DE102017216794A1

DE102017216794A1 - Method and system for energy transmission

Info

Publication number: DE102017216794A1
Application number: DE102017216794.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Rosta; Christian Rathge; Thomas Trettin
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieübertragung sowie ein Energieübertragungssystem, insbesondere ein Verfahren und ein System für die Übertragung von Energie und Daten unter extremen Umweltbedingungen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur parallelen Übertragung von elektrischer Energie und von Daten zeichnet sich dadurch aus, dass elektrische Energie von einem Energiesender auf einen Energieempfänger und Daten von einem Datensender auf einen Datenempfänger übertragen werden, wobei der Energiesender mittels eines Oszillators ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und wobei die Energieübertragung über Gegeninduktion zwischen einer Energiesenderspule und einer Energieempfängerspule erfolgt. Parallel zu der Energieübertragung werden Daten zwischen einem Datensender und einem Datenempfänger übertragen. Die Energieübertragung, als auch die Datenübertragung erfolgen draht- oder kontaktlos.The invention relates to a method for energy transmission and a power transmission system, in particular a method and a system for the transmission of energy and data under extreme environmental conditions. The inventive method for the parallel transmission of electrical energy and data is characterized in that electrical energy is transmitted from an energy transmitter to a power receiver and data from a data transmitter to a data receiver, wherein the energy transmitter generates an alternating magnetic field by means of an oscillator and wherein the Energy transfer occurs via mutual induction between an energy source coil and an energy receiver coil. Parallel to the energy transfer, data is transferred between a data transmitter and a data receiver. The energy transfer, as well as the data transmission is wireless or contactless.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieübertragung sowie ein Energieübertragungssystem, insbesondere ein Verfahren und ein System für die Übertragung von Energie und Daten unter extremen Umweltbedingungen.The invention relates to a method for energy transmission and a power transmission system, in particular a method and a system for the transmission of energy and data under extreme environmental conditions.

Unter extremen Umweltbedingungen werden hier Bedingungen verstanden, wie sie beispielsweise in der Tiefsee oder im Weltraum beziehungsweise anderen Planeten oder Monden herrschen. Zur Erforschung oder Arbeiten in der Tiefsee oder im Weltraum beziehungsweise anderen Planeten und Monden werden üblicherweise Roboter, also z.B. unbemannte automatische und z.B. ferngesteuerte Vorrichtungen, eingesetzt. Beispielsweise werden Wartungsroboter für Windparks oder Bohrplattformen eingesetzt. Die eingesetzten Vorrichtungen benötigen zum Betrieb Energie, wie beispielsweise elektrische Energie, wobei die Energieübertragung über eine feste Verbindung wie beispielsweise ein Kabel unter diesen Umweltbedingungen nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten möglich ist. Ein Kabel müßte mit dem Roboter gekoppelt werden, wozu dieser eine entsprechend Schnittstelle aufweisen müßte. Diese Schnittstelle müßte gegen die entsprechenden Umweltbedingungen abgedichtet sein. Darüber hinaus müßte das Kabel an- und abgesteckt werden, was unter den entsprechenden Umweltbedingungen nicht immer durch Menschenhand möglich ist. Es ist bekannt, Energie kabellos mittels induktiver Kopplung zu übertragen. Dabei wird auf der Energie abgebenden Seite mittels eines Oszillators ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Übertragung erfolgt mittels der Gegeninduktion zwischen zwei Spulen, wovon sich eine im Sender und die andere im Empfänger befindet. In der Empfangsspule wird durch den Wechselstrom in der Sendespule eine Wechselspannung induziert, diese wird gleichgerichtet und als Gleichspannung dem Verbraucher wie einem Laderegler zugeführt. Der Abstand zwischen den beiden Spulen stellt die drahtlose Übertragungsstrecke dar und kann bis zu einigen 10 cm betragen. Bei größerem Abstand der beiden Spulen nimmt der Streufluss stark zu, womit die induktive Kopplung sinkt und der Wirkungsgrad sich verschlechtert. Daher ist es bei den bekannten Systemen wichtig, Sender und Empfänger genau zueinander zu positionieren, was bei den beschriebenen extremen Umweltbedingungen schwierig oder sogar unmöglich sein kann, womit zumindest die benötigte Ladezeit für die Energieübertragung beispielsweise zum Aufladen einer Batterie eines Roboters stark zunimmt.Under extreme environmental conditions here conditions are understood, as they prevail, for example, in the deep sea or in space or other planets or moons. For research or work in the deep sea or in space or other planets and moons, robots, e.g. unmanned automatic and e.g. remote-controlled devices used. For example, maintenance robots are used for wind farms or drilling platforms. The devices used need to operate energy such as electrical energy, the energy transfer over a fixed connection such as a cable under these environmental conditions is not possible or only with great difficulty. A cable would have to be coupled to the robot, for which it would have to have a corresponding interface. This interface would have to be sealed against the appropriate environmental conditions. In addition, the cable would have to be switched on and unplugged, which is not always possible under the appropriate environmental conditions by human hands. It is known to transmit energy wirelessly by means of inductive coupling. In this case, an alternating magnetic field is generated on the energy-emitting side by means of an oscillator. The transmission takes place by means of the mutual induction between two coils, one of which is in the transmitter and the other in the receiver. In the receiving coil, an alternating voltage is induced by the alternating current in the transmitting coil, this is rectified and fed as a DC voltage to the consumer as a charge controller. The distance between the two coils represents the wireless transmission link and can be up to some 10 cm. With a larger distance between the two coils, the leakage flux increases sharply, whereby the inductive coupling decreases and the efficiency deteriorates. Therefore, it is important in the known systems to position transmitters and receivers exactly to each other, which may be difficult or even impossible under the described extreme environmental conditions, thus greatly increasing at least the required charging time for energy transfer, for example for charging a battery of a robot.

