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Die Erfindung betrifft eine Ladeanordnung zum drahtlosen Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines mobilen Endgeräts. Ferner wird ein Fahrzeug mit einer solchen Ladeanordnung beschrieben.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (beispielsweise Akkumulatoren, wiederaufladbare Batterien oder Superkondensatoren) eines mobilen Endgerätes sind bekannt. Drahtlose Energieübertragung (Wireless Charging) wird verstärkt in Fahrzeugen zum Laden von Mobiltelefonen oder Tablet-PCs angeboten. Weit verbreitet sind Geräte und Verfahren zur induktiven Energieübertragung, zum Beispiel nach dem Qi-Standard. Bekannt sind auch Vorrichtungen und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mittels resonanter magnetischer Kopplung, zum Beispiel solche nach dem Rezence-Standard. Bei beiden Verfahren wird mit Hilfe von Primärspulen ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das durch Gegeninduktion in Sekundärspulen im mobilen Endgerät, die durch eine Übertragungsstrecke räumlich von den Primärspulen getrennt sind, eine Wechselspannung induziert. Der so erzeugte Wechselstrom wird im mobilen Endgerät gleichgerichtet und zum Laden des dort vorhandenen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers verwendet.
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Im Automobilbereich werden typischerweise Vorrichtungen zum drahtlosen Laden als komplette Bauteile angeboten, die an geeigneten Stellen in einem Fahrzeug verbaut werden. Diese Bauteile umfassen Spulen- und Leistungselektronik und sind innerhalb eines Gehäuses zusammengefasst. Diese Bauteile werden als Baukasten (Wireless Charging Einheit, WCA-Einheit) angeboten.
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WCAs bieten als Komponente in der Regel keine Möglichkeit, die Größe oder Form des aktiven Ladebereiches sowie die Geometrie der WCA-Einheit selbst zu gestalten. Um beispielsweise eine möglichst effiziente Ladung eines mobilen Endgerätes (CE-Gerät, zum Beispiel iPhone) zu gewähren, ist eine konzentrische Spulenüberdeckung (Senderspule in der WCA-Einheit zu Empfängerspule am mobilen Endgerät) nötig). Fertige WCA-Einheiten können dieses Kriterium erfüllen, doch erlauben sie keine Skalierbarkeit des Baukastens.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ladeanordnung zum drahtlosen Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines mobilen Endgeräts bereitzustellen, die sich besser skalieren lässt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ladeanordnung zum drahtlosen Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines mobilen Endgeräts gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zusammenfassung
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Im Folgenden wird zugrunde gelegt, dass jedes Merkmal, das in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschrieben ist, allein oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder in beliebiger Kombination einer beliebigen anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht explizit als Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Gegenstände, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, zu verlassen.
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Die nachfolgend beschriebene Erfindung beruht unter anderem auf den folgenden Überlegungen.
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Eine Steuereinheit oder ein Steuerungsbauteil (beispielsweise mit einer Leistungselektronik) können getrennt von der Spulen-Plattform oder einem Spulenbauteil als eigenes Bauteil (beispielsweise als Baukasten) gefertigt werden. Die Spulen-Plattform wird über eine Schnittstelle zur Steuereinheit gekoppelt und kann dabei um eine Anzahl von baugleichen oder unterschiedlichen Spulen-Plattformen anforderungsgerecht erweitert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Ladeanordnung zum drahtlosen Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines mobilen Endgeräts ein Steuerungsbauteil und ein vom Steuerungsbauteil separates Spulenbauteil. Das Steuerungsbauteil umfasst ferner eine elektronische Steuereinheit. Das Spulenbauteil umfasst eine Primärspulenanordnung.
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Das Steuerungsbauteil ist eingerichtet, ein elektrisches Signal zum Steuern der Stärke und Dauer eines durch die Primärspulenanordnung erzeugbaren magnetischen Wechselfelds bereitzustellen. Das Steuerungsbauteil und das Spulenbauteil sind miteinander mittels einer Verbindungstrecke derart gekoppelt, dass zwischen Steuerungsbauteil und Spulenbauteil das elektrische Signal ausgetauscht werden kann.
