DE102013217877A1 - Device for inductive energy transmission and method for inductive energy transmission - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine induktive Energieübertragung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule. Veränderungen des Koppelfaktors zwischen Primär- und Sekundärspule, die beispielsweise aufgrund von Variationen im Luftspalt oder einem Versatz zwischen Primärspule und Sekundärspule auftreten, werden durch Anpassung der aktiv beteiligten Spulenwindungen in Primär- oder Sekundärspule kompensiert. Somit kann eine Koppelinduktivität zwischen Primär- und Sekundärspule auch bei veränderlichem Koppelfaktor nahezu konstant gehalten werden oder an eine bestimmte Ladeleistung angepasst werden. Hierdurch ist eine Optimierung des Wirkungsgrades oder anderer Parameter möglich. Weiterhin kann eine Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Primär- und Sekundärspulenanordnungen erreicht werden.The present invention provides inductive energy transfer between a primary coil and a secondary coil. Changes in the coupling factor between the primary and secondary coils, which occur for example due to variations in the air gap or an offset between the primary coil and secondary coil, are compensated by adapting the coil windings actively involved in the primary or secondary coil. Thus, a coupling inductance between primary and secondary coil can be kept almost constant even with variable coupling factor or adapted to a specific charging power. As a result, an optimization of the efficiency or other parameters is possible. Furthermore, compatibility between different primary and secondary coil arrangements can be achieved.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung zu einer mit der Primärspulenanordnung induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung.The present invention relates to an apparatus and method for inductive power transmission. In particular, the present invention relates to an inductive energy transfer from a primary coil arrangement to a secondary coil arrangement which can be inductively coupled to the primary coil arrangement.
Stand der TechnikState of the art
Elektrofahrzeuge, die alleine mittels eines Elektromotors angetrieben werden, sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Plugin-Hybridfahrzeuge bekannt, deren Antrieb durch eine Kombination eines Elektromotors und einer weiteren Antriebsmaschine erfolgt. Dabei wird die elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie, bereitgestellt. Nachdem der Energiespeicher ganz oder teilweise entladen ist, ist es erforderlich, den Energiespeicher erneut aufzuladen. Für das Aufladen des Energiespeichers existieren verschiedene Ansätze.Electric vehicles powered by an electric motor alone are known. In addition, plug-in hybrid vehicles are known, the drive is effected by a combination of an electric motor and another drive machine. In this case, the electrical energy for driving the electric motor is provided by an electrical energy store, for example a traction battery. After the energy storage is completely or partially discharged, it is necessary to recharge the energy storage. There are various approaches for charging the energy store.
Zum einen ist es möglich, das Elektrofahrzeug mittels eines geeigneten Ladekabels galvanisch mit einer Ladestation zu verbinden. Hierzu muss ein Benutzer eine elektrische Verbindung zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation herstellen. Dies kann insbesondere bei schlechten Witterungsverhältnissen, wie zum Beispiel Regen, als unangenehm empfunden werden. Aufgrund der sehr eingeschränkten elektrische Reichweite von Elektro- und Plugin-Hybridfahrzeugen muss diese Kabelverbindung durch den Benutzer zudem sehr oft hergestellt werden, was von vielen Nutzern als großer Nachteil von Elektrofahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen empfunden wird. On the one hand, it is possible to electrically connect the electric vehicle to a charging station by means of a suitable charging cable. To do this, a user must establish an electrical connection between the electric vehicle and the charging station. This can be perceived as unpleasant especially in bad weather conditions, such as rain. Due to the very limited electrical range of electric and plug-in hybrid vehicles this cable connection must also be made very often by the user, which is perceived by many users as a major disadvantage of electric vehicles compared to conventional vehicles.
