WO2016139072A1 - Verwendung und anordnung von pencake-spulen zur drahtlosen energieübertragung an elektrofahrzeuge - Google Patents

Verwendung und anordnung von pencake-spulen zur drahtlosen energieübertragung an elektrofahrzeuge Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the use of so-called
  • Road-going electric vehicles are connected to a charging station in the current state of the art by means of a connection made from a plug to a mating coupling.
  • stations with appropriate cables are provided.
  • the object of the present invention is to provide such a Lö ⁇ solution, particularly advantageously solves these requirements. This object is solved by the features of claim 1 and the features of claim 6.
  • a pancake coil is used for the wireless transmission of energy to an electric vehicle, wherein at least a first coil of the coils required for transmission is designed as a pancake coil for wireless transmission.
  • pancake coils are compact and at the same time flat keptstal- tet, wherein the individual coils a high quality aufwei ⁇ sen, increases the efficiency of energy transfer.
  • pancake coils which is characterized in that it is 2-layer spiral coils of stranded wire same sense of winding, with a first coil, in a ers ⁇ th location from outside to inside wound and a second coil is wound in a second layer from the inside out.
  • the use is putge ⁇ forms such that, for the use of the pancake coil, layers of the first coil are arranged separated in a voltage-resistant manner.
  • This distinctive ⁇ net in particular by stable storage of the coils but also by optimizing the energy transfer function.
  • Derivatives here are defined as composites designed for use as circuit board material.
  • this may be realized such that the tension resistive separate arrangement of the first coil, a Teflon film is mounted between the layers.
  • a Teflon film is mounted between the layers.
  • the pancake coil of the invention is arranged on egg ⁇ ner, in particular designed as a plate, ferrite.
  • the ferrite arrangement is structured as a plate. This increases the inductance and thus minimizes the winding volume. Furthermore, such a ferrite bottom forces the (electro) magnetic field into the field of the other half space of the field or restricts the (electro) magnetic field to a total of one half space.
  • an arrangement for the wireless transmission of energy to an electric vehicle is proposed, which is characterized in that a charging station and / or electric vehicle is designed such that it is equipped with a described uses described above
  • Pancake coil is configured.
  • Figure la is a plan view of a first position
  • figure lb is a side view according to theticiansbei ⁇ play of the invention for power transmission to be used pancake coil.
  • FIGS. 1 a and 1 b like all variants according to the invention, has the
  • Pancake coil on the advantage that they ensure the inductive charging of vehicles (or their batteries) that the power-transmitting coils or by arranging two such coils, ie a vehicle in the vehicle and a charging station formed transformer system, if possible low-loss is executed.
  • a second requirement in the design of the coil system that fulfills the use according to the invention is the size of the individual coils, which are to be made as compact and flat as possible.
  • PANCAKE_SPULE_LAGE_2 of the pancake coil are configured as double-layer spiral coils of stranded wire with the same winding sense, wherein the first coil PANCAKE_SPULE_LAGE_1 is wound in the first position from the outside to the inside, and the second coil PANCAKE_SPULE_LAGE_2 is wound in the second layer from inside to outside.
  • the voltage-proof doors ⁇ voltage of the two layers by a thin composite sheet for example, FR4 board, FR_4_PLATTE is given.
  • a thin composite sheet for example, FR4 board, FR_4_PLATTE is given.
  • Alternatives to this or additions are Teflon film or paints.
  • the stranded wire at the end of the first winding passes through a bore in the composite plate FR_4_PLATTE to the other layer side of the composite plate FR_4_PLATTE. It can also be seen that this arrangement is mounted on a ferrite plate FERRITPLATTE.
  • the coil losses can be at least minimized by the design according to the invention as described here.

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Abstract

Die Erfindung eine Verwendung und Anordnung von Pencake-Spulen zur drahtlosen Energieübertragung an Elektrofahrzeuge bei denen zur drahtlosen Übertragung zumindest eine erste Spule der zur Übertragung notwendigen Spulen als Pancake-Spule ausgestaltet ist.