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Im Betrieb wird ein mobiles Endgerät mit dem Spulenbauteil gekoppelt, zum Beispiel indem das Endgerät auf eine Ladefläche des Spulenbauteils in eine Ladeposition abgelegt wird. Wenn das mobile Endgerät über eine Sekundärspulenanordnung verfügt, kann eine induktive Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspulenanordnung hergestellt werden. In der Folge kann der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher des Endgeräts, beispielsweise eine Batterie, durch Gegeninduktion geladen werden. Der Ladevorgang wird durch das elektrische Signal gesteuert, das beispielsweise Stärke und Dauer des durch die Primärspulenanordnung erzeugten magnetischen Wechselfelds bestimmt. Ferner können durch das elektrische Signal weitere Steuervorgänge erfolgen, beispielsweise An- und Ausschalten einer oder mehrerer Spulen der Primärspulenanordnung oder weiterer Primärspulenanordnungen. Mit anderen Worten ist das elektrische Signal eingerichtet, den Ladevorgang zu steuern.
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Der Austausch des elektrischen Signals, oder Steuersignals, erfolgt wenigstens direktional in eine Richtung vom Steuerungsbauteil zum Spulenbauteil. Der Austausch kann jedoch auch bidirektional ausgestaltet sein, so dass auch ein elektrisches Signal vom Spulenbauteil zum Steuerungsbauteil ausgetauscht wird. Dann kann das elektrische Signal beispielsweise anzeigen, dass der Energiespeicher geladen ist und das Steuerungsbauteil den Ladevorgang beendet. Ferner kann das elektrische Signal dem Steuerungsbauteil anzeigen, ob ein Endgerät mit einem Spulenbauteil gekoppelt ist oder nicht.
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Das Steuerungsbauteil ist von einem Steuergerät eines Bordnetztes verschieden. Ein solches Steuergerät kann in einem Fahrzeug vorhanden sein und beispielsweise die Ladeanordnung an- und ausschalten. Das vorgeschlagene Steuerungsbauteil hingegen übernimmt Steuerungsaufgaben für den Ladeprozess des mobilen Endgeräts, insbesondere Stärke und Dauer des durch die Primärspulenanordnung erzeugten magnetischen Wechselfeld.
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Das Steuerungsbauteil und das Spulenbauteil sind voneinander separat ausgeführt. Die Bauteile stellen Module dar, die örtlich getrennt voneinander in einem Fahrzeug verbaut werden können. Auf diese Weise können etwa die Bauteile oder Module besser an Designvorgaben, beispielsweise an das Interieur eines Fahrzeugs, angepasst werden. Insbesondere können Steuerungsbauteil und Spulenbauteil örtlich voneinander im Fahrzeug angeordnet werden. So können Größe und Form eines aktiven Ladebereiches sowie die Geometrie der Ladeanordnung mit mehr Designfreiheit gestaltet und skaliert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Steuerungsbauteil eine mit einem Bordnetz elektrisch verbindbare Leistungselektronik. Die Leistungselektronik ist dazu eingerichtet, einen vom Bordnetz bereitgestellten Betriebsstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Ferner sind das Steuerungsbauteil und das Spulenbauteil elektrisch so verbunden, dass der Wechselstrom am Spulenbauteil anliegt und die Primärspulenanordnung das dem Wechselstrom entsprechende magnetische Wechselfeld erzeugt.
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Aufgrund der Trennung von Steuerungsbauteil und Spulenbauteil ist auch die Leistungselektronik von dem Spulenbauteil räumlich und funktional getrennt. Beispielsweise kann ein Steuerungsbauteil und eine Leistungselektronik eine Anzahl von Spulenbauteilen steuern und versorgen. Die Leistungselektronik mit dem Betriebsstrom vom Bordnetz versorgt und kann eine Anzahl von Spulenbauteilen mit dem Wechselstrom betreiben. Beispielsweise umfasst die Leistungselektronik geeignete Stromrichter.
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Der Begriff „Bordnetz“ bezeichnet die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Kraftfahrzeug. Das Bordnetz ist eingerichtet für die Stromversorgung (Energiebordnetz) und/oder den Informationsfluss zwischen Komponenten und Steuergeräten (Kommunikationsbordnetz).
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Steuerungsbauteil ein erstes Gehäuse und/oder das Spulenbauteil umfasst ein zweites Gehäuse.
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Die Bauteile können sowohl funktional als auch räumlich voneinander getrennt sein. Durch die Gehäuse ist es möglich, Besonderheiten der Verwendung der Bauteile besser zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann das Gehäuse eines Spulenbauteils an das Interieur eines Fahrzeugs angepasst sein, wie etwa eine Ablage in der Mittelkonsole des Fahrzeugs oder in einer Türverkleidungstasche. Das Gehäuse des Steuerungsbauteils kann gegebenenfalls entfallen, wenn es in das Bordnetz des Fahrzeugs, also für Fahrer und Passagiere nicht sichtbar, verbaut ist. Das Gehäuse des Steuerungsbauteils kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass es sich in das Fahrzeugdesign integriert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Ladeanordnung weitere Spulenbauteile mit weiteren Primärspulenanordnungen.
