WO2018015024A2 - System zur induktiven energieübertragung an ein auf einer verfahrfläche, insbesondere verfahrebene, bewegbar angeordnetes fahrzeug - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a system for inductive energy transmission to a on a
- Traversing surface in particular traversing plane, movably arranged vehicle.
- the invention is therefore based on the object to enable an interoperable operation.
- the system is provided for inductive energy transfer to a on a travel surface, in particular traversing, movably arranged vehicle, the system having a first primary coil and having a second primary coil, wherein the first primary coil is arranged below the travel surface, in particular in the direction of gravity and / or on the side facing away from the vehicle side of the
- the second primary coil is arranged above the traversing surface, in particular against the gravitational direction and / or on the vehicle
- a first secondary coil is arranged, in particular which is connected to the vehicle, wherein the vertical projection of the second primary coil on the Verfahr requirements less surface area than that vertical projection of the first primary coil.
- the resonant frequency of that resonant circuit which is formed from the secondary coil and a capacitor connected in series and / or in parallel is unchanged.
- the resonant circuit does not need to be adapted to the mounting of the primary coil.
- the same primary coils were used recessed or overlying, an adaptation of the
- the resonant transmission is advantageous in the present weak inductive coupling, ie in the present large air gap in the transmission, since nevertheless a high efficiency is achievable.
- the system has a first primary coil and a second primary coil, wherein the first primary coil is arranged below the traversing surface, in particular Gravitational direction and / or on the side facing away from the vehicle side of the
- the second primary coil is arranged above the traversing surface, in particular against the gravitational direction and / or on the vehicle
- a first secondary coil is arranged, in particular which is connected to the vehicle, wherein the first primary coil has a first coil core, in particular of ferrite, wherein the second primary coil has a second coil core, in particular made of ferrite, wherein the vertical projection of the second coil core on the traversing surface has less surface area than the vertical projection of the first coil core.
- the advantage here is that, in turn, an interoperable operation is possible, so the vehicle is loaded on the differently arranged primary coils in the same way.
- the top floor primary coil Because by the geometrical adaptation of the top floor primary coil relative to the recessed arrangement of the primary coil always the same inductance of the secondary coil can be reached. In this way, however, a resonant transmission is always possible with very good efficiency.
- the inductance of the secondary coil is the same for both types of loading, ie from the recessed or from the resting primary coil, the resonant frequency of that resonant circuit which is formed from the secondary coil and a capacitor connected in series and / or in parallel is unchanged. Thus, therefore, the resonant circuit does not need to be adapted to the mounting of the primary coil. However, if the same primary coils were used recessed or overlying, it would be necessary to adapt the resonant circuit.
- the resonant transmission is advantageous in the present weak inductive coupling, ie in the present large air gap in the transmission, since nevertheless a high efficiency is achievable.
- the second primary coil is arranged above the traversing surface, in particular against the gravitational direction and / or on the vehicle
- a first secondary coil is arranged, in particular which is connected to the vehicle, insbeosndere wherein the first primary coil has a first coil core, in particular of ferrite, and wherein the second primary coil a second coil core, in particular of ferrite, wherein in centric positioning of the first secondary coil on the first primary coil, the self-inductance (L22) or the magnetic conductance (G2) of the first secondary coil has the same value as the self-inductance of the first secondary coil in centric positioning of the first secondary coil over the second primary coil.
- the advantage here is that a substantially uniform interoperable operation is possible. With deviations of less than 10% and correspondingly low quality of the resonant circuit, in turn, a substantially unchanged loading on the differently arranged primary coils can be achieved.
- the quality of the resonant circuit can be determined by dimensioning the components used in the real version.
- the respective primary coil has a respective one
- Ferrite material and the winding on the upper side, that is arranged on the side facing the vehicle of the coil core, in particular wherein the winding is designed as a flat winding and / or planar winding, in particular flat flat winding.
- the advantage here is that the primary coil can be executed in each case as a field plate, ie as a plate-like unit. It is decisive for the plate-like shape of the coil core.
- the bobbin is, for example, as a flat plate, like Circular disk or cuboid, executable.
- ferrite material is preferably used.
- the winding is designed as a flat winding and placed on the spool core or inserted into a bobbin, which is placed on the bobbin.
