig. in Richtung dieser Achse y gezeigt ist. Insbesondere entspricht eine dargestellte Achse x einer Kraftfahrzeugquerachse Es ist ebenfalls möglich, dass die Energieübertragungsanordnung 10 eine andere Ausrichtung aufweist, als in der Fig. gezeigt.

Die Energieübertragungsanordnung 10 weist zumindest eine Energieübertragungsvorrichtung 12 auf. Die Energieübertragungsvorrichtung 12 ist zum induktiven Energieübertragen für ein Kraftfahrzeug, welches nicht dargestellt ist, ausgebildet. Insbesondere ist die Energieübertragungsvorrichtung 12 am Kraftfahrzeug angeordnet. Die Energieübertragungsvorrichtung 12 weist ein elektrisches Spulenelement 14 auf. Das elektrische Spulenelement 14 weist eine Mehrzahl an Windungen 16 auf. Ferner weist die Energieübertragungsvorrichtung 12 ein ferrimagnetisches Flussführungselement 18 auf. Das ferrimagnetische Flussführungselement 18 umschließt zumindest bereichsweise das elektrische Spulenelement 14. Das ferrimagnetische Flussführungselement 18 ist aus einem Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass das ferrimagnetische Flussführungselement 18 eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von größer 1 aufweist.

Des Weiteren kann insbesondere vorgesehen sein, dass das ferrimagnetische Flussführungselement 18 zumindest eine Mehrzahl von Ferritkörnern und/oder Ferritpulver aufweist. Dadurch ist es möglich, dass das das ferrimagnetische Flussführungselement 18 in einem verformbaren Zustand ausgebildet sein kann. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, dass das das ferrimagnetische Flussführungselement 18 die Windungen 16 von insbesondere zumindest drei Seiten umschließt. Dadurch können die Wirbelstromverluste, welche beispielsweise durch den Proximity-Effekt verursacht werden, reduziert werden. Damit kann eine verbesserte Flussführung erzielt werden als beim Stand der Technik. Des Weiteren kann dadurch Bauraum und/oder Gewicht eingespart werden. Insbesondere kann durch den Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff realisiert werden, dass der magnetische Widerstand zwischen den Windungen 16 geringer ist als innerhalb der Windungen 16. Somit verlaufen die magnetischen Feldlinien zu einem kleineren Anteil durch das Leitermaterial der Windungen 16, was sich physikalisch durch eine geringere magnetische Feldstärke ausdrückt. Die magnetische Feldstärke innerhalb des Leitermaterials verursacht den unerwünschten Proximity-Effekt.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Energieübertragungsvorrichtung 12 eine Ferritplatte 20 aufweist. Durch die Ferritplatte 20 kann der Koppelfaktor zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 12 und einer weiteren Energieübertragungsvorrichtung 22 verbessert werden.

Die weitere Energieübertragungsvorrichtung 22 ist insbesondere als Primärspule beziehungsweise als Bodenspule der Energieübertragungsanordnung 10 ausgebildet. Die Energieübertragungsvorrichtung 12 kann insbesondere auch als Sekundärspule angesehen werden und ist insbesondere am Kraftfahrzeug angeordnet. Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau die Flussführung den Anteil des Flusses erhöhen, der die Energieübertragungsvorrichtung 12 durchsetzt und dort eine Spannung induzieren. Insbesondere ist der Quotient aus dem die Energieübertragungsvorrichtung 12 durchsetzten Fluss und dem durch die weitere Energieübertragungsvorrichtung 22 erzeugten Fluss als Koppelfaktor bezeichnet.

Beispielsweise kann die Ferritplatte 20 eine relative Permeabilität/Permeabilitätszahl von µr=3000 aufweisen. Im vorgezeigten Beispiel kann beispielsweise ein Koppelfaktor von 0,2782 erreicht werden. Sollte beispielsweise nur eine Ferritplatte 20 und kein Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff vorhanden sein, so kann beispielsweise lediglich ein Koppelfaktor von 0,2688 erreicht werden. Somit ist zu sehen, dass durch den Einsatz des Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoffs der Koppelfaktor gesteigert werden kann. Sollte beispielsweise aufgrund von Gewichtseinsparungen keine Ferritplatte 20 eingesetzt werden, so kann durch den Einsatz nur des Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoffs beispielsweise ein Koppelfaktor von 0,2555 erreicht werden. Sollte beispielsweise kein Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff eingesetzt werden, so kann lediglich ein Koppelfaktor von 0,2428 erreicht werden. Insbesondere ist somit vorgesehen, dass mittels der Energieübertragungsanordnung 10 ein Koppelfaktor von mindestens 0,25 erreicht werden kann.

Ebenfalls möglich ist, dass der Ferrit-Kunststoff-Verbundwerkstoff beim induktiven Laden auch beispielsweise als Abschirmmaterial eingesetzt werden kann, anstatt beispielsweise eines Aluminiumblechs.

Bezugszeichenliste

10
Energieübertragungsanordnung
12
Energieübertragungsvorrichtung
14
elektrisches Spulenelement
16
Windung
18
ferrimagnetisches Flussführungselement
20
Ferritplatte
22
weitere Energieübertragungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • WO 2014/122125 A1 [0004]
  • DE 9218475 U1 [0005]