DE102012022623A1 - Body transformer for wireless energy and data transfer in car, has three-phase transformer part integrated into metal sheet of vehicle body, where electrical data is transferred to bus systems in vehicle - Google Patents

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Abstract

The transformer has a three-phase transformer part integrated into a metal sheet (1) of a vehicle body. Electrical energy and information are transferred through the metal sheet of the vehicle body for supplying electrical consumers e.g. lamps, turn signals, sensors and all other electric appliances in the vehicle. Electrical data are transferred to bus systems in the vehicle. Magnetic flux in the metal sheet rotates magnetic field, and magnetic field lines are limited in particular areas in the metal sheet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von elektrischen Spannungen, elektrischer Energie und elektrischen Signalen über die Karosserie von Fahrzeugen. Der Sternförmige-Karosserie-Transformator erzeugt im Blech der Karosserie ein rotierendes magnetisches Feld, welches wiederrum eine Spannung in Spulen erzeugt, die in dieses Blech eingesetzt sind, sogenannte Blech -Transformatoren.The invention relates to a method for transmitting electrical voltages, electrical energy and electrical signals via the body of vehicles. The star-shaped body transformer generates a rotating magnetic field in the bodywork metal sheet, which in turn generates a voltage in coils inserted in this metal sheet, so-called sheet metal transformers.

Ziel dieser Erfindung ist die Reduzierung von elektrischen Leitungen und Steckverbindungen in Fahrzeugen. Durch die ständige Zunahme von Funktionen in Fahrzeugen, wie Fahrerassistenzsysteme, Audiosysteme und Steuergeräte die den Komfort des Fahrzeuges steigern, werden auch immer mehr elektrische Leitungen zur Stromversorgung und Signalübertragung notwendig. Die Anwendung von Sternförmigen-Karosserie-Transformatoren in Fahrzeugen hat das Ziel, Sensoren und kleine elektrische Verbraucher mit Strom über die Karosserie zu versorgen. Dabei können Energie und Informationen übertragen werden.The aim of this invention is the reduction of electrical cables and connectors in vehicles. Due to the constant increase in functions in vehicles, such as driver assistance systems, audio systems and control devices that increase the comfort of the vehicle, more and more electrical lines for power supply and signal transmission are necessary. The use of star-shaped body transformers in vehicles has the goal of supplying sensors and small electrical consumers with power through the body. This energy and information can be transmitted.

Grundlage der Erfindung ist ein Sternförmiger Transformator, der drei um 120° versetzt angeordnete Spulen hat, die mit drei Wechselspannungen U1, U2 und U3 versorgt werden. Die Phasen der drei Wechselspannungen U1, U2 und U3 sind wie bei Drehstromanlagen um jeweils 120° Phasenverschoben, so dass sich ein rotierendes magnetisches Feld einstellt.The basis of the invention is a star-shaped transformer, which has three offset by 120 ° arranged coils, which are supplied with three alternating voltages U1, U2 and U3. The phases of the three alternating voltages U1, U2 and U3 are phase shifted by 120 °, as in the case of three-phase systems, so that a rotating magnetic field is established.

Der Transformator ist wie in Zeichnung 1 zu sehen, in das Blech der Karosserie integriert, so dass die Feldlinien sich im Blech der Karosserie ausbreiten. Ebenfalls treten Feldlinien aus dem Blech aus, die von Empfängern zur Signalübertragung im Fahrzeug und außerhalb des Fahrzeugs genutzt werden können. Die Sternförmigen-Karosserie-Transformatoren arbeiten dann wie Antennen, die ein rotierendes magnetisches Feld erzeugen. Das magnetische Feld in dem Karosserieteil erzeugt eine elektromagnetische Strahlung, wodurch die Karosserieteile als Flächenantennen genutzt werden können. Die Spannungen zur Erzeugung der rotierenden magnetischen Felder können Frequenzen zwischen 50 Hz und mehreren 100 MHz haben. Ebenfalls können die Spannungen zur Signalübertragung zusätzlich moduliert werden. Dabei können die drei Spannungen U1, U2 und U3 unterschiedlich moduliert werden. Wird ein Karosserieteil als Antennenstrahler genutzt, kann durch Auswertung der Strahlungscharakteristik die unmittelbare Umgebung erfasst werden. Störkörper wie Gegenstände können so erfasst werden. Ebenfalls kann Kontakt mit anderen Gegenständen oder Berührung und auch Gestik erkannt werden. Somit kann das Fahrzeugteil zum Beispiel die Stoßstange als Sensor genutzt werden. Die Ultraschallsensoren werden somit ersetzt. Ein großer Vorteil ist, dass Seitenteile zum Beispiel Türen auch die Seiten eines Fahrzeuges Überwachen können.The transformer is as seen in drawing 1, integrated into the metal sheet of the body, so that the field lines propagate in the metal sheet of the body. Also exit field lines from the plate, which can be used by receivers for signal transmission in the vehicle and outside the vehicle. The star-shaped body transformers then work like antennas that generate a rotating magnetic field. The magnetic field in the body part generates electromagnetic radiation, whereby the body parts can be used as surface antennas. The voltages for generating the rotating magnetic fields may have frequencies between 50 Hz and several 100 MHz. Likewise, the voltages for signal transmission can additionally be modulated. In this case, the three voltages U1, U2 and U3 can be modulated differently. If a body part is used as an antenna radiator, the immediate environment can be detected by evaluating the radiation characteristic. Impact objects such as objects can be detected this way. Likewise, contact with other objects or touch and also gestures can be recognized. Thus, the vehicle part, for example, the bumper can be used as a sensor. The ultrasonic sensors are thus replaced. A big advantage is that side panels, for example doors, can also monitor the sides of a vehicle.

