DE102018216916A1 - Device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik aufweist, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Primärspulenanordnung weist dabei mehrere Einzelspulen und Kapazitäten auf, die über eine oder mehrere Schalteinrichtungen der Primärspulenanordnung zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind. Die Primärkreise sind auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und umfassen jeweils eine der Einzelspulen oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen. Die vorgeschlagene Einrichtung ermöglicht es, unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, wobei Ladeleistung sowie Strom- und Spannungspegel dabei im Betriebspunkt gleich bleiben.The present invention relates to a device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement. The primary coil arrangement has a plurality of individual coils and capacitances which can be connected to different primary circuits via one or more switching devices of the primary coil arrangement. The primary circuits are tuned to the same resonance frequency and each include one of the individual coils or a series connection of several of the individual coils. The proposed device enables different types of vehicles with different ground clearances to be supplied inductively with energy, the charging power and current and voltage levels remaining the same at the operating point.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik aufweist, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung.The present invention relates to a device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement. The invention also relates to a method for contactless inductive energy transmission with the proposed device.

Die induktive Energieübertragung stellt eine kontaktlose Übertragungstechnik dar, die bspw. zum Laden des Akkumulators eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden kann. Dabei befinden sich die Primärspule im Boden eines Stellplatzes und die Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs. Ein Problem dieser kontaktlosen Energieübertragung, speziell im Kraftfahrzeugbereich, sind unterschiedliche Abstände der Spulen aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugklassen. Dies führt in erster Linie zu unterschiedlichen Koppelfaktoren und dementsprechend unterschiedlichem Betriebsverhalten. Die SAE Norm J2954 spezifiziert drei unterschiedliche z-Klassen im Abstand von 100mm bis 250mm.Inductive energy transmission is a contactless transmission technology that can be used, for example, to charge the battery of an electric vehicle. The primary coil is in the floor of a parking space and the secondary coil is on the underbody of the vehicle. One problem with this contactless energy transmission, especially in the motor vehicle sector, is the different distances between the coils due to different vehicle classes. This leads primarily to different coupling factors and accordingly different operating behavior. The SAE standard J2954 specifies three different z-classes at a distance of 100mm to 250mm.

Stand der TechnikState of the art

Bisherige Systeme zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung sind für einen bestimmten Koppelfaktor der Spule ausgelegt. Da sich der Koppelfaktor mit einer Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule verkleinert oder vergrößert, führt dies zu Abweichungen im Betriebspunkt. Abweichungen bedeuten, dass die Ladeleistung schwankt und Spannungspegel bzw. Stromstärke sich ändern. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden, so dass die Ladeeinrichtung abgeschaltet werden muss.Previous systems for contactless inductive energy transmission are designed for a specific coupling factor of the coil. Since the coupling factor decreases or increases with a change in the distance between the primary coil and the secondary coil, this leads to deviations in the operating point. Deviations mean that the charging power fluctuates and the voltage level or current change. If the deviations from the intended operating point become too large, the operational safety can be impaired, so that the charging device must be switched off.

Zur Vermeidung dieser Problematik im Bereich der Kraftfahrzeuge ist es bekannt, den Primär- und den Sekundärkreis geeignet zu regeln. So kann bei geändertem Koppelfaktor bspw. die Eingangsspannung angepasst werden oder auch die Ausgangsspannung. Nachteilig dabei ist, dass bei diesen Methoden entweder die Ladeleistung, die Effizienz oder die Spannung nicht konstant bleiben und außerdem eine zusätzliche Regelung im System benötigt wird.To avoid this problem in the field of motor vehicles, it is known to suitably regulate the primary and secondary circuits. If the coupling factor is changed, for example, the input voltage or the output voltage can be adjusted. The disadvantage here is that with these methods either the charging power, the efficiency or the voltage do not remain constant and that additional control in the system is also required.

Eine weitere bekannte Technik zur Vermeidung der obigen Problematik besteht darin, den unterschiedlichen Abstand durch eine mechanisch bewegliche Primärseite auszugleichen. Die Primärspule wird hierbei mit Hilfe eines Aktors entsprechend angehoben oder abgesenkt. Damit ist die gleiche Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln möglich. Ein Nachteil besteht hierbei jedoch in der dafür benötigten Mechanik, die regelmäßig gewartet werden muss.Another known technique for avoiding the above problem is to compensate for the different distance by means of a mechanically movable primary side. The primary coil is raised or lowered accordingly using an actuator. This means that the same charging power is possible with the same amperage and voltage levels. A disadvantage here, however, is the mechanics required for this, which must be maintained regularly.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung anzugeben, die ohne mechanisch bewegliche Teile eine konstante Ladeleistung und konstante Spannungspegel auch bei vorgegebenen unterschiedlichen Abständen zwischen Primär- und Sekundärspule ermöglicht.The object of the present invention is to provide a device for contactless inductive energy transmission which enables a constant charging power and constant voltage level without mechanically moving parts, even with predetermined different distances between the primary and secondary coils.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Patentanspruch 8 gibt ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung an.The object is achieved with the device for contactless inductive energy transmission according to claim 1. Advantageous embodiments of the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiment. Claim 8 specifies a method for contactless inductive energy transmission with the proposed device.

Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik auf, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist, die sie also mit einer geeigneten Wechselspannung versorgt. Die Leistungselektronik kann dabei in bekannter Weise eine Gleichspannungsquelle und einen Wechselrichter aufweisen. Die vorgeschlagene Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Primärspulenanordnung eine oder mehrere Schalteinrichtungen sowie mehrere Einzelspulen und Kapazitäten aufweist, die über die eine oder mehreren Schalteinrichtungen zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind. Diese Primärkreise umfassen jeweils nur eine oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen und sind jeweils auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt.The proposed device has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement, which is designed for the energy transmission via the primary coil arrangement, which therefore supplies it with a suitable AC voltage. The power electronics can have a DC voltage source and an inverter in a known manner. The proposed device is characterized in that the primary coil arrangement has one or more switching devices and several individual coils and capacitances which can be connected to different primary circuits via the one or more switching devices. These primary circuits each comprise only one or a series connection of several of the individual coils and are each tuned to the same resonance frequency.

In der Primärspulenanordnung der vorgeschlagenen Einrichtung lassen sich somit unterschiedliche Kombinationen von Einzelspulen zu Primärkreisen verschalten, so dass die unterschiedlichen Primärkreise unterschiedliche Induktivitäten aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung der Einzelspulen und Kondensatoren wird somit ermöglicht, mit nur einer primärseitigen Leistungselektronik und der Primärspulenanordnung unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen (z-Klassen) kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, indem jeweils auf die passende Kombination von Einzelspulen umgeschaltet wird. Ladeleistung sowie Strom- und Spannungspegel bleiben dabei im Betriebspunkt gleich. Dies setzt lediglich voraus, dass die Induktivitäten der Sekundärspulen in den jeweiligen Fahrzeugklassen und die Induktivitäten der unterschiedlichen Primärkreise auf die unterschiedlichen Abstände bzw. Koppelfaktoren abgestimmt sind, wie dies im Folgenden noch näher ausgeführt wird.In the primary coil arrangement of the proposed device, different combinations of individual coils can thus be connected to primary circuits, so that the different primary circuits have different inductances. Appropriate dimensioning of the individual coils and capacitors makes it possible to supply various types of vehicles with different ground clearances (z-classes) contactlessly and inductively with only one power electronics and the primary coil arrangement by switching to the appropriate combination of individual coils. Charging power as well as current and voltage levels remain the same at the operating point. This only presupposes that the inductances of the secondary coils in the respective vehicle classes and the inductances of the different primary circuits are matched to the different distances or coupling factors, as will be explained in more detail below.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung weist die Primärspulenanordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule mit unterschiedlichen Induktivitäten auf. Ein erster der unterschiedlichen Primärkreise umfasst dabei nur die erste Einzelspule, der zweite Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und der dritte Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule. Dies wird durch geeignete Verschaltung mit Hilfe der Schalteinrichtungen erreicht. Auf diese Weise kann zwischen drei Primärkreisen umgeschaltet werden, die jeweils eine unterschiedliche Induktivität aufweisen. Durch die Reihenschaltung mehrerer Einzelspulen können hohe Induktivitäten erzeugt werden, ohne hierfür entsprechend große Einzelspulen einsetzen zu müssen.In an advantageous embodiment of the proposed device, the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil with different inductances. A first of the different primary circuits comprises only the first individual coil, the second primary circuit comprises a series connection of first and second individual coils, and the third primary circuit comprises a series connection of first, second and third individual coils. This is achieved by suitable interconnection with the help of the switching devices. In this way it is possible to switch between three primary circuits, each of which has a different inductance. By connecting several individual coils in series, high inductivities can be generated without having to use large individual coils.

Bei dem Betrieb der vorgeschlagenen Einrichtung zur induktiven Energieübertragung auf Sekundärkreise in Kraftfahrzeugen müssen unterschiedliche Sekundärspulen in Fahrzeugen unterschiedlicher Fahrzeugklassen verbaut werden. Jeder der Primärkreise der vorgeschlagenen Einrichtung ist dabei so dimensioniert, dass er einen gewissen Koppelfaktor abdeckt, so dass je nach Fahrzeug bzw. Fahrzeugklasse dann die entsprechende primärseitige Spulenkombination bzw. der entsprechende Primärkreis geschaltet wird.When operating the proposed device for inductive energy transmission to secondary circuits in motor vehicles, different secondary coils must be installed in vehicles of different vehicle classes. Each of the primary circuits of the proposed device is dimensioned such that it covers a certain coupling factor, so that the corresponding primary-side coil combination or the corresponding primary circuit is then switched depending on the vehicle or vehicle class.

Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung bzw. des zugehörigen Verfahrens lässt sich anhand der folgenden Gleichung zeigen. Die Gleichungen für Ausgangsleistung P, charakteristischer Widerstand R2,c und Spannungsübertragungsfunktion MU ergeben sich bei serieller Kompensation von Primär- und Sekundärkreis zu: P = U 2 2 R 2 = U 1 2 k ω d L 1

Figure DE102018216916A1_0001
R 2, c k ω d L 2
Figure DE102018216916A1_0002
M U = U 2 U 1 = L 2 L 1
Figure DE102018216916A1_0003
The functioning of the proposed device or the associated method can be shown using the following equation. The equations for output power P , characteristic resistance R 2, c and voltage transfer function M U With serial compensation of the primary and secondary circuit, the following result: P = U 2nd 2nd R 2nd = U 1 2nd k ω d L 1
Figure DE102018216916A1_0001
R 2, c k ω d L 2nd
Figure DE102018216916A1_0002
M U = U 2nd U 1 = L 2nd L 1
Figure DE102018216916A1_0003

Es ist aus den Gleichungen ersichtlich, dass L1 und k sowie L2 und k in gleichem Verhältnis stehen. k entspricht dabei dem Koppelfaktor, L1 und L2 der Induktivität der Spulen bzw. Spulenkombination im Primärkreis und im Sekundärkreis. Primärkreise und Sekundärkreise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren so dimensioniert, dass die drei Terme für alle vorgegebenen Koppelfaktoren bzw. Abstände zwischen Primär- und Sekundärspule konstant bleiben. Somit muss bei Vergrößerung des Koppelfaktors k im Falle einer seriellen Kompensation von Primärkreis und Sekundärkreis die Induktivität L1 und die Induktivität L2 entsprechend niedriger gewählt werden als bei einem kleineren Koppelfaktor (k => L1↓ L2↓ - k => L1↑ L2↑) . Fahrzeuge mit geringerem Abstand zum Boden (und damit einem entsprechend höheren Koppelfaktor) erhalten daher eine Sekundärspule mit niedrigerer Induktivität und auch der entsprechend zu schaltende Primärkreis wird mit nur einer Einzelspule oder einer Kombination weniger Einzelspulen niedriger Induktivität betrieben. Prinzipiell kann hierbei bspw. aus der Gleichung für P das für den jeweiligen Koppelfaktor erforderliche L1 und aus der Gleichung für R2,c oder MU das erforderliche L2 bestimmt werden. Die Induktivitäten der Einzelspulen der Primärspulenanordnung werden dann so gewählt, dass die unterschiedlichen L1 (für die unterschiedlichen Koppelfaktoren) durch geeignete Kombination der Einzelspulen (einschließlich der Nutzung nur einer der Einzelspulen) mit Hilfe der Schalteinrichtung(en) erhalten werden können.It can be seen from the equations that L 1 and k as well L 2 and k are in the same ratio. k corresponds to the coupling factor, L 1 and L 2 the inductance of the coils or coil combination in the primary circuit and in the secondary circuit. In the proposed method, primary circles and secondary circles are dimensioned such that the three terms remain constant for all predetermined coupling factors or distances between the primary and secondary coils. Thus, when the coupling factor k is increased in the case of serial compensation of the primary circuit and the secondary circuit, the inductance L 1 and the inductance L 2 should be chosen correspondingly lower than with a smaller coupling factor (k => L 1 ↓ L 2 ↓ - k => L 1 ↑ L 2 ↑ ). Vehicles with a smaller distance to the ground (and thus a correspondingly higher coupling factor) therefore receive a secondary coil with a lower inductance and the primary circuit to be switched accordingly is operated with only a single coil or a combination of fewer individual coils with a low inductance. In principle, the equation for P that required for the respective coupling factor L 1 and from the equation for R 2, c or M U the required L 2 be determined. The inductances of the individual coils of the primary coil arrangement are then chosen so that the different ones L1 (for the different coupling factors) can be obtained by a suitable combination of the individual coils (including the use of only one of the individual coils) with the aid of the switching device (s).

Auf diese Weise wird erreicht, dass bspw. für drei unterschiedliche Abstände bzw. Fahrzeugklassen und damit drei unterschiedliche Koppelfaktoren jeweils durch entsprechendes Umschalten der Primärspulenanordnung die Ausgangsleistung, der charakteristische Widerstand und die Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben. Dies ermöglicht eine gleiche Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln für alle drei Fahrzeugklassen mit der vorgeschlagenen Einrichtung, die ohne mechanisch bewegliche Teile oder entsprechende Regelungen der Primär- und Sekundärelektronik auskommt.In this way it is achieved that, for example, for three different distances or vehicle classes and therefore three different coupling factors, the output power, the characteristic resistance and the voltage transfer function remain constant by appropriately switching the primary coil arrangement. This enables the same charging power at the same current strength and voltage levels for all three vehicle classes with the proposed device, which does not require any mechanically moving parts or corresponding regulations of the primary and secondary electronics.

