DE102011103318A1

DE102011103318A1 - Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem

Info

Publication number: DE102011103318A1
Application number: DE102011103318A
Authority: DE
Inventors: Faical Turki; Benedikt Schmülling
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-12-13
Also published as: JP2014517615A; WO2012163565A1; EP2601749A1; KR20140025323A; US20130300211A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1), eine primärseitige Spulenanordnung und eine sekundärseitige Spulenanordnung aufweisend, wobei jeweils die primärseitige und sekundärseitige Spulenanordnung jeweils mindestens eine Spule (3, 7) zur Energieübertragung und mindestens eine Spule (4, 6) zur Datenübertragung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die primär- und sekundärseitigen Spulen zur Energieübertragung Spulen (3, 7) mit jeweils einem einzigen Wicklungssinn ausgebildet sind, und dass diegen sind, die jeweils mindestens zwei Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem, eine primärseitige Spulenanordnung und eine sekundärseitige Spulenanordnung aufweisend, wobei jeweils die primärseitige und sekundärseitige Spulenanordnung jeweils mindestens eine Spule zur Energieübertragung und mindestens eine Spule zur Datenübertragung aufweist.
Aus der US 2010/0201315 ist ein System bekannt, bei der eine Primärspule und mehrere Sekundärspulen Verwendung finden. Die sekundärseitigen Spulen sind zueinander beabstandet angeordnet. Das Magnetfeld der Primärspule induziert je nach Positionierung der Sekundärspulen in diesen unterschiedlich große Spannungen. Durch Auswertung der Spannungen kann die Position der Sekundärspulen relativ zu der Primärspule ausgewertet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem bereitzustellen, bei dem die Datenübertragung durch die Energieübertragung nicht beeinflusst wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße System ist eine Weiterentwicklung bereits existierender Systeme zur induktiven kontaktlosen Energieübertragung, die jeweils eine Primär- und eine Sekundärspule zur Energieübertragung aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen System sind zusätzliche primärseitige und sekundärseitige Spulenanordnungen für die Datenübertragung angeordnet. Diese sind im Bereich der Energieübertragungsspulen angeordnet. So können sie zusammen mit der Energieübertragungsspule in einem Gehäuse oder in einer Vergussmasse angeordnet sein.
Die Datenübertragung kann sich in der Übermittlung von einfachen Signalen, wie z. B. Ein-, Aus-Signal, erschöpfen. Es ist jedoch auch möglich, komplexere Signale zu übertragen. Ebenso ist es möglich, Daten bidirektional zu übertragen.
Sofern von der Sekundärseite gesprochen wird, so wird darunter auch ein Pickup verstanden, welche in der Regel an frei beweglichen Fahrzeugen oder an schienengebundenen Fahrzeugen und Stromabnehmern angeordnet ist. Bei einem derartigen System sind die Spulenanordnungen vorzugsweise als Flachspulen ausgebildet, damit sich ein möglichst guter Kopplungsfaktor ergibt.
Die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen können im einfachsten Fall identisch ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass eine Beeinflussung der Datenübertragung durch das magnetische Feld der Energieübertragung vorteilhaft dann unterbunden wird, wenn die Datenübertragungsspulen mehrere Spulenfelder aufweisen und dass sich die durch das Feld der Energieübertragung in die Spulenfelder der Datenübertragungsspulen induzierten Spannungen kompensieren. Die die Spulenfelder bildenden Spulen können Einzelspulen sein, die zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Herbei ist lediglich darauf zu achten, dass die Spulen so zusammengeschaltet sind, dass sich die induzierten Spannungen kompensieren. Dabei können auch Spulen mit unterschiedlichem Windungssinn verwendet werden.
Ebenso ist es möglich alle Spulenfelder mittels eines durchgehenden Leiters auszubilden bzw. zu wickeln, wobei dann darauf zu achten ist, dass eine erste Anzahl von Spulenfeldern mit einem ersten und dieselbe Anzahl von Spulenfeldern mit dem entgegengesetzten Wicklungssinn vorhanden sind.
