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Die vorliegende Erfindung betrifft drahtlose Energiesender, z. B. Sender, die in einem drahtlosen Energieübertragungssystem benutzt werden können, und zwei Verfahren zum Ansteuern eines drahtlosen Energieübertragungssystems. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf drahtlose Energiesender zur verbesserten Energieübertragung zu einem drahtlosen Energieempfänger.
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Drahtlose Energiesender und drahtlose Energieübertragungssysteme können benutzt werden, um elektrische Energie ohne Notwendigkeit einer physischen Verbindung zu einer Vorrichtung zu transferieren. Z. B. können in der Hand gehaltene Vorrichtungen, wie etwa Mobilkommunikationsvorrichtungen, oder Automobile über solche Sender und Übertragungssysteme mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Ein intrinsisches Problem drahtloser Energieübertragungssysteme besteht im Allgemeinen in der nicht reproduzierbaren Anordnung des Energiesenders relativ zu dem Energieempfänger. Wenn z. B. ein Energiesender zum Senden von elektrischer Energie zu einem Automobil mit einem Energieempfänger benutzt wird, sind Abweichungen der seitlichen und horizontalen Abstände und der Orientierungen praktisch unvermeidbar. Die Abweichungen des Abstands zwischen dem Sender und dem Empfänger verursachen jedoch Änderungen der Induktivität des Übertragungssystems, was zu Verlustströmen und vermindertem Wirkungsgrad führt.
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Aus
US 2012/0025623 A1 und
WO 2009/114671 A1 sind induktive Energieübertragungssysteme bekannt.
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Es besteht jedoch immer noch die Notwendigkeit von Energiesendern und von Energieübertragungssystemen mit verringerten Verlustströmen und vergrößertem Wirkungsgrad und verbesserter Zuverlässigkeit, aber ohne Notwendigkeit von zusätzlichem Platz und mit einem leicht durchführbaren Steuersystem.
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Zu diesem Zweck werden ein drahtloser Energiesender nach dem unabhängigen Anspruch 1, ein drahtloses Energieübertragungssystem und ein Verfahren zum Ansteuern eines drahtlosen Energieübertragungssystems bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.
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Ein drahtloser Energiesender umfasst einen Wechselrichter, eine Impedanzschaltung, eine Induktivitätsschaltung mit einer ersten Übertragungsspule und einer zweiten Übertragungsspule. Ferner umfasst der drahtlose Energiesender ein Schaltnetzwerk. Die Impedanzschaltung und die Induktivitätsschaltung stellen einen Resonanzkreis her. Der Wechselrichter führt dem Resonanzkreis Wechselstromleistung zu. Das Schaltnetzwerk kann die erste Übertragungsspule direkt oder über die zweite Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung koppeln, um eine Resonanzfrequenz des Resonanzkreises zu ändern und eine Frequenz der Wechselstromleistung in einem vorbestimmten Bereich zu halten.
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Der Wechselrichter des drahtlosen Energiesenders wirkt als die Energiequelle. Der Wechselrichter empfängt elektrische Energie von einer externen Schaltungsumgebung. Die von der Umgebung empfangene Energie kann elektrische Energie sein, die mit einer herkömmlichen Frequenz von z. B. 50 Hz oder 60 Hz bereitgestellt wird. Spezifikationen, die erfüllt werden müssen, sind: Beschränken der Betriebsfrequenz des Wechselrichters auf einen bestimmten Frequenzbereich, der Frequenzen zwischen 81 und 90 kHz umfassen kann. Der Wechselrichter kann eine H-Brücke zum Transformieren von elektrischer Energie niedriger Frequenz, z. B. von Gleichstromenergie, in elektrische Energie des oben erwähnten Frequenzbereichs umfassen. Die H-Brückenschaltung zur Erzeugung von Wechselstromleistung ist das Element, von dem die Betriebsfrequenz geändert wird, um eine Frequenz in dem oben erwähnten Frequenzbereich zu erhalten.