Weiterhin ist es möglich, dass ein Roboter Daten gesammelt hat, die an eine Auswertestation übertragen werden müssen. Bekannte Funkübertragungsverfahren sind aber unter den genannten Umweltbedingungen nicht in jedem Fall möglich.Furthermore, it is possible that a robot has collected data that must be transmitted to an evaluation station. However, known radio transmission methods are not always possible under the environmental conditions mentioned.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zur Energieübertragung und parallelem Datenaustausch zwischen einem Sender und einem Empfänger anzugeben, das unter den beschriebenen extremen Umweltbedingungen sicher funktioniert.The object of the invention is to provide a method and a system for energy transmission and parallel data exchange between a transmitter and a receiver, which works safely under the described extreme environmental conditions.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus Ansprüchen 2 und 3. Die Aufgabe wird ferner durch ein System nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen 5 bis 7.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of independent claim 1. Advantageous developments of the method emerge from claims 2 and 3 , The object is further achieved by a system according to claim 4. Advantageous embodiments of the system will become apparent from the dependent claims 5 to 7 ,

Das erfindungsgemäße Verfahren zur gekoppelten Übertragung von elektrischer Energie und von Daten zeichnet sich dadurch aus, dass elektrische Energie von einem Energiesender auf einen Energieempfänger und Daten von einem Datensender auf einen Datenempfänger übertragen werden, wobei mittels eines Oszillators ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und dadurch die Energieübertragung über Gegeninduktion zwischen einer Energiesenderspule und einer Energieempfängerspule erfolgt. Gekoppelt zu der Energieübertragung werden Daten zwischen einem Datensender und einem Datenempfänger übertragen. Die Energieübertragung, als auch die Datenübertragung erfolgen draht- oder kontaktlos. Dadurch müssen keine Kabel oder Stecker zur Energie- oder Datenübertragung in Schnittstellen eingeführt oder mit Schnittstellen verbunden werden. Ein menschlicher Eingriff ist insofern weder für die Energie-, noch für die Datenübertragung erforderlich, so dass das Verfahren auch unter extremen Umweltbedingungen, wie sie beispielsweise in der Tiefsee oder im Weltraum beziehungsweise auf anderen Planeten oder Monden herrschen, durchführbar ist. Über die Spulen können 200 W und gleichzeitig 10 Mbit/s übertragen werden. Durch die Möglichkeit der parallelen Energie- und Datenübertragung wird die erforderliche Übertragungszeit minimiert.The inventive method for coupled transmission of electrical energy and data is characterized in that electrical energy from an energy transmitter to an energy receiver and data from a data transmitter are transmitted to a data receiver, wherein an alternating magnetic field is generated by means of an oscillator and thereby the energy transfer via mutual induction between an energy source coil and an energy receiver coil. Coupled to the energy transfer, data is transferred between a data transmitter and a data receiver. The energy transfer, as well as the data transmission is wireless or contactless. As a result, no cable or plug for power or data transmission must be introduced into interfaces or connected to interfaces. In this respect, human intervention is neither required for energy nor for data transmission, so that the process can also be carried out under extreme environmental conditions, such as, for example, in the deep sea or in outer space or on other planets or moons. 200 W and 10 Mbit / s can be transmitted via the coils. The possibility of parallel energy and data transmission minimizes the required transmission time.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Daten mit Hilfe einer spezielle Anordnung elektronischer Bauelemente übertragen. Der Strom der Daten liegt dabei als Bitfolge in Form von Rechtecksignalen vor. Auf der Seite des Datensenders werden die Rechtecksignale zerlegt, wobei steigende und sinkende Signalflanken entstehen und wobei die steigenden Signalflanken übertragen werden. Dabei entstehen sogenannte Nadelimpulse. Auf der Seite des Datenempfängers ist eine analoge Anordnung von elektronischen Bauteilen vorgesehen, mit deren Hilfe die Bitfolge des Datenstroms wieder zusammengesetzt wird, wodurch der Datenstrom wieder als Bitfolge in Form von Rechtecksignalen erstellt wird.In an advantageous embodiment of the method, the data is transmitted by means of a special arrangement of electronic components. The stream of data is present as a bit sequence in the form of square wave signals. On the side of the data transmitter, the square-wave signals are decomposed, with rising and falling signal edges and with the rising signal edges being transmitted. This creates so-called needle pulses. On the side of the data receiver, an analog arrangement of electronic components is provided, by means of which the bit sequence of the data stream is reassembled, whereby the data stream is again created as a bit sequence in the form of square wave signals.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist die Funktion von Datensender und Datenempfänger umschaltbar. Dadurch ist die bidirektionale Datenübertragung möglich. In an advantageous embodiment of the method, the function of data transmitter and data receiver is switchable. This allows bidirectional data transmission.