- the fastening material has, for example, potting compound and / or other fastening parts, such as screws or the like.
- the first secondary coil has a coil core on which a winding, in particular a secondary winding, is arranged and by means of
- Fixing material is held on the bobbin of the first secondary coil, in particular wherein the bobbin is formed plate-like, in particular from
- Ferrite material and the winding on the upper side, that is arranged on the side facing the vehicle of the coil core, in particular wherein the winding is designed as a flat winding and / or planar winding, in particular flat flat winding.
- the advantage here is that a simple production is executable.
- the system has a different from the first secondary coil, second secondary coil, wherein the coupling conductance GM or the coupling inductance L12 between the first
- Secondary coil and first primary coil has the same value as between the first
- Coupling inductance L12 between the second secondary coil and the first primary coil the same value as between the second secondary coil and second primary coil or the deviation of these two values from each other is less than 10%.
- the second secondary coil is larger than the first secondary coil, in particular wherein the vertical projection of the second secondary coil, in particular the vertical projection of the coil core of the second secondary coil on the traversing surface has more surface area or longer in one direction than the vertical projection the first secondary coil, in particular the vertical projection of the
- FIG. 1 shows a system according to the invention for inductive loading, wherein a primary coil 2 is arranged in a recess of the bottom and a secondary coil 1 is arranged on the underside of a vehicle, not shown, wherein the vehicle is movable on the floor 3.
- FIG. 5 shows a cross section through the secondary coil 1 and through the primary coil 1.
- FIG. 6 shows a schematic circuit diagram for the inductive energy transmission in the system according to the invention.
- FIG. 8 shows a magnetic field line diagram associated with the system according to FIG.
- FIG. 9 shows a magnetic field line diagram associated with the system according to FIG.
- FIGS. 10 to 12 show further magnetic field lines for systems.
- each coil has a winding 51 which is placed on a plate-like coil core made of ferrite.
- each coil also has mounting material 50, such as potting compound, on. Thus, the coil is held together.
- the fastening material is diamagnetic or paramagnetic, ie not ferromagnetic.
- the plate-like coil cores 52 are each aligned parallel to the ground plane, ie trajectory of the vehicle.
- the winding 51 of the primary coil 2 is disposed on the secondary coil 1 side facing the coil core and the winding 51 of the secondary coil 1 on the
- Primary coil 2 facing side of the spool core 52 is arranged.
- FIGS. 1 and 2 the same secondary coils are shown in each case. However, because of the arrangement of the primary coil 2 on the bottom 3 or in a depression of the bottom 3, a different inductive coupling strength to the secondary winding 1 would be present.
- the primary coils 2 are respectively embedded in the ground, but the secondary coils have different sizes, in particular they differ
- Secondary coils 1 in size, so in particular expansion parallel to the ground plane.
- the secondary coils are the same size, but the primary winding 2 is disposed either in a recess of the bottom 3 or on the bottom 3.
- the primary coil 2 is smaller when arranged on the bottom 3 executed as in the arrangement in the recess of Figure 3.
- the coil core of the respective coil (1, 2) has the magnetic flux-conducting material of the respective coil (1, 2).
- interoperability can be ensured by loading a vehicle with its secondary coil either from a primary coil according to FIG. 1 or according to FIG.
- an inverter which has two half-bridges of controllable semiconductor switches, is supplied from a DC supply voltage U1.
- This DC supply voltage U1 can be provided via a rectifier from a public AC power supply network.
- the alternating voltage UQ provided by the inverter at its AC-side terminal supplies a quadripole designed as a gyrator
- Output feeds a series circuit formed of a capacitor C1 and the primary coil 1, wherein the series circuit has a resonant frequency as a series resonant circuit, which corresponds to the frequency of the AC voltage.
- the gyrator 60 with the sizing of his between his
- a capacitor C2S is connected in series, wherein the series circuit thus formed is connected in parallel with a capacitor C2P.
- the voltage drop across the capacitor C2P is fed to a rectifier, which via an inductance LG for smoothing a loading of the battery with battery voltage UB.
- M L12 is the coupling inductance between primary coil 2 and secondary coil 1.
- the primary-side current i1 of the gyrator acting as a current source is effective, and on the secondary side, the current i2.
