EP3114747A1 - Anordnung für eine induktive energieübertragung - Google Patents

Anordnung für eine induktive energieübertragung

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EP3114747A1
EP3114747A1 EP15716407.0A EP15716407A EP3114747A1 EP 3114747 A1 EP3114747 A1 EP 3114747A1 EP 15716407 A EP15716407 A EP 15716407A EP 3114747 A1 EP3114747 A1 EP 3114747A1
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EP
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coil
receiver
arrangement according
arrangement
consumer
Prior art date
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Withdrawn
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EP15716407.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maik-Julian BÜKER
Tobias LÜCKE
Jörg Rainer Euskirchen
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Witech GmbH
Original Assignee
Witech GmbH
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
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    • H02J7/00034—Charger exchanging data with an electronic device, i.e. telephone, whose internal battery is under charge

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for an inductive energy transmission with a transmitter having at least one transmitter coil and a recipient of a receiver coil arrangement having a consumer.
  • Charging station with a plurality of transmitting coils is used to charge the batteries of applied mobile phones, tablets or the like.
  • Receiver-coil assembly having a receiver
  • the two coils are electrically coupled, comparable to a transformer.
  • Such a transformer conversion directly in the receiver coil arrangement has the advantage of being able to supply a low output voltage, so that the
  • any non-conductive plastic can be used as a substrate.
  • any non-conductive plastic can be used.
  • conventional printed circuit boards, films or plastic housing of a consumer are suitable.
  • As a coil geometry a rectangle is preferred, although other shapes are quite possible. Regardless, it is provided that the coils have congruent outer and inner edges of the outer and inner turns.
  • the edges of the outer turns are as it were in a common, virtual tube and surround the inner edges of the inner turns such.
  • Receiver can be formed offset from the substrate.
  • the receiver coil assembly is a very flat component, only occupied with the resonance of the coil-determining components that in SMD technology
  • the transmitting coil is arranged opposite in or on the consumer.
  • This coil is the actual receiver coil, through which, however, a resonant circuit is connected only with a capacitor.
  • the number of turns will be determined essentially by the transmission frequency. For example, the number of turns is one
  • the number of turns of the second coil is significantly smaller and is determined by the height of the second coil
  • the number of turns of the second coil for example, be 2 to 4.
  • the power supply of the receiver in particular a microcontroller, is tapped off.
  • the power supply of the receiver and the consumer are separated.
  • the first coil is tuned to resonance, alternatively, that the second coil to resonance
  • Fig. 2 is a plan view and Fig. 3: a bottom view of one with the
  • Receiver coil assembly provided substrate.
  • a transmitter 1 is shown schematically in an equivalent circuit diagram, which via a drive circuit 2, a plurality of transmitting coils 3, indicated by the arrow, individually or in groups for an inductive
  • Receiver coil arrangement with a first coil 4 and a second coil 5 for the power supply of a particular mobile consumer 6.
  • the first and the second coil 4,5 are applied planar on both sides of a substrate 7, as will be explained further below.
  • Rectifier circuit 10 and a DC / DC converter 11 for a fine control of the supply voltage of the consumer. 6
  • the second coil 5 will have significantly fewer turns than the coil 4.
  • the second coil 5 has a center tap 12, from which the receiver circuit 13 is fed, here exemplified as a microcontroller 14, which a rectifier 15 and a DC / DC converter 16 is still connected upstream.
  • the second coil is the fifth
  • the board or the substrate 7 carries in addition to the two coils 4, 5 only the capacitors 8,9 and here, for example, a connector strip 17 for connecting the

Abstract

Bei einer Anordnung für eine induktive Energieübertragung mit einem wenigstens eine Sendespule aufweisenden Sender und einem eine Empfänger-Spulenanordnung aufweisenden Empfänger eines Verbrauchers weist die Spulenanordnung zwei planare, beidseits eines Substrats aufgebrachte Spulen (4, 5) unterschiedlicher Windungszahlen auf.