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Es hat sich gezeigt, dass Schwankungen des Abstands zwischen einem drahtlosen Energiesender und einem drahtlosen Energieempfänger oder Schwankungen der Orientierung des Energieempfängers relativ zu dem drahtlosen Energiesender nicht nur zu einem verringerten Energietransferwirkungsgrad führen, sondern auch zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises. Während eine Verringerung des Übertragungswirkungsgrads im Allgemeinen unerwünscht, aber akzeptabel ist, wenn der Wirkungsgrad nicht zu viel verringert wird, kann eine Frequenzschwankung, die die Betriebsfrequenz des Wechselrichters aus dem oben erwähnten Frequenzbereich verschiebt, nicht akzeptabel sein. Der oben erwähnte drahtlose Energiesender hat die Fähigkeit, die Betriebsfrequenz in dem oben erwähnten Frequenzbereich zu halten, da der Sender mindestens zwei Übertragungsspulen und die Fähigkeit zum Ändern der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises hat. Das Schaltnetzwerk kann die erste Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung koppeln, was zu einem Resonanzkreis mit einer ersten Resonanzfrequenz führt. Ferner kann das Schaltnetzwerk die zweite Übertragungsspule zwischen der ersten Übertragungsspule und der Impedanzschaltung in Reihe schalten, um einen Resonanzkreis mit einer zweiten Resonanzfrequenz bereitzustellen. Die zweite Resonanzfrequenz kann von der ersten Resonanzfrequenz verschieden sein. Wenn es sich zeigt, dass die Betriebsfrequenz des mit der ersten Übertragungsspule arbeitenden Wechselrichters die Frequenz nicht in dem erlaubten Frequenzbereich halten kann, kann zusätzlich zu der ersten Übertragungsspule die zweite Übertragungsspule verwendet werden, um die Betriebsfrequenz in Richtung des erlaubten Frequenzbereichs zu verschieben. Kurz gefasst, ist die zweite Übertragungsspule eine zusätzliche Spule.
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Mit dem vorliegenden drahtlosen Energiesender wird somit ein Resonanzkreis bereitgestellt, der eine Änderung der Resonanzfrequenz erlaubt, um Frequenzanforderungen zu genügen.
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Das Schaltnetzwerk kann einen Betriebsmodus bereitstellen, bei dem nur die erste Übertragungsspule elektrisch mit der Impedanzschaltung verbunden ist. Ferner kann das Schaltnetzwerk einen Betriebsmodus bereitstellen, bei dem beide Übertragungsspulen elektrisch mit der Impedanzschaltung verbunden sind.
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Das Schaltnetzwerk kann jedoch dergestalt bereitgestellt werden, dass es gleichzeitig zwei oder mehr Übertragungsspulen mit der Impedanzschaltung verbindet. Dann wird die Anzahl der Betriebsmodi enorm vergrößert.
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Die Impedanzschaltung umfasst ein Impedanzelement, das aus einem oder mehreren kapazitiven Elementen und/oder aus einem oder mehreren induktiven Elementen oder aus einem kapazitive und induktive Schaltungselemente umfassenden Netzwerk ausgewählt werden kann. Die Schaltungselemente der Impedanzschaltung können so gewählt werden, dass ihre Impedanz zusammen mit der aktiven Übertragungsspule der induktiven Schaltung einen Resonanzkreis mit geeigneter Resonanzfrequenz herstellt.
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Es ist möglich, dass das Schaltnetzwerk die erste Übertragungsspule mit einer zweiten Übertragungsspule parallel- oder in Reihe schalten kann.
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Die enorme Anzahl verschiedener Betriebsmodi, wenn mehrere Übertragungsspulen anwesend sind, wird durch den Umstand weiter vergrößert, dass eine Übertragungsspule oder eine Gruppe von Übertragungsspulen elektrisch mit einer anderen Übertragungsspule oder einer anderen Gruppe von Übertragungsspulen in Reihe geschaltet werden kann.
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Das Schaltnetzwerk kann eine Verbindung der ersten Übertragungsspule und der zweiten Übertragungsspule ändern. Wenn das Schaltnetzwerk die erste Übertragungsspule von der zweiten Übertragungsspule trennt, ist nur die erste Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung verbunden. Wenn das Schaltnetzwerk die erste Übertragungsspule mit der zweiten Übertragungsspule in Reihe schaltet, ist die Reihenschaltung der ersten Übertragungsspule und der zweiten Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung verbunden.
