CN106232419A - 可扩展的感应充电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运输工具的感应充电系统。本发明尤其涉及感应充电站的结构。说明了一种地面单元(111)，所述地面单元设置用于产生用于将电能传输给运输工具(100)的电磁充电场。地面单元(111)包括第一接口(405)，所述第一接口设置用于在地面单元(111)上接收以直流电流形式的电能。地面单元(111)还包括交流发生器(305)，所述交流发生器设置用于将所述直流电流转换为交变电流。此外，地面单元(11)包括初级线圈(312)，所述初级线圈设置用于借助所述交变电流来产生电磁充电场。

Description

可扩展的感应充电站
技术领域
本发明涉及一种用于运输工具的感应充电系统。本发明尤其涉及感应充电站的结构。
背景技术
带有电驱动装置的运输工具典型地具有电池，在该电池中可以存储用于使运输工具的电机运行的电能。可以利用来自供电网络的电能给运输工具的电池充电。出于该目的，将电池与供电网络耦合，以便将来自供电网络电能传输到运输工具的电池中。该耦合可以有线地(经由充电线)和/或无线地(借助在充电站与运输工具之间的感应耦合)实现。
用于自动地、无线地、感应式地给运输工具的电池充电的方案在于，从运输工具底部处的地面通过电磁感应经由底部空隙120将电能传输给电池。这在图1中示例性地示出。图1尤其示出一种具有用于电能的存储器103(例如具有可充电的电池103)的运输工具100。运输工具100包括在运输工具底部中的所谓的次级线圈，其中，该次级线圈通过未示出的阻抗匹配和整流器101与存储器103相连接。次级线圈典型地是所谓的“无线能量传输”(WPT)运输工具单元102的部分。
WPT运输工具单元102的次级线圈可以定位在初级线圈之上，其中，该初级线圈例如安置在车库地面上。初级线圈典型地是所谓的WPT地面单元111的部分。初级线圈与供电设备110(在本文件中也称为充电单元110)相连接。该供电设备110可以包括在WPT地面单元111的初级线圈中产生AC(交变)电流的射频发生器，由此感应出磁场。该磁场在本文件中也称为电磁充电场。该电磁充电场可以具有预定义的充电场频率范围。该充电场频率范围例如可以处于80-90kHz(尤其是处于85kHz)的频率范围中。
在WPT地面单元111的初级线圈与WPT运输工具单元102的次级线圈之间在底部空隙120上的磁耦合足够时，通过磁场感应出相应的电压并且因此也在次级线圈中感应出电流。在WPT运输工具单元102的次级线圈中的感应电流通过整流器101整流并且存储在存储器103中(例如在电池中)。因此，电能可以无线地从供电设备110传输至运输工具110的能量存储器103。充电过程可以在运输工具110中由充电控制器105(也称为WPT控制器105)控制。出于该目的，该充电控制器105可以设置成例如无线地与充电单元110(例如与壁箱(Wallbox))通信。
由于有限的底部空隙120，WPT地面单元111的可能的尺寸典型地是受限制的。WPT地面单元111的尺寸例如可以通过将一定的部件从WPT地面单元111转移到充电单元110中来减小。然而，这可能导致在地面单元111与充电单元110之间的连接电缆112方面的要求提高。
发明内容
本文件致力于WPT地面单元111的结构的技术问题，通过该结构能够实现减小WPT地面单元111的尺寸并且降低对在地面单元111与充电单元110之间的连接电缆112的要求。
该任务通过独立权利要求来解决。此外，有利的实施方式在从属权利要求中说明。
根据一方面，说明一种地面单元(尤其是一种WPT地面单元)，所述地面单元设置用于，产生用于将电能传输给运输工具(尤其是具有电驱动装置的运输工具)的电磁充电场。所述运输工具可以包括轿车、货车和/或摩托车。地面单元可以是充电站的部分，该充电站除了地面单元之外包括充电单元(例如壁箱)，该充电单元经由连接电缆与地面单元相连接。
地面单元包括第一接口，所述第一接口设置用于在地面单元上接收或者说接纳以直流电流形式的电能。连接电缆尤其可以经由地面单元的第一接口与充电单元相接通。因此，地面单元可以设置用于在地面单元的输入端上(即在第一接口上)接纳DC(直流)电流。