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Ein Spulenbauteil umfasst in der Regel mehrere Primärspulen. Um eine möglichst effiziente Ladung des Energiespeichers des mobilen Endgeräts (beispielsweise ein CE-Gerät wie ein iPhone) zu gewähren, ist oft eine konzentrische Spulenüberdeckung der Primärspulen (Senderspule, WCA) zu Sekundärspulen (Empfängerspule im CE-Gerät) vorteilhaft. Dies wird durch Verwendung mehrerer Primärspulen in einem Spulenbauteil unterstützt.
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Neben mehreren Spulen in einem Spulenbauteil können auch mehrere Spulenbauteile in einer Ladeanordnung verwendet werden. So können beispielsweise mehrere Ladestationen in einem Fahrzeug realisiert werden oder Ladestationen eingerichtet werden, die an bestimmte mobile Endgeräte angepasst sind, beispielsweise indem die Stärke und/oder Dauer des erzeugten magnetischen Wechselfelds unterschiedlich sind. So können beispielsweise Smartphones oder Tablets entsprechend ihrer unterschiedlichen Energiespeicher durch entsprechende Spulenbauteile geladen werden. Die Anzahl und Ausgestaltung der Spulenbauteile können dabei durch die jeweilige Anwendung vorgegeben werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Spulenbauteile Kommunikationsmittel. Die Kommunikationsmittel sind eingerichtet zur Kommunikation der Spulenbauteile untereinander und/oder zur Kommunikation der Spulenbauteile mit dem Steuerungsbauteil.
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Die Kommunikationsmittel können einerseits einen Informationsfluss zwischen den Spulenbauteilen und dem Steuerungsbauteil einrichten. Dazu kann beispielsweise das elektrische Signal ausgetauscht werden. Auf diese Weise ist ferner auch eine Kommunikation mit dem Bordnetz möglich (Kommunikationsbordnetz). Darüber hinaus können die Kommunikationsmittel so eingerichtet sein, dass die Spulenbauteile untereinander kommunizieren. Es können beispielsweise durch geeignete elektrische Signale Information über die Belegung eines Spulenbauteils ausgetauscht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kommunikationsmittel der Spulenbauteile eingerichtet sind, drahtlos zu kommunizieren. Beispiele umfassen kabellose Übertragungsverfahren wie Bluetooth, WLAN, ZigBee, NFC, Wibree oder WiMAX im Radiofrequenzbereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Spulenbauteile eingerichtet Energie aus elektromagnetischen Wellen zu gewinnen.
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Beispielsweise emittieren die drahtlosen Kommunikationsmittel elektromagnetische Wellen als Träger zur Kommunikation. Durch Energiegewinnung (englisch: Energy Harvesting) kann elektrische Energie aus der Strahlungsumgebung gewonnen werden. Die Spulen eines Spulenbauteils können etwa als Antennen verwendet werden, die elektrische Energie umwandeln (magnetresonant) und beispielsweise ausreichend zum Betreiben der Kommunikationsmittel der Spulenbauteile sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsstrecke zwischen dem Steuerungsbauteil und einem oder mehrerer Spulenbauteile eine elektrisch leitende Verbindung und/oder eine Funkstrecke.
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Die Verbindungsstrecke kann zwei Funktionen umfassen. Zum einen dient die Verbindungsstrecke der Kopplung von Steuerungsbauteil und des oder der Spulenbauteile. Das Steuerungsbauteil kann so mit dem elektrischen Signal das oder die Spulenbauteile steuern. Dazu können die Spulenbauteile über geeignete Schnittstellen verfügen, beispielsweise serielle Schnittstellen wie I2C. Zum anderen kann die Verbindungsstrecke genutzt werden, das Spulenbauteil oder die Spulenbauteile mit Strom zu versorgen. Die Verbindungsstrecke kann eine Drahtverbindung sein, die sowohl das elektrische Signal also auch den Betriebsstrom bereitstellen kann. Die Verbindungsstrecke kann jedoch auch teilweise drahtgebunden und teilweise drahtlos sein, beispielsweise können so das elektrische Signal drahtlos und der Betriebsstrom drahtgebunden bereitgestellt werden.