Das erfindungsgemäße System zur gekoppelten Übertragung von elektrischer Energie und von Daten ist dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Energiesender, einen Energieempfänger, einen Datensender und einen Datenempfänger aufweist und der Energiesender und der Energieempfänger jeweils eine Spule aufweist. Der Energiesender weist weiterhin einen Oszillator auf. Darüber hinaus weist das System einen Datensender und einen Datenempfänger mit jeweils einer weiteren Spule auf. Energie und Daten können dadurch parallel draht- oder kontaktlos übertragen werden. Keine Kabel oder Stecker zur Energie- oder Datenübertragung in Schnittstellen eingeführt oder mit Schnittstellen verbunden werden. Ein menschlicher Eingriff ist insofern weder für die Energie-, noch für die Datenübertragung erforderlich.The inventive system for the coupled transmission of electrical energy and data is characterized in that the system comprises an energy transmitter, a power receiver, a data transmitter and a data receiver and the energy transmitter and the energy receiver each having a coil. The energy transmitter also has an oscillator. In addition, the system has a data transmitter and a data receiver, each with a further coil. Energy and data can be transmitted in parallel via wire or contactless. No cables or plugs for energy or data transmission are introduced into interfaces or connected to interfaces. A human intervention is therefore not required for the energy or the data transmission.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems ist die Spule des Energieempfängers dazu eingerichtet, verschiedene Spannungslevel zu unterstützen. Beispielsweise ist die Spule des Energieempfängers dazu eingerichtet, Spannungen von 5 V, 12 V und 24 V zu unterstützen. Damit ist das System universell für die meisten Anwendungen einsetzbar.In an advantageous development of the system, the coil of the energy receiver is set up to support different voltage levels. For example, the coil of the energy receiver is configured to support voltages of 5V, 12V and 24V. This makes the system universally applicable for most applications.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Daten- und Energiesender einen zum Daten- beziehungsweise Energieempfänger spiegelverkehrten Aufbau auf. Dadurch können die Funktion von Datensender und Datenempfänger einfach umgedreht werden, so dass beispielsweise eine serielle bidirektionale Datenübertragung möglich ist. Somit kann das System für unterschiedliche Anwendungen, wie beispielsweise zum Laden als auch zum Entladen einer Batterie, als auch zur bidirektionalen Datenübertragung verwendet werden.In a further advantageous embodiment, the data and energy transmitter to a data or energy receiver mirrored construction. As a result, the function of data transmitter and data receiver can be easily reversed, so that, for example, a serial bidirectional data transmission is possible. Thus, the system can be used for various applications, such as charging and discharging a battery, as well as bidirectional data transmission.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Energiesender und Datensender in einem gekapselten Gehäuse angeordnet sind, während Energieempfänger und Datenempfänger in einem weiteren gekapselten Gehäuse angeordnet sind. Energiesender und Datensender einerseits und Energieempfänger und Datenempfänger andererseits bilden dadurch jeweils eine Einheit. Bei der zur Übertragung notwendigen Positionierung von Sender und Empfänger gegeneinander ist keine getrennte Positionierung für die Energie- bzw. Datenübertragung erforderlich. Weiterhin ist durch die gemeinsame Anordnung von Energiesender und Datensender bzw. Energieempfänger und Datenempfänger eine Miniaturisierung des Systems gegeben. Durch die Kapselung der Sender- bzw. Empfängereinheit ist das System bei den unterschiedlichen Umweltbedingungen, insbesondere auch bei extremen Umweltbedingungen, wie sie in der Tiefsee oder im Weltraum bzw. auf anderen Planeten oder Monden herrschen, einsetzbar. Das System kann unabhängig von einem Trägersystem verwendet werden. So kann das System beispielsweise an verschiedenen von sich selbst unabhängigen Elementen angebracht werden. Der Sender kann beispielsweise an einer Landefähre und der Empfänger an einem Rover angebracht werden.Furthermore, it has proven to be advantageous if energy transmitter and data transmitter are arranged in a sealed housing, while energy receiver and data receiver are arranged in a further encapsulated housing. Energy transmitters and data transmitters on the one hand and energy receivers and data receivers on the other hand thereby each form a unit. The positioning of transmitter and receiver relative to each other required for transmission does not require separate positioning for energy or data transmission. Furthermore, a miniaturization of the system is given by the joint arrangement of energy transmitter and data transmitter or energy receiver and data receiver. By encapsulating the transmitter or receiver unit, the system is in the different environmental conditions, especially in extreme environmental conditions, such as prevail in the deep sea or in space or on other planets or moons used. The system can be used independently of a carrier system. For example, the system can be attached to various elements that are independent of each other. For example, the transmitter may be attached to a lander and the receiver to a rover.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further advantages, features and expedient developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description of preferred embodiments with reference to the drawings.

