CN102474120A - 用于感应传递电能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从具有至少两个相同的初级感应器(1-4)的静止单元向邻近所述单元的车辆(5)感应传递电能的装置。静止单元的初级感应器(1-4)可彼此独立得到电流供应，其中电流的提供由中央控制单元(12)分别激活或关闭。优选地，该装置具有由多个相同的初级感应器组成的规则的二维布置形式(26-32；27A-31A)，并且设计为矩形矩阵形式(26-31)。各个初级感应器配有一中央供电单元的相应输出，或者配有各自的供电单元(7-10)。优选地，车辆具有多个相同的次级感应器，其尺寸和布置形式是如此设计的，即，在车辆(5A；5B；5C)的至少一个位置，多个次级感应器与多个初级感应器同时成对的相重叠。

Description

用于感应传递电能的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于感应传递电能的装置。这种装置用于向在电动车辆上所安装的、可重复充电的电池进行感应充电。目前，这种装置通常是按照初级侧和次级侧之间以1∶1的比例来构造。因为两侧彼此是匹配的，不能直接使用完全不同的次级侧的设计来进行能量传递。至少，效率是明显降低的，并在次级线圈明显小于初级线圈时发生高得多的场泄露。

背景技术

WO2008/051611A2中公开了一种用于向车辆感应传递电能的系统，其中在固定不动的初级侧以及在车辆上的次级侧，都具有多个线圈。在初级侧和次级侧的线圈布置构造为彼此对称的。初级线圈的总的供电单元可以改变在初级线圈中所提供的电流之间的相位差，以便实现磁通量线的非对称形状。因此通量线形状应适配于次级线圈的位置，也就是说，应补偿次级线圈相对于初级线圈具有的可能的侧向移位。

发明内容

因此，本发明的目的在于，得到一种在同一充电站以不同的充电功率向车辆进行感应充电的解决方案，其特征在于很高的效率因数和最小的泄露损失。

根据本发明，此目的可以通过一种具有权利要求1所述特征的装置来实现。优选的实施形式在从属权利要求中给出。

本发明提供了至少两个相同类型的初级感应器，用于由一静止的单元向处在邻近位置的车辆感应传递电能，所述初级感应器可以彼此独立地被供电，其中各自的电流的提供可由一个中央控制单元来激活或关闭。因此，本发明的核心思想在于初级感应器的模块化，这必然意味着次级感应器的相应模块化。优选的是设计一种多个相同类型的初级感应器组成规则的二维布置形式，例如其可以具有矩形矩阵的形式。除典型的矩阵形式外，可选的是一种彼此相邻的多行形式，这些行在其纵向方向上相对于彼此具有一个行的网格间距的一半的移位，以便实现较高的包装密度。

出于对整个系统的模块化构造的考虑，各个初级感应器可具有各自的供电单元，其中所有的供电单元与一个共同的控制单元相连，该控制单元分别控制供电单元向各个初级感应器提供电流，特别是通过激活或关闭各个供电单元。此外可选的是，设计一个具有多个输出的中央供电单元，每个输出与一个单独的初级感应器相连接。在这种情况下，各个输出单独受该控制单元的控制。

对哪些初级感应器供电的判断，可以由控制单元根据对初级感应器的阻抗测量或者电压测量来得到，通过这些测量可发现在各个初级感应器的区域内是否存在次级感应器。为此，该供电单元具有一个相应的测量装置，其中使用一种纯电压测量来侦测次级感应器的位置要求次级感应器被激励。

车辆侧的次级感应器的数目可根据车辆的充电功率需求，介于充电站的单独一个初级感应器和全部数目的初级感应器之间。其中，如果具有多个次级感应器则应为如此的布置形式，即，通过对车辆进行合适的定位，多个次级感应器与初级感应器之间得以同时成对重叠。当次级感应器的布置形式至少与初级感应器的布置形式的部分区域匹配时，可以满足这一点。

