WO2017174359A1

WO2017174359A1 - Drahtlos wiederaufladbarer energiespeicher

Info

Publication number: WO2017174359A1
Application number: PCT/EP2017/056812
Authority: WO
Inventors: Sascha Reinger
Original assignee: Tecflower Ag
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-10-12
Also published as: CN109155526B; US20200328613A1; CN109155526A; US11031815B2; EP3440758A1; JP2019514324A

Abstract

Gewünscht ist ein drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1), umfassend ein Gehäuse (10), mit einer Mantelwand (100), in welchem ein Umwandler (12), ein Speicherkern (11), eine Ladelektronik (13) und ein Antennengebilde entlang einer Längsachse (L) angeordnet sind, welcher unabhängig von der relativen Ausrichtung von genutzten Antennengebilden zur wirkenden Feldrichtung eine gesteigerte Effizienz der Wiederaufladung erreicht und trotzdem durch seine Gehäusegestalt als Ersatz für Batterien und Batteriepacks in Elektrokleingeräten vielfältig einsetzbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das Antennengebilde mindestens zwei aus einem elektrisch leitenden Draht geformte Induktionsschlaufen (14, 14') als Flachspulen (14, 14') ausgebildet umfasst, welche auf einer biegbaren Leiterplatte sich teilweise überlappend angeordnet sind, wobei die Leiterplatte samt der mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14') den Speicherkern (11) mindestens teilweise derart umschliesst, dass Schlaufenlängsausdehnungen (S) mindestens annähernd parallel zur Längsachse (L) verlaufen und Schlaufenquerausdehnungen (Q) mindestens annähernd senkrecht zur Längsachse (L) verlaufen und ein erster Pol der Induktionsschlaufen (14, 14') mit einem ersten Pol des Umwandlers (12) und ein zweiter Pol der Induktionsschlaufen (14, 14') mit einem zweiten Pol des Umwandlers (12) verbunden sind.

Description

Drahtlos wiederaufladbarer Eneraiespeicher

Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung beschreibt einen drahtlos wiederaufladbaren Energiespeicher, umfassend ein Gehäuse, mit einer Mantelwand, in welchem ein Umwandler, ein Speicherkern, eine Ladelektronik und ein Antennengebilde entlang einer Längsachse angeordnet sind, sowie ein Herstellungsverfahren eines drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers mit einem Gehäuse und einer Längsachse, umfassend einen Umwandler, einen Speicherkern, eine Ladeelektronik und ein Antennengebilde.

Stand der Technik

Es ist eine Vielzahl von elektrischen Batterien und Akkumulatoren kommerziell erhältlich, die in einer Vielzahl von batteriebetriebenen elektrischen Verbrauchern eingesetzt werden können.

Mit den Begriffen Batterie und Akkumulator werden in dieser Anmeldung gleichbedeutend wiederaufladbare Primärzellen Superkondensator und wiederaufladbare Sekundärzellen bezeichnet. Wenn mehrere Zellen zusammengeschaltet sind spricht man von einem Batteriepack, welches hier ebenfalls gleichbedeutend mit dem Begriff Batterie gemeint ist. In der Batterie kann elektrische Energie elektrochemisch in einem entsprechenden Speicherkern gespeichert werden. Dabei setzt sich die Batterie meist aus einer Mehrzahl von Sekundärzellen zusammen, was einem Batteriepack entspricht. In den letzten Jahren wurden in Batterien bzw. Akkumulatoren zusätzlich Speicherkerne mit Kondensatoren eingesetzt, wobei die elektrische Energie in diesem Fall in einem elektrischen Feld des Kondensators gespeichert ist. Die elektrische Energie kann bei Bedarf dem elektrischen Energiespeicher entnommen werden. Auch hier können Batteriepacks umfassend mehrere Kondensatoren bzw. Superkondensatoren erstellt werden.

Die Gehäuse der elektrischen Energiespeicher sind auf gängige genormte Grössen (ANSI-Norm) angepasst, sodass eine überschaubare Zahl erhältlicher Gehäuse mit definierten Bauformen des Gehäuses resultiert, passend für unterschiedlich ausgeführte Elektrokleingeräte. Einsetzbar sind Energiespeicher wie Batterien basierend auf den verschiedenen Speicherkernen in unterschiedlich grossen meist tragbaren Elektrokleingeräten vom Hörgerät über Mobiltelephone, tragbare Computer, Fotoapparate, Fernbedienungen bis zu Weckern und Kinderspielzeugen. Die Energiespeicheraufnahmen dieser Geräte sind auf die erhältlichen Bauformen von Batterien von der Knopfzelle bis zum 9V Block angepasst und die Elektronik der Geräte auf die Leistungsmerkmale, wie Nennspannung und Kapazität der Energiespeicher.