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Ferner kann das Schaltnetzwerk weitere Schalter umfassen, um eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Übertragungsspulen herzustellen, um Betriebsmodi bereitzustellen, bei denen mehr als zwei Übertragungsspulen in Reihe geschaltet sind.
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Es ist möglich, dass die Impedanzschaltung ein erstes kapazitives Element und ein zweites kapazitives Element umfasst.
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Insbesondere ist es möglich, dass das erste kapazitive Element elektrisch zwischen den ersten Port der Impedanzschaltung und den Wechselrichter geschaltet sein kann. Das zweite kapazitive Element kann elektrisch zwischen den zweiten Port der Impedanzschaltung und den Wechselrichter geschaltet sein. Dann kann der drahtlose Energiesender Betriebsmodi bereitstellen, bei denen entweder die erste Übertragungsspule oder die Reihenschaltung, die die erste Übertragungsspule und die zweite Übertragungsspule, die mit der ersten Übertragungsspule in Reihe geschaltet ist, umfasst, elektrisch zwischen den zwei kapazitiven Elementen in Reihe geschaltet ist.
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Wenn der drahtlose Energiesender eine Hauptübertragungsspule (z. B. die erste Übertragungsspule) und mehr als eine zusätzliche Übertragungsspule umfasst, werden die Hauptübertragungsspule oder eine Kombination, die die Hauptübertragungsspule und eine oder mehrere zusätzliche Spulen, die mit der Hauptübertragungsspule in Reihe geschaltet sind, umfasst, elektrisch zwischen dem ersten kapazitiven Element und dem zweiten kapazitiven Element in Reihe geschaltet.
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Dementsprechend ist es möglich, dass der drahtlose Energiesender das Schaltnetzwerk und ein erstes und ein zweites kapazitives Element in der Impedanzschaltung aufweist. Die erste Übertragungsspule ist zwischen dem ersten kapazitiven Element und dem zweiten kapazitiven Element in Reihe geschaltet. Das Schaltnetzwerk kann die zweite Übertragungsspule elektrisch zwischen der ersten Übertragungsspule und dem zweiten kapazitiven Element in Reihe schalten.
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Da die Übertragungsspulen relativ zu dem entsprechenden drahtlosen Energieempfänger ausgerichtet und angeordnet werden müssen, ist der Platz zum Integrieren der Übertragungsspulen begrenzt, weil alle Übertragungsspulen an einer ähnlichen Position positioniert sein sollten, um effizient auf den Empfänger zu wirken. Obwohl eine größere Anzahl von Übertragungsspulen eine enorme Anzahl verschiedener Betriebsmodi erlaubt, kann somit die Anzahl der Übertragungsspulen nicht beliebig gewählt werden. Eine ausführliche Analyse des Erfinders hatte das Ergebnis, dass ein drahtloser Energiesender, der nur zwei Übertragungsspulen umfasst, in Situationen, bei denen ausreichend große Abweichungen von Abständen von Sender zu Empfänger oder Ausrichtungswinkeln anwesend sind, bereits eine Begrenzung auf einen bevorzugten Frequenzbereich erlaubt.
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Es ist möglich, dass die Impedanzschaltung elektrisch zwischen das Schaltnetzwerk und den Wechselrichter geschaltet wird. Das Schaltnetzwerk ist elektrisch zwischen die Induktivitätsschaltung und die Impedanzschaltung geschaltet.
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Somit werden das Schaltnetzwerk und die Impedanzschaltung elektrisch zwischen die Induktivitätsschaltung, die die Übertragungsspulen umfasst, und den Wechselrichter geschaltet. Über das Schaltnetzwerk stellen die Elemente der Impedanzschaltung und die Elemente (insbesondere die Übertragungsspulen) der Induktivitätsschaltung den Resonanzkreis her, von dem die Resonanzfrequenz leicht als Reaktion auf die Situationen verschoben werden kann.
