Titel

Vorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen Speichers Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen

Speichers, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer ortsfesten Primärspule und einer dem Kraftfahrzeug zugeordneten/zuordenbaren Sekundärspule, wobei der Primärspule und der Sekundärspule jeweils mindestens ein

Resonanzkondensator zugeordnet ist.

Stand der Technik

Vorrichtungen der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Vorrichtungen zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen wird die für das Laden einer Fahrzeugbatterie notwendige

Energie nicht über ein Ladekabel zum Fahrzeug übertragen (konduktives Laden), sondern über einen Transformator mit großem Luftspalt. Hierbei wird

typischerweise eine Primärspule des Transformators entweder im Straßenboden eingelassen oder als auf den Boden aufgelegte Ladeplatte ausgebildet und mittels einer geeigneten Elektronik mit einem Stromnetz verbunden. Die

Sekundärspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs/Kraftfahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die

Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die

Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Für die Induktion ist auf der Primärseite ein Wechselrichter vorgesehen, der mit hoher Schaltfrequenz betrieben wird. Um keine Blindleistung über den Luftspalt übertragen zu müssen, wird ein resonant betriebener Schwingkreis aufgebaut. Dieser besteht aus der Induktivität der Primärspule und einer Kapazität eines entsprechend ausgewählten Resonanzkondensators. Auch auf der Sekundärseite wird ein Schwingkreis aus Sekundärspule und Resonanzkondensator ausgebildet. Beide Schwingkreise werden auf dieselbe Resonanzfrequenz ausgelegt und mit dieser betrieben, so dass außerhalb des so gebildeten Übertragungsnetzwerks nur vernachlässigbare Blindleistungen anfallen.

Üblicherweise werden die Bestandteile der jeweiligen Seite derart aufgeteilt, dass eine Primärelektronik- Einheit und eine Primärspule sowie eine Sekundärspule und eine Sekundärelektronik- Einheit jeweils zusammengefasst werden. Dabei werden üblicherweise die erwähnten Resonanzkondensatoren in der jeweiligen Elektronikeinheit untergebracht.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf Kabelverbindungen innerhalb des Resonanzkreises

beziehungsweise zwischen der Primärspule und/oder der Sekundärspule und dem jeweiligen Resonanzkondensator verzichtet werden kann. Die

Resonanzkondensatoren werden derart kompakt mit der jeweiligen Spule angeordnet, dass sich außerdem Bauraumvorteile ergeben und die

Anforderungen an Stromtragfähigkeit, Isolationsfähigkeit und Abschirmung von Einzelkabeln entfallen oder zumindest verringert werden können.

Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zumindest einer der

Resonanzkondensatoren die ihm zugeordnete Spule, also die Primärspule oder die Sekundärspule, zumindest im Wesentlichen umschließend, insbesondere ringförmig, ausgebildet ist. Die Erfindung sieht also vor, dass der

Resonanzkondensator der jeweiligen Spule nicht nur zugeordnet, sondern diese umschließend ausgebildet ist, so dass sich der Resonanzkondensator um die jeweilige Spule herum erstreckt. Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zumindest eine Resonanzkondensator von der jeweiligen Spule zumindest im Wesentlichen umgeben ausgebildet ist. In diesem Fall umgibt also nicht der Resonanzkondensator der Spule, sondern die Spule den

Resonanzkondensator, sodass letzterer innerhalb der Spule liegt. Die Spule weist dazu zweckmäßigerweise eine entsprechende Aussparung

beziehungsweise Aufnahme auf, in welcher der Resonanzkondensator einsetzbar ist. Dadurch wird der Resonanzkondensator direkt in die jeweilige Spule oder ein die Spule aufnehmendes Gehäuse integriert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweilige Resonanzkondensator in seiner Form der ihm zugeordneten Spule angepasst ist. Dadurch wird eine besonders kompakte Einheit aus Spule und Resonanzkondensator geboten mit vorteilhaftem Schwingungsverhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweilige Resonanzkondensator als Folienkondensator ausgebildet ist. Der

Resonanzkondensator weist dabei mehrere auf einem Wickelträger gefertigte Folien auf, die beispielsweise kreisförmig oder viereckförmig

übereinanderliegend gewickelt sein können. Dabei kann durch die Form des Wickelträgers jegliche Spulen-Windungsgeometrie auf einfache Art und Weise nachgebildet werden. Gemäß einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Wickelträger bereits die Form des herzustellenden Resonanzkondensators aufweist. Dadurch kann durch Aufwickeln der Folien der Resonanzkondensator in der gewünschten Geometrie, insbesondere abgestimmt auf die jeweilige Spule, hergestellt werden.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der jeweilige Resonanzkondensator zusammen mit der ihm zugeordneten Spule in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Dadurch ergeben sich kompakte Spuleneinheiten, insbesondere eine Primäreinheit mit der Primärspule und dem ihr zugeordneten

