DE102018200911A1

DE102018200911A1 - Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie, Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102018200911A1
Application number: DE102018200911.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Bischoff; Wolfgang Pfaff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-25
Also published as: CN111602316B; WO2019141709A1; CN111602316A

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung (1) zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie, mit einer Sendeeinrichtung (2) und einer Empfangseinrichtung (3), wobei die Sendeeinrichtung (2) eine Übertragungsspule (4) und die Empfangseinrichtung (3) eine Übertragungsspule (7) aufweist, und wobei zur Übertragung elektrischer Energie die Übertragungsspulen (4,7) einander gegenüberliegend anordenbar sind. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine der Übertragungsspulen (4,7) zumindest eine Kompensationsspule (10) aufweist, die sich über eine Fläche erstreckt, die zumindest im Wesentlichen der Fläche der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) entspricht, und deren Wicklungsrichtung/Windungsrichtung zumindest im Wesentlichen der Windungsrichtung der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) entgegengerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie, mit einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung, wobei die Sendeeinrichtung eine insbesondere sendende Übertragungsspule und die Empfangseinrichtung eine insbesondere empfangende Übertragungsspule aufweist, und wobei die Übertragungsspulen zur Übertragung elektrischer Energie einander gegenüberliegend anordenbar sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung.
Stand der Technik
Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Bei der induktiven Energieübertragung wird in der sendenden Übertragungsspule (Sendespule) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Hierzu weist die Sendeeinrichtung üblicherweise einen der Übertragungsspule vorgeschalteten Oszillator auf. In der empfangenden Übertragungsspule (Empfangsspule) wird durch den Wechselstrom der Sendespule eine Wechselspannung induziert, die für die Anwendung zum Aufladen von Akkumulatoren beispielsweise gleichgerichtet wird. Der Abstand zwischen den beiden Übertragungsspulen stellt die drahtlose Übertragungsstrecke dar und sollte möglichst gering sein, um eine optimale Energieausbeute beziehungsweise einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Jede Übertragungsspule emitiert ein elektrisches Wechselfeld, welches aufgrund von Influenz elektrische Streuströme, insbesondere Körperströme, in der Umgebung verursachen kann. Prinzipbedingt steigt die Stärke der Streufelder an, wenn die Übertragungsspulen mit zunehmendem Abstand zueinander betrieben werden. Ohne Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise das Einkapseln oder Einhausen in der Nähe befindlicher Elemente oder der Vorrichtung selbst, kann es zu unerwünschten elektrischen Strömen in der Umgebung der Übertragungsspulen kommen. Um jedoch mehr Flexibilität bei einer derartigen Vorrichtung für den Benutzer zu gewährleisten, geht der Trend hin zu größer werdenden Abständen zwischen den Übertragungsspulen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass Streuflüsse besonders effektiv reduziert oder verhindert werden, und dass dabei auf aufwändige schützende Gehäuse, geschützte Anschlussdrähte oder eine galvanische Isolation des Übertragungskreises verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zumindest eine ausgewählte der Übertragungsspulen, zumindest eine Kompensationsspule oder -windung aufweist, die sich über eine Fläche erstreckt, die zumindest im Wesentlichen der Fläche der Sendespule entspricht, und deren Windungsrichtung zumindest im Wesentlichen der Windungsrichtung der ausgewählten Übertragungsspule, insbesondere Sendespule, entgegengerichtet ist. Durch die Kompensationsspule wird das von der Übertragungsspule erzeugte Streufeld direkt an der Übertragungsspule kompensiert, wodurch auf externe Schutzmechanismen, wie die genannten Gehäuse, verzichtet werden kann.
Bevorzugt ist die Kompensationsspule einendig mit der ausgewählten Übertragungsspule verbunden und anderendig frei. Die ausgewählte Übertragungsspule und die Kompensationsspule bilden somit einen stark gekoppelten Transformator.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Wicklungsform der Kompensationsspule der Wicklungsform der ausgewählten Übertragungsspule entspricht. Dadurch weisen sowohl die Kompensationsspule als auch die Übertragungsspule die gleiche Wicklungsform auf, wodurch auf den gleichen Herstellungsprozess zurückgegriffen und die Herstellungskosten reduziert werden können. Darüber hinaus ist sichergestellt, dass die Kompensationsspule der ausgewählten Übertragungsspule, insbesondere Sendespule entgegen gerichtete Streufelder erzeugt, welche die Streufelder der Übertragungsspule kompensiert.
