CN104079078A - 用于无线感应地将能量传输给接收器的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无线感应地将能量传输给接收器、特别是电运行的车辆的能量存储器的设备（100），该设备包括至少一个变压器线圈以及补偿电容器阵列。补偿电容器阵列在设备（100）运行时利用谐振频率补偿穿过变压器线圈的感应的电压降。补偿电容器阵列包括多个电容器（11；11a，11b），其至少部分地在至少一个电路板（10；10a，11b）上以至少一个线匝（20）的形式地布置以及电串联地彼此连接以形成变压器线圈。

Description

用于无线感应地将能量传输给接收器的设备

技术领域

本发明涉及一种用于无线感应地将能量传输给接收器、特别是电运行的车辆的能量存储器的设备。该设备包括至少一个变压器线圈以及补偿电容器阵列，其中补偿电容器阵列在设备运行时利用谐振频率补偿穿过变压器线圈的感应的电压降。 

背景技术

用于无线感应地传输能量的设备描述了能量传输器的初级侧。接收器描述了能量传输器的次级侧。在初级侧和次级侧上的变压器线圈之间形成的传输路径具有气隙，其长度影响在初级侧和次级侧上的漏电感的大小。 

在下文中，本发明根据能量传输器描述电动车辆的感应式的供电。然而这不视为局限性的。用于无线感应地传输能量的设备也可以使用在其他应用中，特别是在这样的、即其中高的功率被传输的应用中。 

如果设备用于为电运行的车辆的能量存储器充电，那么气隙可以是10cm。这得出的结果是，设备的变压器线圈（即初级侧）优选地集成在停车场的地面中，而车辆的次级侧的变压器线圈例如布置在底板侧的车体构件中。如果车辆驶入停车场上的预定的位置中，那么初级侧和次级侧的变压器线圈重叠地布置，以使得能实现磁耦合。 

初级侧的和次级侧的漏电感的大小在这种情况下是等于或甚至大于能量传输器的主电感。在电流流动时经过初级侧的漏电感产生了相应大小的感应的电压降，这导致了，相应的电压在次级侧上的待供电的耗电器上缺失。车辆的能量存储器的电量由此与高的损耗相关联。这个效应可以经过初级侧的电压源的更高的输入电压或经过在能量传输器的初级侧中的所谓的补偿电容装置来补偿。补偿电感装置补偿在谐振频率时的感应的电压降。 

补偿电容装置在实践中由于必需的大小是不可能通过单个的电容器实现的，该大小不能以可接受的成本来提供。因此补偿电容装置经由所谓的电容器组来实现，其中单独的电容器与初级侧的变压器线圈的绕组并联连接和/或与其串联连接。各个电容器在共同的电路板上以期望的连接组合起来并且与变压器线圈的线圈端部连接。这些组件除了初级侧的变压器线圈以外还需要大的空间以及具有大的重量。此外在电容器组上电压明显地下降，由此电容器组强烈地发热并且产生相应的损耗。 

发明内容

本发明的目的在于，说明一种用于无线感应地将能量传输给接收器的设备，其结构上和/或功能上被改进。特别是本发明的目的在于，说明一种用于无线感应地将能量传输给电运行的车辆的能量存储器的结构上和/或功能上改进的设备。 

该目的通过根据权利要求1的特征的设备来实现。有利的设计方案由从属的权利要求中得出。 

本发明提出了一种用于无线感应地将能量传输给接收器、特别是电运行的车辆的能量存储器的设备，该设备包括至少一个变压器线圈以及补偿电容器阵列。补偿电容器阵列在设备运行时利用谐振频率补偿穿过变压器线圈的感应的电压降。补偿电容器阵列包括多个电容器，多个电容器至少 部分地在至少一个电路板上以至少一个线匝的形式地布置以及电串联地彼此连接以形成变压器线圈。 

所提出的设备具有以下的优点，即不必给出寄生漏电感 和补偿电容的分离。因为补偿电容器阵列的电容器已经是变压器线圈的一个线匝（多个线匝）的部分，所以给出了变压器线圈的端部的明显更小的电压负荷。由此线圈端部的绝缘以更简单以及成本更低的方式地实现。其他的优点在于，补偿电容器阵列目前不再必须设定作为除了变压器线圈之外的单独的电容器组，由此该设备与传统的设备相比较构造得更小。 