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Der drahtlose Energiesender kann eine Steuerschaltung umfassen, die einen IC-Chip aufweist, der elektrisch mit dem Schaltnetzwerk gekoppelt ist. Ferner kann der drahtlose Energiesender Schaltungselemente zum Überwachen von zentralen Energieübertragungsparametern, wie etwa an die Induktivitätsschaltung angelegten Spannungen, der Induktivitätsschaltung zugeführten Strömen, Phasenwinkeln zwischen einem gesendeten Signal und einem reflektierten Signal und natürlich Frequenzen wie etwa Betriebsfrequenzen, umfassen. Der drahtlose Energiesender kann die Überwachungsschaltungen und die IC-Schaltungen in einer Regelschleife aufweisen, um die Betriebsfrequenzen adaptiv zurück in den erlaubten Frequenzbereich zu verschieben.
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Es ist möglich, dass die erste und die zweite Übertragungsspule konzentrisch gewickelt sind. Insbesondere ist es möglich, dass die zwei Spulen im Wesentlichen in derselben Ebene konzentrisch gewickelt sind.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist der Platz zum Anordnen der Übertragungsspulen rar und konzentrische Wicklungen erlauben Durchmesserabmessungen, die nicht signifikant von den Durchmesserabmessungen herkömmlicher Energieübertragungsspulen abweichen.
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Es ist möglich, dass die Anzahl der Windungen der ersten Übertragungsspule (der Hauptübertragungsspule) größer als die Anzahl der Windungen der zweiten Übertragungsspule (der zusätzlichen Übertragungsspule) ist.
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Dann wird die erste Übertragungsspule (die Hauptübertragungsspule) gewöhnlich die größere Induktivität aufweisen.
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Es ist möglich, dass die Anzahl der Windungen der zweiten Übertragungsspule 1, 2 oder 3 ist.
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Es ist möglich, dass die Kopplung der zweiten Übertragungsspule mit der Induktivitätsschaltung die magnetische Koppelung zwischen der ersten Übertragungsspule und der zweiten Übertragungsspule ändert.
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Es ist möglich, dass der Draht der ersten und/oder der zweiten Übertragungsspule eine Litze ist. Bei Litzen werden mehrere isolierte Einzeldrähte, die individuell voneinander isoliert sind, kombiniert, um durch den Skin-Effekt verursachte Verluste zu verringern.
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Es ist möglich, dass der drahtlose Energiesender ferner ein Blatt mit einem Ferritmaterial umfasst. Dieses Ferritblatt kann unter einer die erste Übertragungsspule und die zweite Übertragungsspule der Induktivitätsschaltung umfassenden Spulenschicht angeordnet sein.
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Dieses Ferritblatt kann verwendet werden, um die Form eines durch den Sender emittierten Magnetfelds zu formen. Um einen hohen Übertragungswirkungsgrad zu erhalten, sollte das Magnetfeld auf den Empfänger gerichtet sein, der unter oder über dem Sender angeordnet sein kann. Wenn der Empfänger über dem Sender angeordnet ist, wird bevorzugt, dass die Menge an emittiertem Magnetfeld in einer Richtung unter dem Sender auf ein Minimum reduziert ist. Das Ferritblatt kann somit dabei helfen, den Wirkungsgrad des Senders zu vergrößern, indem eine Magnetfeldverteilung an Orten, die zu weit vom Empfänger entfernt sind, verhindert wird.
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Ferner ist es möglich, dass der drahtlose Energiesender ein dielektrisches Blatt aufweist, das ein dielektrisches Material umfasst. Das dielektrische Blatt kann zwischen der Spulenschicht und dem Ferritblatt, wenn es anwesend ist, angeordnet werden.
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Es ist ferner möglich, dass die Induktivitätsschaltung ein Metallblatt aufweist, das ein Metall umfasst. Das Metallblatt kann unter dem Ferritblatt angeordnet werden.
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Das Metallblatt kann Aluminium umfassen.
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Ferner ist es möglich, dass der drahtlose Energiesender ein zusätzliches dielektrisches Blatt aufweist, das ein dielektrisches Material umfasst. Das zusätzliche dielektrische Blatt kann zwischen dem Ferritblatt und dem Metallblatt angeordnet werden.
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Ein Ferritblatt kann in einer Ferritschicht angeordnet werden. Ein dielektrisches Blatt kann in einer dielektrischen Schicht angeordnet werden. Ein Metallblatt kann in einer Metallschicht angeordnet werden.