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Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug eine Ladeanordnung nach einem der vorhergehenden Aspekte.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Steuerungsbauteil elektrisch leitend mit einem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden. Ferner ist ein Spulenbauteil, oder sind mehrere Spulenbauteile, mechanisch abnehmbar mit dem Fahrzeug verbunden. Mit anderen Worten muss ein Spulenbauteil nicht ortsfest mit dem Fahrzeug verbunden sein. Damit ist es möglich, die Spulenbauteile flexibel im Fahrzeuginneren zu verwenden.
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Die Ladeanordnung kann weitere Komponenten aufweisen. Beispielsweise können die Gehäuse so ausgestaltet sein, dass sie angepasste Ladeposition für die Endgeräte aufweisen. Ferner können die Gehäuse so gestaltet sein, dass sie die Endgeräte für den Ladeprozess magnetisch oder mechanisch fixieren und/oder in eine optimale Ladeposition ausrichten.
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Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Im Einzelnen zeigt schematisch:
- 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Ladeanordnung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Ladeanordnung. Die Ladeanordnung 10 ist eingerichtet zum drahtlosen Aufladen eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers eines mobilen Endgeräts. Die Ladeanordnung umfasst in diesem Beispiel ein Steuerungsbauteil 20 und vier Spulenbauteile 30. Die gezeigte Anzahl von Steuerungsbauteil und Spulenbauteilen dient lediglich der vereinfachten Darstellung und soll keineswegs als einschränkend interpretiert werden. Die Anzahl und Ausgestaltung von Steuerungsbauteil und Spulenbauteilen können dabei durch die jeweilige Anwendung vorgegeben werden. Das Steuerungsbauteil und die Spulenbauteile sind voneinander separat in unterschiedlichen Gehäusen 21, 31 untergebracht.
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Das Steuerungsbauteil 20 weist eine elektronische Steuereinheit und eine Leistungselektronik auf. Die Leistungselektronik umfasst beispielsweise einen Inverter oder DC/DC-Wandler und ist mit einem Bordnetz eines Fahrzeugs elektrisch leitend verbunden. Das Steuerungsbauteil 20 und die Spulenbauteile 30 sind miteinander über eine oder mehrere Verbindungstrecken 40 gekoppelt und/oder elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Spulenbauteile 30 umfassen jeweils eine Primärspulenanordnung 32. Eine Primärspulenanordnung kann mehrere einander überlappende Primärspulen 33 aufweisen.
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Im Betrieb stellt das Bordnetz einen Betriebsstrom bereit. Dazu sind die Spulenbauteilen 30 elektrisch leitend mit der Leistungselektronik bzw. dem Steuerungsbauteil 20 verbunden. Die Leistungselektronik wandelt den Betriebsstrom in einen Wechselstrom bzw. generiert eine Wechselspannung, mit der die Primärspulen 33 der Spulenbauteilen betrieben werden. Dieser Vorgang wird durch das Steuerungsbauteil bzw. die elektronische Steuereinheit gesteuert. Die Steuerung der Spulenbauteile erfolgt durch entsprechende elektrische (Steuer-)Signale, die ebenfalls vom Steuerungsbauteil oder der elektronischen Steuereinheit generiert werden. Durch die Steuersignale werden beispielsweise Stärke und Dauer eines durch eine der Primärspulenanordnungen zu erzeugenden magnetischen Wechselfelds bestimmt. Diese Kommunikation erfolgt in einer Richtung vom Steuerungsbauteil zu den Spulenbauteilen. Die Kommunikation kann über geeignet Kommunikationsmittel und eine Schnittstelle zum Steuerungsbauteil drahtlos und/oder drahtgebunden erfolgen.
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Optional können die Spulenbauteile 30 auch Kommunikationsmittel umfassen, die für eine bidirektionale Kommunikation mit dem Steuerungsbauteil 20 oder auch mit den Spulenbauteilen untereinander eingerichtet sind. Auch dies kann drahtlos und/oder drahtgebunden erfolgen. Auf diese Weise können entsprechende Steuersignale ausgetauscht werden, die neben Stärke und Dauer der erzeugten magnetischen Wechselfelder auch weitere Information umfassen können. Beispiele sind etwa die Belegung eines Spulenbauteils oder auch die Beendigung eines Ladevorgangs.
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Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladeanordnung
- 20
- Steuerungsbauteil
- 21
- Gehäuse
- 30
- Spulenbauteil
- 31
- Gehäuse
- 32
- Primärspulenanordnung
- 33
- Primärspule
- 40
- Verbindungsstrecke