Die unterschiedlichen Primärkreise und der jeweilige Sekundärkreis können entweder seriell oder parallel kompensiert sein. Bei serieller Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis seriell kompensiert sein. Bei paralleler Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis parallel kompensiert sein. Im Falle einer beidseitigen parallelen Kompensation erbeben sich aus den dann gegebenen Gleichungen für P, R2,c und MU , dass bei einer Erhöhung des Kopplungsfaktors die Induktivitäten des Primärkreises und des Sekundärkreises ebenfalls vergrößert und bei einer Verkleinerung des Koppelfaktors verkleinert werden müssen (k => L1↑ L2↑ - k => L1↓ L2↓).The different primary circuits and the respective secondary circuit can be compensated either in series or in parallel. If the primary circuits are serially compensated, the secondary circuit must also be serially compensated. If the primary circuits are compensated in parallel, the secondary circuit must also be compensated in parallel. In the case of parallel compensation on both sides, the equations for then give rise to P , R 2, c and M U that if the coupling factor is increased, the inductivities of the primary circuit and the secondary circuit must also be increased and if the coupling factor is reduced (k => L 1 ↑ L 2 ↑ - k => L 1 ↓ L 2 ↓ ).

Bei einer seriellen Kompensation der Primärkreise ergibt sich zudem der Vorteil, dass zu jeder der Einzelspulen eine geeignete Kapazität in Reihe verschaltet werden kann, so dass bei einer Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen zwischen den Einzelspulen jeweils wenigstens eine Kapazität liegt. Eine derartige Aufteilung der Kapazitäten über die Primärspulenanordnung ist vorteilhaft, um hohe Blindspannungen, gerade bei kleinen Koppelfaktoren, also einem großen Abstand und großer Induktivität, über die gesamte Spulenanordnung zu verteilen. Die Anschlussenden der in Reihe geschalteten Spulenanordnung weisen somit nicht die gesamte Blindspannung auf, die mehrere kV betragen kann.Serial compensation of the primary circuits also has the advantage that each of the A suitable capacitance can be connected in series to individual coils, so that when a number of the individual coils are connected in series, at least one capacitance lies between the individual coils. Such a division of the capacities over the primary coil arrangement is advantageous in order to distribute high reactive voltages over the entire coil arrangement, especially with small coupling factors, that is to say a large distance and large inductance. The connection ends of the coil arrangement connected in series therefore do not have the total reactive voltage, which can be several kV.

Die Einzelspulen der Primärspulenanordnung sind vorzugsweise übereinander angeordnet, um möglichst große Koppelfaktoren zwischen diesen Einzelspulen zu erreichen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um flach gewickelte Spulen. Bei dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spulendinduktivität einfließt. Damit lassen sich mit Spulen kleinerer Windungszahl und damit geringerem Materialverbrauch höhere Induktivitäten erzielen.The individual coils of the primary coil arrangement are preferably arranged one above the other in order to achieve the greatest possible coupling factors between these individual coils. These are preferably coils wound flat. This arrangement takes advantage of the fact that the number of turns flows squarely into the coil inductance with a high internal coupling. This enables higher inductances to be achieved with coils with a smaller number of turns and thus with a lower material consumption.

Die vorgeschlagene Einrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich vor allem für die kontaktlose Energieübertragung im Bereich der Kraftfahrzeuge. Die Einrichtung und das Verfahren lassen sich jedoch auch für die Energieübertragung auf andere Objekte einsetzen, bei denen eine ähnliche Problematik unterschiedlicher Abstände oder Koppelfaktoren vorliegt.The proposed device and the associated method are particularly suitable for contactless energy transmission in the field of motor vehicles. However, the device and the method can also be used for the energy transfer to other objects in which there are similar problems of different distances or coupling factors.

FigurenlisteFigure list

Die vorgeschlagene Einrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 ein Beispiel für die Verhältnisse bei der Energieübertragung für drei unterschiedliche Koppelfaktoren gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Schaltbild einer Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung der Primärspulenanordnung und der Sekundärspule bei einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Draufsicht auf die Primärspulenanordnung der 3 sowie eine Darstellung der Einzelspulen dieser Primärspulenanordnung; und
  • 5 ein Schaltbild einer weiteren Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung.
The proposed device is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Here show:
  • 1 an example of the relationships in energy transmission for three different coupling factors according to the prior art;
  • 2nd a circuit diagram of a device for contactless inductive energy transmission according to the present invention;
  • 3rd is a schematic representation of the primary coil arrangement and the secondary coil in a device according to the present invention;
  • 4th a plan view of the primary coil arrangement of the 3rd and a representation of the individual coils of this primary coil arrangement; and
  • 5 a circuit diagram of another device for contactless inductive energy transmission according to the present invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Bei bisherigen Systemen, die lediglich für einen bestimmten Koppelfaktor der Spulen ausgelegt sind, ergeben sich durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule Abweichungen vom Betriebspunkt, die zu einer Änderung der Ladeleistung sowie der Spannungspegel bzw. Stromstärke führen. 1 zeigt hierzu ein Beispiel für drei unterschiedliche Koppelfaktoren anhand eines Diagrammes, das die Spannungsübertragungsfunktion U2/U1 in Abhängigkeit vom Widerstand der Sekundärseite R2 zeigt. U1 und U2 stellen hierbei die Eingangsspannung U1 und die Ausgangsspannung U2 , L1 und L2 wiederum die Induktivität im Primärkreis und die Induktivität im Sekundärkreis dar. k1 , k2 und k3 sind die drei unterschiedlichen vorgegebenen Koppelfaktoren, ωd die Design- bzw. Resonanzfrequenz. Typische Betriebsbereiche sind in der Figur mit den schraffierten Bereichen gekennzeichnet. Der optimale Betriebspunkt (R=R2,c) entsprechend dem besten Wirkungsgrad im Spulensystem mit Blindleistungskompensation ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden.In previous systems, which are only designed for a specific coupling factor of the coils, a change in the distance between the primary coil and the secondary coil results in deviations from the operating point, which lead to a change in the charging power and the voltage level or current. 1 shows an example of three different coupling factors based on a diagram that the voltage transfer function U 2 / U 1 depending on the resistance of the secondary side R 2 shows. U 1 and U 2 set the input voltage U 1 and the output voltage U 2 , L 1 and L 2 in turn represent the inductance in the primary circuit and the inductance in the secondary circuit. k 1 , k 2 and k 3 are the three different given coupling factors, ω d the design or resonance frequency. Typical operating areas are marked with hatched areas in the figure. The optimal operating point (R = R 2, c ) corresponding to the best efficiency in the coil system with reactive power compensation is marked with a circle. If the deviations from the intended operating point become too large, the operational safety can be impaired.