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Wicklungsformen von der Kompensationsspule und der ausgewählten Überragungsspule unterschiedlich ausgebildet sind. Dabei wird insbesondere berücksichtigt, dass der Strom, der durch die Übertragungsspule und die Kompensationsspule führt, sich im Betrieb stark voneinander unterscheiden kann. Somit ist eine Anpassung der Übertragungsspule und der Kompensationsspule auf die jeweilige Aufgabe optimiert möglich. Insbesondere der Querschnitt und/oder das Material der Kompensationsspule können sich von der Sendespule unterscheiden. Grundsätzlich kann die Kompensationsspule beziehungsweise ihr Windungsdraht rund oder eckig, massiv, hohl oder flach im Querschnitt ausgebildet sein.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kompensationsspule einen elektrisch nicht leitfähigen Grundkörper mit einer metallischen Beschichtung aufweist. Hierdurch ist eine besonders kostengünstige Kompensationsspule herstellbar, deren Kompensationswirkung dennoch ausreichend ist, um den zuvor genannten Zweck zu erfüllen. Bei dem elektrisch nicht leitfähigen Material kann es sich beispielsweise um Papier, Folie oder eine Röhre handeln, die elektrisch isolierend sind. Insbesondere ist die Kompensationsspule aus einem Material gefertigt, das günstiger ist als das der Sendewicklung. So kann die Kompensationsspule auch aus Plastik oder Eisen anstelle von Kupfer ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die Kompensationsspule auf ein Trägersubstrat, insbesondere auf eine Gehäusewand der Vorrichtung, aufgedruckt. Hierdurch ist die Herstellung der Kompensationsspule besonders kostengünstig realisierbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Kompensationsspule und die ausgewählte Übertragungsspule auf jeweils einem Trägersubstrat ausgebildet, insbesondere aufgedruckt. Hierdurch ergibt sich eine insgesamt kostengünstige Herstellung der Vorrichtung.
Besonders bevorzugt ist beiden Übertragungsspulen jeweils eine Kompensationsspule, wie vorstehend beschrieben, zugeordnet. Damit erfolgt eine Kompensation von Streufeldern sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite der Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass zu zumindest einer ausgewählten der Übertragungsspulen zumindest eine Kompensationsspule gewickelt wird, die sich über eine Fläche erstreckt, die zumindest im Wesentlichen der Fläche der ausgewählten Übertragungsspule entspricht und deren Windungsrichtung zumindest im Wesentlichen der Windungsrichtung der ausgewählten Übertragungsspule entgegengerichtet ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile, bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1 eine vorteilhafte Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorteilhaften Weiterbildung und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der vorteilhaften Weiterbildung.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 1 zur berührungsfreien beziehungsweise drahtlosen Energieübertragung. Dazu weist die Vorrichtung 1 eine Sendeeinrichtung 2 und eine Empfangseinrichtung 3 auf.
Die Sendeeinrichtung 2 weist eine sendende Überragungsspule 4 (Sendespule) auf, welcher ein Oszillator 5 vorgeschaltet ist. Der Oszillator ist außerdem mit einer Spannungsquelle 6 verbunden und durch ein hier nicht dargestelltes Steuergerät betreibbar, um die Sendespule mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen.
Die Empfangseinrichtung 3 weist eine empfangende Übertragungsspule 7 (Empfangsspule) auf, deren Empfangscharakteristik zumindest im Wesentlichen der Form der Sendespule 4 entspricht, sowie einen Gleichrichter 8, der der Empfangsspule nachgeschaltet und mit einem Verbraucher 9, wie beispielsweise einem Laderegler oder einer Batteriezelle, verbunden ist.
Durch Ansteuern des Oszillators 5 und die damit erzeugte Wechselspannung in der Übertragungsspule 4 wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, wie durch Pfeile in der 1 gezeigt, welches auch die Übertragungsspule 7 beaufschlagt und dadurch einen Storm in die Empfangsspule induziert. Der induzierte Wechselstrom wird im Gleichrichter 8 gleichgerichtet und damit als Gleichspannung oder Gleichstrom dem Verbraucher 9 zugeführt.
Um auch bei einem großen Abstand x zwischen Sendespule und Empfangsspule das Entstehen unerwünschter Streufelder zu vermeiden, ist der Sendespule eine zusätzliche Kompensationsspule 10 zugeordnet.
2 zeigt hierzu in einem ersten Ausführungsbeispiel die Sendespule 4 mit einer durchgezogenen Linie und die ihr zugeordnete Kompensationsspule 10 mit einer gestrichelten Linie. Die beiden Spulen 4, 10 sind spiralförmig gewickelt, so dass sie im Mittelpunkt zusammentreffen, wo sie eine gemeinsame Verbindungsstelle 13, an welcher sie elektrisch miteinander verbunden sind, aufweisen. Damit erstreckt sich die Kompensationsspule 10 im Wesentlichen über die gleiche Fläche, über welche sich auch die Sendespule erstreckt. Als Fläche wird dabei der Bereich in der Ebene der jeweiligen Spule 4, 10 verstanden, der von der jeweiligen Spule 4, 10 bedeckt oder eingeschlossen ist. Darüber hinaus ist die Kompensationsspule 10 der Übertragungsspule 4 entgegen gewickelt, so dass sie unterschiedliche Wicklungsrichtungen aufweisen. Während die Sendespule außerdem an ihrem einen Ende mit dem Oszillator 5 beziehungsweise der Versorgungsspannung verbunden ist, ist das freie Ende 12 der Kompensationsspule 10 frei. Durch die Kompensationsspule 10 werden Streufelder der Sendespule direkt im Bereich der Sendespule kompensiert, so dass auf zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen verzichtet werden kann.