Daher existieren andererseits auch kabellose Lösungen zur Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug. Hierbei wird die Energie von der Ladestation über ein magnetisches Wechselfeld von einer Primärspule zu einer Sekundärspule in dem Elektrofahrzeug übertragen. Anschließend wird die von der Sekundärspule empfangene Energie in elektrische Energie umgewandelt und der Traktionsbatterie in dem Fahrzeug zugeführt. Dabei kommen sowohl auf Primär- wie auch auf Sekundärseite Resonanznetzwerke zum Einsatz, um eine effiziente Energieübertragung zu ermöglichen. Hierzu sind unterschiedliche Resonanznetzwerke bekannt.On the other hand, therefore, there are also wireless solutions for transmitting energy from a charging station to an electric vehicle. In this case, the energy is transferred from the charging station via an alternating magnetic field from a primary coil to a secondary coil in the electric vehicle. Subsequently, the energy received by the secondary coil is converted into electrical energy and supplied to the traction battery in the vehicle. Resonance networks are used on both the primary and the secondary side to enable efficient energy transmission. For this purpose, different resonance networks are known.
Bei all diesen Lösungen ist es erforderlich, dass das Elektrofahrzeug mit der Sekundärspule möglichst präzise über der Primärspule der Ladestation angeordnet wird. Je nach Abstand und Lage der Primärspule und der Sekundärspule zueinander ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf das Spulensystem. Die Druckschrift
Es besteht ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragung, die einfach auf Variationen in der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule anpassbar ist. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragung, die auch bei nicht optimaler Ausrichtung von Primär- und Sekundärspule eine verbesserte Energieübertragung ermöglicht und dabei keine mechanisch bewegte Vorrichtung benötigt.There is a need for inductive power transfer which is easily adaptable to variations in the coupling between the primary and secondary coils. In addition, there is a need for an inductive energy transfer, which allows an improved energy transfer even with non-optimal alignment of primary and secondary coil and does not require a mechanically moving device.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung, die eine erste Anzahl von Primärwindungen aufweist, wobei die Primärwindungen dazu ausgelegt sind, während der induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflossen zu werden, und einer Sekundärspulenanordnung, welche dazu ausgelegt ist, zwischen einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen eine elektrische Wechselspannung bereitzustellen, wobei die erste Anzahl von Primärwindungen der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen der Sekundärspulenanordnung veränderbar ist.In one aspect, the present invention provides a device for inductive power transmission having a primary coil assembly having a first number of primary windings, the primary windings adapted to be traversed by an alternating electrical current during inductive power transmission and a secondary coil assembly configured therefor is to provide an alternating electrical voltage between a second number of secondary windings, wherein the first number of primary windings of the primary coil assembly and / or the second number of secondary windings of the secondary coil assembly is variable.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung zu einer mit der Primärspulenanordnung induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung, mit den Schritten des Bereitstellens der Primärspulenanordnung; des Bereitstellens der Sekundärspulenanordnung; und des Anpassens einer ersten Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung, die während der induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflossen werden und/oder des Anpassens einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung, zwischen der während der induktiven Energieübertragung eine elektrische Wechselspannung bereitgestellt wird.According to a further aspect, the present invention provides a method for inductive energy transmission from a primary coil arrangement to a secondary coil arrangement inductively coupled to the primary coil arrangement, comprising the steps of providing the primary coil arrangement; the provision of the secondary coil assembly; and adapting a first number of primary windings in the primary coil arrangement, which are traversed by an alternating electrical current during the inductive energy transmission and / or adapting a second number of secondary windings in the secondary coil arrangement, between which an alternating electrical voltage is provided during the inductive energy transmission.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Eigenschaften der Primärspule und/oder der Sekundärspule an äußere Rahmenbedingungen anzupassen. Durch gezieltes Zu- oder Abschalten einzelner Windungen auf Primär- und/oder Sekundärseite können dabei die Induktivitäten derart angepasst werden, dass eine Koppelinduktivität zwischen den beiden Spulen auch bei veränderlichem Koppelfaktor möglichst konstant gehalten wird. Somit ist es möglich, beispielsweise den Wirkungsgrad oder auch andere Optimierungsgrößen entscheidend zu verbessern.The present invention is based on the idea of the properties of the primary coil and / or the secondary coil to adapt to external conditions. By selectively switching on or off individual windings on the primary and / or secondary side while the inductors can be adjusted so that a coupling inductance between the two coils is kept as constant as possible even with variable coupling factor. Thus, it is possible, for example, to significantly improve the efficiency or other optimization variables.