Bei der vorgeschlagenen Einrichtung werden größere Abweichungen vom Betriebspunkt bei unterschiedlichen Koppelfaktoren vermieden, indem zwischen den einzelnen Primärkreisen geschaltet wird. 2 zeigt hierzu ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung. Die Figur zeigt die Eingangsspannung U1,DC , die über einen Wechselrichter in eine geeignete Wechselspannung U1 gewandelt wird. Mit dieser Wechselspannung wird die Primärspulenanordnung 1 der vorgeschlagenen Einrichtung beaufschlagt, die im vorliegenden Beispiel aus drei Spulen mit den Induktivitäten L1a , L1b und L1c sowie den zugehörigen in Reihe geschalteten Kapazitäten C1a , C1b und C1c gebildet ist. Zwischen diesen einzelnen Komponenten aus Spule und Kondensator sind zwei Schalteinrichtungen S1 und S2 angeordnet, mit denen unterschiedliche Primärkreise in der Primärspulenanordnung geschaltet werden können. Der erste Primärkreis besteht hierbei lediglich aus der ersten Primärspule mit der Induktivität L1a und der Kapazität C1a . Der zweite Primärkreis wird durch eine Reihenschaltung der ersten beiden Spulen mit den Induktivitäten L1a und L1b sowie den zugehörigen Kapazitäten C1a und C1b gebildet. Der dritte Primärkreis wird durch die Reihenschaltung aller drei Spulen und Kapazitäten gebildet. Die einzelnen Primärkreise sind hierbei über die entsprechenden Kapazitäten jeweils auf die gleiche Auslegungsfrequenz ωd kompensiert. 2 zeigt hierbei das Gesamtsystem, d.h. auch die Sekundärseite mit der Sekundärspule L2x , dem Kondensator im Sekundärkreis C2x , dem Wechselrichter, der lastseitigen Kapazität CDC2 und dem lastseitigen Widerstand R2,DC , der bspw. durch die zu ladende Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs gebildet sein kann. In dem dargestellten Beispiel sind Primärkreis und Sekundärkreis jeweils seriell kompensiert. Für das Laden von Fahrzeugen unterschiedlicher Abstandsklassen existiert hierbei zu jedem Primärkreis mit einem oder mehreren der Einzelspulen L1x eine Sekundärspule L2x , welche passend zur jeweiligen Induktivität des Primärkreises ist. Diese Spule L2x wird je nach Abstandsklasse im Fahrzeug verbaut. Jeder der n Einzelspulen der Primärseite deckt einzeln oder in Reihenschaltung mit einer oder mehreren anderen der Einzelspulen einen gewissen Koppelfaktor ab. Je nach zu ladendem Fahrzeug wird dann eine geeignet primärseitige Spulenkombination als Primärkreis geschaltet.In the proposed device, larger deviations from the operating point with different coupling factors are avoided by switching between the individual primary circuits. 2nd shows an example of an embodiment of the proposed facility. The figure shows the input voltage U 1, DC using an inverter into a suitable AC voltage U 1 is changed. With this AC voltage, the primary coil arrangement 1 the proposed device, which in the present example consists of three coils with the inductors L 1a , L 1b and L 1c as well as the associated capacities connected in series C 1a , C 1b and C 1c is formed. Between these individual coil and capacitor components are two switching devices S 1 and S 2 arranged with which different primary circuits can be switched in the primary coil arrangement. The first primary circuit only consists of the first primary coil with the inductance L 1a and capacity C 1a . The second primary circuit is connected in series by the first two coils with the inductors L 1a and L 1b as well as the associated capacities C 1a and C 1b educated. The third primary circuit is formed by connecting all three coils and capacitors in series. The individual primary circuits are each based on the corresponding capacities at the same design frequency ω d compensated. 2nd shows the overall system, ie also the secondary side with the secondary coil L 2x , the capacitor in the secondary circuit C 2x , the inverter, the load-side capacity C DC2 and the load-side resistance R 2, DC , for example by the to charging vehicle battery of a motor vehicle can be formed. In the example shown, the primary circuit and secondary circuit are each compensated in series. For charging vehicles of different distance classes, there is one or more of the individual coils for each primary circuit L 1x a secondary coil L 2x , which is suitable for the respective inductance of the primary circuit. That coil L 2x is installed in the vehicle depending on the distance class. Each of the n individual coils on the primary side, individually or in series with one or more other of the individual coils, covers a certain coupling factor. Depending on the vehicle to be loaded, a suitable primary-side coil combination is then switched as the primary circuit.