Description

Beschreibung
Verwendung und Anordnung von Pencake-Spulen zur drahtlosen Energieübertragung an Elektrofahrzeuge
Die Erfindung betrifft die Verwendung von so genannten
Pancake-Spulen zur drahtlosen Energieübertragung an Elektro- fahrzeuge gemäß dem Anspruch 1 sowie eine Anordnung zur drahtlosen Energieübertragung an Elektrofahrzeuge gemäß An- spruch 6.
Der Einsatz von Elektrofahrzeugen ist bekannt. Ferner ist es bekannt, dass derartige Fahrzeuge, sofern sie nicht über au¬ tonom beispielsweise über Solarzellen mit elektrischer Ener- gie versorgt werden, häufig über einen Energiespeicher verfügen, der regelmäßig mit neuer Energie geladen werden muss.
Im Straßenverkehr befindliche Elektrofahrzeuge werden beim derzeitigen Stand der Technik mittels einer von einem Stecker zu einer passenden Kupplung hergestellten Verbindung an einer Ladestation angeschlossen. Hierzu sind Stationen mit entsprechenden Kabeln vorgesehen.
Diese Stationen bzw. die Kabel sind der Witterung ausgesetzt und auch anderen äußeren Faktoren ausgesetzt, die zur Beeinträchtigung der Funktion beitragen können.
Um zu laden muss ferner diese Verbindung von Stecker und Kupplung manuell hergestellt werden. Was zu weiterem Schaden führen kann.
Es ist auch bekannt eine Energieübertragung mittels Spulen durchzuführen. Für eine Anwendung im obigen Szenario besteht daher ein Bedürfnis auf dieser Technologie beruhende Lösungen zu finden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine derartige Lö¬ sung anzugeben, diesen Anforderungen besonders vorteilhaft löst . Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie die Merkmale des Anspruches 6 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung einer Pancake-Spule zur drahtlosen Energieübertragung an ein Elektrofahrzeug, wo- bei zur drahtlosen Übertragung zumindest eine erste Spule der zur Übertragung notwendigen Spulen als Pancake-Spule ausgestaltet ist.
Dies ermöglicht bzw. unterstützt die Automatisierung des La- devorgangs, da es lediglich erforderlich ist das Elektrofahr- zeug in geeigneter Weise in die Nähe der Ladespule zu brin¬ gen. Somit ist der Einsatz bei autonomen Elektrofahrzeugen wie sie aus Industrie bzw. in der Automatisierungstechnik bekannt sind, hierdurch unterstützt. Aber auch die einleitend genannten Nachteile von im Straßenverkehr befindlichen Elektrofahrzeugen und Ladeeinrichtungen werden überwunden.
Ferner zeichnet sich die Verwendung von Pancake-Spulen dadurch aus, dass sie kompakt und gleichzeitig flach ausgestal- tet sind, wobei die einzelnen Spulen eine hohe Güte aufwei¬ sen, die Effizienz der Energieübertragung steigert. Beides ist u.a. durch die in der Regel übliche Ausgestaltung von Pancake-Spulen gegeben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um 2-lagige Spiralspulen aus Litzendraht gleichen Wicklungssinns handelt, wobei eine erste Spule, in einer ers¬ ten Lage von außen nach innen gewickelt und eine zweite Spule in einer zweiten Lage von innen nach außen gewickelt ist.
Vorteilhaft ist es dabei wenn die Verwendung derart weiterge¬ bildet wird, dass zur Verwendung der Pancake-Spule, Lagen der ersten Spule spannungsfest getrennt angeordnet sind. Bevorzugt wird dies dabei durch eine Weiterbildung derart re¬ alisiert, dass für die Verwendung zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule zumindest eine, insbesondere dünne, insbesondere aus FR4 oder seinen Derivaten gebil- dete, Platte g zwischen den Lagen angebracht ist. Dies zeich¬ net sich insbesondere durch stabile Lagerung der Spulen aber auch durch Optimierung der Energieübertragungsfunktion aus. Derivate sei hierbei als Verbundstoffe, die zur Verwendung als Leiterplattenmaterial ausgestaltet sind, definiert.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann gemäß einer Weiterbil¬ dung dies derart realisiert sein, dass zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule, eine Teflonfolie zwischen den Lagen angebracht ist. Als Alternative hat es den Vorteil Raum zu sparen und als Ergänzung bietet es weitere