Von den Abbildungen zeigt:

1 Systemschaubild

From the pictures shows:

1 System diagram

1 zeigt auf seiner linken Seite ein Systemschaubild für die Energieübertragung von einer Energiequelle 22 und einem Energiespeicher 21 als Energiesender zu einem zur Landung auf einem Planeten oder Mond geeigneten Flugkörper (Lander) 10 als Energieempfänger, dargestellt mit durchgezogenen Pfeilen. Der Flugkörper 10 fungiert auf der anderen Seite, d.h. der rechten Seite der 1, auch als Energiesender, indem er Energie zu einem Verbraucher 31 und einem für die Erkundung eines Himmelskörper geeigneten Landefahrzeug (Rover) 32 als Energieempfänger überträgt, ebenfalls mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt. Der Energiespeicher 21 kann aber auch Energie von dem Lander 10 erhalten, d.h. der Energiespeicher 21 kann auch als Energieempfänger und der Lander 10 als Energiesender benutzt werden. Der Energiespeicher 21 und die Energiequelle 22 weisen jeweils eine Spule 26, 27 auf. Auf der anderen Seite weist der Lander entsprechende Spulen 11, 12 auf. Auf Seiten des Energiesenders wird über einen Oszillator ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Energieübertragung erfolgt mittels der Gegeninduktion zwischen den zwei Spulen 26, 27, 11, 12, 13, 14, 16, 37 auf Energiesender- und Energieempfängerseite. In der Empfangsspule 11, 12, 26, 36, 37 wird durch den Wechselstrom in der Sendespule 26, 27, 11, 13, 14 eine Wechselspannung induziert, diese wird gleichgerichtet und als Gleichspannung dem Empfänger 10, 21, 31, 32 zugeführt. 1 shows on its left side a system diagram for the energy transfer from an energy source 22 and an energy store 21 as an energy transmitter to a missile suitable for landing on a planet or moon (Lander) 10 as an energy receiver, shown with solid arrows. The missile 10 acts on the other side, ie the right side of the 1 Also, as an energy sender, by turning energy into a consumer 31 and a rover suitable for exploring a celestial body 32 as an energy receiver transmits, also shown by solid arrows. The energy storage 21 But it can also be energy from the lander 10 received, ie the energy storage 21 can also act as energy receiver and the lander 10 be used as energy transmitter. The energy storage 21 and the energy source 22 each have a coil 26 . 27 on. On the other side, the lander has corresponding coils 11 . 12 on. On the side of the energy transmitter, an alternating magnetic field is generated by an oscillator. The energy transfer takes place by means of the mutual induction between the two coils 26 . 27 . 11 . 12 . 13 . 14 . 16 . 37 on energy transmitter and energy receiver side. In the receiver coil 11 . 12 . 26 . 36 . 37 is due to the alternating current in the transmitting coil 26 . 27 . 11 . 13 . 14 an alternating voltage is induced, this is rectified and as DC voltage to the receiver 10 . 21 . 31 . 32 fed.