根据一种设计方案，如果补偿电容器阵列的全部电容器在电路板上以至少一个线匝的形式地布置，那么就可以完全取消在现有技术中所需要的电容器组。由此该设备可以特别节省空间地被提供。 

如果仅仅是补偿电容装置的电容器的全部数量的一部分在电路板上以至少一个线匝的形式布置，那么其余的数量的电容器作为电容器组来实现。与现有技术相比这样的电容器组明显更小地被实施，因为仅仅有补偿电容装置的部分数量的电容器设定在电容器组中。与由现有技术已知的设备相比较，在更小的电容器组上电压下降得更小，从而得出更小的损耗。穿过更小的电容器组的更小的电压降由此而得出，即补偿电容装置的部分数量的电容器已经在电路板上以至少一个线匝的形式布置并且进而电压的一部分经过这些电容器下降。 

变压器线圈的相应的线匝可以由导体拉力部段（Leiterzugabschnitte）形成，其分别电连接两个相邻的电容器。与现有技术相比现在不再需要的是，一个（多个）线匝在应用绝缘的绞合线的情况下产生，该绞合线必须手动地例如接入电路板的螺旋形的槽中。由此该设备在重新采用机器的制造方法的情况下以更简单以及成本更低的方式来提供。 

至少一个线匝在俯视图中按部段地可以构造为圆形的、椭圆形的或角形的。通常只要确保能量感应地传输给接收器，那么线匝可以具有任意的形状。如果变压器线圈包括多个线匝，那么线匝的距离由电容器所需要的空间需求来确定尺寸。 

变压器线圈的端部在电路板上重叠地布置以形成与变压器线圈并联的电容器，经过电容器能补偿磁化电流。通过变压器线圈的端部在电路板上重叠的布置形成了寄生的电容器，其由于其余变压器线圈的一个线匝或多个线匝并联连接在设备运行时至少部分地补偿磁化电流。电特性可以由重叠的面积和/或电路板的厚度来调节。可选地另一个分立的电容器可以与变压器线圈的线圈端部连接。然而与传统的设备相比这个分立的电容器可以被构造得明显更小，由此能提供具有较小的容积的该设备。 

补偿电容装置的电容器可以是SMD元器件。由此电容器能经过通过钎焊过程（例如波峰焊）与导体拉力部段电连接，该电容器在至少一个电路板上以至少一个线匝的形式布置。由此的结果是简单的以及成本低廉的机器的制造。 

在一个设计方案中多个线匝布置在电路板上的一个平面中。在这个设计方案中该设备提供有最小化的结构高度。结构高度基本上由电路板的厚度和电容器的高度来确定。 

在一个可替换的或附加的设计方案中，多个线匝可以布置在多个电路板上的多个平面中。在这个设计方案中多个线匝可以选择性地选择在每个电路板上。这意味着，在多个电路板的每一个上可以形成相同数量的线匝。在多个电路板上的线匝的数量也可以是不同的。 

为了增强接收器的变压器线圈的磁耦合，所提出的设备的变压器线圈可以包括一个铁芯。该铁芯例如可以由铁氧体形成。 

该铁芯可以布置在至少一个电路板的开口中。然后该铁芯由电路板的变压器线圈的这个线匝或这些线匝围绕。该铁芯可以可替换地作为板或薄膜布置在至少一个电路板的背侧上。在这种情况下在至少一个电路板中预设开口不是必需的。 

附图说明

以下详细地根据在附图中的实施例阐述本发明。附图示出： 

图1是感应的传输路径的已知的电等效电路，该传输路径具有漏电感的串联补偿， 

图2是根据本发明的设备的示意图，其中变压器线圈例如有唯一的线匝形成，该线匝被构造在电路板上， 

图3是根据本发明的设备的侧视图，其包括唯一的用于形成变压器线圈的电路板，以及 

图4是根据本发明的设备的可替换的实施例的侧视图，其中设有多个重叠布置的电路板以形成变压器线圈。 

具体实施方式

图1示出了感应的传输路径的已知的电等效电路，该传输路径具有同样已知的漏电感的串联补偿。该传输路径由初级侧的变压器线圈和次级侧的变压器线圈构成。初级侧在图1中以“1”表示，次级侧以“2”来表示。初级侧1示出了用于无线感应地将能量传输给接收器的设备。 