本发明允许在一个为大型车辆的功率需求所设计的、对较小的不需要最大可能的充电功率的车辆不会有任何显著功率损失的充电站上，对具有不同功率需求以及在每种情况下都与此功率需求相匹配的次级侧的不同大小的电动车辆进行感应充电。本发明进一步为较小的车辆提供了多个同样最佳的充电位置，即，对于较小车辆的定位确立了特定的容差。本发明也提供了这样的可能性，即，在单个的大型车辆可用的充电站上可同时对多个较小车辆充电。

此外，根据本发明的模块化涉及较小的初级感应器和次级感应器的更多的单元数目，这在大批量生产中带来了价格优势。模块化同样对供电单元来说是具有相同意义的。本发明的另一优点在于得到冗余。因此，当初级和/或次级感应器和/或供电单元的一部分失效时，以较低的充电速率充电也是可行的，其中失效的元件是被关闭的，仅有完好的元件被使用。

附图说明

以下参照附图来阐述本发明的实施例。

图1为一个根据本发明的装置的实施形式的示意图，其中电动车辆大致处在充电位置。

图2为具有不同的次级线圈布置形式的不同尺寸电动车辆的示意图。

图3示出图2中的不同尺寸的电动车辆，其都处在根据本发明的初级线圈布置形式的充电位置中。

图4为矩阵形式的不同初级线圈布置形式的多个例子。

图5为具有移位的、长度不同的多行线圈的初级线圈布置形式。

图6为带有单个次级线圈的电动车辆在根据本发明的一种初级线圈布置形式中的不同充电位置。

图7为带有多个次级线圈的电动车辆在根据本发明的一种不同的初级线圈布置形式中的不同充电位置。

具体实施方式

图1中以俯视图示意性示出了根据本发明的、带有四个相同类型的呈方形布置的初级线圈1至4的装置的实施形式。在初级线圈1至4的布置之上，正是一辆将要充电的电动车辆5，该电动车辆仅具单个的次级线圈6。图1中，该次级线圈6的圆形底座区域绘为阴影，以便与初级线圈1至4的底座区域区分开来。所有其它图中也以此种标识为依据。次级线圈6的直径与初级线圈1至4的直径均匹配。如可以看到的，次级线圈6覆盖了初级线圈4的大部分，但未完全覆盖，同时与其它初级线圈1至3相距一定距离。总的看来，车辆5的该位置对于能量传递并不是最佳的，但在所有存在的初级线圈1至4中，初级线圈4是唯一的可最佳用于能量传递的线圈。

各个初级线圈1至4都各自与自身的供电单元7至10相连接，每个供电单元均连在电网11上，并从中引入电能和将电能提供到相关的初级线圈1至4。向初级线圈1至4中供电的工作参数(电压，电流，频率)已被优化以用于向次级线圈6进行感应传导，并且不同于电网11的工作参数。

各个供电单元7至10都与一个中央控制单元12相连，该中央控制单元的作用是，按照需求来控制通过供电单元7至10向各个初级线圈1至4的电流供给。在所示出的例子中，这意味着仅向初级线圈4供电，同时其它三个初级线圈1至3保持在非工作状态。这些功能通过作用于开关17至20的控制导线13至16来产生，借助这些开关，供电单元7至10可各自切换至与一控制电压导线21相连通。这种切换操作导致相应的供电单元7至10的激活，从而向相关的初级线圈1至4提供电流。在所示出的例子中，控制单元12仅在控制导线16上给出用于开关20的关闭信号，通过该信号供电单元10被激活以向初级线圈4供应电流。在其它的控制导线13至15上未给出关闭信号，所以开关17至19保持为打开，供电单元7至9保持为未激活。

信号导线22至25从各供电单元7至10连到控制单元12。通过该信号导线22至25，集成在供电单元7至10中的阻抗测量装置分别向控制单元12给出测量信号，所述测量信号表示各个所属的初级线圈1至4的阻抗值。当在初级线圈1至4的区域内出现次级线圈6时，这些阻抗值会受到影响，特别是当它们短路时，这在车俩抵达初级线圈布置形式的阶段很有可能发生，因为在该阶段还未发生能量传递。在图1所示出的情况中，仅初级线圈4的阻抗值由于次级线圈6的存在而发生变化。其它初级线圈1至3的阻抗值在多数情况下可仅受车辆5的车身的影响。在系统被适当设计的情况下，这样所产生的阻抗变化的程度比由次级线圈6所产生的初级线圈4的阻抗变化小得多。