Auch der Verbraucher 31 und der Rover 32 weisen jeweils eine Spule 36, 37 auf, wobei der Lander 10 die jeweilige Gegenspule 13, 14 aufweist. Die Energieübertragung zwischen Lander 10 und Verbraucher 31 bzw. Rover 32 geschieht über dieselben Mechanismen wie die beschriebene Energieübertragung zwischen Energiequelle 22 bzw. Energiespeicher 21 und Lander 10 und ist auch hier mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt. Im Lander 10 sind die Spulen 11, 12 zum Energieempfang, in 1 auf der linken Seite des Landers 10 dargestellt, und die Spulen 13, 14 zum Energieversand, in 1 auf der rechten Seite des Landers 10 dargestellt, galvanisch voneinander getrennt. Dadurch sind die Potenziale der jeweiligen Stromkreise voneinander getrennt und die Stromkreise untereinander potenzialfrei.Also the consumer 31 and the rover 32 each have a coil 36 . 37 on, being the lander 10 the respective counter coil 13 . 14 having. The energy transfer between lander 10 and consumers 31 or rover 32 happens via the same mechanisms as the described energy transfer between energy source 22 or energy storage 21 and lander 10 and is also shown here with solid arrows. In the lander 10 are the coils 11 . 12 to receive energy, in 1 on the left side of the lander 10 shown, and the coils 13 . 14 to energy, in 1 on the right side of the lander 10 represented, galvanically separated. As a result, the potentials of the respective circuits are separated from each other and the circuits are potential-free.

Gekoppelt zu der Energieübertragung werden Daten zwischen einem Datensender und einem Datenempfänger mittels Induktion übertragen, dargestellt mit gestrichelten Pfeilen. Dabei werden die Daten zwischen dem Energiespeicher 21 und dem Lander 10 in beide Richtungen übertragen. Ebenfalls werden Daten in beide Richtungen zwischen Lander 10 und Verbraucher 31 in beide Richtungen übertragen.Coupled to the energy transfer, data is transferred between a data transmitter and a data receiver by induction, shown with dashed arrows. The data between the energy storage 21 and the lander 10 transmitted in both directions. Also, data will be in both directions between lander 10 and consumers 31 transmitted in both directions.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown herein are only examples of the present invention and therefore should not be considered as limiting. Alternative embodiments contemplated by one skilled in the art are equally within the scope of the present invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: LanderCountries
1111: SpuleKitchen sink
1212: SpuleKitchen sink
1313: SpuleKitchen sink
1414: SpuleKitchen sink
2121: Energiespeicherenergy storage
2222: Energiequelleenergy
2626: Spule im EnergiespeicherCoil in the energy storage
2727: Spule in der EnergiequelleCoil in the power source
3131: Verbraucherconsumer
3232: Roverrover
3636: Spule im VerbraucherCoil in the consumer
3737: Spule im RoverCoil in the rover

Claims

A method for the coupled transmission of electrical energy and data, wherein electrical energy from an energy transmitter (10, 21; 22) on a power receiver (10, 31, 32) and data from a data transmitter are transmitted to a data receiver, wherein by means of an oscillator magnetic alternating field is generated, wherein the energy transfer via mutual induction between an energy transmitter coil (11, 13, 14, 26, 27) and a power receiver coil (11, 12, 36, 37), characterized in that via a second pair of coils in parallel to the energy transfer Data is transmitted between a data transmitter and a data receiver.

Method according to Claim 1 , characterized in that the data are present as a data stream in the form of rectangular signals and are decomposed in the data transmitter, wherein rising and falling signal edges are generated and wherein the rising signal edges are transmitted, and wherein in the data receiver, the bit stream of the data stream is reassembled.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the data transmitter and the data receiver for reversing the function is switchable.

A system for the parallel transmission of electrical energy and data, the system comprising an energy transmitter (10, 21; 22), a power receiver (10, 31, 32), a data transmitter and a data receiver, and the energy transmitter (10, 21; 22) , and the energy receiver (10, 31, 32) each having a coil (11, 12, 13, 14, 16, 27, 36, 37), the energy transmitter further comprising an oscillator, characterized in that the system further comprises a data transmitter and a Data receiver, each having a further coil.

System according to Claim 4 , characterized in that the coil (11, 12, 16, 36, 37) of the energy receiver is adapted to support different voltage levels.

System according to one of Claims 4 or 5 , characterized in that the data transmitter has a mirror image to the data receiver structure.

System according to one of Claims 4 to 6 characterized in that energy transmitters (10, 21, 22) and data transmitters are disposed in a sealed housing, while energy receivers (10, 31, 32) and data receivers are disposed in a further enclosed housing.