Resonanzkondensator, und/oder eine Sekundäreinheit mit der Sekundärspule und dem ihr zugeordneten Resonanzkondensator. Durch das gemeinsame Gehäuse lassen sich die Einheiten einfach handhaben und auf einem

Straßenboden beziehungsweise an einem Fahrzeugunterboden anordnen. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass Kontaktanschlüsse des jeweiligen

Resonanzkondensators eine Spulenwindung bilden, die zu der Windung der zugeordneten Spule entgegengerichtet oder gleichgerichtet ist. Unter der entgegen gerichteten Ausbildung ist hierbei eine im Betrieb entgegengerichtete Stromflussrichtung zu verstehen. Beispielsweise können die Kontaktflächen des jeweiligen Resonanzkondensators eine äußere Spulenwindung darstellen, deren Stromfluss entgegengesetzt zu den übrigen Spulenwindungen der

Sekundärspule oder Primärspule erfolgt, so dass eine Teil-Auslöschung eines störenden Streumagnetfelds erfolgt. Dabei wird ein Hilfsmagnetfeld erzeugt, das in geeigneter Weise zur Formung des Magnetfeldes der Primärspule oder Sekundärspule entsprechend beiträgt.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass dem jeweiligen Resonanzkondensator und der ihm zugeordneten Spule zumindest ein Schirmelement zugeordnet ist. Das Schirmelement dient insbesondere zur Abschirmung und Führung des durch den jeweiligen Schwingkreis erzeugten Magnetfeldes. Vorzugsweise ist das Schirmelement aus Ferrit oder anderen geeigneten Materialien gefertigt.

Besonders bevorzugt ist das Schirmelement als Schirmplatte ausgebildet. Die Schirmplatte kann sich dabei parallel zur Ladeplatte erstrecken oder die

Ladeplatte selbst bilden. Die Schirmplatte dient vorzugsweise gleichzeitig als Stützelement für die jeweilige Spule und den Resonanzkondensator. Die Spule und der ihr zugehörige Resonanzkondensator sind bevorzugt an der Schirmplatte gehalten beziehungsweise arretiert.

Bevorzugt sind die jeweilige Spule und der ihr zugeordnete

Resonanzkondensator auf einer Seite der Schirmplatte gemeinsam angeordnet. Dadurch kann die Schirmplatte insbesondere als Ladeplatte verwendet werden.

Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Schirmplatte abschnittsweise zwischen dem Resonanzkondensator und der jeweiligen Spule verläuft. Dadurch kann beispielsweise der Ringkondensator von der Sekundärspule oder

Primärspule räumlich getrennt angeordnet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist außerdem

vorgesehen, dass der jeweilige Resonanzkondensator wenigstens zwei

Kondensatoren aufweist. Insbesondere wird der Resonanzkondensator aus zwei Kondensatoren mit doppelter Kapazität und halber Spannungsfestigkeit gefertigt, um eine Spannungsüberführung in der jeweiligen Spule gegenüber Masse zu begrenzen, einen symmetrischen Aufbau zu erzielen und eine galvanische Trennung der jeweiligen Spulenwindungen gegenüber einer Energiequelle, insbesondere gegenüber einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs, zu erreichen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer vorteilhaften

Vorrichtung zum induktiven Laden eines elektrischen Speichers,

Figuren 2A und B eine Primäreinheit der Vorrichtung in unterschiedlichen

Darstellungen,

Figuren 3A bis D unterschiedliche Ausführungsformen der Primäreinheit mit einem Schirmelement,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Primäreinheit in einer Draufsicht,

Figuren 5A bis D unterschiedliche Ausgestaltungen der Primäreinheit und

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Primäreinheit.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Schaltbild einer Vorrichtung 1 zum induktiven Laden eines elektrischen Speichers. Das Schaltbild zeigt eine Primärspule 2, die durch eine Elektronikeinheit 3 mit einer Energiequelle, insbesondere einem Stromnetz verbindbar beziehungsweise verbunden ist. Die Elektronikeinheit 3 weist dazu einen mit hoher Schaltfrequenz betreibbaren Wechselrichter 4 auf. Die Elektronikeinheit 3 ist mit der Primärspule 2 durch Kabel 5 verbunden. Die Primärspule 2 ist dabei in einem Gehäuse 6 angeordnet, in welchem auch ein Resonanzkondensator 7 vorgesehen ist. Der

Resonanzkondensator 7 entspricht in seiner Form der Form der Spulenwicklung der Primärspule 2, wie im Folgenden näher erläutert werden soll. Die

Primärspule 2 und der Resonanzkondensator 7 bilden zusammen eine

Primäreinheit 8 der Vorrichtung 1. Eine hier nicht dargestellte Sekundäreinheit mit einer Sekundärspule und einem Resonanzkondensator ist bevorzugt entsprechend der Primäreinheit 8 aufgebaut.