Freiheitsgrade zur Optimierung der Energieübertragungsfunkti¬ on durch entsprechende Dimensionierung.
Eine weitere Alternative oder Ergänzung ist gegeben, wenn die Verwendung derart erfolgt, dass zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule, mindestens eine aufgetragene Lackschicht zwischen den Lagen angebracht ist. Dies bietet eine weitere Raumeinsparungsmöglichkeit bzw. Freiheitsgrade zur Optimierung der Energieübertragungsfunktion.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Pancake-Spule auf ei¬ ner, insbesondere als Platte ausgestalten, Ferritanordnung angeordnet. Insbesondere ist die Ferritanordnung als Platte strukturiert. Hierdurch wird die Induktivität erhöht und da- mit das Wickelvolumen zu minimiert. Außerdem zwingt ein derartiger Ferritboden das (elektro- ) magnetische Feld in das Feld des anderen Halbraums des Feldes bzw. beschränkt das (elektro) magnetische Feld auf insgesamt einen Halbraum. Erfindungsgemäß wird auch eine Anordnung zur drahtlosen Energieübertragung an ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Ladestation und/oder Elektrofahrzeug derart ausgestaltet ist, dass es mit einer der vorgehend beschriebenen Verwendungen beschriebenen
Pancake-Spule ausgestaltet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren la und lb gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die
Figur la eine Draufsicht auf eine erste Lage, Figur lb eine Seitenansicht auf die gemäß Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung zur Energieübertragung zu verwendeten Pancake-Spule.
Das in den Figuren la und lb dargestellte Ausführungsbei- spiel, weist wie alle erfindungsgemäßen Varianten der
Pancake-Spule den Vorteil auf, dass sie beim induktiven Laden von Fahrzeugen (bzw. deren Batterien) sicherstellen, dass die leistungsübertragenden Spulen bzw. das durch Anordnung zweier solcher Spulen, also eine im Fahrzeug und eine in einer Lade- Station gebildete Trafosystem, möglichst verlustarm ausgeführt ist.
Dies erfordert ein Spulensystem mit möglichst hohen Güten der Einzelspulen, wie es durch die erfindungsgemäße Verwendung von Pancake-Spule gebildet werden kann.
Eine zweite Anforderung beim Design des Spulensystems, die die erfindungsgemäße Verwendung erfüllt, ist die Größe der Einzelspulen, welche möglichst kompakt und flach auszuführen sind.
Dies wird im dargestellten Beispiel gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung auf einer Ferritfläche ausgeführt, welche die Vorteile aufweist, dass die elektro- magnetische Feldverteilung auf einen Halbraum begrenzt und den Induktivitätswert der Pancake-Spule zu erhöht bzw. da¬ durch das Wicklungsvolumen erniedrigt wird. Damit hebt sich die Erfindung deutlich von der Verwendung von einlagigen Spiralspulen oder Kombinationen daraus, wie beispielsweise Anordnungen als so genanntes „Butterfly", ab. Der Einsatz von Pancake-Spulen, wie in Figur la (Draufsicht) und lb (Seitenansicht) dargestellt, bedient die beiden Anfor¬ derungen optimal, dabei ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Spulen PANCAKE_SPULE_LAGE_1 ,
PANCAKE_SPULE_LAGE_2 der Pancake-Spule als zweilagige Spiral- spulen aus Litzendraht gleichen Wicklungssinns ausgestaltet, wobei die erste Spule PANCAKE_SPULE_LAGE_1 in der ersten Lage von außen nach innen gewickelt wird, und die zweite Spule PANCAKE_SPULE_LAGE_2 in der zweiten Lage von innen nach außen gewickelt ist.