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Das drahtlose Energieübertragungssystem umfasst einen drahtlosen Energiesender wie oben beschrieben. Ferner umfasst das Übertragungssystem einen drahtlosen Energieempfänger, der eine Empfangsspule aufweist. Die Empfangsspule kann Energie selbst dann empfangen, wenn die Empfangsspule der Induktivitätsschaltung und die Übertragungsspulen nicht perfekt relativ zueinander angeordnet sind.
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Der Energieempfänger kann natürlich auch einen Gleichrichter umfassen, der gesendete elektrische Energie, die durch die Empfangsspule empfangen wird, gleichrichtet und eine Gleichstromenergie bereitstellt, die zum Laden einer Batterie benutzt werden kann.
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Der Empfänger kann auch ein Ferritblatt, ein Metallblatt und ein erstes und/oder ein zweites dielektrisches Blatt umfassen. Es ist möglich, dass das Ferritblatt des Energiesenders eine rechteckige Form und eine Länge von 600 mm und eine Breite von 500 mm aufweist. Das Ferritblatt des Empfängers kann auch eine rechteckige Form und eine Länge von 300 mm und eine Breite von 290 mm aufweisen.
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Die erste Übertragungsspule kann 14 Windungen aufweisen. Die zweite Übertragungsspule kann 1 Windung aufweisen. Die Induktivität der ersten Übertragungsspule kann in einem Bereich zwischen 150 und 156 µH liegen. Die Induktivität der ersten Übertragungsspule und der zweiten Übertragungsspule, die mit der ersten Übertragungsspule verbunden ist, kann im Bereich zwischen 180 µH und 190 µH liegen. Das oben beschriebene drahtlose Energieübertragungssystem kann in einem erlaubten Frequenzbereich, z. B. im SAE-Frequenzbereich, mit einem Energiewirkungsgrad von 90% in einem Abstand zwischen Sende- und Empfangsspulen von mehr als 150 mm betrieben werden.
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Ein Verfahren zum Ansteuern eines drahtlosen Energieübertragungssystems umfasst die folgenden Schritte:
- - Koppeln einer ersten Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung,
- - Senden eines ersten Leistungsbetrags,
- - Bestimmen mindestens eines Übertragungsparameters, ausgewählt aus einer Spannung, einem Strom, einem Phasenwinkel, einer Resonanzfrequenz,
- - Koppeln der ersten Übertragungsspule und einer mit der ersten Übertragungsspule in Reihe geschalteten zweiten Übertragungsspule mit der Impedanzschaltung,
- - Senden eines zweiten Leistungsbetrags,
- - Bestimmen mindestens eines Übertragungsparameters, ausgewählt aus einer Spannung, einem Strom, einem Phasenwinkel, einer Resonanzfrequenz,
- - Senden eines Leistungsbetrags, der größer als der erste und zweite Betrag ist, unter Verwendung einer Kombination der Übertragungsspulen mit dem besseren Übertragungsparameter.
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Der relevante Übertragungsparameter kann gesendete Energie, der Übertragungswirkungsgrad und die Betriebsfrequenz sein.
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Die grundlegenden Funktionsprinzipien und Ersatzschaltbilder und nicht einschränkenden Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen gezeigt.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Anordnung des Wechselrichters, der Impedanzschaltung, des Schaltnetzwerks und der Induktivitätsschaltung.
- 2 Ersatzschaltungsblöcke von grundlegenden Schaltungselementen eines drahtlosen Energieübertragungssystems.
- 3. ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform mit zwei Übertragungsspulen und einem Schalter.
- 4 einen anderen möglichen Schaltzustand des Schalters.
- 5 eine mögliche Anordnung von Spulen und Blätter umfassenden Schichten des Senders.
- 6 ein mögliches Ersatzschaltbild eines Übertragungssystems mit zwei kapazitiven Elementen in der Impedanzschaltung auf der Senderseite und drei kapazitiven Elementen in einer Impedanzschaltung auf der Empfängerseite.
- 7 das intrinsische Problem der Fehlausrichtung in drahtlosen Energietransfersystemen.