地面单元还包括交流发生器(在本文件中也称为HF(高频)发生器)，所述交流发生器设置用于将直流电流转换为交变电流。所述交变电流典型地具有与由地面单元产生的电磁充电场一样的频率。所述交变电流例如可以具有80-90kHz(尤其是85kHz)的频率。
此外，地面单元包括初级线圈，所述初级线圈设置用于借助交变电流来产生电磁充电场。
因此，地面单元设置用于基于在地面单元的输入端上的直流电流来产生电磁充电场。由此能够实现直流电流从充电单元经由连接电缆传输给地面单元，由此降低对连接电缆的要求。同时，地面单元不包括用于从供电网络中产生直流电流和/或用于修正功率因数(功率因数校正)的单元。这些单元可以布置在充电单元中。因此能够提供尽可能紧凑的地面单元。
地面单元还可以包括传感器，所述传感器设置用于采集关于地面单元的状态的测量数据。例如可以探测地面单元的温度和/或可以探测在地面单元周围的异物的出现。此外，地面单元可以包括通信单元，所述通信单元设置用于将基于测量数据的数据传送给充电单元。如上所述，充电单元可以设置用于将以直流电流形式的电能提供给地面单元。充电单元尤其可以设置用于根据所接收的数据来提供电能。
所述通信单元可以设置用于建立与充电单元的、尤其是与在充电单元中的相应的通信单元的无线通信连接(例如WLAN连接)。备选地或补充地，地面单元的通信单元可以设置用于尤其经由连接电缆的电流导线来建立与充电单元的电力线通信(PLC)连接。因此，连接电缆不需要用于将数据从地面单元传输至充电单元(或反之)的专用的信号导线。因此可以降低连接电缆的要求和成本。
地面单元可以包括控制单元。所述控制单元可以设置用于控制通过交流发生器的交变电流产生。控制单元尤其可以设置用于(经由地面单元的通信单元)从充电单元接收指令。于是，控制单元可以根据所接收的指令来控制交变电流的产生。
地面单元可以包括第二接口(并且必要时包括另外的接口)。所述第二接口可以设置用于将以直流电流形式的电能传送给其他地面单元。因此可以并联或级联多个地面单元。这是有利的，因为可以给多个地面单元提供一个充电单元。因此可以降低具有多个车位的充电站的成本。
根据另一方面，说明一种用于充电站的充电单元，该充电站用于将电能无线地传输给运输工具。所述充电单元包括功率因数校正(PFC)单元，所述功率因数校正单元设置用于从电力供应网络取得以直流电流形式的电能。电力供应网络可以提供AC(交变)电流。PFC单元可以包括整流器，以便从电力供应网络的AC电流产生直流电流，该直流电流可以经由充电单元的第一接口提供给地面单元。
充电单元还包括第一接口，所述第一接口设置用于为地面单元提供以直流电流形式的电能。充电单元的第一接口可以经由连接电缆与地面单元的第一接口相连接，以便将电能从充电单元传输给地面单元。直流电流的提供能够实现使用成本低廉的并且可灵活设计的连接电缆。此外，通过在充电单元中布置PFC单元可以减小地面单元的大小。此外，这样一个PFC单元可以用于多个地面单元，由此降低具有多个车位的充电站的成本。
充电单元可以包括多个接口，这些接口设置用于为相应的多个地面单元提供以直流电流形式的电能。如已经在上面所说明的那样，这能够实现提供具有多个充电位置的成本减少的充电站。
充电单元可以包括通信单元，所述通信单元设置用于与运输工具和与地面单元(必要时与多个地面单元)通信。所述通信单元可以设置用于建立无线通信连接(例如WLAN)和/或电力线通信(PLC)连接。因此可以放弃在连接电缆中的专用的信号导线。
充电单元可以包括控制单元，所述控制单元设置用于控制电能通过地面单元到运输工具的传输。为此，指令可以经由通信单元传送给所述一个或多个地面单元。
根据另一方面，说明一种用于将电能无线地传输给运输工具的充电站。所述充电站包括在本文件中说明的充电单元，所述充电单元设置用于在充电单元的第一接口上提供以直流电流形式的电能。此外，充电站包括至少一个在本文件中说明的地面单元，所述地面单元设置用于在地面单元的第一接口上接纳以直流电流形式的电能，并且由此产生用于将电能传输给运输工具的电磁充电场。充电站还可以包括连接电缆，所述连接电缆设置用于将充电单元的第一接口与地面单元的第一接口电流连接。
要注意的是，在本文件中说明的方法、设备和系统不仅可以单独使用，而且可以与其它的在本文件中说明的方法、设备和系统相结合地使用。此外，在本文件中说明的方法、设备和系统的所有方面能够以多种方式相互结合。尤其是，权利要求的特征能够以多种方式相互结合。