Die Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandsklassen und den Primärkreisen, die in der Einrichtung geschaltet werden können, erfolgt mit dem bereits weiter oben angeführten Gleichungssystem derart, dass für die unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandklassen Ausgangsleistung, charakteristischer Widerstand und Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben.The coordination between the different vehicle classes or distance classes and the primary circuits that can be switched in the device takes place with the system of equations already mentioned above in such a way that the output power, characteristic resistance and voltage transfer function remain constant for the different vehicle classes or distance classes.

Bei einem hohen Koppelfaktor, d.h. niedrigem Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden muss die primärseitige Induktivität klein sein. Die Spulen L1b und L1c sowie deren Kondensatoren werden hierbei in diesem Beispiel nicht geschaltet. Im Kraftfahrzeug wird dann ebenfalls eine passende kleine sekundärseitige Induktivität verbaut. Vergrößert sich der Koppelfaktor, d.h. großer Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden, so muss die primärseitige Induktivität entsprechend größer sein. In dem Kraftfahrzeug dieser Abstandsklasse ist dann ebenfalls eine passende größere sekundärseitige Induktivität verbaut. Nun wird basierend auf dem Abstand mit Hilfe der Schalteinrichtungen S1 , S2 entweder nur eine Reihenschaltung aus L1a und L1b oder eine Reihenschaltung aus L1a , L1b und L1c in der Primärseite mit deren Kondensatoren verschaltet. Da die Werte für die drei oben genannten Gleichungen konstant bleiben, ändern sich P, R2,c und MU nicht.If the coupling factor is high, ie the distance between the motor vehicle and the ground is low, the primary inductance must be small. The spools L 1b and L 1c and their capacitors are not switched in this example. A suitable small inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle. If the coupling factor increases, ie the distance between the motor vehicle and the ground is large, the inductance on the primary side must be correspondingly larger. A suitable larger inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle of this distance class. Now based on the distance using the switching devices S 1 , S 2 either just a series connection L 1a and L 1b or a series connection L 1a , L 1b and L 1c interconnected with their capacitors in the primary side. Because the values for the three equations above remain constant, change P , R 2, c and M U Not.

Die Resonanzfrequenzen beider Systeme, d. h. Primärseite und Sekundärseite, bleiben dabei konstant auf den bspw. momentan typischen 85 kHz oder 140 kHz. Dies wird erreicht, indem jede Einzelspule derart mit einer passenden Kapazität kompensiert wird, dass sich in Summe die gleiche Resonanzfrequenz einstellt. Der Zusammenhang ist bei beidseitig serieller Kompensation invers proportional. Erhöht sich daher die Induktivität durch eine Reihenschaltung, so muss die Kapazität verringert werden. Dies funktioniert vorteilhaft bei einer seriellen Kompensation ebenso durch eine Reihenschaltung der Kondensatoren. In Summe bleibt dann die Resonanzfrequenz konstant.The resonance frequencies of both systems, i. H. The primary side and secondary side remain constant at the 85 kHz or 140 kHz, for example, which are currently typical. This is achieved by compensating each individual coil with a suitable capacitance in such a way that the same resonance frequency is obtained in total. The relationship is inversely proportional with serial compensation on both sides. If the inductance is increased by a series connection, the capacitance must be reduced. With serial compensation, this also works advantageously by connecting the capacitors in series. The total resonance frequency then remains constant.

Da die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spuleninduktivität einfließt (L = magnetischer Leitwert x Windungszahl2), sind die nicht beschalteten Einzelspulen der Primärseite (L1b mit C1b usw.) nicht in Resonanz und es kann keine effektive Leistungsübertragung auf die nicht beschalteten Einzelspulen stattfinden. Dies ist ein positiver Nebeneffekt, da die Leitungsenden der nicht beschalteten Einzelspule im Normalfall offen sein sollten und ohnehin keine Leistungsübertragung stattfinden sollte. Ohne Resonanz treten auch keine hohen Blindspannungen in den nichtbeschalteten Einzelspulen der Primärspulenanordnung auf.Since the number of turns flows squarely into the coil inductance when there is a high internal coupling (L = magnetic conductance x number of turns 2 ), the non-connected individual coils are on the primary side ( L 1b With C 1b etc.) does not resonate and there can be no effective power transmission to the unconnected individual coils. This is a positive side effect, since the line ends of the unconnected single coil should normally be open and no power transmission should take place anyway. Without resonance, there are also no high reactive voltages in the unconnected individual coils of the primary coil arrangement.