Bei der Verwendung eines durchgehenden Leiters zur Bildung der Datenübertragungsspulenanordnung ergibt sich der Vorteil, dass keine Spulen zusammengeschaltet werden müssen, und dass die Spulenanordnung lediglich zwei Anschlussleitungen aufweist.
Auch können die einzelnen Spulenfelder durch Spulen mit zueinander verschiedenen Windungszahlen und/oder Spulenquerschnittsflächen gebildet sein. Im einfachsten Fall sind jedoch die Spulenquerschnitte und Windungszahlen der die Spulenfelder bildenden Spulen gleich auszubilden.
Eine bevorzugte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulen zur Energieübertragung Spulen mit einem einzigen Wicklungssinn sind, und dass die Spulen zur Datenübertragung Spulen sind, die eine Anzahl von 2 mal N Spulenfeldern aufweisen, wobei N eine ganze Zahl größer gleich eins ist, und jeweils N Spulenfelder einen ersten Wicklungssinn und N Spulenfelder einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, wobei die primärseitigen und sekundärseitigen Datenübertragungsspulen zumindest hinsichtlich der Anordnung der Spulenfelder zueinander gleich ausgebildet sind. Eine derartige Spulenanordnung kann vorteilhaft mittels eines durchgehenden Leiters gebildet bzw. gewickelt sein.
Die Ausbildung und Anordnung der primär- und sekundärseitigen Datenübertragungsspulenanordnungen, insbesondere auf der Ladeplatte und der Pickup, sind vorteilhaft gleich oder ähnlich, um eine möglichst gute Kopplung zu erreichen und eine gute Signalqualität zu gewährleisten.
Vorteilhaft weisen die primär- und sekundärseitigen Spulen zur Energieübertragung jeweils nur einen einzigen Wicklungssinn auf. Die Energieübertragungsspulen sollten zur besseren Kopplung als Flachspulen ausgebildet sein. Sie können selbstverständlich jedoch auch als Zylinderspule ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven und kontaktlosen Energie- und Datenübertragungssystem sind die primär- und sekundärseitigen Spulenanordnungen dann genau richtig zueinander positioniert, wenn die primärseitige oder sekundärseitige Energieübertragungsspule einen magnetischen Fluss erzeugt, der alle Spulenfelder der primär- und/oder sekundärseitigen Datenübertragungsspulen gleichzeitig mit der gleichen Richtung durchtritt. Bei der richtigen Positionierung wird zum einen der beste Kopplungsfaktor für die Energieübertragung erzielt, wobei gleichzeitig keine Beeinflussung der Datenübertragung durch die Energieübertragung erfolgt. Somit kann gleichzeitig neben der Energieübertragung mittels der Energieübertragungsspulen auch Daten über die Datenübertragungsspulenanordnungen übertragen werden, ohne dass es zu störenden Beeinflussungen kommt.
Das erfindungsgemäße System kann derart ausgebildet sein, dass die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen zur Energieübertragung kleiner, gleich oder größer als die Spulenanordnungen zur Datenübertragung sind. So ist es von Vorteil, wenn die Spulenanordnungen zur Datenübertragung die Spulenanordnungen zur Energieübertragung vollständig überdecken. Mit einer derartigen Ausbildung kann die Spulenanordnung für die Datenübertragung auch noch zur relativen Positionierung von Primärseite und Sekundärseite verwendet werden. So ist es möglich, dass die Primärseite mittels eines Antriebs verstellbar ist, derart, dass z. B. die primärseitige Spulenanordnung, bestehend aus Energieübertragungsspule und Datenübertragungsspulenanordnung, relativ zu einem die Pickup tragenden, z. B. in einer Garage, stehenden Fahrzeugs verfahren wird, solange, bis sich eine optimale Kopplung ergibt. Ebenso kann eine Datenverarbeitungseinrichtung anhand der in den einzelnen Spulenfeldern oder der Spulenanordnung induzierten Spannungen bzw. Spannung ein Fahrzeug positionieren oder entsprechende Richtungsangaben für die richtige Positionierung generieren. Die Richtungsanzeige kann dabei akustisch und/oder visuell erfolgen. Die Anzeige kann z. B. in dem Fahrzeug selbst oder der Garage angeordnet sein.