Durch den gesteigerten Einsatz von wiederaufladbaren Batterien kann die Herstellung und der Vertrieb von nicht wiederaufladbaren Primärzellen und damit Einwegbatterien reduziert werden. Wiederaufladbare Batterien werden heute bevorzugt in Elektrokleingeräten verwendet, da diese mit den passenden Ladegeräten einfach wieder aufladbar sind . Oftmals sind heute gängige Elektrokleingeräte mit einer Ladeelektronik ausgerüstet, sodass die eingelegten wiederaufladbaren Batterien bei der Aufladung im Gerät verbleiben können, wobei eine gesteuerte Wiederaufladung der Energiespeicher erfolgen kann. Diese vor allem beispielsweise bei Schnurlostelefonen und Mobiltelefonen der Fall ist. Von aussen wird elektrische Energie in Form einer Versorgungsspannung und eines Ladestromes zugeführt und damit die wiederaufladbare Batterie wieder aufgeladen. Die Energiespeicher müssen mechanisch robust ausgeführt sein und im Fall von mobilen Einsätzen möglichst leicht und lageunabhängig einsetzbar sein, wobei ein Auslaufen ausgeschlossen werden muss.

Um die Aufladung noch weiter zu vereinfachen, werden Batterien heute wenn möglich drahtlos aufgeladen. Diese drahtlose bzw. kontaktlose Energieübertragung oder Leistungsübertragung kann heute mittels verschiedener Übertragungsarten im Fernfeld (< 400cm Abstand Energiespeicher-Ladegerät) oder Nahfeld (< 20cm Abstand Energiespeicher-Ladegerät) aus verschiedenen Quellen erreicht werden. Elektromagnetische Felder übertragen dabei die Energie von der Quelle auf den elektrischen Energiespeicher.

Es sind Ladegeräte kommerziell erhältlich, auf die man ein Mobiltelefon, Smartphones, Personal Digital Assistants, Navigationsgeräte oder Tablet-Computer einfach auflegen kann und schon beginnt der Ladevorgang . Dazu ist eine Ladeelektronik nötig, die mit einer Sendespule verbunden ist. In Induktionsempfangsmitteln beispielsweise des Mobiltelefons wird durch den Wechselstrom in der Sendespule eine Wechselspannung induziert. Die Wechselspannung in den Induktionsempfangsmitteln wird gleichgerichtet und über eine Ladeelektronik dem Batteriepack des Mobiltelefons zur Aufladung zugeführt.

Neben einer induktiven Kopplung der Sendespule und Induktionsempfangsmitteln kann auch eine resonant induktive Kopplung durchgeführt werden. Diese Verfahren werden seit geraumer Zeit durchgeführt und es haben sich Standards etabliert, durch welche sich unterschiedliche Smartphones verschiedener Hersteller mittels Induktion bzw. induktive Kopplung an unterschiedlichen Ladegeräten aufladen lassen, unabhängig vom Hersteller des jeweiligen Endgerätes.

In der US2014/0002012 wird ein drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher 1 beschrieben. Wie in Figur 1 gezeigt, weist dieser Energiespeicher 1 ein zylindrisch geformtes Gehäuse 10 auf, in welchem sich ein Speicherkern 11 in Form einer Batterie befindet. Das Gehäuse 10 ist einem gängigen Batteriegehäuse, beispielsweise einer sogenannten Micro- oder Mignonbatterie nachempfunden, wobei ein Pluspol P und ein Minuspol N jeweils von aussen zugänglich ist und beide Pole innerhalb des Gehäuses 10 mit der Batterie 11 verbunden sind . Als Induktionsempfangsmittel ist eine Induktionsspule 140 in Form eines elektrischen Leiters, welcher in mehreren Windungen schraubenförmig um die Längsachse L der Batterie 11 bzw. des Gehäuses 10 gewunden ist, gewählt. Die Windungen der Induktionsspule 140 sind koaxial zur Längsachse L ausgelegt und führen vom Minuspol N in Richtung Pluspol P und umschlingen jeweils vollständig die Batterie 11. Die maximale Wickelbreite und die Windungszahl sind durch die Höhe h des Gehäuses 10 bestimmt. Dabei ist die Induktionsspule 14 einlagig ausgebildet und weist Leerräume der Wicklungen im Verlauf der Längsachse L auf.

Die erreichbaren Wirkungsgrade der Energieübertragung entsprechen noch nicht den gewünschten Werten. Auch ein Wechsel zwischen Rechts- und Linksgängigkeit der Wicklung der Induktionsspule 140 koaxial um die Längsachse konnte keine Verbesserungen zeigen. Da eine mehrlagige Wicklung aufgrund der gegebenen Gehäusedicke nur schwer möglich ist, ist hier eine einfache Verbesserung durch mehrfache dichte Spulenwicklung nicht möglich .

In der US2014176067 ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher gemäss Oberbegriff des ersten Anspruchs offenbart. Die erreichbare Induktion ist aber nicht ausreichend effizient, sodass die Wiederaufladbarkeit noch nicht wie gewünscht funktioniert. Ausserdem scheint die Herstellung derartiger wiederaufladbarer Energiespeicher schwierig bzw. aufwändig zu sein . Wenn man auch Strahlungsleistung aus Nahfeld- und Fernfeldstrahlung, beispielsweise von Funkdiensten im Bereich von RFID-Sendern bis zu WiFi-Sendern nutzen möchte, reichen Antennengebilde mit einer Induktionsspule gemäss US2014176067 nicht aus, um Akkus in kürzerer Zeit aufzuladen.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegenden Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt einen drahtlos wiederaufladbaren Energiespeicher zu schaffen, in welchem unabhängig von der relativen Ausrichtung eines Antennengebildes zur wirkenden Feldrichtung des äusseren elektromagnetischen Feldes eine verbesserte lageunabhängige Aufladung erreichbar ist und damit die Effizienz der Wiederaufladung erhöht ist, wobei die Gehäusegestalt der Gestalt von Batterien und Batteriepacks für Elektrokleingeräte nachgebildet ist.