Bei der Auslegung der Primärspulenanordnung wird dabei vorzugsweise darauf geachtet, dass die primärseitigen Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung untereinander aufweisen. Dies wird durch eine Anordnung der Einzelspulen übereinander erreicht, wie dies schematisch in 3 dargestellt ist. Diese Figur zeigt die Primärspulenanordnung mit den übereinander angeordneten Spulen A, B und C der Induktivitäten L1a , L1b und L1c sowie die davon beabstandete Spule D der Sekundärseite mit der Induktivität L2a . Die Einzelspulen der Primärseite sind dabei über dem Radius r einer radialen Flachwicklung angeordnet. Dies funktioniert mit beliebigen Spulentopologien. Mit einem hohen Koppelfaktor innerhalb der Primärseite wird die benötigte Spulenlänge verkürzt, was zu einer Kosteneinsparung führt, wobei der obige Zusammenhang zwischen der Induktivität L und der Windungszahl gilt.When designing the primary coil arrangement, care is preferably taken that the primary-side individual coils have the highest possible coupling with one another. This is achieved by arranging the individual coils one above the other, as shown schematically in 3rd is shown. This figure shows the primary coil arrangement with the coils arranged one above the other A , B and C. of inductors L 1a , L 1b and L 1c and the spaced-apart coil D of the secondary side with the inductance L 2a . The individual coils on the primary side are arranged above the radius r of a radial flat winding. This works with any coil topology. With a high coupling factor within the primary side, the required coil length is shortened, which leads to a cost saving, the above relationship between the inductance L and the number of turns.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Spulenanordnung gemäß 3, in der die drei Einzelspulen A, B und C erkennbar sind. Im unteren Teil der Figur sind die drei Spulen A, B, C zur besseren Erkennbarkeit nochmals nebeneinander dargestellt. 4th shows a plan view of an exemplary coil arrangement according to 3rd in which the three individual coils A , B and C. are recognizable. In the lower part of the figure are the three coils A , B , C. Again shown side by side for better visibility.

5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung, bei der Primär- und Sekundärkreis jeweils parallel kompensiert sind. Im Unterschied zur Ausgestaltung der 2 muss hierzu noch jeweils eine Drosselspule LDR1 , LDR2 zwischen Spannungsquelle und Wechselrichter der Primärseite und zwischen Wechselrichter und Last der Sekundärseite verschaltet werden. Durch die parallele Kompensation werden in diesem Beispiel auch zwei zusätzliche Schalteinrichtungen S3 , S4 in der Primärspulenanordnung 1 benötigt, um bspw. bei Betrieb nur der ersten Spule L1a alle drei Kapazitäten C1a, C1b und C1c parallel schalten zu können, während bei Reihenschaltung aller drei Spulen nur die erste Kapazität C1c benötigt wird. 5 shows another example of an embodiment of the proposed device, in which the primary and secondary circuits are compensated in parallel. In contrast to the design of the 2nd a choke coil is required for this L DR1 , L DR2 between the voltage source and the inverter on the primary side and between the inverter and the load on the secondary side. The parallel compensation also makes two additional switching devices in this example S 3 , S 4 in the primary coil arrangement 1 needed, for example, when operating only the first coil L1a all three capacities C1a , C1b and C1c to be able to switch in parallel, while with all three coils connected in series only the first capacitance C1c is needed.

Bei einer beispielhaften Dimensionierung der Einrichtung gemäß 2 für eine Leistung P von 50W und Eingangs- und Ausgangsspannungen von 28V werden bei entsprechenden Abständen z1 = 4 cm, z2 = 6 und z3 = 10 cm und daraus resultierenden Koppelfaktoren k1 = 0,36, k2 = 0,2 und k3 = 0,1 Werte für die Spulen und Kondensatoren von L1a = 41,4 µH, L1b = 5,7 µH, L1c = 13, 9 µH, C1a = 30,1 nF, C1b = 37,6 nF und C1c = 16,7 nF ermittelt, wobei für die zu berücksichtigende Kopplung zwischen den Spulen Werte von kxy > 0,9 verwendet wurden. Messergebnisse, die anhand des zuletzt beschriebenen Aufbaus erhalten wurden, zeigen, dass sich bei Nutzung der vorgeschlagenen Einrichtung Ausgangsleistung und Spannungsübertragungsfunktion nicht mit den drei unterschiedlichen Koppelfaktoren ändern. Eine Realisierung einer derartigen Einrichtung mit höheren Ausgangsleistungen von mehreren kW ist ohne weiteres möglich.With an exemplary dimensioning of the device according to 2nd for a performance P of 50W and input and output voltages of 28V with corresponding distances z 1 = 4 cm, z 2 = 6 and z 3 = 10 cm and the resulting coupling factors k 1 = 0.36, k 2 = 0.2 and k 3 = 0.1 values for the coils and capacitors of L 1a = 41.4 µH, L 1b = 5.7 µH, L 1c = 13.9 µH, C 1a = 30.1 nF, C 1b = 37.6 nF and C 1c = 16.7 nF determined, values of k xy > 0.9 being used for the coupling between the coils to be taken into account. Measurement results obtained on the basis of the structure described last show that the output power and voltage transmission function do not change with the three different coupling factors when the proposed device is used. It is readily possible to implement such a device with higher output powers of several kW.

