CN109789804B - 用于对车辆进行感应充电的线圈单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对车辆进行感应充电的线圈单元(1)，其具有线圈(3)，其中，所述线圈(3)具有多个由至少两个电导线(5、7)构成的绕组。电导线(5、7)并联连接。每个所述电导线(5、7)分别具有一个绕组部分(10)，在所述绕组部分中构成所述绕组，并且每个所述电导线具有附加部分(15)，在所述附加部分中设置具有预设电感的附加电感单元(Ls)。

Description

用于对车辆进行感应充电的线圈单元
技术领域
本发明涉及一种用于对车辆进行感应充电的线圈单元。
背景技术
许多现代的车辆是混合车或电动车。正是这样的车辆经常具有电蓄能器，其具有高的充电容量。为了简化电蓄能器的充电过程而有利的是，电蓄能器可以无线充电。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于对车辆进行感应充电的线圈单元，其非常有效率。
本发明的特征在于一种用于对车辆进行感应充电的线圈单元。所述线圈单元具有线圈，其中，所述线圈具有多个由至少两个电导线构成的绕组。所述电导线并联连接。每个所述电导线分别具有一个绕组部分，在所述绕组部分中构成所述绕组，并且每个所述电导线具有附加部分，在所述附加部分中设置具有预设电感的附加电感单元。
所述线圈单元例如设置在车辆中或车辆上并且线圈是所谓的次级线圈。备选地，所述线圈单元例如设置在车辆外并且线圈是所谓的初级线圈。
通过一定数量的至少两个电导线可以实现高的载流能力，因为电流分布到并联的电导线上。通过附加电感单元可以有助于使电流均匀地分布到并联的电导线上。电导线的数量原则上可自由选择，因此可以使用任意多的电导线，以便实现高的载流能力。
所述电导线尤其是HF绞合线。也称为高频绞合线的HF绞合线是如下绞合线，其包括较大数量的彼此绝缘的金属线。所述金属线尤其是编结为使得平均每个单金属线同样经常地占据绞合线总横截面中的尽可能每个位置。由此绞合线具有非常大数量的导电表面，从而尽管存在表面效应也可以实现高的效率。
按照一种可选的设计，附加电感单元具有电感，所述电感对应于绕组部分中的相应电导线的电感至少0.02倍。
附加电感单元的电感越小，则其对线圈单元的系统参数的作用越小。然而利用较大的附加电感单元可以必要时较准确地有助于使电流均匀地分布到并联的电导线上。因此大小为在绕组部分中的相应电导线的电感的至少0.02倍是良好的折衷。相应的附加电感单元例如具有如下电感，其处于绕组部分中的相应电导线的电感的0.02倍至0.1倍的范围中。例如附加电感单元的电感对应于在绕组部分中的相应电导线的电感的0.02倍、0.04倍、0.06倍、0.08倍或0.1倍。
按照另一种可选的设计，电导线的数量为两个并且这两个电导线的附加电感单元反向耦合。
通过两个电导线的附加电感单元的反向耦合，线圈的总阻抗不通过附加电感单元改变。反向耦合可以例如以如下方式实现，即：这两个附加电感单元通过两个线圈实现，这两个线圈具有一个共同的铁氧体并且相反地缠绕。
按照另一种可选的设计，附加电感单元构成为单独的构件。
由此简化线圈单元的制造，因为附加电感单元可以在单独的制造步骤中添加。
按照另一种可选的设计，附加电感单元以如下方式构成，即：相应电导线缠绕成一个附加线圈。
由此可以以非常简单的且低成本的方式实现附加电感单元。
按照另一种可选的设计，电导线的附加线圈围绕一个共同的铁氧体缠绕。
由此可以以非常简单的方式实现附加线圈的耦合。
按照另一种可选的设计，线圈单元附加地具有支架体，所述支架体具有一定数量的铁氧体，该数量对应于电导线的数量。在铁氧体之间分别设置磁中性的支架。电导线的附加线圈分别围绕支架体的铁氧体缠绕。
由此可以以非常简单的方式实现附加线圈的解耦。