Die sekundärseitigen Spulenanordnungen zur Energieübertragung und Datenübertragung können übereinander, insbesondere zusammen in einem Gehäuse oder zusammen in eine Masse eingegossen bzw. angeordnet sein. Gleiches gilt für die primärseitigen Spulen zur Daten- und Energieübertragung.
Um den Einfluss parasitärer Kapazitäten, insbesondere Leiter-Erd-Kapazitäten, gering zu halten, ist die primärseitige Spulenanordnung für die Datenübertragung vorteilhaft durch einen Übertrager galvanisch vom Versorgungsnetz getrennt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Draufsicht auf die primärseitige Spulenanordnung bestehend aus einer Energieübertragungsspule sowie einer Datenübertragungsspulenanordnung mit vier Spulenfeldern;
2: Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem bestehend aus der primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnung;
3: primärseitige Spulenanordnung für die Datenübertragung mit vier Spulenfeldern mit gleichem Windungssinn;
4: primärseitige Spulenanordnung für die Datenübertragung mit vier Spulenfeldern mit unterschiedlichem Windungssinn;
5: Spulenanordnung für die Datenübertragung mit vier Spulenfeldern mit unterschiedlichem Windungssinn, wobei Spulen mittels eines durchgehenden Leiters gewickelt sind.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf die primärseitige Spulenanordnung bestehend aus einer Energieübertragungsspule 3 sowie einer Datenübertragungsspulenanordnung 4 mit vier Spulenfeldern 4a bis 4d. Die Energieübertragungsspule 3 sowie die Datenübertragungsspulenanordnung 4 sind auf dem Träger 2 angeordnet. Sie können auch mittels einer nicht dargestellten Vergussmasse umgossen sein. Die sekundärseitige Spulenanordnung kann identisch oder sehr ähnlich aufgebaut sein.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem 1 bestehend aus der primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnung, bestehend aus der Energieübertragungsspule 3, 7 und den Datenübertragungsspulenanordnungen 4, 6. Die Energieübertragungsspule 3, 7 ist etwas kleiner von ihren Abmessungen, so dass die Datenübertragungsspulenanordnungen 4, 6 diese seitlich überragen, wenn die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen richtig zueinander positioniert sind.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, können die Spulenanordnung für die Datenübertragung mit vier Spulenfeldern 4a bis 4d entweder mit gleichem Windungssinn (3) oder mit unterschiedlichem Windungssinn (4) ausgebildet sein. Bei der in 2 dargestellten relativen Positionierung der primär- und sekundärseitigen Spulenanordnungen muss stets gewährleistet sein, dass die durch das Magnetfeld der energieübertragungsspule induzierte resultierende Spannung in den Spulenanordnungen 4a bis 4d gleich Null ist. Die die einzelnen Spulenfelder 4a bis 4d bildenden Spulen bei den in den 3 und 4 dargestellten Anordnung können dabei in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet werden. Dabei ist jedoch stets darauf zu achten, dass die durch das Magnetfeld der Energieübertragungsspule induzierte resultierende Spannung an den Klemmen der Datenübertragungsspulenanordnung gleich Null ist. Die die Spulenfelder bildenden Spulen müssen dabei auf der Primärseite und auf der Sekundärseite identisch verschaltet sein, damit jeweils eine resultierende Spannung durch das Magnetfeld einer Spulenanordnung 4, 7 in der jeweils anderen Spulenanordnung 7 bzw. 4 induziert werden kann und somit eine Datenübertragung möglich ist.