附图说明
此外，借助实施例更详细地说明本发明。在此：
图1示出一种用于给运输工具的电存储器感应充电的示例性系统；
图2示出一种示例性充电站的流程图；
图3示出充电单元、连接电缆和地面单元的示例性部件；
图4示出充电单元、连接电缆和地面单元的改进的结构；
图5a示出多个地面单元的示例性并联；以及
图5b示出地面单元的示例性并联和/或级联。
具体实施方式
如开头所述的那样，本文件致力于充电站的结构。在图2中示出一种示例性的充电站。充电站尤其包括充电单元110，所述充电单元设置用于(例如经由无线通信连接)与运输工具100通信，并且所述充电单元设置用于控制运输工具100的电存储器103经由地面单元111的充电过程。充电站的地面单元111经由连接电缆112与充电单元110相连接。充电单元110典型地与电能供应设备(例如与电力供应网络)相连接。连接电缆112设置用于将电能从充电单元110传输给地面单元111。然后，借助在地面单元111中的初级线圈可以将该电能感应式地传输给在运输工具100的运输工具单元102中的次级线圈。
如开头所述的那样，提供具有尽可能小的空间延展尺寸的WPT地面单元111是有利的。这能够实现地面单元111以灵活的方式应用于不同类型的运输工具100、尤其是应用于具有相对小的底部空隙120的运输工具100。
为了能够给地面单元111确定尽可能小的尺寸，可以将用于产生用于充电场的交变电流的HF发生器(也称为交流发生器)305集成到充电单元110中，对于该充电单元不存在(或存在减小的)空间要求。这种类型的布置在图3中示出。图3尤其示出一种包括带有整流器的功率因数校正(PFC)单元303的充电单元110，其中，所述整流器设置用于从(例如来自供电网络的)交变电流产生直流电流。充电单元110还包括设置用于平滑所产生的直流电流的中间电路电容器304。HF发生器305设置用于基于直流电流产生用于产生充电场的交变电流。该交变电流的频率典型地相当于充电场的频率(例如85kHz)。图3中的充电单元110还包括控制单元302，所述控制单元设置用于控制充电过程(尤其是控制用于产生充电场的交变电流的产生)。出于该目的，控制单元302可以经由信号导线322从地面单元311的一个或多个传感器311接收测量数据。借助所述一个或多个传感器311例如可以检测到运输工具100的次级线圈定位在地面单元111之上。
充电单元110还包括通信单元301，所述通信单元设置用于例如经由无线通信连接311(例如无线LAN)与运输工具110通信。尤其可以经由通信单元301来推动运输工具100的充电过程。
在图3中示出的地面单元111除了所述一个或多个传感器311之外包括用于从由HF发生器305产生的交变电流产生充电场的初级线圈312。此外，地面单元111典型地包括(尤其用于提供LC振荡电路的)谐振电容器313。如上所述，所述一个或多个传感器311可以设置用于探测运输工具100的次级线圈的出现。备选地或补充地，所述一个或多个传感器311可以设置用于检测在地面单元111周围中的异物的出现和/或用于探测地面单元111的温度。
在图3的充电站中，交变电流经由连接电缆112从充电单元110传输给地面单元111。交变电流的传输典型地需要利用具有电磁屏蔽321的HF导线。此外，测量数据从所述一个或多个传感器311到控制单元302的传输需要利用信号导线322。总而言之因此，对于在充电单元110与地面单元112之间的电缆连接112来说产生相对高并且复杂的要求。此外，电缆连接112的长度选择典型地受HF交变电流的传输所限制。
因此，在充电单元110与地面单元111之间的电缆连接对于在图3中示出的充电站来说是相对耗费的，因为为了传输用于供给线圈312的高频(HF)，典型地必须使用所谓的高频绞合线。这些高频绞合线附加典型地必须防水地并且屏蔽地安置。这种类型的连接电缆112(尤其是插接件)的批量生产被证明是困难的。
除了初级线圈312的输出功率之外，在连接电缆112中或者在单独的并联的电缆中要传输很多信号。这附加提高用于充电单元110与地面单元111之间的连接的耗费。