按照另一种可选的设计，电导线的数量是两个。附加电感单元的电感预设为使得L_S1+L1＝L_S2+L2适用。L1是两个附加电感单元的第一附加电感单元的电感。L2是两个附加电感单元的第二附加电感单元的电感。L_S1是在具有第一附加电感单元的电导线的绕组部分中的电感。L_S2是在具有第二附加电感单元的电导线的绕组部分中的电感。
两个电导线经常在绕组部分中具有不同的长度并且因此在绕组部分中具有不同的直径，尤其是在平面绕组的情况下。因为在平面绕组的情况下，两个电导线之一总是在外侧上伸展，所以该导线具有较大的电感并且基于较长的行程而具有较大的电阻。如果附加电感单元的电感预设为使得L_S1+L1＝L_S2+L2适用，则可以补偿这样的非对称性。
附图说明
接着借助示意图进一步解释本发明的实施例。在附图中示出：
图1感应充电系统的构造；
图2底部单元的俯视图；
图3初级线圈或次级线圈的设计；
图4线圈模型；
图5等效模型；
图6电流的虚部关于耦合因数记录的图表；
图7电流的实部的数值关于耦合因数记录的图表；
图8用于对车辆进行感应充电的线圈单元；
图9用于对车辆进行感应充电的线圈单元的等效模型；
图10用于对车辆进行感应充电的线圈单元，其中两个电导线反向耦合；
图11用于对车辆进行感应充电的线圈单元的等效模型，其中两个电导线反向耦合；
图12线圈单元的绕组部分；
图13用于对车辆进行感应充电的线圈单元的等效模型；
图14用于对车辆进行感应充电的线圈单元的等效模型；
图15用于对车辆进行感应充电的线圈单元；
图16其中附加线圈围绕共同的铁氧体缠绕的线圈单元；以及
图17其中附加线圈围绕支架体缠绕的线圈单元。
具体实施方式
相同结构或功能的元件在各附图中以相同的附图标记表示。
图1示出感应充电系统的构造。所述充电系统包括底部单元100 和车辆单元200，所述车辆单元与车辆蓄电池连接。
底部单元100具有壳体101、初级线圈103和铁氧体105。
车辆单元200同样具有壳体201、次级线圈203和铁氧体205。
在充电过程中，车辆单元200以距离d设置在底部单元100上方。
图2示出底部单元100的俯视图。如可看出的那样，初级线圈103 安置在铁氧体105上。
图3示出初级线圈103或次级线圈203的设计。初级线圈103或次级线圈203的设计具有多个由两个电导线构成的绕组，其中各电导线并联连接。所述绕组尤其是实施为使得两个电导线彼此尽可能接近并且也许甚至相交，以便对于各电导线产生尽可能相同的比例。
如果对于所述电导线之一采用如在图4中示出的包括电阻R和电感L的模型，则产生在图5中示出的用于图3的设计的等效模型。两个绕组可以解释为变压器。基于绕组型式，对于两个绕组产生接近相同的电感和非常接近1的耦合因数。两个电导线连接在一个接头上。
假设
Figure GDA0003623439330000041
k在这里是耦合因数，L1是两个电导线的第一电导线的绕组的电感，L2是两个电导线的第二电导线的绕组的电感，R1是第一电导线的导线电阻并且R2是第二电导线的导线电阻，则由等效模型得出如下方程：
Figure GDA0003623439330000051
Figure GDA0003623439330000052
Figure GDA0003623439330000053
为了简化而代替“jwL”写为“L”。
由此得到如下方程：
Figure GDA0003623439330000054
其中U1＝U2＝U并且I1+I2＝I。
如可看出的那样，对于方程组(4)给出无限多的解。在实际中这表示电流可以任意地在两个绕组之间划分。这借助图6和图7进一步形象地说明。
图6示出随耦合因数k变化的电流I1、I2的虚部，其中假设Δ L1＝1uH，Ll＝101uH，L2＝100uH，U1＝U2＝100V，R1＝R2＝0Ohm。
如果耦合因数k趋近1，则电流反向并且各个线圈电流超过总电流。
图7示出随耦合因数k变化的电流I1、I2的实部，其中假设ΔR1＝0.5 Ohm，Ll＝L2＝100uH，L2＝100uH，U1＝U2＝100V，R1＝0.5Ohm，R2＝0 Ohm。
如果耦合因数k趋向1，则电流只流过一个导体。