Gemäß Ausführungsbeispiel ist dabei die spannungsfeste Tren¬ nung der beiden Lagen durch eine dünne Verbundstoffplatte, beispielsweise FR4-Platte, FR_4_PLATTE gegeben. Alternativen hierzu bzw. Ergänzungen sind Teflonfolie oder Lacke.
Wie zu erkennen ist, geht dabei der Litzendraht am Ende der ersten Wicklung durch eine Bohrung in der Verbundstoffplatte FR_4_PLATTE auf die andere Lagenseite der Verbundstoffplatte FR_4_PLATTE . Ferner ist zu erkennen, dass diese Anordnung auf einer Ferritplatte FERRITPLATTE angebracht ist.
Um die (elektro) magnetische Feldverteilung der Pancakespule auf einen Halbraum zu begrenzen und den Induktivitätswert der Pancake-Spule zu erhöhen (um damit Windungen und Volumen zu sparen) , liegt diese auf einer Ferritfläche, beispielsweise als Platte FERRITPLATTE oder sternförmige Ferritanordnung oder ähnlichen Ferritanordnung ausgestaltet. Diese stellt sicher, dass das (elektro- ) magnetische Feld des anderen Halb- raums des Feldes in die Ferritfläche gezwungen wird. Dadurch ist der Einfluss eines Metallbodens vernachlässigbar bzw. es kann dadurch eine Feldabschirmung sichergestellt werden. Bei einer Versuchsanordnung unter Verwendung der in Figur la und lb dargestellten Ausführungsform zeigten sich durch die Erfindung erreichbare Werte für einen erfindungsgemäßen Einsatz von einer Induktivität von L225yH und Q=1000 bei einer Frequenz f=100kHz.
Q bezeichnete dabei die Spulengüte, die mit einem Wert von 1000 bei 100kHz, gemäß Beispiel mit Kupfer als Basismaterial und bei Raumtemperatur ein Optimum darstellt, welches bei dieser Frequenz durch die Erfindung erreicht werden kann, es beschreibt das Verhältnis der Reaktanz=2*pi*f*L zu einem Verlustwiderstand R, ist also ein Maßstab für die Spulenverlus¬ te . Die Spulenverluste können wie ersichtlich ist durch erfindungsgemäße Ausführung, wie hier beschrieben, zumindest minimiert werden.
Der Vorteil dieser Spulenart ist die optimale Nutzung der 2. Lage im Vergleich der Nutzung von einlagigen Spiralspulen.
Denn die Rückführung des Spulendrahtes der einlagigen Spule, der dort zwingend notwendig wäre, einen größeren Spulendurchmesser bei gleichbleibender Höhe erforderlich macht. Durch die Erfindung können somit hochgütige Spulen bei opti¬ maler Ausnutzung des Volumens realisiert werden.

Claims

Verwendung einer Pancake-Spule zur drahtlosen Energieübertragung an ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zur drahtlosen Übertragung zumindest ei¬ ne erste Spule der zur Übertragung notwendigen Spulen als Pancake-Spule ausgestaltet ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwendung der Pancake-Spule, Lagen der ersten Spule spannungsfest getrennt angeordnet sind.
Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule eine, insbesondere dünne, insbesondere aus FR4 oder seinen Derivaten gebildete, Platte zwischen den Lagen angebracht ist.
Verwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule, eine Teflonfolie zwischen den Lagen ange¬ bracht ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur spannungsfesten getrennten Anordnung der ersten Spule, mindestens eine aufgetragene Lackschicht zwischen den Lagen angebracht ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Pancake-Spule auf einer, ins¬ besondere als Platte ausgestaltete, Ferritstruktur an¬ geordnet ist.
Anordnung zur drahtlosen Energieübertragung an ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine La¬ destation und/oder Elektrofahrzeug derart ausgestaltet ist, dass es mit einer nach einem der Verwendungsan- sprüche 1 bis 6 verwendeten Pancake-Spule ausgestaltet
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