在图3中示出的充电站110、112、111的另一缺点是，对于每个充电位置需要一个完整的充电站(即自身的各一对充电单元110与地面单元111)。如果电动运输工具拥有者具有多个车位(例如在车库内和在车库前)，他在这些车位上交替地停车，则运输工具拥有者需要两个完整的充电站，尽管总是只有一个充电站被使用。
基于在图3中示出的结构的上述缺点，在本文件中提出，将HF发生器305一起集成到地面单元111中。这种类型的结构在图4中示出。在图4中示出的地面单元111包括HF发生器305。这具有这样的优点，即，经由连接电缆112传输直流电流，由此降低对连接电缆112的要求。因此，地面单元111可以经由接口405接纳以直流电流形式的电能。接口405可以具有插头或插座。连接电缆112因而可以经由插拔连接与地面单元111相连接。以相应的方式，充电单元110也可以具有接口406，在该接口上提供以直流电流形式的电能。
此外，地面单元111可以包括专用的控制单元402，该控制单元设置用于接收并且必要时分析所述一个或多个传感器311的测量数据。这些测量数据和/或所分析的数据可以经由地面单元111的通信单元401传达给充电单元110。充电单元110的通信单元301尤其可以设置用于经由无线通信连接(例如无线LAN)与地面单元111的通信单元401通信。无线通信连接适合于在充电单元110(例如壁箱)与地面单元111之间的通信，因为在充电单元110中已经使用无线通信连接用于与运输工具100通信。取代两个通信参与者(即充电单元110和运输工具110)，无线通信信道于是附加地用于地面单元111。通过为地面单元111使用专用的控制单元402和通信单元401，可以放弃在连接电缆112中的信号导线322。此外，通过在地面单元111中使用专用的控制单元402，得到在充电单元110中的控制单元302的简化。
换句换说，在本文件中提出，充电单元110的功能至少部分地转移到地面单元111中。因此降低对至充电单元110的连接电缆112的要求。在充电单元110中，交变电流被转换为直流电流。这在PFC单元303和/或在整流器303中实现。典型地，PFC单元303作为用于维持网络连接条件的部分电路是必要的。从充电单元110到地面单元111的传输借助直流电流来实现。在地面单元111中，直流电流被转换为对于感应传输所需要的高频的交变电流。
信号(即控制信号和/或测量数据)在充电单元110与地面单元111之间的传输可以借助合适的通信媒介431来实现。合适的通信媒介431的示例是CAN总线、以太网、经由连接电缆112的直流供电的PLC(电力线通信)和/或WLAN(例如用于在运输工具100与充电单元110之间的通信连接)。
充电单元110可以包括用于多个地面单元111的连接端或接口406。这在图5a和5b中示例性地示出。不仅直流供电而且通信媒介都可以并联，从而以一个充电单元110在没有附加的电力耗费的情况下可以供给多个地面单元111、511。图5a示出并联的供电导线112、512和并联的通信信道431、531。
要指出的是，多个运输工具110在接通的地面单元111、511上的同时的充电过程典型地受限于充电单元110(尤其是PFC单元303)的有效功率，相应的总导线将该有效功率提供给多个地面单元111。
图5b示出级联或串联多个地面单元111、511的可能性。出于该目的，示出从第一地面单元111到第二地面单元511的级联电缆513。于是，充电单元110需要减低数量的用于地面单元111、511的连接端。尤其是，在地面单元511到充电单元110之间不需要连接电缆512。
通过充电单元110以及所述一个或多个地面单元111、511的在图4、5a和5b中示出的结构得到多个优点。尤其是，通过直流电流传输得到对在充电单元110与地面单元111之间的连接电缆112、512的要求的简化。例如可以为HF使用的标准电缆和标准插头取代特定解决方案。此外得到在安装时的简化。此外，在电缆连接112(充电单元110<—>地面单元111)中的导线数量可以通过可选的通信方法来减少。在PLC和WLAN的情况下可以完全放弃信号导线322。在使用已经在运输工具110与充电单元110之间应用的(尤其是WLAN)通信信道时，仅必须在地面单元111中提供附加的通信单元401，因为在充电单元110中已经存在通信单元301。