Description

Anordnung für eine induktive Energieübertragung Beschreibung :
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine induktive Energieübertragung mit einem wenigstens eine Sendespule aufweisenden Sender und einem eine Empfänger-Spulenanordnung aufweisenden Empfänger eines Verbrauchers.
Für eine drahtlose Energieübertragung zwischen einer
stationären Ladestation und einem beweglichen Verbraucher wird häufig die elektrische Induktion genutzt. So ist es beispielsweise aus der EP 1 318 260 A2 bei Toren bekannt, einen mit dem Torflügel beweglichen Akkumulator in einer bestimmten Position des Torflügels mittels induktiver
Energieübertragung zu laden. Ein anderes Anwendungsgebiet erläutert die US 7,576,514 B2. Eine im wesentlichen flächenhaft sich erstreckende
Ladestation mit einer Vielzahl von Sendespulen dient dem Aufladen der Akkumulatoren von aufgelegten Mobiltelefonen, Tablets oder dergleichen.
Es kann zwar bei einer induktiven Energieübertragung eine Sende- und eine Empfängerspule für die jeweilige Frequenz, die Geometrie und die zu versorgende Last optimiert werden, sollen jedoch an die Empfängerspule unterschiedliche
Verbraucher angeschlossen werden, so ergibt sich regelmäßig ein schlechter Wirkungsgrad, da die Lastwiderstände nicht auf die Empfängerspule optimal abgestimmt sind. Hieraus
resultieren notwendige, zusätzliche elektronische
Wandler-Schaltungen, die solches ermöglichen.
Vor diesem Hintergrund macht die Erfindung es sich zur
Aufgabe, eine Anordnung für eine induktive Energieübertragung mit einem wenigstens eine Sendespule aufweisenden Sender und
|Bestätigungskopie| einem eine Empfänger-Spulenanordnung aufweisenden Empfänger eines Verbrauchers zur Verfügung zu stellen, bei der aufgrund einer kleinen AusgangsSpannung Verluste und konstruktiver Aufwand in bzw. von Wandlern reduziert werden, ohne dass auf eine effizierte Anpassung der Impedanz verzichtet werden muss .
Gelöst wird diese technische Problematik bei einer Anordnung für eine induktive Energieübertragung mit einem wenigstens eine Sendespule aufweisenden Sender und einem eine
Empfänger-Spulenanordnung aufweisenden Empfänger eines
Verbrauchers gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass die Spulenanordnung zwei planare, beidseits eines Substrats aufgebrachte Spulen unterschiedlicher Windungszahlen
aufweist.
Bei einer geeigneten Auswahl des Substrates stellen sich die beiden Spulen elektrisch gekoppelt dar, vergleichbar einem Transformator. Eine solche transformatorische Wandlung direkt in der Empfänger-Spulenanordnung weist den Vorteil auf, eine geringe AusgangsSpannung liefern zu können, so dass die
Verluste in nachfolgenden Wandlern reduziert werden können, ohne dass auf eine effizierte Anpassung der Impedanz
verzichtet werden muss.
Als Substrat kann jeder nichtleitende Kunststoff Verwendung finden. Insbesondere sind übliche Leiterplatten, Folien oder auch Kunststoffgehäuse eines Verbrauchers geeignet. Als Spulengeometrie wird ein Rechteck bevorzugt, wenn auch andere Formen durchaus möglich sind. Unabhängig hiervon ist vorgesehen, dass die Spulen deckungsgleiche äußere und innere Ränder der äußeren und inneren Windungen aufweisen. Damit liegen die Ränder der äußeren Windungen gleichsam in einer gemeinsamen, virtuellen Röhre und umschließen die inneren Ränder der inneren Windungen eine solche. Infolge dieser Maßnahmen wird zum einen eine gute Kopplung der beiden Spulen erreicht sowie der Einfluss möglicherweise auftretender
Wirbelströme minimiert.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Empfänger-Spulenanordnung besteht darin, dass die elektronische Schaltung des
Empfängers von dem Substrat abgesetzt ausgebildet sein kann. Damit stellt sich die Empfänger-Spulenanordnung als sehr flaches Bauteil dar, lediglich besetzt mit den die Resonanz der Spulen bestimmenden Bauteilen, die in SMD-Technik
ausgeführt kaum auftragen.
Weiter ist vorgesehen, dass eine Seite des Substrats mit einer ersten Spule, deren Windungszahl größer bemessen ist als die der zweiten Spule, der Sendespule gegenüberliegend in oder an dem Verbraucher angeordnet ist. Bei dieser Spule handelt es sich um die eigentliche Empfängerspule, durch die jedoch lediglich mit einem Kondensator zusammengeschaltet ein Schwingkreis ausgebildet wird. Die Anzahl der Windungen wird im wesentlichen durch die Übertragungsfrequenz bestimmt werden. Beispielsweise beträgt die Windungszahl bei einer
Übertragungsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz zwischen 8 und 15 Windungen.
Die Anzahl der Windungen der zweiten Spule ist deutlich geringer bemessen und wird durch die Höhe der
AusgangsSpannung bestimmt sein. Der Verbraucher wird aus dieser, eine geringere Anzahl von Windungen aufweisenden, zweiten Spule gespeist. Bei den vorstehend genannten
Betriebsparametern kann die Anzahl der Windungen der zweiten Spule beispielsweise 2 bis 4 betragen.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn an einer
Mittenabzapfung der die geringe Anzahl von Windungen
aufweisenden Spule die Stromversorgung des Empfängers, insbesondere eines Mikrocontrollers, abgegriffen wird. Die Stromversorgung des Empfängers und des Verbrauchers sind damit getrennt . Für einen Betrieb der Anordnung nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Spule auf Resonanz abgestimmt ist, alternativ, dass die zweite Spule auf Resonanz
abgestimmt ist und die erste Spule geringfügig neben der Resonanz liegend betrieben wird.
Weist die die erste Spule tragende Seite des Substrats hin zu der Sendespule, so weist die die zweite Spule tragende Seite des Substrats regelmäßig in das Innere des Verbrauchers. Es hat sich von daher als zweckmäßig erwiesen, eine
plattenartige Abschirmung der die zweite Spule tragenden Seite des Substrats aus Ferrit vorzusehen. Damit ist das Innere des Verbrauchers weitgehend von der induktiven
Energieübertragung abgeschirmt .
Das Wesen der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich schematisch und vereinfacht Ausführungsbeispiele dargestellt werden. In der Zeichnung zeigt :
Fig. 1: ein elektrisches Ersatzschaltbild,
Fig. 2: eine Draufsicht und Fig. 3: eine Unteransicht eines mit der
Empfänger-Spulenanordnung versehenen Substrats.
In Figur 1 ist in einem Ersatzschaltbild schematisch ein Sender 1 dargestellt, der über eine Ansteuerungsschaltung 2 eine Vielzahl von Sendespulen 3, angedeutet durch den Pfeil, einzeln oder gruppenweise für eine induktive
Energieübertragung mit einer Spannung beaufschlagt .
Von den Sendespulen 3 aus erfolgt dann die induktive
Energieübertragung gemäß des Doppelpfeils an eine
Empfänger-Spulenanordnung mit einer ersten Spule 4 und einer zweiten Spule 5 für die Stromversorgung eines insbesondere mobilen Verbrauchers 6. Die erste und die zweite Spule 4,5 sind planar beidseits eines Substrats 7 aufgebracht, wie nachstehend noch weiter erläutert wird. Infolge dieser
Spulenanordnung kommt es transformatorgleich zu einer
elektrischen Kopplung der beiden Spulen 4,5, angedeutet durch den Doppelpfeil.
Bildet die erste Spule 4 mit einem Kondensator 8 lediglich einen Schwingkreis aus, wird an der zweiten Spule 5 die
Spannung für den Verbraucher 6 abgegriffen. Dies erfolgt in an sich üblicher Weise über einen Kondensator 9, eine
Gleichrichterschaltung 10 und einen DC/DC-Wandler 11 für eine Feinregelung der Speisespannung des Verbrauchers 6.
Von daher wird die zweite Spule 5 deutlich weniger Windungen aufweisen als die Spule 4.
Neben den Anschlüssen für die Speisung des Verbrauchers 6 weist die zweite Spule 5 eine Mittenabzapfung 12 auf, aus der die Empfängerschaltung 13 gespeist wird, hier beispielhaft dargestellt als Mikrocontroller 14, dem ein Gleichrichter 15 sowie ein DC/DC-Wandler 16 noch vorgeschaltet ist.
Die Ansichten der die Spulen 4 und 5 tragenden Substrat 7, bspw. eine Platine, gemäß den Figuren 2 und 3 zeigt in einer Draufsicht gemäß Figur 2 eine erste Spule 4 mit beispielhaft elf Windungen für eine induktive Energieübertragung bei einer Frequenz von 1 MHz bis 2 MHz. Exakt gegenüberliegend, unterseitig des Substrats 7 ist die zweite Spule 5
angeordnet, die hier lediglich beispielhaft zwei Windungen aufweist.
Die Platine bzw. das Substrat 7 trägt neben den beiden Spulen 4,5 lediglich die Kondensatoren 8,9 sowie hier beispielhaft eine Steckerleiste 17 für den Anschluss der
Empfängerschaltung 13.