Claims (8)

Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik aufweist, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist, wobei die Primärspulenanordnung mehrere Einzelspulen (A, B, C) und Kapazitäten aufweist, die über eine oder mehrere Schalteinrichtungen (S1, S2) der Primärspulenanordnung zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind, die auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind und jeweils eine der Einzelspulen (A, B, C) oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen (A, B, C) umfassen.Device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement, the primary coil arrangement having a plurality of individual coils (A, B, C) and capacitors which can be connected to different primary circuits via one or more switching devices (S 1 , S 2 ) of the primary coil arrangement, which are tuned to the same resonance frequency and each have one of the individual coils (A, B, C) or a series connection of several of the individual coils (A, B, C) include. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspulenanordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule (A, B, C) mit unterschiedlichen Induktivitäten aufweisen, wobei ein erster der unterschiedlichen Primärkreise nur die erste Einzelspule, ein zweiter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und ein dritter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule (A, B, C) umfasst.Establishment after Claim 1 , characterized in that the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil (A, B, C) with different inductivities, with a first of the different primary circuits only the first individual coil, a second of the different primary circuits having a series connection of the first and second individual coil and a third of the different primary circuits comprises a series connection of first, second and third individual coils (A, B, C). Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (A, B, C) in der Primärspulenanordnung übereinander angeordnet sind.Establishment after Claim 1 or 2nd , characterized in that the individual coils (A, B, C) are arranged one above the other in the primary coil arrangement. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen (A, B, C) in der Primärspulenanordnung Flachspulen sind.Establishment according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the individual coils (A, B, C) are flat coils in the primary coil arrangement. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Primärkreise seriell kompensiert sind.Establishment according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the different primary circuits are serially compensated. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu jeder der Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren verschaltet ist, so dass in den Primärkreisen mit einer Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen (A, B, C) zwischen den in Reihe verschalteten Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren angeordnet ist.Establishment after Claim 5 , characterized in that at least one of the capacitors is connected in series with each of the individual coils (A, B, C), so that in the primary circuits with a series connection of several of the individual coils (A, B, C) between the individual coils connected in series (A, B, C) at least one of the capacitors is arranged. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Primärkreise parallel kompensiert sind.Establishment according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the different primary circuits are compensated in parallel. Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche bei unterschiedlichen vorgegebenen Koppelfaktoren zwischen Primärspule(n) und Sekundärspule, bei dem für jeden der unterschiedlichen Koppelfaktoren eine andere Sekundärspule verwendet und ein anderer der schaltbaren Primärkreise der Primärspulenanordnung geschaltet wird, wobei die schaltbaren Primärkreise und die Sekundärspulen so ausgelegt werden, dass Ausgangsleistung, charakteristischer Widerstand und Spannungsübertragungsfunktion für die unterschiedlichen Koppelfaktoren konstant bleiben.Method for contactless inductive energy transmission with a device according to one of the preceding claims with different predetermined coupling factors between the primary coil (s) and secondary coil, in which a different secondary coil is used for each of the different coupling factors and another of the switchable primary circuits of the primary coil arrangement is switched, the switchable Primary circuits and the secondary coils are designed so that output power, characteristic resistance and voltage transfer function remain constant for the different coupling factors.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4020759A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-29 Flex, Ltd. Wireless power transmission circuit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10152863A1 (en) * 2001-10-25 2003-05-08 Abb Research Ltd Magnetic field generating device with several resonant circuits has series circuit of first winding, resonance capacitor(s), variable inductance(s) or capacitance(s), second winding(s)
WO2009027674A1 (en) * 2007-08-28 2009-03-05 Access Business Group International Llc Inductive power supply
DE102013219527A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Wireless energy technology coupling by means of an alternating magnetic field
DE102017006197A1 (en) * 2016-07-20 2018-01-25 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg System for inductive energy transmission to a on a travel surface, in particular traversing plane, movably arranged vehicle

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011200052A (en) * 2010-03-23 2011-10-06 Toyota Central R&D Labs Inc Power supply device
DE102013004180A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Paul Vahle Gmbh & Co. Kg Primary coil arrangement for inductive energy transmission with quadrupoles
DE102013217877A1 (en) * 2013-09-06 2015-03-12 Robert Bosch Gmbh Device for inductive energy transmission and method for inductive energy transmission
DE102015221582A1 (en) * 2015-11-04 2017-05-04 Robert Bosch Gmbh Method for inductive energy transmission and apparatus for operating an inductive energy transmission device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10152863A1 (en) * 2001-10-25 2003-05-08 Abb Research Ltd Magnetic field generating device with several resonant circuits has series circuit of first winding, resonance capacitor(s), variable inductance(s) or capacitance(s), second winding(s)
WO2009027674A1 (en) * 2007-08-28 2009-03-05 Access Business Group International Llc Inductive power supply
DE102013219527A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Wireless energy technology coupling by means of an alternating magnetic field
DE102017006197A1 (en) * 2016-07-20 2018-01-25 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg System for inductive energy transmission to a on a travel surface, in particular traversing plane, movably arranged vehicle

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4020759A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-29 Flex, Ltd. Wireless power transmission circuit

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