Damit kann der wiederaufladbare Energiespeicher ohne spezielle Ausrichtung wieder aufgeladen werden. Das Antennengebilde soll unabhängig von der relativen Lage des Energiespeichers zur Sendespule bzw. Ladeelektronik einen maximalen Wirkungsgrad der Energieübertragung aufweisen.

Ausserdem wurde eine Lösung zur vereinfachten Herstellung gesucht, wodurch derartige drahtlos wiederaufladbare Energiespeicher einfacher und schneller herstellbar sind.

Diese Aufgabe erfüllt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Durch die spezielle Ausgestaltung des Gehäuses wird eine optimale Kompatibilität mit allen möglichen Elektrokleingeräten erreicht und durch die spezielle Formgebung der Antennengebilde kann eine optimierte Energieaufnahme und damit eine verbesserte drahtlose Aufladung des Batteriepacks erfolgen, ohne, dass die Grösse des Batteriepacks oder des Gehäuses geändert werden muss.

Durch unterschiedlich geformte Antennengebilde, umfassend beispielsweise Induktionsschlaufen, welche teilweise überlappend eine äussere Mantelwand bilden, kann eine Abstimmung auf die Frequenz und Energie der äusseren elektromagnetischen Strahlung erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Schemaansicht eines aus dem

Stand der Technik bekannten drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers.

Figur 2 zeigt eine Schemaansicht eines erfindungsgemässen

Energiespeichers.

Figur 3a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Energiespeichers mit einem Antennengebilde auf einer Leiterplatte, umfassend eine Induktionsschlaufe als Induktionsmittel in einer ersten Ausführungsform vor dem Zusammenrollen, während

Figur 3b den Energiespeicher gemäss Figur 3a kurz vor der

Fertigstellung und des Verschliessens des Gehäuses zeigt. Figur 4 zeigt einen Energiespeicher mit einer leicht abgewandelten Induktionsschlaufe mit verkippter Schlaufenlängsausdehnung vor dem Zusammenbau.

Figur 5a zeigt eine perspektivische Ansicht eines drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers vor der Fertigstellung mit einem Antennengebilde aus drei teilweise überlappend angeordneten Induktionsschlaufen in Form von Flachspulen, während

Figur 5b eine Schnittansicht entlang Linie A-A von Figur 5a durch die Leiterplatte zeigt.

Figur 6 zeigt eine Leiterplatte mit einem Antennengebilde umfassend drei in der Ebene überlappende Induktionsschlaufen, wie sie konkret ausgeführt werden.

Figur 7 zeigt Antennengebilde, die auf einer Leiterplatte angeordnete Dipole umfasst, wobei verschiedene Ausgestaltungsformen der Dipole in Frage kommen, Figur 8 zeigt ein Antennengebilde, das zusätzlich zu

Induktionsschlaufen in Form von Flachspulen mehrere Kreuzdipole umfasst.

Beschreibung

In Figur 2 wird ein drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher 1 schematisch dargestellt gezeigt, welcher hier beispielhaft zylinderförmig ausgeführt ist. In einem Gehäuse 10, welches von einer zylindrisch geformten Mantelwand 100 gebildet ist, sind zwischen einem Pluspol P und einem Minuspol N, ein Umwandler 12, ein Antennengebilde in Form einer Induktionsschlaufe 14 und eine Ladeelektronik 13 entlang einer Längsachse L angeordnet. Ein Speicherkern 11 ist hier zur besseren Veranschaulichung aus dem Gehäuse 10 entnommen dargestellt.

Der Speicherkern 11 kann eine Batterie, ein Batteriepack, in welchem elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speicherbar ist, oder mindestens einen Kondensator bzw. Superkondensator, in welchen elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes gespeichert ist, umfassen. Der Pluspol P ist mit einem Pluspol des Speicherkerns 11, einem Pluspol der Ladeelektronik 13 und einem Pluspol des Umwandlers 12 verbunden. Der Minuspol N des Energiespeichers 1 ist entsprechend mit einem Minuspol des Speicherkerns 11, einem Minuspol der Ladeelektronik 13 und einem Minuspol des Umwandlers 12 verbunden.

Der Speicherkern 11 ist aufladbar, indem durch ein äusseres elektromagnetisches Wechselfeld der Frequenz f=cA entweder im Nahfeld (< Wellenlänge/27t) durch induktive Kopplung oder im Fernfeldbereich (> Wellenlänge/27t) durch Einstrahlung eine Empfangswechselspannung in dem Antennengebilde, in diesem Beispiel der Induktionsschlaufe 14 erzeugt wird . Die Empfangswechselspannung wird durch den Umwandler 12 in eine Gleichspannung umgewandelt und der Ladeelektronik 13 zugeführt. Mittels der Ladeelektronik 13 wird der Speicherkern 11 gesteuert mit einer Gleichspannung beaufschlagt und Aufgeladen. Dem Fachmann sind Ausführungsformen des Umwandlers 12 und der Ladeelektronik

13 bekannt.