Figur 2 zeigt hierzu die Primäreinheit 8, die durch die Primärspule 2 und den Resonanzkondensator 7 gebildet wird, in unterschiedlichen Darstellungen. Figur 2A zeigt die Primäreinheit 8 in einer Draufsicht und Figur 2B in einer

Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Figur 2A.

Insbesondere in Figur 2A ist zu erkennen, dass Spulenwindungen 9 der

Primärspule 2 kreisförmig beziehungsweise spiralförmig verlaufen, und dass der Resonanzkondensator 7 die Spulenwindungen 9 ebenfalls kreisförmig umschließt. Kontaktflächen 7' und 7" des Resonanzkondensators, wie insbesondere in Figur 2B ersichtlich, können elektrisch kontaktiert werden, um einerseits die Spule und andererseits die Elektronikeinheit 3 zu kontaktieren.

Der Resonanzkondensator 7 ist als Folienkondensator aus einer Vielzahl von übereinander liegenden Schichten ausgebildet. Die Form des

Resonanzkondensators 7 ist auf einfache Art und Weise durch eine

entsprechende Form eines Wickelträgers bei der Herstellung des

Resonanzkondensators erreichbar. Durch die Ausbildung als Folienkondensator können beliebige Formen des Resonanzkondensators auf einfache und kostengünstige Art und Weise realisiert werden. Die Primärspule 2 und der Resonanzkondensator 7 sind in dem gemeinsamen Gehäuse 6 untergebracht und dabei gehäuseintern miteinander kontaktiert, so dass keine Resonanzkreisinternen Kabelverbindungen außerhalb des Gehäuses 6 geführt werden müssen. Durch die große dann für den Resonanzkondensator 7 verfügbare Oberfläche kann der Resonanzkondensator 7 wesentliche einfacher entwärmt

gegebenenfalls sogar nur passiv gekühlt werden.

Gleichzeitig wird in der Elektronikeinheit 3 eine vergleichsweise große Baufläche eingespart, und die Elektronikeinheit 3 kann auch entfernt von dem Gehäuse 6 in einem Fahrzeug oder auf einer Fahrbahn untergebracht werden, da im

Verbindungskabel 5 zwischen Gehäuse 6 und Elektronikeinheit 3 nur die

Batteriespannungen und Batterieladeströme anfallen. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Gehäuse 6 eine Ladeplatte bildet, die auf einer Fahrbahn oder an einem Fahrzeugunterboden anbringbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 1 liegt darin, dass reduzierte Gesamtkosten anfallen, da ein separates Gehäuse für den Resonanzkondensator 7 entfällt. Vorzugsweise wird der ohnehin im Spulenplattenbau übliche Verguss gleichzeitig als Kondensatorisolation verwendet.

Die stromtragenden Kontaktflächen 7' und 7" des Resonanzkondensator 7 werden vorzugsweise so aufgebaut, dass das durch ihren Stromfluss bildende Magnetfeld in geeigneter Weise zu der Formung des Magnetfeldes der

Primärspule 2 beiträgt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kontaktflächen 7', 7" des Kondensators 7 eine äußere Spulenwindung bilden, deren Stromfluss entgegengesetzt zu den übrigen Spulenwindungen der Primärspule 2 erfolgt, so dass eine Teil-Auslöschung des Magnetfeldes der Primärspule 2 resultiert.

Wie aus Figur 2A ersichtlich, ist der Resonanzkondensator 7 bevorzugt als Ringkondensator ausgebildet, so dass die Kontaktflächen 7', 7" des

Resonanzkondensators 7 parallel zur Zeichenebene der Figur 2A liegen. Zur Kontaktierung muss der Resonanzkondensator 7 somit„oben" und„unten" verbunden werden, wie in der Schnittdarstellung von Figur 2B gezeigt.