In Spulen die sich auf dem Blech und im Blech der Karosserie befinden wird eine Wechselspannung U4 induziert. Die Wechselspannung U4 versorgt kleine Verbraucher mit elektrischer Energie. Die Phasenverschiebungen der Spannungen U1, U2 und U3 zwischen dem Sendenden Transformator und dem empfangenden Transformatoren U4, U5 usw. sind abhängig vom Einbauort und kann zusätzlich für Regelzwecken genutzt werden. Über die Phasenverschiebung durch den vorgegebenen Einbauort kann der Strom mit der entsprechenden Phasenverschiebung dem Verbraucher zugeordnet werden. So kann eine Diagnose für die angeschlossenen Verbraucher durchgeführt werden.In coils which are located on the plate and in the metal sheet of the body, an alternating voltage U4 is induced. The AC voltage U4 supplies small consumers with electrical energy. The phase shifts of the voltages U1, U2 and U3 between the transmitting transformer and the receiving transformers U4, U5, etc. are dependent on the installation site and can also be used for control purposes. The current with the corresponding phase shift can be assigned to the load via the phase shift through the given installation location. This allows a diagnosis to be carried out for the connected consumers.

Im Fahrzeug können mehrere Sternförmige-Karosserie-Transformatoren mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Für die Anzahl der Empfänger gibt es keine Einschränkungen.In the vehicle several star-shaped body transformers can be operated with different frequencies. There are no restrictions on the number of recipients.

In einem Fahrzeug kann mit Sternförmigen-Karosserie-Transformatoren das Bordnetz im Auto mit weniger Kabel aufgebaut werden. Viele kleine Sensoren und Aktoren können ohne Leitungen betrieben werden.In a vehicle with star-shaped body transformers, the wiring in the car can be built with less cable. Many small sensors and actuators can be operated without cables.

Erfindungsgemäß besteht der Sternförmige-Karosserie-Transformator aus mehreren Sternförmigen Blechen, die nach außen schichtweise kleiner werden. Das mittlere Blech wird dem Karosserieausschnitt so angepasst, das nur ein sehr kleiner Spalt zwischen Trafo und Karosserie bleibt. Die ersten Bleche oberhalb und unterhalb der Karosserie liegen überlappend auf dem Blech der Karosserie. Die folgenden Bleche werden kleiner, so dass eine Abstufung bis zum Spulenende entsteht.According to the invention, the star-shaped body transformer consists of several star-shaped sheets, which are smaller in layers to the outside. The middle panel is adjusted to the body cutout so that only a very small gap between the transformer and the body remains. The first panels above and below the body are overlapping on the body of the body. The following sheets are smaller, so that a gradation is formed up to the coil end.

Im Blech der Karosserie ist ein kreisähnlicher Ausschnitt zum einsetzen des Transformators mit drei vorstehenden Blechen zur Aufnahme des Transformators vorgesehen. An den drei Enden wird der Transformator mit der Karosserie verschraubt oder genietet bzw. mit anderen Verfahren verbunden, so das der größte Teil der magnetischen Feldlinien in das Blech der Karosserie geleitet wird.In the sheet metal of the body, a circle-like cutout for inserting the transformer with three protruding sheets is provided for receiving the transformer. At the three ends of the transformer is bolted to the body or riveted or connected with other methods, so that the majority of the magnetic field lines is passed into the body of the body.