Innerhalb des Gehäuses 10 verlaufend ist das Antennengebilde, zur Verarbeitung von Induktion und Strahlung, als Induktionsschlaufe 14, als ein in Schlaufen gelegter elektrischer Leiter zwischen der Ladeelektronik 13 und dem Umwandler 12 verlaufend angeordnet. Die Induktionsschlaufe 14 verläuft zwischen dem Pluspol des Umwandlers 12 und dem Minuspol des Umwandlers 12. Die Induktionsschlaufe 14 ist als Flachspule 14 ausgestaltet, welche hier auf einer biegbaren Leiterplatte als Mantelwand 100 angeordnet ist. Die Flachspule 14 kann einteilig auf die Leiterplatte 100 aufgebracht und dort befestigt werden oder auch aufgedruckt werden. Die biegbare Leiterplatte 100 bildet die Mantelwand 100, sodass keine zusätzliche Verkleidung und keine zusätzliche Wand um die Induktionsschlaufe 14 das Gehäuse 10 bildend gelegt werden muss.

Im eingebauten Zustand ist der Speicherkern 11 von mindestens einer derartigen Induktionsschlaufe 14 bzw. der biegbaren Leiterplatte 100 mindestens einmal umgeben. Die Induktionsschlaufe 14 ist dabei derart gestaltet, dass eine Schlaufenlängsausdehnung S mindestens annähernd parallel zur Längsachse L verläuft, während eine Schlaufenquerausdehnung Q mindestens annähernd senkrecht zur Längsachse L verläuft.

Die Schlaufenbildung kann Figur 3a noch besser entnommen werden. Hier ist eine Mantelwand 100 mit einer Längsausdehnung A und einer Umfangsausdehnung U dargestellt, an welcher die Induktionsschlaufe

14 befestigt ist bzw. haftet. Die Schlaufenlängsausdehnung S verläuft parallel zur Längsausdehnung A der Mantelwand 100 und damit im fertiggestellten Zustand etwa parallel zur Längsachse L. Die Schlaufenquerausdehnung Q verläuft parallel zur Umfangsausdehnung U der Mantelwand 100 und damit im fertiggestellten Zustand in einer Ebene senkrecht zur Längsachse L.

Wie mit dem durchgezogenen Pfeil gekennzeichnet, werden die Mantelwand 100 und die Induktionsschlaufe 14 um den Umwandler 12, den Speicherkern 11 und die Ladeelektronik 13 umgeschlagen, bis die Mantelwand 100 das geschlossene Gehäuse 10 des Energiespeichers 1 bildet. Das Herstellungsverfahren eines drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers 1 läuft wie folgt ab :

Zuerst werden die Bauteile Umwandler 12, Speicherkern 11 und Ladeelektronik 13 miteinander gemäss Schema der Figur 2 elektrisch verbunden. Dann wird ein Pol des Antennengebildes mit dem entsprechenden Pol des Umwandlers 12 verbunden. Nun wird das Antennengebilde um die Bauteile koaxial zur Längsachse L herumgeschlagen und der zweite noch freie Pol des Antennengebildes mit dem entsprechenden Pol des Umwandlers 12 verbunden. Da das Antennengebilde auf der Leiterplatte 100, die Mantelwand 100 bildend angeordnet ist, muss die Mantelwand 100 nur noch koaxial um die Längsachse L umgeschlagen werden, womit das Gehäuse 10 verschlossen wird. Da das Antennengebilde an der Mantelwand 100 vorgängig fixiert wurde, erfolgt das Umschlagen des Antennengebildes und der Mantelwand 100 in einem Arbeitsschritt.

Kurz vor der Fertigstellung, sieht das noch offene Gehäuse 10 wie in Figur 3b gezeigt aus. Hier muss die Mantelwand 100 samt Antennengebilde in Form der Induktionsschlaufe 14 noch vollständig umgeschlagen werden, die Kontaktierung des offenen Schlaufenpols erfolgen und das Gehäuse 10 anschliessend verschlossen werden.

Die Fixierung des Antennengebildes an der Innenseite der Mantelwand 100 bzw. auf der Leiterplatt 100 kann mittels Kleber oder Klebefolie erfolgen. Die Befestigung der Mantelwand 100 und damit die Bildung eines geschlossenen Gehäuses 10, durch die Befestigung beider Enden der Mantelwand 100, erfolgt in der Regel mittels Schweissung oder Verklebung . Um die elektrisch leitfähigen Kontaktierungen zu erreichen, sind dem Fachmann Möglichkeiten bekannt.

In Figur 4 ist der Energiespeicher 1 mit einer abgewandelten Induktionsschlaufe 14^λ dargestellt. Die Orientierung der Schlaufenlängsausdehnung S ist hier gegen die Längsausdehnung A der Mantelwand 100 und damit zur Längsachse L verkippt. Auch in einem solchen zur Induktionsschlaufe 14^λ gelegten elektrischen Leiter wird eine Induktionsspannung ausgehend von einem elektromagnetischen Wechselfeld erzeugt, welche zur Aufladung des Speicherkerns 11 genutzt werden kann. Je nach Gestaltung der Schlaufenbildung kann die Induktionsschlaufe 14^λ auf gewünschte äussere elektromagnetische Wechselfelder abgestimmt werden, sodass ein maximaler Wirkungsgrad erreichbar ist. Auch hier ist die Induktionsschlaufe 14^λ an der Mantelwand 100 anliegend um die Längsachse L geschlagen im Gehäuse 10 anordbar. Die Kontaktierung erfolgt entsprechend wie oben beschrieben .