Figuren 3A bis D zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Einheit 8, die durch ein Schirmelement 10 ergänzt ist, jeweils in einer Schnittdarstellung. Das Schirmelement 10, das insbesondere aus Ferrit gefertigt ist oder aufweist, dient zur Führung und Abschirmung des oder der erzeugten Magnetfelder. In

Zusammenhang mit der Integration des ringförmigen Resonanzkondensators 7 bieten sich verschiedene Anordnungen zwischen Ferrit und Schirmung,

Resonanzkondensator 7 und Primärspule 2 an.

Gemäß Figur 3A ist vorgesehen, dass der Resonanzkondensator 7 zusammen mit der Primärspule 2 auf einer Seite des Schirmelementes 10 angeordnet sind.

Gemäß Figur 3B ist vorgesehen, dass das Schirmelement becherförmig ausgebildet ist, wobei die Primärspule 2 innerhalb des Schirmelements 10 angeordnet ist, während der Resonanzkondensator 7 die Mantelwand des Schirmelementes 10 außen umgibt.

Gemäß Figur 3C ist vorgesehen, dass das Schirmelement 10 becherförmig mit einer Auskragung 11 ausgebildet ist, so dass die Primärspule 2 innerhalb des Schirmelementes 10 angeordnet ist, und der Resonanzkondensator 7 auf der Auskragung außen anliegt.

Gemäß Figur 3D ist vorgesehen, dass der Resonanzkondensator 7 die

Primärspule 2 nicht umgibt, sondern dass die Primärspule 2 den

Resonanzkondensator 7 umgibt. Dazu weist die Primärspule 2 mittig eine Aussparung beziehungsweise Aufnahme auf, in welcher der

Resonanzkondensator 7 zumindest bereichsweise einliegt, wie in Figur 3D gezeigt. Das Schirmelement 10 weist dazu in der Mitte eine Ausbuchtung auf, in welcher der Resonanzkondensator 7 liegt.

Um Spannungsüberhöhungen in der Primärspule 2 gegenüber Masse zu begrenzen, einen symmetrischen Aufbau zu erzielen und eine galvanische Trennung der Spulenwindungen 9 gegenüber einer Hochvoltbatterie des Fahrzeugs zu erreichen, wird der Resonanzkondensator 7 in zwei

Kondensatoren 12, 13 mit doppelter Kapazität, aber halber Spannungsfestigkeit aufgeteilt, wie in Figur 4 beispielhaft gezeigt. Die Kondensatoren 12, 13 sind dabei halbringförmig ausgebildet und einendig mit der Spule 2 und anderendig mit der Elektronikeinheit 3 verbunden.

Es sind verschiedene Geometrien von Resonanzkondensator 7 und

Spulenwindungen 9 vorstellbar. Da das Gehäuse 6 beziehungsweise die Ladeplatte in der Fahrzeugintegration häufig eine rechteckförmige Kontur aufweist, kann ein rechteckiger Resonanzkondensator 7 vorteilhaft sein, um beispielsweise den Abstand zu der Spulenwindung zu vergrößern und damit eine Störung durch das Spulenmagnetfeld zu verringern.

Figuren 5A bis D zeigen hierzu unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Primäreinheit 8. Figur 5A zeigt die Primäreinheit 8 mit einer quadratischen Kontur, Figur 5B mit einer ovalförmigen Kontur, Figur 5C mit einer achteckförmigen Kontur und Figur 5D mit einer quadratischen Kontur des Resonanzkondensators 7 und einer kreisförmigen beziehungsweise

spiralförmigen Formgebung der Primärspule 2. Figuren 5C und D machen deutlich, dass der Resonanzkondensator 7 in seiner Form nicht unbedingt an die Form der Primärspule 2 angepasst sein muss. Die beschriebenen

Ausführungsbeispiele der Figuren 5A bis D gelten gleichermaßen für eine Anordnung, bei welcher der Resonanzkondensator 7 von der Primärspule 2 umgebend ausgebildet ist, wie in Figur 3D gezeigt. Auch hier kann der

Resonanzkondensator beispielsweise eine quadratische oder rechteckförmige Form beziehungsweise Kontur aufweisen, die vorzugsweise der Form

beziehungsweise Kontur der Primärspule 2 entspricht, jedoch auch von dieser abweichen kann.

Auch ist es denkbar, nur Ringstücke des Resonanzkondensators 7 zu

verwenden, um einen besonders geringen Platzbedarf des Gehäuses 6 oder der

Ladeplatte zu erzielen, wie in Figur 6 beispielhaft gezeigt ist. Gestrichelt ist dabei die Außenkontur des Gehäuses angedeutet. Die oben stehenden Ausführungen gelten - wie oben bereits erwähnt - bevorzugt gleichermaßen für die

Sekundäreinheit des induktiven Ladesystems.