- 8 ein anderes fehlausgerichtetes System, bei dem der Sender ein zusätzliches dielektrisches Blatt aufweist.
- 9 den magnetischen Kopplungsfaktor für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen und für verschiedene Konfigurationen des Schaltnetzwerks.
- 10 den maximalen Spulenstrom der Induktivitätsschaltung für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen und für verschiedene Schalterkonfigurationen.
- 11 die mögliche Vielfalt von Betriebsfrequenzen für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen und für verschiedene Schalterkonfigurationen.
- 12 das reduzierte Spektrum für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen, das durch ein aktives Schaltnetzwerk erhalten wird.
- 13 den Effekt des Änderns des Schaltzustands für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen auf den maximalen Spulenstrom.
- 14 den Effekt des Änderns des Schaltzustands für verschiedene Sender-Empfänger-Anordnungen auf den Spulenwirkungsgrad.
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1 zeigt eine grundlegende Konstruktion eines drahtlosen Energiesenders WPT mit einem Wechselrichter INV, einer Impedanzschaltung Z, einem Schaltnetzwerk SWC und einer Induktivitätsschaltung INC. Der Wechselrichter INV empfängt elektrische Energie von einer externen Schaltungsumgebung und liefert die elektrische Energie, die zu einem Empfänger zu übertragen ist. Der Wechselrichter INV stellt die elektrische Energie mit einer Betriebsfrequenz bereit, die um 85 kHz liegen kann. Die Energie wird zu der Impedanzschaltung Z übertragen. Das Schaltnetzwerk SWC verbindet die Induktivitätsschaltung INC elektrisch mit der Impedanzschaltung Z. Die Induktivitätsschaltung INC umfasst die erste Übertragungsspule TC1 und die zweite Übertragungsspule TC2. Die Induktivitätsschaltung kann in 1 nicht gezeigte weitere Übertragungsspulen umfassen. Die Übertragungsspulen können konzentrisch gewickelt sein. Die Übertragungsspulen der Induktivitätsschaltung INC und Schaltungselemente in der Impedanzschaltung Z stellen einen Resonanzkreis her, dem Wechselstromleistung aus dem Wechselrichter INV zugeführt wird. Der Wechselrichter INV steuert die Betriebsfrequenz der Wechselstromleistung. Da die Induktivitätsschaltung INC mindestens zwei Übertragungsspulen aufweist und da das Schaltnetzwerk SWC die Schaltmöglichkeiten zur Verbindung der Impedanzschaltung Z mit verschiedenen Induktivitäten der Induktivitätsschaltung INC umfasst, kann die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises manipuliert werden. Der Wechselrichter INV steuert die Betriebsfrequenz als Reaktion auf eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises, aber der Wechselrichter INV kann die Betriebsfrequenz nicht innerhalb eines erlaubten Frequenzbereichs steuern, wenn die Änderung zu groß ist. Deshalb ändert das Schaltnetzwerk SWC die Induktivität der Induktivitätsschaltung, um Einflüsse aus der Umgebung des Senders zu vermindern. Folglich wird die Betriebsfrequenz Einhaltung von Frequenzanforderungen sicherstellen.
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2 zeigt grundlegende Schaltungselemente eines drahtlosen Energieübertragungssystems WPTS. Das System weist einen drahtlosen Energiesendeempfänger WPT und einen drahtlosen Energieempfänger WPR auf. Die Übertragungsspulen der Induktivitätsschaltung INC des Sendeempfängers WPT erzeugen ein Magnetfeld M, das durch eine Induktivitätsschaltung INC, die eine Empfangsspule umfasst, empfangen wird. Die empfangene Energie kann durch einen Gleichrichter RECT in Gleichstromenergie umgewandelt werden. Gleichstromenergie kann zum Laden einer Batterie benutzt werden.