Claims

Anordnung für eine induktive Energieübertragung mit einem wenigstens eine Sendespule aufweisenden Sender und einem eine Empfänger-Spulenanordnung aufweisenden Empfänger eines Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung zwei planare, beidseits eines Substrats aufgebrachte Spulen (4,5) unterschiedlicher
Windungszahlen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (4,5) deckungsgleiche äußere und innere Ränder der äußeren und inneren Windungen aufweisen.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung des Empfängers (13) von dem Substrat (7) abgesetzt ausgebildet ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite des Substrats (7) mit einer ersten Spule (4) , deren
Windungszahl größer bemessen ist als die der zweiten Spule (5) , der Sendespule (3) gegenüberliegend in oder an dem Verbraucher (6) angeordnet ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (6) aus der zweiten Spule (5) gespeist wird.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Mittenabzapfung (12) der zweiten Spule (5) die Stromversorgung des Empfängers (13) abgegriffen wird.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule auf Resonanz abgestimmt ist.
8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule auf Resonanz abgestimmt ist und die erste geringfügig neben der Resonanz liegend betrieben wird.
9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Übertragungsfrequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz liegt.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine plattenartige Abschirmung der zweiten Spule aus Ferrit .
EP15716407.0A 2014-03-05 2015-03-03 Anordnung für eine induktive energieübertragung Withdrawn EP3114747A1 (de)

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