控制单元12具有一个估测单元，该估测单元根据通过信号导线22至25所接收的测量信号，来观察各个初级线圈1至4的阻抗值的分布，并且通过与阈值的比较来确定次级线圈6位于初级线圈1至4中的哪一个之上。在图1所示的情况下，次级线圈6仅位于初级线圈4之上，则该初级线圈4被选为接收电流的唯一的初级线圈。如果该电动车辆5再进一步向右方移动，其次级线圈6向着初级线圈1重叠，则初级线圈1将被选定，并且通过在控制导线13上的信号使开关17关闭，从而使所属的供电单元7激活。

作为前述的带有多个非中央供电单元7至10的实施形式的替代，本发明还可借助单独一个中央供电单元来实现，该中央供电单元具有多个可被分别激活的输出(区域控制器概念或变压器)。

在前面的情况下，电动车辆5仅具有一个唯一的次级线圈6。但是，本发明的目的在于能够在一个充电站对具有不同的功率需求的各种大小的车辆进行充电。为此，如在图2中所示，这些不同大小的车辆必须具有不同数目的次级线圈。该图示出处在中间的、在右侧与一辆具有单个次级线圈6的小型车辆5相邻的是一辆具有呈正方形布置形式6A的4个次级线圈的中型车辆5A，它的左边是一辆具有呈矩形布置形式6B的八个次级线圈的大型车辆5B。该小型车辆5例如可以是一辆轿车，该中型车辆5A可以为小型货车或小型巴士，该大型车辆5B可以为载重卡车或大巴。在图2与图3中车辆5、5A和5B的行驶方向是向上的方向。

图3示出图2中的各种大小的车辆5、5A和5B位于具有八个初级线圈的矩形布置形式26之上。与在图1中所示的实施形式类似，布置形式26中的每个单独的初级线圈具有自身的供电单元，这些供电单元在图3以及后面的所有附图中将不再示出，并且所设置的中央控制单元同样也不再示出。该初级线圈布置形式26的几何形状与大型车辆5B的次级线圈布置形式6B的几何形状完全一致，即，单个线圈的大小、线圈的数量和相对于彼此的布置形式完全一致。

图3中左侧的大型车辆5B处在一个近乎最佳的充电位置，其中，次级线圈布置形式6B几乎正好覆盖初级线圈布置形式26，也就是说，各个单独的次级线圈正好位于一个初级线圈之上。在此情况下，布置形式6B的所有初级线圈都是激活的，用来对车辆5B的电池进行充电。初级线圈布置形式26和次级线圈布置形式6B是这样设计的，即，能够传递足够大数量的功率，以便对大型车辆5B的电池以适当的速率充电。对于该大型车辆5B来说，在所示出的行驶方向上仅有一个最佳充电位置，因为只有在一个位置次级线圈布置形式6B与初级线圈布置形式26完全的重叠。同样的，在相反的行驶方向上也仅有一个最佳充电位置。这些并不是问题，因为诸如大巴或载重卡车等大型车辆是由经过特殊培训的、具有相应行驶实践的驾驶员来驾驶的，可信任他们在充电站停车时能将车辆进行足够准确的定位。

在图3的中间，中型车辆5A也处在一个近乎最佳的充电位置，其中具有4个次级线圈的次级线圈布置形式6B几乎恰好覆盖初级线圈布置形式26的一半，也就是说，各个单独的次级线圈准确的位于一半的初级线圈之上。在此情况下，布置形式26的八个初级线圈中的四个，即在图3中沿行驶方向的前四个，是激活的，用于对车辆5A的电池进行充电。初级线圈布置形式26和次级线圈布置形式6A是这样设计的，即，在这种情况下能够传递足够大数量的功率，以便对中型车辆5A的电池以适当的速率充电。