此外，在本文件中说明的结构能够实现一个充电站简单地(也补充地)并且成本低廉地扩展到多个车位(即多个地面单元111、511)上。此外，可以通过如下方式简单地安排一队运输工具100的充电，即，停在地面单元111、511之上的运输工具100依次由中央的充电单元110控制地充电。通过使用具有提高的功率的充电单元110，也可以同时运行多个地面单元111、511。因此，运输工具队100可以相应更快速地充电。对于在图5a、5b中示出的充电站需要仅一个电源接头。中央的充电单元110将功率分配给接通的地面单元111、511并且可以确保电源接头不会过载。
本发明不限于所示的实施例。尤其要注意的是，说明书和附图应该仅阐明所提出的方法、设备和系统的原理。

Claims (11)

1.地面单元(111)，所述地面单元设置用于产生用于将电能传输给运输工具(100)的电磁充电场，其中，所述地面单元(111)包括：
——第一接口(405)，所述第一接口设置用于在地面单元(111)上接收以直流电流形式的电能；
——交流发生器(305)，所述交流发生器设置用于将所述直流电流转换为交变电流；以及
——初级线圈(312)，所述初级线圈设置用于借助所述交变电流来产生电磁充电场。
2.根据权利要求1所述的地面单元(111)，其中，所述地面单元还包括：
——传感器(311)，所述传感器设置用于采集关于地面单元(111)的状态的测量数据；以及
——通信单元(401)，所述通信单元设置用于将基于所述测量数据的数据传送给充电单元(110)；其中，所述充电单元(110)设置用于将以直流电流形式的电能提供给地面单元(111)。
3.根据权利要求3所述的地面单元(111)，其中，所述通信单元(401)设置用于：
——建立与充电单元(110)的无线通信连接；和/或
——建立与充电单元(110)的电力线通信连接。
4.根据上述权利要求之一所述的地面单元(111)，其中，
——所述地面单元(111)包括控制单元(402)；以及
——所述控制单元(111)设置用于控制通过交流发生器(305)的交变电流产生。
5.根据上述权利要求之一所述的地面单元(111)，其中，
——所述地面单元(111)包括第二接口；以及
——所述第二接口设置用于将以直流电流形式的电能传送给其他地面单元(511)。
6.根据上述权利要求之一所述的地面单元(111)，其中，所述交变电流具有80-90kHz的频率。
7.用于充电站(110、112、111)的充电单元(110)，该充电站用于将电能无线地传输给运输工具(100)，其中，所述充电单元(110)包括：
——功率因数校正单元(303)，所述功率因数校正单元设置用于从电力供应网络取得以直流电流形式的电能；以及
——第一接口(406)，所述第一接口设置用于为地面单元(111)提供以直流电流形式的电能。
8.根据权利要求7所述的充电单元(110)，其中，所述充电单元(110)包括多个接口，这些接口设置用于为相应的多个地面单元(111、511)提供以直流电流形式的电能。
9.根据权利要求7至8之一所述的充电单元(110)，其中，所述充电单元(110)包括通信单元(301)，所述通信单元设置用于与运输工具(100)和与地面单元(111)通信。
10.根据权利要求7至9之一所述的充电单元(110)，其中，所述充电单元(110)包括控制单元(302)，所述控制单元设置用于控制电能通过地面单元(111)到运输工具(100)的传输。
11.用于将电能无线地传输给运输工具(100)的充电站(110、112、111)，其中，所述充电站(110、111)包括：
——根据权利要求7至10之一所述的充电单元(110)，所述充电单元设置用于在充电单元(110)的第一接口(406)上提供以直流电流形式的电能；
——根据权利要求1至6之一所述的地面单元(111)，所述地面单元设置用于在地面单元(111)的第一接口(405)上接纳以直流电流形式的电能，并且由此产生用于将电能传输给运输工具(100)的电磁充电场；以及
——连接电缆(112)，所述连接电缆设置用于将充电单元(110)的第一接口(406)与地面单元(111)的第一接口(405)电流连接。
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