Sollte der Platz im Gehäuse 10 ausreichen, ist es möglich das Antennengebilde abzuwandeln, sodass es mehrere Induktionsschlaufen 14, 14^λ umfasst, welche nebeneinander bzw. teilweise übereinander zu liegen kommen und dann wie beschrieben um die Längsachse L zu schlagen. Damit kann die aufnehmbare Energie aus dem Magnetfeld der äusseren elektromagnetischen Wechselfelder noch erhöht werden.

Zur Optimierung der Wiederaufladung des Energiespeichers 1 sind als Antennengebilde zwei Induktionsschlaufen 14, 14^λ oder mehr als zwei Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" auf der biegbaren Leiterplatte 100, welche eine Mantelwand 100 bildet, angeordnet. Dies ist beispielhaft in Figur 5a gezeigt. Die Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" sind jeweils als Flachspulen ausgebildet, welche auf der biegbaren Leiterplatte 100 als Mantelwand 100, sich teilweise überlappend, angeordnet sind . Die Schlaufenlängsausdehnungen S der Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" verlaufen etwa parallel zueinander und parallel zur Längsachse L. Je nach Anzahl der als Flachspulen ausgebildeten Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" und dem Mass der Überlappung, werden entsprechend viele Spulenebenen senkrecht zur Leiterplatte 100 von dieser entsprechend wegragend auf der biegbaren Leiterplatte 100 ausgebildet. Wie in Figur 5b gezeigt stehen die Flachspulen 14, 14\ 14", aufgrund der teilweisen Überlappung, teilweise unterschiedlich weit von der Ebene der Leiterplatte 100 ab.

Im aufgerollten Zustand, wie mit dem Pfeil in Figur 5a angedeutet, umschliesst die Leiterplatte samt Antennengebilde mit mindestens zwei Induktionsschlaufen 14, 14^λ den Speicherkern 11 mindestens teilweise. Die Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" weisen im aufgerollten Zustand der Leiterplatte in Richtung Innenraum des Gehäuses 10 und damit in Richtung Speicherkern 11, Umwandler 12 und Ladeelektronik 13. Die Schlaufenlängsausdehnungen S der Flachspulen 14, 14\ 14" verlaufen dabei mindestens annähernd parallel zur Längsachse L, während die Schlaufenquerausdehnungen Q mindestens annähernd senkrecht zur Längsachse L verlaufen. Erste Pole der Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" sind direkt oder indirekt mit einem ersten Pol des Umwandlers 12 und zweite Pole der Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" sind mit einem zweiten Pol des Umwandlers 12 verbunden . Wahlweise könnte für jede Flachspule ein eigener Umwandler 12 vorgesehen sein. Die Rückseite der biegbaren Leiterplatte 100 bildet im aufgerollten Zustand die Aussenfläche der Mantelwand 100 und damit die Aussenfläche des Gehäuses 10. Durch diese umgebogene Leiterplatte 100 sind der Speicherkern 11, Umwandler 12, Ladeelektronik 13 und die Flachspulen 14, 14\ 14" nach aussen geschützt. Die mindestens zwei Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" überlappen den Speicherkern 11 teilweise in Umfangsrichtung, wobei die Schlaufenlängsausdehnungen S mindestens annähernd parallel zur Längsachse L und Schlaufenquerausdehnungen Q mindestens annähernd senkrecht zur Längsachse L verlaufen.

Versuche haben gezeigt, dass eine Überlappung benachbarter Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" von 20% und mehr ihrer Flächen entlang der Mantelwand 100, bei Verwendung von zwei und mehr Induktionsschlaufen 14, 14\ 14", bereits zu verbesserten Aufladeergebnissen führt.

In der Schnittansicht Figur 5b entlang Linie A-A von Figur 5a durch die Leiterplatte ist erkennbar, dass eine Induktionsschlaufe 14^λ mindestens teilweise in einer erhöhten Lage die anderen Induktionsschlaufen 14, 14" überlappt.

In der Realität wird das Antennengebilde wie in Figur 6a dargestellt ausgestaltet, wobei dem Fachmann Methoden zur Herstellung der Induktionsschlaufen 14 auf flexiblen Leiterplatten 100 bekannt sind . Die eher rechteckig ausgestalteten Flachspulen 14, 14\ 14" werden derart mittels einer Kapazität resonant gemacht auf der Anregerfrequenz, um eine entsprechende Spannungsüberhöhung zu bekommen, welche den Umwandler 12 mit einer höheren Spannung beliefert, wobei die Flachspulen 14, 14\ 14" in Resonanz bei der Anregerfrequenz gehen können und sowohl Einstrahlung und Induktion zur Erzeugung eines Ladestroms nutzbar sind. Die Überlappung benachbarter Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" ist derart gewählt, das das leiterbahnfreie bzw. spulendrahtfreie Zentrum mindestens teilweise freiliegt, also nicht von einer benachbarten Induktionsschlaufe 14, 14\ 14" überlappt wird. Die Mantelwand 100 mit den Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" in Form der rechteckigen Flachspulen, wird als Gehäusewand genutzt und um den Speicherkern 11 und andere innere Bauteile gewickelt.