如在图3中可看出的，中型车辆5A的次级线圈布置形式6A恰好对应于大型车辆5B的次级线圈布置形式6B的一半。因此对于中型车辆5A来说具有多个最佳的充电位置。例如，该中型车辆也可处在这样的位置，即，其次级线圈布置形式6B与初级线圈布置形式26的中间四个或者沿行驶方向的后四个初级线圈是准确重叠的。对于正好相反的行驶方向这同样适用。中型车辆5A甚至可以停留在相对于所示出的方向旋转±90°的行驶方向上。则将会具有在每种情况下的三个不同的最佳充电位置，在每个位置由次级线圈布置形式6B精确地覆盖初级线圈布置形式26中的四个初级线圈。在各种情况下，借助前面所提及的阻抗测量装置，可以确定初级线圈布置形式26中的哪些初级线圈由次级线圈布置形式6B中的次级线圈以适合传递能量的方式覆盖，由此可以特别地对被覆盖的初级线圈供电，并使未被覆盖的初级线圈保持非激活状态。

图3中右侧的小型车辆5也处在一个近乎最佳的充电位置，其中唯一的次级线圈6几乎精确地覆盖初级线圈布置形式26中的一个初级线圈。在此情况下，仅布置形式26的八个初级线圈中的一个线圈(即在图3中沿行驶方向位于布置形式26的右前方角落的一个线圈)是激活的，用于对车辆5的电池进行充电。初级线圈布置形式26和次级线圈6是这样设计的，即，在这种情况下能够传递足够大数量的功率，以便对小型车辆的电池以适当的速率充电。

显然可以看出，对小型车辆来说具有很多最佳的充电位置，在图3中所示的行驶方向上就有八个最佳的充电位置，因为该次级线圈6可以选择性地与初级线圈布置形式26中的各个单独的初级线圈对齐。同样地，在正好相反的行驶方向上以及转过±90°的行驶方向上也是如此。

显然，在保持通过本发明所实现的效果的条件下，图1至3中所示出的初级线圈布置形式可以在广泛的范围内变化。在图4和图5中示出这些变化中的一些例子。图4中左侧所示出的初级线圈布置形式27至31都是严格的矩形，而右侧所示出的初级线圈布置形式27A至31A是平行四边形或近似矩形形式。

最简单的可以设想的布置形式27仅具有2个初级线圈，并且仅允许根据车辆尺寸将功率传递非常粗略地分级为两个层级。正方形的布置形式28具有4个线圈，已结合图1进行阐述。布置形式29至31是基于由行和列所组成的矩阵形式的扩展形式，其中在各行之间与各列之间具有相等的间隙。

由于车身通常具有矩形的底座区域，一种有利的做法是使至少近似于矩形的线圈布置形式在待充电车辆的规定的行驶方向上与长边对齐。在极限情况下，在待充电车辆的规定的行驶方向上也可以设置唯一一行前后相继布置的线圈。通常，具有目前可获得的传递功率水平的成行的初级线圈布置形式受限于车辆的已有长度和用于次级线圈布置形式的可用空间。

图4中右侧的相应的布置形式27A至31A与左侧的布置形式有所不同，区别在于，连续的各行相对于彼此在行的纵向方向上偏移一行的半个网格间距的尺寸。尤其通过布置形式30与30A及31与31A的比较可以看出，这种偏移可以实现初级线圈的更高的包装密度，也就是说，具有给定直径的给定数目的初级线圈可以被容纳在较小的区域中。

图5中的初级线圈布置形式32也和布置形式27A至31A一样，具有偏移的连续的各行，但是总的看来不具有近似矩形的或者平行四边形的形状，而是一个六边形的形状，具有总共六条对称轴。

通过图6和7中所示的例子，可以更清楚地看到先前已经结合图3所提及的、根据本发明的初级线圈布置形式相对于具有较少次级线圈的车辆的位置容差。这里，图6源自于在图3中右侧所示的情况，即，仅具有唯一的次级线圈6的电动车辆5将在具有由八个初级线圈构成的矩形布置形式26的充电站进行充电，其中该车辆5的行驶方向规定为向上。