Durch die erfindungsgemäßen Variationen in der Primärspule und/oder der Sekundärspule ist es möglich, das Spulensystem auf die jeweiligen Rahmenbedingungen anzupassen. Somit können die Betriebsbedingungen optimiert werden. Beispielsweise kann auf Abweichungen in dem Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule reagiert werden. Ebenso ist es möglich, das Spulensystem auf die zu übertragende Leistung hin zu optimieren.Due to the inventive variations in the primary coil and / or the secondary coil, it is possible to adapt the coil system to the respective conditions. Thus, the operating conditions can be optimized. For example, it is possible to respond to deviations in the air gap between the primary and secondary coils. It is also possible to optimize the coil system for the power to be transmitted.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Primärspulenanordnung eine vorbestimmte Anzahl von Basiswindungen, sowie eine erste Erweiterungseinheit auf. Die erste Erweiterungseinheit ist dabei dazu ausgelegt, eine oder mehrere Zusatzwindungen zu den Basiswindungen der Primärspulenanordnung hinzuzufügen. Eine Primärspulenanordnung mit mehr als einer Erweiterungseinheit ist ebenso möglich. Durch eine solche Schaltungsanordnung wird eine einfache Anpassung der während der Energieübertragung aktiven Primärwindungen in der Primärspulenanordnung ermöglicht.According to one embodiment, the primary coil arrangement has a predetermined number of base turns as well as a first extension unit. The first expansion unit is designed to add one or more additional turns to the base turns of the primary coil arrangement. A primary coil arrangement with more than one expansion unit is also possible. By such a circuit arrangement, a simple adaptation of the active during the energy transfer primary windings in the primary coil assembly is made possible.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst die erste Erweiterungseinheit eine erste Kompensationsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz in der Primärspulenanordnung anzupassen. Beispielsweise können hierzu die Zusatzwindungen in der Erweiterungseinheit mit einer auf die Zusatzwindungen abgestimmten Kompensationskapazität gekoppelt werden. Somit kann auch bei Variation der Windungsanzahl in der Primärspulenanordnung die Resonanzfrequenz des Systems an die gewünschte Betriebsfrequenz angepasst werden.According to a specific embodiment, the first expansion unit comprises a first compensation device, which is designed to adapt a resonance frequency in the primary coil arrangement. For example, for this purpose, the additional windings in the expansion unit can be coupled with a compensation capacity matched to the additional windings. Thus, even with variation of the number of turns in the primary coil arrangement, the resonance frequency of the system can be adapted to the desired operating frequency.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sekundärspulenanordnung eine vorbestimmte Anzahl von Grundwindungen sowie eine zweite Erweiterungseinheit auf. Die zweite Erweiterungseinheit ist dabei dazu ausgelegt, eine oder mehrere Ergänzungswindungen zu den Grundwindungen der Sekundärspulenanordnung hinzuzufügen. Auf diese Weise ist eine einfache Anpassung der aktiven Sekundärwindungen in der Sekundärspule möglich.According to a further embodiment, the secondary coil arrangement has a predetermined number of ground coils and a second expansion unit. The second extension unit is designed to add one or more supplementary turns to the base turns of the secondary coil arrangement. In this way, a simple adaptation of the active secondary windings in the secondary coil is possible.