Besteht der Mantel des Speicherkerns aus leitendem Material wie Metall entstehen bei magnetischen Wechselfeldern Wirbelstromverluste. Deshalb ist in diesem Fall zwischen dem Antennengebilde und dem Mantel des Kerns eine isolierende Abstandsschicht von wenigen Millimetern oder mehr einzulegen oder eine Folie aus flexiblem magnetischem Material, bekannt als RFID Magnetic Sheet einzulegen. Beide Methoden lassen die auf die Schleifenfläche senkrecht auftreffenden Feldlinien die Induktionsschlaufe passieren und ermöglichen somit die Induktion. Die Antennengebilde in Fig. 4 und 5 verwerten rein induktiv nutzbare Nahfeldstrahlung vom kHz-Bereich über den MHz-Bereich, beispielsweise 13.56 MHz aus dem RFID-Bereich. Höhere Frequenzen haben den Vorteil, dass die Anzahl Windungen der Induktionsschlaufen geringer werden und die Herstellung durch einlagige Folien machbar wird .

Wie Versuche auch gezeigt haben ist es möglich bei Einsatz von Superkondensatoren als Speicherkern 11, die elektromagnetische Strahlung im Fernfeld von Wechselfeldern, als Beispiel ausgehend von WLAN Stationen (WiFi), zur Aufladung zu nutzen. Die mindestens eine Induktionsschlaufe 14, 14\ 14" kann bei geeigneter Ausgestaltung Energie der WLAN-Strahlung umsetzen und damit den Superkondensator nahezu ständig, immer wenn WLAN-Strahlung ausgestrahlt wird, aufladen. Da kein Memory-Effekt bei Superkondensatoren auftritt, kann eine ständige geringe Aufladungsenergie zugeführt werden, ohne schädlichen Einfluss auf den Superkondensator. Auch wenn aufgrund der sogenannten Freiraumdämpfung nur geringe Wirkungsgrade erzielt werden können, ist eine dauerhafte Aufladung von Superkondensatoren möglich. Damit Fernfeldstrah l ung, beispielsweise WiFi, genutzt werden kann, kann das Antennengebilde erweitert werden .

Auf der Leiterplatte 100, welche als Mantelwand d ient, sollten mehrere Dipole 15, wie in Figu r 7a und 7b gezeigt, aufgebracht sein . Die Dipole 15 sind mit n icht dargestellten Leiterbahnen über den mindestens einen Umwand ler 12 mit der mindestens einen Ladeelektronik 13 verbunden . Die konkrete Form der Dipole 15 ist variabel, wobei d ie Ausgestaltung auf d ie erwartete Wel len länge der Strahlung bzw. Sendefrequenz angepasst ist und für eine effiziente U mwand lung eine mög lichst hohe Wirkfläche, bekannt als Antennengewinn, aufweisen .

In Figur 7a ist beispielhaft eine Mehrzahl mäanderförmiger Dipole 15 gezeigt ist, welche in der Papierebene mäanderförmige Leiterbahnen aufweisen, wobei al le Dipole 15 paral lel zueinander beabstandet ausgerichtet sind . Die Leiterbahnen jedes Dipols 15 sind in der Papierebene gefaltet, sodass die Länge der Leiterbahnen auf eine auf einen Bruchteil (vorzugsweise Vi) der Wel lenlänge der Strahlung abgestimmte Länge kommt.

In Fig ur 7b sind sogenannte dog bone shaped Dipole 15^λ gezeigt, welche eine weitere Gruppe bekannter Dipole bilden . Wahlweise kann die äussere Form der Dipole 15^λ aber auch eher hanteiförmig sein, wobei auch hier benachbarte Dipole 15^λ voneinander beabstandet auf der Leiterplatte 100^λ angeordnet sind . Prinzipiel l werden d ie Dipole 15, 15^λ so ausgestaltet, dass sie in Resonanz mit der Einstrah lung sind und auf d ie Impedanz des mindestens einen Umwand lers 12 abgestimmt sind .

Die mindestens zwei Dipole 15, 15^λ sorgen fü r eine rotationsu nabhäng ige Lademög lichkeit, bei der immer mindestens ein Dipol nicht d urch den Mantel des Speicherkerns 11 verdeckt ist. Bei Batterien mit grösserem Durchmesser wird d ie Anzahl Dipole 15, 15^λ erhöht, so dass die Mantelwand 100 optimal ausgenutzt wird . Die Bemessung der Abstände zum Mantel des Speicherkerns und der Batterie sowie die Materialwahl der Zwischenschichten ergeben sich aus dem Antennendesign wie sie dem Fachmann aus der Hochfrequenztechnik bekannt sind .

Anstelle von Dipolen sind auch andere bekannte flach ausführbare Antennentypen einsetzbar wie beispielsweise Inverted-F oder Patch, welche als gedruckte Schaltung auf einer ein- oder mehrlagigen biegbaren Leiterplatte 100 aufgebracht sind.