Für die Übertragung höherer Frequenzen wird oder kann der Kern der Transformatoren auch aus anderen Materialien bestehen, z. B. aus einem Ferritkern der sternförmig in den Blechausschnitt eingesetzt wird.For the transmission of higher frequencies or the core of the transformers may also consist of other materials, eg. B. from a ferrite core of the star-shaped is inserted into the sheet metal section.

Bei der Übertragung von höheren Frequenzen werden Empfänger für höhere Frequenzen abhängig von der Frequenz auch auf dem Blech der Karosserie angebracht, bzw. die Signale werden auch in einer Entfernung von Null bis 10 Metern empfangen und können zur Datenübertragung oder als Sensorsignal genutzt werden. Dabei kann die Phasenverschiebung zwischen Senderspannung und Empfängerspannung in Abhängigkeit der Position Sender zum Empfänger ausgewertet werden.In the transmission of higher frequencies, receivers for higher frequencies depending on the frequency are also mounted on the bodywork of the body, or the signals are also received at a distance of zero to 10 meters and can be used for data transmission or as a sensor signal. The phase shift between the transmitter voltage and the receiver voltage can be evaluated as a function of the transmitter position to the receiver.

Wird der Karosserietransformator als Sensor eingesetzt, werden die S-Parameter der als Antenne genutzten Karosserieteile ausgewertet. Störkörper an der Karosserie um den Transformator herum und Störkörper nahe der als Flächenstrahler genutzten Karosseriefläche verändern die Antennencharakteristik welche von einer Elektronik ausgewertet wird.If the body transformer is used as a sensor, the S-parameters of the body parts used as antenna are evaluated. Bluff bodies on the body around the transformer and bluff bodies close to the body surface used as area radiators change the antenna characteristic which is evaluated by an electronic system.

Der Karosserietransformator bildet in diesem Fall zusammen mit dem Karosserieteil ein Sensor zum Erkennen von Gegenständen oder Hindernissen wie Parksensoren, aber auch zum Erkennen von Befehlen durch Gestiken, wie das greifen zur Fahrertür.The body transformer forms in this case, together with the body part, a sensor for detecting objects or obstacles such as parking sensors, but also for recognizing commands by gestures, such as grab the driver's door.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Zeichnung 1 Rotationsfeldtrafo auf der Karosserie

1
Blech der Karosserie
2
Ausschnitt im Blech
3
Spule L2 Sender
4
Obere Lage Trafoblech
5
Zweite Lage Trafoblech
6
Spule L1 Sender
7
Spule L3 Sender
8
Ausschnitt für Empfänger Trafo
9
Ausschnitt für Empfänger Trafo
12
Spule L4 Empfänger
13
Obere Lage Trafoblech
14
Loch für Befestigung Trafo an Karosserieblech
15
Loch für Befestigung Trafo an Karosserieblech
16
Loch für Befestigung Trafo an Karosserieblech
17
Loch für Befestigung Trafo an Karosserieblech
18
Loch für Befestigung Trafo an Karosserieblech
19
Ausschnitt im Blech
20
Ausschnitt im Blech
21
Zweite Lage Trafoblech
Zeichnung 2
22
Blech der Karosserie
23
Trafospule
24
Trafoblech
25
Befestigung Niete
1
Karosserieblech
2
Befestigung Schrauben oder Nieten
3
Trafobleche
4
Trafobleche
5
Spule
6
Trafoblech
Zeichnung 3 Blechausschnitte für Rotationsfeldtrafo und Empfängertrafo auf der Karosserie
1
Blech der Karosserie
3
Ausschnitt für Drehstrom-Karosserie-Trafo
8
Ausschnitt für Empfängertrafo
14
Loch für Befestigung
15
Loch für Befestigung
16
Loch für Befestigung
17
Loch für Befestigung
18
Loch für Befestigung
Zeichnung 4 Stellt die Phasenzusammenhänge zwischen Karosserietransformator und Empfänger dar
U1
Spannungsverlauf an Spule L1 Sender
U2
Spannungsverlauf an Spule L2 Sender
U3
Spannungsverlauf an Spule L3 Sender
U4
Spannungsverlauf an Spule L3 Empfänger
α
Phasenverschiebung zwischen U1 und U4
Drawing 1 Rotary field transformer on the body
1
Sheet metal of the body
2
Detail in the sheet metal
3
Coil L2 transmitter
4
Upper layer Transformer sheet
5
Second layer transformer plate
6
Coil L1 transmitter
7
Coil L3 transmitter
8th
Cutout for receiver transformer
9
Cutout for receiver transformer
12
Coil L4 receiver
13
Upper layer Transformer sheet
14
Hole for fastening transformer to body panel
15
Hole for fastening transformer to body panel
16
Hole for fastening transformer to body panel
17
Hole for fastening transformer to body panel
18
Hole for fastening transformer to body panel
19
Detail in the sheet metal
20
Detail in the sheet metal
21
Second layer transformer plate
Drawing 2
22
Sheet metal of the body
23
transformer coil
24
transformer sheet
25
Fixing rivets
1
body sheet
2
Fixing screws or rivets
3
transformer sheets
4
transformer sheets
5
Kitchen sink
6
transformer sheet
Drawing 3 sheet metal cutouts for rotary field transformer and receiver transformer on the body
1
Sheet metal of the body
3
Section for three-phase body transformer
8th
Cutout for receiver transformer
14
Hole for attachment
15
Hole for attachment
16
Hole for attachment
17
Hole for attachment
18
Hole for attachment
Drawing 4 Represents the phase relationships between the body transformer and the receiver
U1
Voltage curve at coil L1 transmitter
U2
Voltage curve at coil L2 transmitter
U3
Voltage curve at coil L3 transmitter
U4
Voltage curve at coil L3 receiver
α
Phase shift between U1 and U4