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3 zeigt eine mögliche Anordnung der ersten Übertragungsspule TC1 und der zweiten Übertragungsspule TC2. Beide Übertragungsspulen können konzentrisch auf einem Träger angeordnet sein. Die erste Übertragungsspule TC1 kann 4 Windungen aufweisen. Die zweite Übertragungsspule TC2 kann eine Windung aufweisen. Das Schaltnetzwerk SWC kann einen einzigen Schalter mit zwei Schaltzuständen umfassen. Ein erstes induktives Element der Impedanzschaltung Z kann mit einer ersten Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule TC1 verbunden sein. Ein zweites kapazitives Element der Impedanzschaltung Z kann mit einer ersten Verbindungselektrode der zweiten Übertragungsspule TC2 verbunden sein. Der Schalter des Schaltnetzwerks SWC kann mit einer zweiten Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule TC1 verbunden sein. Der Schalter des Schaltnetzwerks SWC kann die zweite Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule TC1 elektrisch mit der ersten Verbindungselektrode der zweiten Übertragungsspule TC2 (in 3 gezeigt) verbinden. In dem anderen Schaltzustand verbindet der Schalter des Schaltnetzwerks SWC jedoch die zweite Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule elektrisch mit einer zweiten Verbindungselektrode der zweiten Übertragungsspule TC2 (in 3 nicht gezeigt, aber in 4). In der in 3 gezeigten Schaltkonfiguration ist die zweite Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule elektrisch mit dem zweiten kapazitiven Element CE2 verbunden, während die zweite Verbindungselektrode der zweiten Übertragungsspule TC2 potentialfrei ist. Dann befindet sich die zweite Übertragungsspule TC2 in einem inaktiven Zustand und es ist hauptsächlich nur die erste Übertragungsspule TC1 aktiv.
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Im Gegensatz dazu ist in 4 die zweite Verbindungselektrode der ersten Übertragungsspule TC1 mit der zweiten Verbindungselektrode der Übertragungsspule TC2 verbunden, wodurch ein Eingang der zweiten Übertragungsspule TC2 hergestellt wird. Beide Übertragungsspulen sind elektrisch in Reihe geschaltet und beide Übertragungsspulen sind aktiv.
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Über den Schalter des Schaltnetzwerks SWC kann somit die zweite Übertragungsspule TC2 in die Induktivitätsschaltung INC aufgenommen oder aus dieser ausgeschlossen werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die Induktivitätsschaltung INC mit einer Spulenschicht CL, einem Ferritblatt FL und einem Metallblatt ML (oberer Teil von 5) und einen Querschnitt durch die Induktivitätsschaltung INC, der dieselben Schichten übereinander angeordnet zeigt (unterer Teil von 5). Die Spulenschicht CL umfasst mindestens zwei Übertragungsspulen, die konzentrisch gewickelt sein können. Zwischen der Spulenschicht CL und dem Metallblatt ML ist ein Ferritblatt FL angeordnet, um die Dichte des Magnetfelds dergestalt zu formen, dass nur eine kleine Menge Magnetfeld an der Position platziert wird, an der der Empfänger nicht erwartet wird.
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6 zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild des Übertragungssystems, wobei die Impedanzschaltung Z zwischen dem Wechselrichter INV und der Induktivitätsschaltung INC ein erstes Kapazitätselement CE1 und ein zweites Kapazitätselement CE2 umfasst. Ferner ist auf der Empfängerseite eine Impedanzschaltung ZR zwischen der Induktivitätsschaltung der Empfängerseite und dem Gleichrichter RECT angeordnet. Die Empfängerseiten-Impedanzschaltung ZR umfasst zwei kapazitive Elemente, wodurch der Port zum Gleichrichter RECT hergestellt wird. Ferner umfasst die Empfängerseiten-Impedanzschaltung ZR ein zusätzliches Kapazitätselement in einem Nebenschlusspfad zwischen den zwei Signalzweigen. Der Gleichrichter RECT ist elektrisch mit einer Batterie verbunden und führt der Batterie BAT einen Gleichstrom zu.
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7 zeit das grundlegende intrinsische Problem des drahtlosen Energietransfers, d. h. eine wahrscheinliche Fehlausrichtung der Orientierung des Empfängers (oberer Teil) relativ zum Sender (unterer Teil). Eine solche nicht perfekte Ausrichtung würde zu einer starken Frequenzverschiebung der Betriebsfrequenz führen. Mittels der Schaltfähigkeiten und der Realität verschiedener Betriebsmodi kann jedoch ein hoher Energieübertragungswirkungsgrad in einem zulässigen Frequenzbereich selbst bei relativ starken Abweichungen von perfekter Ausrichtung aufrechterhalten werden.