在最左侧所示的车辆位置中，次级线圈6与左列中沿行驶方向的最前方的初级线圈相重叠。在右边相邻的下一个车辆位置中，次级线圈6与左列中从后面数第二个初级线圈相重叠。在右边相邻的下一个车辆位置中，次级线圈6与右列中从前面数第二个初级线圈相重叠。在最右侧所示的车辆位置中，次级线圈6最终与右列中沿行驶方向的最前方的初级线圈相重叠，其中该车辆5未准确沿着规定的行驶方向，而是稍微倾斜。因此，在图6的情况下存在位置容差，该位置容差在行驶方向和横行于行驶方向的方向二者上，并且还涉及车辆相对于规定的行驶方向的倾斜位置。

使本发明起作用并不要求如图1至6中所示初级线圈与次级线圈的底座区域对齐。这种情况的一个例子是，如图7所示，一辆具有较小底座区域的次级线圈的车辆在一个具有较大底座区域的初级线圈的充电站进行充电。此处所示的车辆5C具有用阴影线标示出的次级线圈布置形式6C，该布置形式6C沿行驶方向(图7中向上)分为两行，每行具有三个依次设置的次级线圈。初级线圈布置形式33包含总共17个初级线圈，其沿着行驶方向依次分为七行，其中各行沿侧向交替地偏移一行的网格间距的一半，并且长度不同。

在图7的左侧，车辆5C处在规定的行驶方向，但是次级线圈布置方式6C中的次级线圈仅部分地与初级线圈重叠，部分地与各初级线圈之间的间隔区域恰好相重叠。在该情况下，只有至少与次级线圈大致重叠的初级线圈得到供电。这里只有初级线圈布置方式33中的中间列的前方的两个初级线圈得到供电，这两个初级线圈与中间的两个次级线圈大部分重叠，并且大致与右边两个次级线圈的至多一半重叠。在图7中被供电的初级线圈用较粗的线条标示出来。左侧的两个次级线圈大致位于初级线圈之间的间隔区域的中间。在对周围的初级线圈同相位供电的情况下，其场当然将覆盖位于这些初级线圈之间的次级线圈的区域，但是会产生很大的泄露损耗，因此对这些初级线圈供电看起来并不是有利的。

在图7的中间，车辆5C也处在规定的行驶方向，然而在这种情况下，在车辆5C的左和右纵向侧的次级线圈布置方式6C的外围的四个次级线圈分别与初级线圈布置形式33中的初级线圈相重叠，同时中间的两个次级线圈均正好处在两个初级线圈之间的位置。在这样的情况下，这四个被次级线圈重叠的初级线圈将得到供电，并且同样也用较粗的线条标示出来。

在图7的右侧，车辆5C显然处在与规定的行驶方向相倾斜的角度。尽管如此，在这种情况下，六个次级线圈中的五个均与一个初级线圈相重叠，从而五个初级线圈都得到供电，车辆5C的电池可以以较高的速率被充电。仅次级线圈布置方式6C的左前方角落中的次级线圈恰好处在两个初级线圈之间，因此不能通过初级线圈布置方式33暴露于强的交替磁场。

当一车辆驶入根据本发明的充电站通过初级线圈布置形式进行充电时，除了前面已述的阻抗测量以外，还可以通过其它的传感器(其例如是基于雷达、超声波、红外线、光电管)以及通过正在靠近的车辆和该充电站的控制单元之间的无线通讯来支持该车辆用于充电过程的定位。特别地，这里可以依据次级感应器的数目和布置形式来识别该车辆的种类，这样可以给出对于充电操作的一个或者多个最佳位置，在这些位置，应借助阻抗测量以及可能的其它的传感器来操控该车辆。

此处还可想到，次级线圈在车辆的到达阶段从车辆的电池得到供电，以产生它自身的磁场，从而方便充电站来探测它们的位置。但是，车辆操控的细节不属于本发明的内容。

应理解的是，用高充电速率对大型车辆的电池的充电需要提供较高的总功率。对于较小的车辆，这种高功率可实现相对较快的电池充电。通过这种方式，车辆在根据本发明的充电站的较短的停留时间可通过较高的充电功率来补偿。