初级侧1包括能量源3，其经过补偿电容装置连接在初级侧的变压器线圈上。在图1中补偿电容装置由电容Cr1表示，并且初级侧的变压器线 圈由初级侧的漏电感Ls1以及主电感Lh来表示。在图1示出的电等效电路中，漏电感Ls1、主电感Lh和电容Cr1彼此串联连接。 

次级侧2包括耗电装置4，例如电运行车辆的能量存储器，其经过补偿电容装置连接在次级侧的变压器线圈上。在图1中补偿电容装置由电容Cr2表示，以及次级侧的变压器线圈由次级侧的漏电感Ls2以及主电感Lh表示。在图1中示出的电等效电路中，漏电感Ls2、主电感Lh和电容Cr2彼此串联连接。 

在初级侧1和次级侧2上的变压器线圈之间构成的传输路径具有气隙，该气隙影响在初级侧1和次级侧2上的漏电感Ls1，Ls2的大小。此外例如由此得出，借助于无线的、感应的能量传输电动车辆的能量存储器可以被充电。在这种情况下，如前面已经描述的那样，在初级侧的变压器线圈和次级侧的变压器线圈之间的气隙可以是10cm或大于该数值。这得出的结果是，初级侧1的变压器线圈优选地集成在停车场的地面中，而车辆的次级侧2的变压器线圈例如布置在底板侧的车体构件中。如果车辆行驶到在停车场上的预定的位置中，那么初级侧和次级侧的变压器线圈重叠地布置，由此磁性耦合是可能的。 

初级侧的和次级侧的漏电感Ls1，Ls2大小在这种情况下等于或甚至大于能量传输器的主电感Lh。在电流流动时经过初级侧的漏电感Ls1产生相应大小的感应的电压降，该电压降可以是由能量源已经调节的电压的几倍。经过这个漏电感Ls1的下降的电压在传输器运行时利用谐振频率特别是通过补偿电容装置、即电容Cr1在能量传输器的初级侧1中被补偿。 

替代如在现有技术中通常的，补偿电容装置实现为电容器组，其中多个单个的电容器在空间上彼此紧邻地布置在与变压器线圈分离的电路板上，根据本发明多个电容器11在一个电路板10上以至少一个线匝20的形式布置。为了形成这个线匝或这些线匝20并且进而变压器线圈，电容 器电串联地通过导体拉力部段12连接。这例如在图2中示出，其在示意性的俯视图中示出用于无线感应地传输能量的根据本发明的设备100。 

图2在此仅仅示例性地示出一个唯一的线匝20，其由四个直线的线匝部段21，22，23，24构成。每个线匝部段21，22，23，24仅仅示例性地包括五个单个电容器11，其中每两个相邻的电容器11通过导体拉力部段12彼此电串联连接。为了简明没有将全部的导体拉力部段设有参考标号。线匝部段21，22，23，24可以相对于矩形或正方形的形式的布置也构造为弓形的，以使得线匝20在其整体上基本上构造为椭圆形的或圆形的。 

导体拉力部段12是导体拉力结构的组成部件，其在安装电容器11之前安装至电路板10上。电容器11是SMD（Surface Mounted Device）元器件，其可以通过共同的钎焊过程与导体拉力结构并且进而与导体拉力部段电连接以及机械连接。由此线匝20由交替地在电路板10上布置的导体拉力部段12和电容器11构成。 

在线匝20的中心在电路板10中构造有可选的留空或开口15，穿过其插有例如由铁氧体组成的铁芯16。由此可以改进与次级侧的变压器线圈（未示出）的磁耦合。可替换所示出的示意图，铁芯16也作为板或薄膜安装在电路板10（即在电路板10的远离电容器11的主侧面上）的背侧上。 