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8 zeigt ein anderes fehlausgerichtetes System, in dem bei dem Antennenmodul des Energiesenders ein weiteres dielektrisches Blatt DL zwischen der Spulenschicht CL und dem Ferritblatt FL angeordnet ist. Zwischen dem Ferritblatt FL und dem Metallblatt ML kann ein (in 7 nicht gezeigtes) zusätzliches dielektrisches Blatt angeordnet sein.
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9 zeigt den magnetischen Kopplungsfaktor für das System wie in 3 und 4 gezeigt für verschiedene Abstände zwischen dem Absender und der Empfangsspule (GC = Bodenfreiheit) und für verschiedene Offsets der horizontalen Richtungen (x, y). Die Vielfalt des magnetischen Kopplungsfaktors ist relativ groß, was bei praktischen Anwendungen problematisch ist.
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10 zeigt entsprechend den maximalen Spulenstrom des Übertragungsspulensystems in der Induktivitätsschaltung INC für verschiedene vertikale (GC) und horizontale (x, y) Abstände.
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11 zeigt die entsprechenden Betriebsfrequenzen für die oben erwähnten geometrischen Anordnungen. Insbesondere führen fünf Konfigurationen zu hohen Betriebsfrequenzen, die außerhalb des oberen Frequenzbereichs von 90 kHz liegen.
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12 zeigt die entsprechenden Betriebsfrequenzen, einschließlich der oben erwähnten fünf kritischen Werte, die durch Wählen einer geeigneten Schaltkonfiguration in den zulässigen Frequenzbereich verschoben werden. Das heißt, Betriebsfrequenzen entsprechend den fünf kritischen Werten werden durch Vergrößern der Induktivität der Induktivitätsschaltung herabgesetzt, z. B. durch Schalten der zweiten Übertragungsspule in Reihe mit der ersten Übertragungsspule.
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13 zeigt den direkten Effekt des Schaltens auf den maximalen Spulenstrom, der für die oben erwähnten fünf (und zusätzliche) Konfigurationen drastisch reduziert wird.
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Entsprechend zeigt 14 die Zunahme des Spulenwirkungsgrads, wenn die oben erwähnten fünf geometrischen Konfigurationen den verbesserten Schaltzustand erreichen.
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Der drahtlose Energiesender, das drahtlose Übertragungssystem und das Verfahren zum Ansteuern eines solchen Systems sind nicht auf die oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Vorrichtungen und Schaltungen beschränkt. Sender und Systeme, die weitere Schaltungselemente umfassen, z. B. weitere Induktivitäts- oder Kapazitätselemente in der Induktionsschaltung, weitere Übertragungsspulen, weitere Schalter oder zusätzliche Komponenten zum adaptiven Steuern der Betriebsfrequenz, sind ebenfalls umfasst. Dementsprechend sind auch Verfahren zum Ansteuern solcher Systeme umfasst, die weitere Schritte umfassen, z. B. zum Testen weiterer Übertragungsspulenkonfigurationen.
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Bezugszeichenliste
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- CE1:
- erstes kapazitives Element
- CE2:
- zweites kapazitives Element
- CL:
- Spulenschicht
- DL:
- dielektrisches Blatt
- FL:
- Ferritblatt
- GC:
- Bodenfreiheit/Abstand zwischen Sender und Empfänger
- INC:
- Induktivitätsschaltung
- INV:
- Wechselrichter
- M:
- Magnetfeld
- ML:
- Metallblatt
- RECT:
- Gleichrichter
- SWC:
- Schaltnetzwerk
- TC1:
- erste Übertragungsspule
- TC2:
- zweite Übertragungsspule
- WPR:
- drahtloser Energieempfänger
- WPT:
- drahtloser Energiesender
- WPTS:
- drahtloses Energieübertragungssystem
- Z:
- Impedanzschaltung
- ZR:
- Impedanzschaltung auf Empfängerseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0025623 A1 [0004]
- WO 2009/114671 A1 [0004]