例如在住宅区内，用于轿车的多数车库仅具有单相的电网接口(230V/10A)，使用该接口可实现约为2kW的充电功率。因此，在这样的车库中可安装单独一个初级线圈，该初级线圈通过根据此功率设计的供电单元进行供电。在夜晚，车辆可以用这种功率在较长的时间内进行充电。白天则可以例如在公司的停车场对同一车辆进行充电，在公司的停车场，可提供易于用作充电站的具有约6kW传递功率的三相接口(400V/16A)。在这种情况下，有利的是车辆具有两个或者更多个次级线圈，当在家时在车库内充电时仅使用其中一个次级线圈，而当在公司的停车场进行短时充电时，可使用两个或者更多个次级线圈。

以这种概念为基础，也可运行快速充电的电“加油站”。当车辆具有多个次级线圈时，在家里或者在日常运行期间通常仅使用单独一个次级线圈。但是，当需要尽量快地传递大量的能量时，可使用多个次级线圈。

当本文提及初级线圈和次级线圈时，通常指的是耦合感应器，其并不必须是传统类型的线圈。例如，其底座区域也可以不是在实施形式中所给出的圆形，绕线也不必须是螺旋形的，而可以为平面的。感应器的形式的具体设计由本领域技术人员确定。

Claims (14)

1.一种装置，所述装置用于将电能从静止的单元感应传递到邻近的车辆(5)，所述静止的单元具有至少两个相同类型的初级感应器(1-4)，其特征在于，

所述初级感应器(1-4)能够彼此独立地被供电，其中，对所述初级感应器(1-4)的供电能够由中央控制单元(12)单独地激活或关闭。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

该静止的单元具有由多个相同类型的初级感应器组成的规则的二维布置形式(26-32；27A-31A)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

初级感应器布置成矩形矩阵的形式(26-31)。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

初级感应器的布置形式(27A-31A；32)是一种多行的形式，各行具有相同的行内网格间距和相同的行间距，并且彼此相邻的行之间沿着纵向方向具有行的网格间距的一半的移位。

5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，

每个初级感应器(1-4)配有一中央供电单元的相应输出，或者配有自身的供电单元(7-10)，并且该中央供电单元或各个供电单元(7-10)与中央控制单元(12)相连，该中央控制单元分别控制对各个初级感应器(1-4)的电流的提供。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述中央供电单元的各个输出或者各个供电单元(7-10)能够分别由该控制单元(12)来激活或关闭。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，

所述中央供电单元具有测量装置，或者所述各个供电单元(7-10)分别具有测量装置，通过该测量装置可对各个初级感应器(1-4)测量阻抗或者感应电压。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

该控制单元(12)具有估测装置，以用于确定所测得的各初级感应器(1-4)的阻抗值或者电压值在静止单元内的分布，该估测单元(12)根据所确定的阻抗值或者电压值的分布来控制对初级感应器(1-4)的供电。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

该控制单元(12)仅在以下情况下激活对初级感应器(1-4)的供电，即，当由测量装置测得的阻抗值与参考值的偏差超过设定的最小值时，或者当由测量装置测得的电压值高于设定的阈值时。

10.根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，

车辆(5；5A；5B；5C)具有至少一个次级感应器，所述次级感应器的尺寸是如此设计的，即，在车辆(5；5A；5B；5C)的至少一个位置，车辆(5A；5B；5C)的至少一个次级感应器与静止单元的至少一个初级感应器相重叠。

11.根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，

车辆(5A；5B；5C)具有多个相同类型的次级感应器，这些次级感应器的尺寸和布置方式是如此设计的，即，在车辆(5A；5B；5C)的至少一个位置，车辆(5A；5B；5C)的多个次级感应器与静止单元的多个初级感应器同时成对的相重叠。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，

次级感应器具有与初级感应器至少大致相同的底座区域。

13.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，

次级感应器具有比初级感应器更小的底座区域。

14.根据权利要求10至12之一所述的装置，其特征在于，

次级感应器的布置形式(6A；6B)与初级感应器的布置形式(26)的至少一部分相匹配。

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