In einer speziellen Ausführungsform weist die zweite Erweiterungseinheit eine zweite Kompensationsvorrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz in der Sekundärspulenanordnung anzupassen. Somit ist es auch auf der Sekundärseite möglich, die Resonanzfrequenz des Systems an die gewünschte Betriebsfrequenz anzupassen.In a specific embodiment, the second expansion unit has a second compensation device which is designed to adapt a resonance frequency in the secondary coil arrangement. Thus, it is also possible on the secondary side to adjust the resonance frequency of the system to the desired operating frequency.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung anzupassen. Durch eine solche Steuereinheit wird eine effiziente und optimierte Anpassung der aktiven Windungen in der Primärspule und/oder der Sekundärspule ermöglicht. According to a further embodiment, the inductive power transmission device further comprises a control unit which is adapted to adapt the first number of primary windings in the primary coil arrangement and / or the second number of secondary windings in the secondary coil arrangement. Such a control unit enables an efficient and optimized adaptation of the active windings in the primary coil and / or the secondary coil.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Strom und/oder eine Spannung in der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung zu messen und die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und/oder der gemessenen Spannung anzupassen. Auf diese Weise ist eine effiziente Anpassung der Spulenverhältnisse möglich.According to a further embodiment, the inductive power transmission device further comprises a control unit which is designed to measure a current and / or a voltage in the primary coil arrangement and / or the secondary coil arrangement and the first number of primary windings in the primary coil arrangement and / or the second Number of secondary windings in the secondary coil assembly as a function of the measured current and / or the measured voltage to adapt. In this way, an efficient adjustment of the coil ratios is possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung in Abhängigkeit von der zu übertragenden Leistung an. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei Variationen in der zu übertragenden Leistung stets eine optimale induktive Energieübertragung zu ermöglichen.According to a further embodiment, the control unit adjusts the first number of primary windings in the primary coil arrangement and / or the second number of secondary windings in the secondary coil arrangement as a function of the power to be transmitted. In this way it is possible, even with variations in the power to be transmitted to always allow optimal inductive energy transfer.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung zu Beginn einer Energieübertragung an. Somit können von Anfang an die Windungsverhältnisse und somit auch die Koppelinduktivität an die jeweiligen Übertragungsverhältnisse angepasst werden.According to yet another embodiment, the control unit adjusts the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of secondary windings in the secondary coil assembly at the beginning of an energy transfer. Thus, from the beginning the winding ratios and thus also the coupling inductance can be adapted to the respective transmission conditions.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung während einer Energieübertragung dynamisch an. Eine solche Anpassung kann entweder kontinuierlich, zyklisch während fest vorgegebenen Zeitintervallen oder bei Eintreffen vordefinierter Ereignisse, wie beispielsweise Schwankungen in Strom, Spannung oder Leistung erfolgen. Durch eine dynamische Anpassung ist es möglich, Variationen, die während der Energieübertragung eintreffen, zu reagieren und während der gesamten Energieübertragung die Übertragungsverhältnisse zu optimieren.According to another embodiment, the control unit dynamically adjusts the first number of primary turns in the primary coil assembly and / or the second number of secondary turns in the secondary coil assembly during energy transfer. Such an adjustment may be either continuous, cyclical during fixed predetermined time intervals or upon the arrival of predefined events, such as variations in current, voltage or power. A dynamic adaptation makes it possible to react to variations that occur during the energy transmission and to optimize the transmission conditions during the entire energy transmission.