Claims (13)

Karosserietransformator für kabellose Energie- und Datenübertragung im Fahrzeug 1. Ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie und Informationen durch die Bleche der Karosserie eines Autos, zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern, wie Lampen, Blinker, Sensoren und allen anderen elektrischen Geräten im Fahrzeug und zum übertragen von elektrischen Daten wie vergleichsweise die Bussysteme in Fahrzeugen.Body transformer for wireless energy and data transmission in the vehicle 1 , A method for the transmission of electrical energy and information through the panels of the bodywork of a car, for the supply of electrical consumers, such as lamps, turn signals, sensors and all other electrical equipment in the vehicle and for transmitting electrical data, such as the bus systems in vehicles. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der elektrischen Energie Karosserie-Transformatoren eingesetzt werden, deren magnetischer Fluss sich in der Karosserie, dem Blech des Fahrzeuges ausbreitet. Der magnetische Fluss ist im Blech ein sich drehendes magnetisches Feld. Magnetische Feldlinien können auf bestimmte Bereiche im Blech begrenzt werden.A method according to claim 1, characterized in that for the transmission of electrical energy body transformers are used, the magnetic flux propagates in the body, the plate of the vehicle. The magnetic flux in the plate is a rotating magnetic field. Magnetic field lines can be limited to specific areas in the sheet metal. Ein Drehstromtransformator der dadurch gekennzeichnet ist, dass er wie in der Zeichnung 1 dargestellt, in das Blech der Fahrzeugkarosserie integriert wird. Dadurch gekennzeichnet, dass er aus drei Spulen besteht, die um 120° versetzt angeordnet sind. Die Transformatorenbleche sind Sternförmig zugeschnitten und werden schichtweise in den Abmessungen kleiner wie in Zeichnung 2 dargestellt. Der Transformatorenkern besteht aus verbundenen Transformatorenblechen wie in Zeichnung 2 dargestellt oder bei höheren Frequenzen aus einem Ferritmaterial.A three-phase transformer which is characterized in that it is integrated in the sheet metal of the vehicle body as shown in the drawing 1. Characterized in that it consists of three coils which are arranged offset by 120 °. The transformer sheets are cut in a star shape and are shown in layers smaller in dimensions as shown in drawing 2. The transformer core consists of connected Transformer sheets as shown in Figure 2 or at higher frequencies of a ferrite material. An die Transformatorenspulen L1, L2, L3 werden drei sinusförmige Wechselspannungen u1, u2, u3 wie in Zeichnung 4 dargestellt angeschlossen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen um 120° phasenverschoben sind. Die drei Wechselspannungen u1, u2, u3 gleiche Frequenzen haben und die drei Wechselspannungen gleich oder verschieden moduliert sein können. Dabei können verschiedene Modulationsarten angewendet werden. Die empfangende Spannung U4, U5 für jede Spule eine oder mehrere, ist abhängig vom Einbauort Phasenverschoben zu den Spannungen U1, U2 und U3. Die Phasenverschiebung wird zur Ortung des Empfängertransformators und zur gezielten Datenübertragung genutzt. Erkennung des Empfängers durch die Phasenverschiebung.To the transformer coils L1, L2, L3, three sinusoidal alternating voltages u1, u2, u3 are connected as shown in drawing 4, characterized in that the voltages are phase-shifted by 120 °. The three alternating voltages u1, u2, u3 have the same frequencies and the three alternating voltages can be modulated the same or different. Different types of modulation can be used. The receiving voltage U4, U5 for each coil one or more, is dependent on the installation phase phase shifted to the voltages U1, U2 and U3. The phase shift is used to locate the receiver transformer and for targeted data transmission. Detection of the receiver by the phase shift. Ein Transformatorenmodul, dadurch