Bevorzugt sollten die Dipole 15, 15^λ und die Induktionsschlaufen 14 kombiniert als Antennengebilde auf einer Mantelwand 100 angeordnet sein. Dabei sollten die Dipole 15, 15^λ jeweils im leiterbahnfreien Zentrum der Induktionsschlaufen 14 liegen, womit Platz gespart wird, aber alle Bauteile auf der flexiblen Leiterplatte 100 zu liegen kommen und die Dipole nicht von den Indutkionsschlaufen 14 überdeckt werden. Die Dipole 15, 15^λ können wahlweise auf derselben Leiterplatte 100 aufgebracht, bevorzugt aufgedruckt sein, oder auf einer eigenen Leiterplatte 100\ Die Längsrichtung der Dipole 15, 15^λ sollte senkrecht zur Aufwickelrichtung der Mantelwand 100 orientiert sein bzw. parallel zur Längsachse L des späteren drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers 1, was mit der gestrichelten Linie und dem Pfeil angedeutet ist.

Als weitere Option könnte mindestens ein Kreuzdipol 16, bevorzugt im leiterbahnfreien Zentrum einer Induktionsschlaufe 14 angeordnet sein und ein entsprechendes Antennengebilde ausbilden. Auch der mindestens eine Kreuzdipol 16 ist mit nicht dargestellten Leiterbahnen über den mindestens einen Umwandler 12 mit der mindestens einen Ladeelektronik 13 verbunden.

Wie in Figur 8 gezeigt, sind derartige Kreuzdipole 16 aus mindestens zwei Dipolen gebildet, die relativ zueinander bevorzugt um 90° rotiert sind . Hier sind beispielhaft Kreuzdipole 16, 16\ 16" gezeigt, die eine Mäanderstruktur im Bereich ihrer Enden aufweisen, wobei die Dipole etwa hanteiförmig geformt sind . Auch hier könnten alternativ „dogbone"-artige Dipole einen Kreuzdipol 16, 16\ 16" bilden. Da auch mehr als zwei Dipole relativ zueinander rotiert und überlagert werden können, wären gekreuzte Dipole aus mehr als zwei Dipolen einsetzbar.

Die Kreuzdipole 16, 16\ 16" sind hier auf derselben flexiblen Leiterplatte 100 angeordnet, wie die Induktionsschlaufen 14, 14\ 14". Damit kann ein solches Antennengebilde mit Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" und Kreuzdipolen 16, 16\ 16" eine Mantelwand 100 des drahtlos wiederaufladbaren Energiespeichers 1 bilden. Die Umwicklung erfolgt wie oben beschrieben. Die Induktionsschlaufen 14, 14\ 14" und Kreuzdipole 16, 16\ 16" sind Metallstrukturen, die bevorzugt auf die Leiterplatte 100 aufgedruckt werden. Flachspulen 14 und Kreuzdipole 16 können aber auch separat hergestellt werden und anschliessend auf der Leiterplatte 100 befestigt werden, bevor die Umwicklung des Speicherkerns 11 und der übrigen Bauteile durchgeführt wird . Bevorzugt sollten die Induktionsschlaufen 14, die Dipole 15 und die Kreuzdipole 16 als Teile des Antennengebildes, jeweils einen eigenen Umwandler 12 bzw. Gleichrichter nachgeschaltet haben, so dass deren Ausgangssignale addiert werden können oder umgeschaltet werden können. Eine Kombination der Antennengebildeteile Induktionsschlaufen 14, Dipole 15 und Kreuzdipole 16 mit einem einzigen Umwandler 12 ist machbar, es ist aber schwieriger diese Anordnung ohne gegenseitige Verstimmung der Antennenteile zu realisieren. Zum Speicherkern 11 kann eine Abstandschicht zwischen Mantelwand 100 bzw. den Antennengebildeteilen von wenigen Millimetern oder mehr vorgesehen sein, wobei neben einem Luftspalt auch eine Lage eines RF-Signale durchlassenden Kunststoffs, welche dem Fachmann bekannt sind, in Frage kommt.

Bezugszeichenliste

1 drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher

10 Gehäuse

100 Mantelwand / Leiterplatte

A Längsausdehnung

U Umfangsausdehnung h Höhe

11 Speicherkern

12 Umwandler

13 Ladeelektronik

Antennengebilde auf Leiterplatte/Mantelwand

14 Induktionsschlaufe

S Schlaufenlängsausdehnung

Q Schlaufenquerausdehnung

140 Induktionsspule

15 Dipol

16 Kreuzdipol

P Pluspol

N Minuspol

L Längsachse

Claims

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1), umfassend ein Gehäuse (10), mit einer Mantelwand (100), in welchem ein Umwandler (12), ein Speicherkern (11), eine Ladelektronik (13) und ein Antennengebilde entlang einer Längsachse (L)

angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Antennengebilde mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) als Flachspulen (14, 14') ausgebildet umfasst, welche auf einer biegbaren Leiterplatte

sich teilweise überlappend angeordnet sind, wobei die Leiterplatte samt der mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) den Speicherkern (11) mindestens teilweise derart umschliesst, dass Schlaufenlängsausdehnungen (S) mindestens annähernd parallel zur Längsachse (L) verlaufen und Schlaufenquerausdehnungen (Q) mindestens annähernd senkrecht zur Längsachse (L) verlaufen und ein erster Pol der Induktionsschlaufen (14, 14^λ) mit einem ersten Pol des Umwandiers (12) und ein zweiter Pol der Induktionsschlaufen (14, 14^λ) mit einem zweiten Pol des

Umwandiers (12) verbunden sind .