在一个可替换的设计方案中，变压器线圈可以具有多个在电路板10上形成的线匝20。由此附加的线匝部段根据螺旋线形式向内围绕在图2中示出的可选的铁芯16。 

可替换地或附加地可以将多个在图2中示出的设备重叠地堆叠，其中在多个电路板10a，10b上构成的（多个）线匝那么经由相应的电连接元件18，19彼此电连接。这在侧视图中示意性地在图4中示出。由此提供变压器线圈的螺纹状的绕组是可能的。 

在图2中示出的实例中线匝20（或者是通常：变压器线圈）的端部13，14彼此相邻地安置。线圈端部13，14可以布置在电路板10的主侧面上，电容器11布置在该电路板的主侧面上。线圈端部13，14也可以布置在电路板10的不同的主侧面上。与传统的设备相比较在线圈端部处由于电容器的提供的接线电压明显地下降得更小。 

如果线圈端部布置在电路板10的相对的主面上以及彼此相对地布置，如这示例性地在图2中示出的那样，由此产生了寄生的电容器17，该寄生的电容器并联地与线匝20（或者是在多个线匝的情况下：变压器线圈）连接。借助于寄生的电容器17流经线匝20（或者是变压器线圈）的磁化电流能够至少部分地补偿。在与电路板的与电容器相对布置的主侧面上的端部14的形成可以借助于通孔敷镀（Durchkontaktierung）来实现。 

可选地另一个分立的电容器与线匝20或变压器线圈的线圈端部13，14连接。与传统的设备相比，然而这个分立的电容器可以明显构造得更小，由此能提供具有较小的容积的设备100。 

当变压器线圈的端部13，14至少部分地重叠地布置在电路板13的相对的侧面上，那么在这样的设备100中是适宜的，即该设备由多个重叠布置的电路板10a，10b构成，其具有分别在其上以线匝形式布置的电容器11a或11b以及导体拉力部段13，14。 

在图4中示出的实施例中，仅仅示出了两个电路板10a，10b，其中在电路板10a，10b上实现的线匝的电连接经由已经提及的电连接元件来实现。原则上重叠布置的电路板的数量可以任意地选择。 

电路板（唯一的或多个）的数量以及在这个或这些电路板上设计的电容器的全部的数量根据电容器的电特性以及设备的所要达到的电特性来确定大小。 

所描述的工作方式的优点在于，即不存在寄生的漏电感和用于补偿的电容器的分离。 

对于电容器组而言可以取消迄今必需的电路板，由此能提供具有减小的体积的设备。 

经过线匝分布的电容器的电压负荷与传统的电容器组相比是非常小的。 

通过在绕组上分布的电容器的数量相应地被选择，存在着这样的可能性，即充分利用必需的电容器尺寸以用于形成绕组。 

所描述的设备可以特别是作为所谓的底板元件用于电动车辆的感应的供电。 

Claims (11)

1.一种用于无线感应地将能量传输给接收器，特别是电运行的车辆的能量存储器的设备，所述设备包括至少一个变压器线圈以及补偿电容器阵列，其中所述补偿电容器阵列在所述设备运行时利用谐振频率补偿穿过所述变压器线圈的感应的电压降，其中所述补偿电容器阵列包括多个电容器（11；11a，11b），所述多个电容器至少部分地在至少一个电路板（10；10a，11b）上以至少一个线匝（20）的形式布置以及电串联地彼此连接以形成所述变压器线圈。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述补偿电容器阵列的全部所述电容器（11；11a，11b）在所述电路板（10；10a，11b）上以至少一个所述线匝（20）的形式布置。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述线匝（20）通过分别电连接两个相邻的电容器（11；11a，11b）的导体拉力部段（12；12a，12b）来构造。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述线匝（20）在俯视图中是圆形的、椭圆形的或角形的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述变压器线圈的端部（13，14）在所述电路板（10；10a，10b）上重叠地布置以形成与所述变压器线圈并联的电容器（17），经过所述电容器能补偿磁化电流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述电容器（11；11a，11b）是SMD元器件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中多个线匝（20）布置在所述电路板（10）上的一个平面中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中多个线匝（20）布置在多个电路板（10a，10b）上的多个平面中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述变压器线圈包括铁芯（16）。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述铁芯（16）布置在至少一个所述电路板（10；10a，10b）的开口（15）中。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述铁芯（16）作为板或薄膜布置在至少一个所述电路板（10；10a，10b）的背侧上。