这表明并联的线圈绕组对各个参数的偏差非常敏感地反应。不相等的电流在耦合因数接近1时非常强烈地升高，例如在k>～0.99时。已经在电阻差很小时电流就可以集中到一个导体上。不同的电感可以还较极限地作用。在这里，在电导体5、7之一中的电流可以甚至回转，从而在电导体5、7的另一个电导体中流过需要的电流的多倍。因为在实际中各个电导体5、7总是具有差异，例如一个电导体接近铁氧体，所以并联电路只以非常多的花费才有效率，原因在于将非常准确地规划绕组的精确构造。
图8示出用于对车辆进行感应充电的线圈单元1。线圈单元1具有线圈3。线圈3可以例如是底部单元100的初级线圈103。在该情况中，线圈单元1例如是底部单元100。备选地，线圈3可以例如是车辆单元200的次级线圈203。在该情况中，线圈单元1例如是车辆单元200。
线圈3具有多个由至少两个电导线5、7构成的绕组。每个所述电导线5、7分别具有一个绕组部分10，在所述绕组部分中构成所述绕组，并且每个所述电导线具有附加部分15，在所述附加部分中设置具有预设电感的附加电感单元LS。
电导线5、7并联连接。为此例如两个电导线5、7在一个接头上连接。
如果电导线5、7的数量是两个，则得出图9的等效模型。由该等效模型得出如下方程：
Figure GDA0003623439330000061
其假设L＝L1＝L2＝M(k＝1)并且R＝R1＝R2，得出：
Figure GDA0003623439330000062
并且利用LA＝(L1+LS)，L＝L1＝L2:
Figure GDA0003623439330000063
因此产生如下耦合：
Figure GDA0003623439330000064
亦即耦合按照LS的大小而减少。利用LS≥0.02L避免临界区域(参考图6和图7)，因为这时耦合kA总是小于0.99。
通过附加的电感，线圈的总阻抗改变。总阻抗由利用Z矩阵求解上述方程组得出。对于L＝L1＝L2＝M(k＝1)，R＝R1＝R2得出
Zres＝L+R/2+LS/2 (9)
如可看出的那样，总电阻R通过该并联电路减小。同时总电感L+LS/2提高，然而只提高值LS/2。亦即在系统中的无功功率升高很小。
图10示出线圈单元1，其中电导线5、7的数量是两个并且两个电导线5、7的附加电感单元LS反向耦合。反向耦合可以例如以如下方式实现，即：两个附加电感单元LS通过具有共同的铁氧体并且相反地缠绕的两个线圈实现。
由此产生图11的等效模型。由该等效模型得出如下方程：
Figure GDA0003623439330000071
假设L＝L1＝L2＝M(k＝1)，kS＝1并且R＝R1＝R2，则得出：
Figure GDA0003623439330000072
并且利用LA＝(L+LS)和MA＝(L－LS)：
Figure GDA0003623439330000073
并且因此
Figure GDA0003623439330000074
如由公式13可看出的那样，相比于公式8，两个电导体5、7的耦合较强地通过LS减少。因此需要较小的附加电感单元LS来取得相同的效果。
此外对于L＝L1＝L2＝M(k＝1)，R＝R1＝R2，通过利用Z矩阵求解方程组得出总阻抗：
Z＝L+R/2(14)
如可看出的那样，总电阻R通过并联电路减小。同时总电感L不提高。亦即系统中的无功功率不升高。
图12示出包括两个电导体5、7的并联缠绕的绕组部分10的示例。基于平面绕组，两个电导体5、7具有不同的直径。因为一个电导体7 总是在外侧上伸展，所以其具有较大的电感并且基于较长的行程而具有较大的电阻。
不同地确定尺寸的电感单元可以补偿L1和L2之间的差异，如由图13的等效模型可看出的那样：
LS1+L1＝LS2+L2 (14)
类似地，附加电阻可以将值R2与R1适配。
备选或附加地，也可以使用推挽式节流阀，亦即如在图10和图 11中的反向耦合的附加电感单元LS。
这样产生如下的Z矩阵，如由图14的等效模型可看出的那样：