Die 5 zeigt eine Spulenanordnung für die Datenübertragung mit vier Spulenfeldern 4a bis 4d mit unterschiedlichem Windungssinn WS, wobei die die Spulenfelder 4a bis 4d bildenden Spulen durch Einzelwindungen mittels eines durchgehenden Leiters gebildet sind. Die Pfeile geben die Richtung des elektrischen Stroms zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Der mit den nebeneinander liegenden Windungen jeweils verkettete, durch die Spule selbst erzeugte Fluss fließt jeweils in entgegengesetzte Richtungen, sodass der Fluss über der Gesamtfläche der Datenübertragungsspule gleich Null ist.
Der durch die unterhalb der Datenübertragungsspulen 4 liegende Energieübertragungsspule 3 erzeugte magnetische Fluss verursacht in den einzelnen Windungen der Datenübertragungsspule 4 jeweils eine induzierte Spannung mit gleichem Betrag. Die Vorzeichen dieser induzierten Spannung sind jedoch in den nebeneinander liegenden Spulen abwechselnd positiv und negativ, so dass die Gesamtsumme der induzierten Spannung gleich Null ist.
Es ist selbstverständlich möglich, dass die die die Spulenfelder 4a bis 4d bildenden Windungen eine andere Form aufweisen und beispielsweise abgerundete Ecken aufweisen oder kreisförmig ausgebildet sind. Ebenso ist es möglich, dass die einzelnen Spulenfelder 4a bis 4d unterschiedliche Größen und/oder Windungszahlen aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0201315 [0002]

Claims

Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1), eine primärseitige Spulenanordnung und eine sekundärseitige Spulenanordnung aufweisend, wobei jeweils die primärseitige und sekundärseitige Spulenanordnung jeweils mindestens eine Spule (3, 7) zur Energieübertragung und mindestens eine Spule (4, 6) zur Datenübertragung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die primär- und sekundärseitigen Spulen zur Energieübertragung Spulen (3, 7) mit jeweils einem einzigen Wicklungssinn ausgebildet sind, und dass die Spulen (4, 6) zur Datenübertragung Spulenanordnungen sind, die jeweils mindestens zwei Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) aufweisen.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in den einzelnen Spulenfeldern (4a, 4b, 4c, 4d) der Spulenanordnungen durch das Magnetfeld der Energieübertragungsspulen (3, 7) induzierten Spannungen zu Null kompensieren, sofern die primär- und sekundärseitigen Spulenanordnungen richtig zueinander positioniert sind, derart dass alle Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) vom Magnetfeld der Energieübertragungsspule (3, 7), insbesondere gleichermaßen, durchsetzt sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spulenfeld (4a, 4b, 4c, 4d) durch eine Spule mit einem ersten Wicklungssinn (WS) und mindestens ein Spulenfeld (4a, 4b, 4c, 4d) durch eine Spule mit einem entgegengesetzten Wicklungssinn (WS) gebildet ist.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen zur Datenübertragung Spulen sind, die eine Anzahl von 2·n Spulenfeldern (4a, 4b, 4c, 4d) aufweisen, wobei n eine ganze Zahl größer gleich eins ist, und jeweils n Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) einen ersten Wicklungssinn (WS) und n Spulenfelder einen entgegengesetzten Wicklungssinn (WS) aufweisen, wobei die primärseitigen und sekundärseitigen Datenübertragungsspulen (4, 6) zumindest hinsichtlich der Anordnung der Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) zueinander gleich ausgebildet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Spulenfeld (4a, 4b, 4c, 4d) der Datenübertragungsspulen (4, 6) mindestens eine Windung aufweist.