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung an eine zu übertragene Leistung an. Dadurch kann z.B. die Primärspulenanordnung so angepasst werden, dass sie zu unterschiedlichen Sekundärspulenanordnungen kompatibel ist. Analog kann auch die Sekundärspulenanordnung so angepasst werden, dass sie zu unterschiedlichen Primärspulenanordnungen kompatibel ist.According to a further embodiment, the control unit adjusts the first number of primary windings in the primary coil arrangement and / or the second number of secondary windings in the secondary coil arrangement to a power to be transmitted. Thereby, e.g. the primary coil assembly is adapted to be compatible with different secondary coil assemblies. Similarly, the secondary coil arrangement can also be adapted so that it is compatible with different primary coil arrangements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen die einzeln schaltbaren Spulenteile der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung aus Windungen mit unterschiedlichen Leiterquerschnitten und/oder unterschiedlichen Hochfrequenzlitzen. According to a further embodiment, the individually switchable coil parts of the primary coil arrangement and / or the secondary coil arrangement consist of turns with different conductor cross-sections and / or different high-frequency hubs.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Ladevorrichtung eine Mehrzahl von unterschiedlichen Primärspulenanordnungen und/oder Sekundärspulenanordnungen, die für unterschiedliche Ladeleistungen optimierten sind, wobei in Abhängigkeit von der zu übertragenden Ladeleistung jeweils eine Primärspulenanordnungen und eine Sekundärspulenanordnungen ausgewählt wird. In accordance with yet another embodiment, the charging device comprises a plurality of different primary coil arrangements and / or secondary coil arrangements which are optimized for different charging powers, wherein in each case a primary coil arrangement and a secondary coil arrangement is selected as a function of the charging power to be transmitted.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Durch das Anregen der Primärspulenanordnung
Bei der Auslegung konventioneller Ladesysteme mit einer induktiven Energieübertragung wird davon ausgegangen, dass zwischen der Primärspulenanordnung
Die Vorrichtung
In dem in
Für eine Energieübertragung von der Primärspulenanordnung
Die Vorrichtung
Analog zu der Variation der aktiven Spulenwindungen der Primärspulenanordnung
Die Anzahl der aktiv an der Energieübertragung beteiligten Primärwindungen in der Primärspulenanordnung
Darüber hinaus sind verschiedene Optimierungsparameter möglich. Beispielsweise kann basierend auf ermittelten oder berechneten Werten für Ströme, Spannungen, Magnetfelder im Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspulenanordnung, etc. die Energieübertragung so eingestellt werden, dass sich ein optimierter Wirkungsgrad für die Energieübertragung ergibt. Alternativ ist auch eine Anpassung der aktiven Spulenwindungen für weitere Optimierungsparameter möglich.In addition, various optimization parameters are possible. For example, based on determined or calculated values for currents, voltages, magnetic fields in the air gap between primary and secondary coil arrangement, etc., the energy transfer can be adjusted so that an optimized efficiency for the energy transfer results. Alternatively, it is also possible to adapt the active coil turns for further optimization parameters.
So können beispielsweise je nach zu übertragender Leistung von der Primärspulenanordnung
Für eine optimale Einstellung der aktiv an der Energieübertragung beteiligten Spulenwindungen ist es dabei vorteilhaft, bereits vor Beginn der Energieübertragung oder unmittelbar bei Start der Energieübertragung die Anzahl der aktiv an der Energieübertragung beteiligten Spulenwindungen zu bestimmen und daraufhin die Primärspulenanordnung
In Schritt
In Schritt
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Energieübertragung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule. Veränderungen des Koppelfaktors zwischen Primär- und Sekundärspule, die beispielsweise aufgrund von Variationen im Luftspalt oder einem Versatz zwischen Primärspule und Sekundärspule auftreten, werden durch Anpassung der aktiv beteiligten Spulenwindungen in Primär- oder Sekundärspule kompensiert. Somit kann eine Koppelinduktivität zwischen Primär- und Sekundärspule auch bei veränderlichem Koppelfaktor nahezu konstant gehalten werden oder an eine bestimmte Ladeleistung angepasst werden. Hierdurch ist eine Optimierung des Wirkungsgrades oder anderer Parameter möglich. Weiterhin kann eine Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Primär- und Sekundärspulenanordnungen erreicht werden.In summary, the present invention relates to an inductive energy transfer between a primary coil and a secondary coil. Changes in the coupling factor between the primary and secondary coils, which occur for example due to variations in the air gap or an offset between the primary coil and secondary coil, are compensated by adapting the coil windings actively involved in the primary or secondary coil. Thus, a coupling inductance between primary and secondary coil can be kept almost constant even with variable coupling factor or adapted to a specific charging power. As a result, an optimization of the efficiency or other parameters is possible. Furthermore, compatibility between different primary and secondary coil arrangements can be achieved.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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