Figure GDA0003623439330000081
在该情况中可以借助如下方程补偿所述差异：
L1+LS1+R1＝L2+LS2+R2 (16)
原则上可以使用任意数量的电导体5、7。在图15、16和17中，示例性地形象示出的数量为4。添加的总电感LS/n随着单导线的数量下降。对于大的n，添加的电感可忽略不计。
图16和17示出由支架体20和铁氧体30构成的系统。支架体30 具有一定数量的铁氧体21、22、23、24，所述数量对应于电导线5、6、 7、8的数量。磁中性的、也可以称为锚的支架25、26、27、28阻止铁氧体21、22、23、24的磁耦合。
在图16中，电导线5、6、7、8的附加线圈围绕共同的铁氧体30 缠绕。
在图17中，电导线5、6、7、8的附加线圈分别围绕支架体20 的铁氧体21、22、23、24缠绕。
随后可以关闭气隙，如在图16中通过箭头表示的那样。
共同的铁氧体30可以与线圈的铁氧体连接，亦即例如与初级线圈 103的铁氧体105或次级线圈203的铁氧体205连接，或可以是该铁氧体105、205的组成部分。
总之，通过所述一定数量的至少两个电导线5、6、7、8实现高的载流能力，因为电流分布到并联的电导线5、6、7、8上。通过附加电感单元LS可以有助于电流均匀地分布到并联的电导线5、6、7、8上。电导线5、6、7、8的数量原则上可自由选择，因此可以使用任意多的电导线5、6、7、8，以便实现高的载流能力。
附图标记列表
1 线圈单元
3 线圈
5、6、7、8 电导线
10 绕组部分
15 附加部分
20 支架体
21、22、23、24 铁氧体
25、26、27、28 磁中性的支架
30 铁氧体
100 底部单元
101 壳体
103 初级线圈
105 铁氧体
200 车辆单元
201 壳体
203 次级线圈
205 铁氧体
LS 附加电感单元

Claims (7)

1.用于对车辆进行感应充电的线圈单元(1)，具有
-线圈(3)，其中，所述线圈(3)具有多个由至少两个电导线构成的绕组，其中
-所述电导线并联连接，
-每个所述电导线分别具有一个绕组部分(10)，在所述绕组部分中构成所述绕组，并且每个所述电导线具有附加部分(15)，在所述附加部分中设置具有预设电感的附加电感单元(Ls)，所述附加电感单元(Ls)所具有的电感对应于在所述绕组部分(10)中的相应电导线的电感的至少0.02倍，以便使电流均匀地分布到并联的电导线上。
2.按照权利要求1所述的线圈单元(1)，其中，所述电导线的数量为两个，并且这两个电导线(5、7)的附加电感单元(Ls)反向耦合。
3.按照权利要求1或2所述的线圈单元(1)，其中，所述附加电感单元(Ls)构成为单独的构件。
4.按照权利要求1或2所述的线圈单元(1)，其中，所述附加电感单元(Ls)以如下方式构成：相应电导线缠绕成附加线圈。
5.按照权利要求4所述的线圈单元(1)，其中，所述电导线的附加线圈围绕一个共同的铁氧体(30)缠绕。
6.按照权利要求4所述的线圈单元(1)，其中，该线圈单元附加地具有支架体(20)，所述支架体具有一定数量的铁氧体(21、22、23、24)，该数量对应于电导线的数量，其中，在所述铁氧体(21、22、23、24)之间分别设置一个磁中性的支架(25、26、27、28)，并且所述电导线的附加线圈分别围绕所述支架体(20)的铁氧体(21、22、23、24)缠绕。
7.按照权利要求1所述的线圈单元(1)，其中，电导线的数量为两个，并且所述附加电感单元(Ls)的电感预设为使得
L_S1+L1＝L_S2+L2
适用，其中，L1是两个附加电感单元(Ls)的第一电感单元的电感，L2是两个附加电感单元(Ls)的第二附加电感单元的电感，L_S1是在具有第一附加电感单元的电导线(5、7)的绕组部分中的电感，并且L_S2是在具有第二附加电感单元的电导线(5、7)的绕组部分中的电感。
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