2 zeigt eine vereinfachte Form der Spulen 4, 10. Vielfache Windungs-Arrays, rechteckförmige, oder mehrschichtige Windungen sind ebenfalls möglich. Auch können die Sendespule 4 und die Kompensationsspule 10 miteinander vertauscht werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Sendeeinrichtung 2, bei welchem die beiden Spulen 4, 10 quadratisch oder quadratförmig gewickelt sind. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 2 ist außerdem vorgesehen, dass die Spulen 4, 10 außen an der Verbindungsstelle 13 miteinander verbunden sind und ihre freien Enden 11, 12 innen liegend. Auch sind Ausführungen denkbar, bei welchen die freien Enden 11, 12 zwischen dem Außenumfang und dem Innenumfang der jeweiligen Wicklung/Spule 4, 10 liegen. Die Spulen können also im Zentrum beginnen und nach außen gewickelt sein oder anders herum, oder sie können dazwischen beginnen und sowohl nach außen als auch nach innen gewickelt werden. Die Sendespule kann außerdem einen Mittelabgriff 14 aufweisen, wie er beispielsweise in 4 gezeigt ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die Spulen 10, 4 spiralförmig gewickelt sind, wobei die Sendespule den Mittelabgriff 14 aufweist und somit von außen nach innen zurück nach außen gewickelt wird. Die Kompensationsspule 10 ist dazu parallel gewickelt und an der gemeinsamen Verbindungsstelle 13 an der Außenseite mit der Sendespule verbunden.
In allen Ausführungsbeispielen ist bevorzugt die Kompensationsspule 10 aus einem Material hergestellt, das günstiger ist als das der Sendespule.
Insbesondere kann das Material ein Papier-, Folien- oder Röhrenbasiselement aufweisen, das mit einer Metallbeschichtung versehen ist. Alternativ ist zumindest eine der Spulen 4, 10 auf ein Trägersubstrat aufgedruckt. Die Querschnitte der beiden Spulen 4, 10 können sich ebenfalls unterscheiden. So kann beispielsweise die Kompensationsspule 10 im Querschnitt rund, eckig, massiv, hohl oder flach ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise entspricht die Übertragungsspule 7 in Form und Gestalt der Übertragungsspule 4, um eine vorteilhafte Strominduktion zu erreichen.
Während in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich der Sendespule beziehungsweise der Übertragungsspule 4 die Kompensationsspule 10 zugeordnet ist, ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nur der Übertragungsspule 7 eine wie vorstehend beschrieben ausgebildete Kompensationsspule zugeordnet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind beiden Übertragungsspulen 4, 7 jeweils eine Kompensationsspule gemäß der Kompensationsspule 10 zugeordnet.

Claims

Vorrichtung (1) zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie, mit einer Sendeeinrichtung (2) und einer Empfangseinrichtung (3), wobei die Sendeeinrichtung (2) eine Übertragungsspule (4) und die Empfangseinrichtung (3) eine Übertragungsspule (7) aufweist, und wobei zur Übertragung elektrischer Energie die Übertragungsspulen (4,7) einander gegenüberliegend anordenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Übertragungsspulen (4,7) zumindest eine Kompensationsspule (10) aufweist, die sich über eine Fläche erstreckt, die zumindest im Wesentlichen der Fläche der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) entspricht, und deren Wicklungsrichtung/Windungsrichtung zumindest im Wesentlichen der Windungsrichtung der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) entgegengerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule (10) einendig mit der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) verbunden und anderendig frei ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsform der Kompensationsspule (10) der Wicklungsform der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsform der Kompensationsspule (10) sich von der Wicklungsform der ausgewählten Übertragungsspule (4,7) unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule (10) einen elektrisch nicht leitfähigen Grundkörper mit einer metallischen Beschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule (10) auf einem Trägersubstrat, insbesondere Gehäusewand, aufgedruckt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule (10) und die ausgewählte Übertragungsspule (4,7) auf jeweils einem Trägersubstrat ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Übertragungsspulen (4,7) eine Kompensationsspule (10) aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine Sendeeinrichtung (2) und eine Empfangseinrichtung (3) aufweist, wobei die Sendeeinrichtung (2) eine Übertragungsspule (4) und die Empfangseinrichtung (3) eine Übertragungsspule (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zu zumindest einer der Übertragungsspulen (4,7) zumindest eine Kompensationsspule (10) gewickelt wird, die sich über eine Fläche erstreckt, die der Fläche der Übertragungsspule (4,7) zumindest im Wesentlichen entspricht, und deren Wicklungsrichtung der Wicklungsrichtung der Übertragungsspule (4,7) entgegen gerichtet ist.