gekennzeichnet, das in einem Gehäuse als eine Einheit zum Senden der magnetischen Felder der sternförmige Karosserietransformator mit der Leistungselektronik und Controller integriert sind.A transformer module, characterized in that these are integrated in a housing as a unit for transmitting the magnetic fields of the star-shaped body with the power electronics and the transformer controller. Ein Empfängertransformator dargestellt in Zeichnung 1, der die magnetische Energie in eine elektrische Spannung wandelt, wird wie der sternförmige Transformator in das Karosserieblech integriert.A receiver transformer shown in drawing 1, which converts the magnetic energy into an electrical voltage, is integrated into the body panel like the star-shaped transformer. Eine Karosserietransformator aus mehreren Transformatorspulen so aufgebaut, dadurch gekennzeichnet, das bei geeigneter Steuerung durch mehrere phasenverschobener Wechselspannungen oder in der Wirkung vergleichbarer Spannungen ein sich drehendes magnetisches Feld durch den Transformator erzeugt wird.A body transformer constructed of a plurality of transformer coils, characterized in that, with suitable control by a plurality of phase-shifted alternating voltages or in the effect of comparable voltages, a rotating magnetic field is generated by the transformer. Dadurch gekennzeichnet, das der Energie Sendende Karosserietransformator aus einer Spule besteht wie der Energie Empfangende Karosserietransformator.Characterized in that the energy transmitting body transformer consists of a coil as the energy receiving body transformer. Dadurch gekennzeichnet, dass über die Karosserietransformatoren Daten, elektrische Signale, Spannungsimpulse in Form von Rechtecksignalen wie bei Telegrammen für die Kommunikation zwischen den Steuergeräten im Fahrzeug übertragen werden.Characterized in that are transmitted via the body transformers data, electrical signals, voltage pulses in the form of rectangular signals as in telegrams for communication between the control units in the vehicle. Dadurch gekennzeichnet, dass in das Karosserieblech zur Integration der Transformatoren Löcher, wie in Zeichnung 3 dargestellt, ausgeschnitten oder gestanzt werden. Die Löcher können zwischen 10 mm Durchmesser bis 200 mm Durchmesser haben.Characterized in that in the body panel for integrating the transformers holes, as shown in drawing 3, cut or punched. The holes can be between 10 mm diameter and 200 mm diameter. Dadurch gekennzeichnet, dass der Karosserietransformator im Blech ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt und das Blech der Karosserie Eigenschaften einer Antenne hat. Das Karosserie-Teil beziehungsweise der Bereich um den Karosserietransformator wird zu einem Flächenstrahler.Characterized in that the body transformer generates a rotating magnetic field in the sheet and the metal sheet of the body has properties of an antenna. The body part or the area around the body transformer becomes a surface radiator. Dadurch gekennzeichnet, das durch Messungen der S-Parameter, beziehungsweise der Sendecharakteristik Störkörper im nahen Bereich der Antenne erkannt werden. Hindernisse oder eine Gestik wie das greifen zur Tür können so mit Hilfe der Auswertung der S-Parameter erkannt werden.Characterized in that are detected by measurements of the S-parameter, or the transmission characteristic disturbing bodies in the near region of the antenna. Obstacles or a gesture such as grasping the door can thus be detected with the aid of the evaluation of the S parameters. Dadurch gekennzeichnet, das der Karosserietransformator als Sensor zum Erkennen von Gegenständen oder Bewegungen wie auch zur Abstandserkennung für Parksensoren Einsatz findet.Characterized in that the body transformer is used as a sensor for detecting objects or movements as well as for distance detection for parking sensors.
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