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsspulen (4, 6) mittels eines durchgehenden Leiters oder durch miteinander verbundene, insbesondere parallel oder in Reihe geschalteter, Einzelspulen, welche jeweils mindestens ein Spulenfeld (4a, 4b, 4c, 4d) bilden, gebildet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) der Datenübertragungsspulen (4, 6) durch Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen und/oder Spulenquerschnittsflächen gebildet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige oder sekundärseitige Energieübertragungsspule (3, 7) einen magnetischen Fluss erzeugt, der alle Spulenfelder (4a, 4b, 4c, 4d) der primär- und/oder sekundärseitigen Datenübertragungsspulen (4, 6) gleichzeitig mit der gleichen Richtung durchtritt, sofern die sekundärseitigen Spulenanordnungen zu den primärseitigen Spulenanordnungen richtig positioniert sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet‚ dass die Spulenanordnung zur Energieübertragung (3, 7) in der Spulenanordnung (4, 6) zur Datenübertragung keine elektrische Spannung induziert, sofern die sekundärseitigen Spulenanordnungen zu den primärseitigen Spulenanordnungen richtig positioniert sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen (3, 4, 6, 7) zur Energieübertragung und zur Datenübertagung jeweils zwei Anschlussleitungen aufweisen.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen (3, 7) zur Energieübertragung kleiner, gleich oder größer als die Spulenanordnungen (4, 6) zur Datenübertragung sind, insbesondere derart, dass die Spulenanordnungen zur Energieübertragung die Spulenanordnungen zur Datenübertragung vollständig überdecken oder die Spulenanordnungen zur Datenübertragung die Spulenanordnungen zur Energieübertragung vollständig überdecken.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige und die sekundärseitige Spulenanordnungen (3, 7) zur Energieübertragung jeweils durch eine zylindrischen Flachspule oder eine zylindrische Spule mit jeweils mehreren Windungen gebildet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Spulenanordnungen (3, 4) zur Energieübertragung und Datenübertragung übereinander, insbesondere zusammen in einem Gehäuse oder zusammen in eine Masse eingegossen, angeordnet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitigen Spulenanordnungen (6, 7) zur Energieübertragung und Datenübertragung übereinander, insbesondere zusammen in einem Gehäuse oder zusammen in eine Masse eingegossen, angeordnet sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) die in den Spulenanordnungen (4, 6) zur Datenübertragung, insbesondere in den sekundärseitigen Spulenanordnungen (6), induzierte Spannung mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung auswertet und akustisch und/oder visuell anzeigt, wie die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen momentan zueinander angeordnet sind und/oder in welche Richtung die sekundärseitigen und/oder primärseitigen Spulenanordnungen zu bewegen sind, damit die primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen richtig, d. h. mit dem besten Kopplungsfaktor, zueinander positioniert sind.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische und/oder visuelle Anzeige in einem Fahrzeug oder stationär in einem Raum, insbesondere in einer Garage, mittels einer Anzeigeeinrichtung und/oder einem Lautsprecher erfolgt.
Induktives kontaktloses Energie- und Datenübertragungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine primärseitige Datenübertragungsspule (4) durch einen Übertrager galvanisch vom Versorgungsnetz getrennt ist.
Verfahren zur Positionierung der sekundärseitigen Spulenanordnungen relativ zu den primärseitigen Spulenanordnungen eines induktiven kontaktlosen Energie- und Datenübertragungssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung die in einer Spulenanordnung zur Datenübertragung induzierte elektrische Spannung oder Spannungen ermittelt und diese zur Erzeugung von Positionssignalen oder Richtungssignalen auswertet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass entweder – mittels der primärseitigen Spulenanordnung zur Datenübertragung ein Magnetfeld erzeugt wird, und dass dann die Änderung der in die Spulenanordnung der sekundärseitigen Datenübertragungsspulen induzierten Spannung, insbesondere deren durch die Positionsänderung resultierende Änderung, zur Ermittlung der Relativstellung von Primär- zur Sekundärseite ausgewertet wird, oder – mittels der sekundärseitigen Spulenanordnung zur Datenübertragung ein Magnetfeld erzeugt wird, und dass dann die Änderung der in die Spulenanordnung der primärseitigen Datenübertragungsspulen induzierten Spannung, insbesondere deren durch die Positionsänderung resultierende Änderung, zur Ermittlung der Relativstellung von Primär- zur Sekundärseite ausgewertet wird.