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss Anspruch

1, wobei die mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) auf einer Oberfläche einer biegbaren Leiterplatte (100) angeordnet sind und die Leiterplatte derart um den Speicherkern (11) gebogen ist, dass eine Rückseite der biegbaren Leiterplatte die Aussenfläche der Mantelwand (100) bildet.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss Anspruch

2, wobei die mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) aus einem elektrisch leitenden Draht geformt und auf der biegbare Leiterplatte (100) befestigt oder auf die biegbare Leiterplatte (100) aufgedruckt sind .

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei drei oder mehr

Induktionsschlaufen (14, 14^λ) sich teilweise überlappend im

Gehäuse (10), um die Längsachse (L) und den Speicherkern (11) umgeschlagen gelagert sind.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antennengebilde durch mindestens zwei sich teilweise überlappende Flachspulen (14, 14^λ) gebildet ist, welche sich bevorzugt entlang der Mantelwand (100) um 20% und mehr ihrer Fläche überlappen.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antennengebilde

zusätzlich zu den mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) als Flachspulen (14, 14') mindestens einen Dipol (15) umfasst, wobei der Dipol (15) auf derselben Leiterplatte (100) wie die mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) angeordnet ist und mit mindestens einem Umwandler (12) bzw. der Ladeelektronik (13) verbunden ist.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss Anspruch 6, wobei die Dipole (15) im Bereich ihrer Enden mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen aufweisen, wobei die Länge der

Leiterbahnen auf die zu absorbierende Wellenlänge der Strahlung abgestimmt ist.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss Ansp 6, wobei die Dipole (15) hanteiförmig oder einstückig wie bekannte„dogbone"-förmige Dipole ausgestaltet sind.

9. Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antennengebilde

zusätzlich zu den mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) als Flachspulen (14, 14') mindestens einen Kreuzdipol (16) umfasst, wobei der Kreuzdipol (16) aus mindestens zwei relativ zueinander rotierten Dipolen gebildet ist, auf derselben

Leiterplatte (100) wie die mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) angeordnet ist und mit der Ladeelektronik (13) verbunden ist.

10. Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der mindestens eine Dipol (15) bzw. der mindestens eine Kreuzdipol (16) jeweils im leiterbahnfreien Zentrum jeder Induktionsschlaufe (14, 14^λ) angeordnet sind .

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei

Induktionsschlaufen (14, 14') an der Mantelwand (100) derart befestigt sind, dass die Orientierung der

Schlaufenlängsausdehnung (S) gegen die Längsausdehnung (A) der Mantelwand (100) und damit zur Längsachse (L) verkippt ist.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) bzw. die Mantelwand (100) die Form eines Batteriegehäuses gemäss ANSI- Norm aufweist und der Energiespeicher (1) damit in

unterschiedlichen Elektrokleingeräten betreibbar ist.

Drahtlos wiederaufladbarer Energiespeicher (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicherkern (11) ein Superkondensator ist.

Herstellungsverfahren eines drahtlos wiederaufladbaren

Energiespeichers (1) mit einem Gehäuse (10) und einer Längsachse (L), umfassend einen Umwandler (12), einen

Speicherkern (11), eine Ladeelektronik (13) und ein

Antennengebilde,

gekennzeichnet durch die Schritte:

- Anordnung und elektrische Verbindung des Umwandlers (12), des Speicherkerns (11) und der Ladeelektronik (13) miteinander,

- elektrische Verbindung einer Antennenstruktur von mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) in Form von Flachspulen mit einem ersten Pol des Umwandlers (12),

- Herumschlagen einer biegbaren Leiterplatte als Mantelwand (100) auf deren einer Oberfläche die mindestens zwei

Induktionsschlaufen (14, 14^λ) angeordnet sind, den Speicherkern

(11) umgebend koaxial zur Längsachse (L),

- elektrische Verbindung der mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) mit dem entsprechenden zweiten Pol des Umwandlers

(12) und anschliessendes

- Verschliessen des Gehäuses (10) durch Verbindung der Enden der Mantelwand (100), welche von der biegbaren Leiterplatte gebildet wird, wobei die Aussenfläche der Leiterplatte die

Gehäuseaussenfläche des drahtlos wiederaufladbaren

Energiespeichers (1) bildet.

Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, wobei die mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) auf der Innenseite der

Mantelwand (100) befestigt werden und das Umschlagen der Mantelwand (100) und der Induktionsschlaufen (14, 14^λ) in einem Arbeitsgang abläuft, bevor die elektrische Verbindung des zweiten Pols der Induktionsschlaufe (14, 14^λ) mit dem Umwanlder (12) und das Verschliessen des Gehäuses (10) durch weiteres

Umwickeln der Mantelwand (100) um den Speicherken (11) stattfindet.

16. Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, wobei die Fixierung der mindestens zwei Induktionsschlaufen (14, 14^λ) an der Innenseite der Mantelwand (100) mittels Kleber, Klebefolie oder Aufdruck erfolgt.

17. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die beiden Enden der Mantelwand (100) mittels Schweissen oder Verkleben verbunden werden, wodurch das geschlossene Gehäuse (10) erreicht wird .