- G1 L1 1 / w1 / w1
- G2 L22 / w2 / w2
- L12 M is the coupling inductance of the primary coil to the secondary coil
- L1 1 is the self-inductance of the primary winding
- L22 is the self-inductance of the secondary winding
- G1 is the primary magnetic conductance
- G2 is the secondary magnetic conductance
- GM is the magnetic coupling conductance
- FIG. 8 shows a radial section through a transformer. The section thus represented must therefore be rotated around the ordinate direction in order to produce the body of revolution.
- a smaller extent of the primary winding 2 is provided in a direction parallel to the traversing plane and / or surface of the bottom.
- the transformer is also designed resonantly in the same way and the inductive energy transmission can be carried out in the same way, ie in the same way with the same efficiency.
- FIG. 10 shows a primary coil 2 arranged in a depression of the bottom 3, which is dimensioned such that an optimized efficiency can be achieved with two different sized secondary coils. These secondary coils are with different capacitors
- Figure 1 1 and Figure 12 different sized secondary coils.
- Figure 1 1 so the smaller design of the secondary coil in comparison to the embodiment of Figure 12, the following values can be achieved:
- a magnetic shield 80 in particular aluminum, is provided on the side of the secondary coil facing away from the floor on the vehicle. This is thus arranged between the secondary coil and the rest of the vehicle.
- an 80 magnetic shield 80 in particular aluminum, can be arranged on the side of the respective primary coil facing away from the vehicle.
- another energy storage is used instead of the battery, in particular an accumulator or an Ultracap or a combination of the aforementioned energy storage.
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Abstract
System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die senkrechte Projektion der zweiten Primärspule auf die Verfahrfläche weniger Flächeninhalt aufweist als die senkrechte Projektion der ersten Primärspule.
Description
System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer
Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug.
Es ist allgemein bekannt, dass der Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs beladen werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen interoperablen Betrieb zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 , 2, 3 oder 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System anch Anspruch 1 sind, dass das System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug vorgesehen ist, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die senkrechte Projektion der zweiten Primärspule auf die Verfahrfläche weniger Flächeninhalt aufweist als die senkrechte Projektion der ersten Primärspule.
Von Vorteil ist dabei, dass ein interoperabler Betrieb ermöglicht wird. Denn durch die geometrische Anpassung der Aufboden-Primärspule relativ zur versenkten Anordnung der Primärspule ist stets dieselbe Induktivität der Sekundärspule erreichbar. Auf diese Weise ist aber eine resonante Übertragung mit stets sehr gutem Wirkungsgrad ermöglicht. Denn wenn die Induktivität der Sekundärspule bei beiden Beladungsarten, also von der versenkten oder von der aufliegenden Primärspule aus, gleich ist, ist auch die Resonanzfrequenz desjenigen Schwingkreises, welcher aus der Sekundärspule und einer in Reihe und/oder parallel zugeschalteten Kapazität gebildet ist, unverändert. Somit muss also der Schwingkreis nicht angepasst werden an die Montageart der Primärspule. Wenn jedoch dieselben Primärspulen versenkt oder aufliegend verwendet werden würden, wäre eine Anpassung des
Schwingkreises notwendig.
Die resonante Übertragung ist bei der vorliegenden schwachen induktiven Kopplung, also bei dem vorliegenden großen Luftspalt bei der Übertragung, vorteilhaft, da trotzdem ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug nach Anspruch 2 sind, dass das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die erste Primärspule einen ersten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, wobei die zweite Primärspule einen zweiten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist,
wobei die senkrechte Projektion des zweiten Spulenkerns auf die Verfahrfläche weniger Flächeninhalt aufweist als die senkrechte Projektion des ersten Spulenkerns.
Von Vorteil ist dabei, dass wiederum ein interoperabler Betrieb ermöglicht ist, also das Fahrzeug an den verschieden angeordneten Primärspulen in gleicher weise beladbar ist.
Denn durch die geometrische Anpassung der Aufboden-Primärspule relativ zur versenkten Anordnung der Primärspule ist stets dieselbe Induktivität der Sekundärspule erreichbar. Auf diese Weise ist aber eine resonante Übertragung mit stets sehr gutem Wirkungsgrad ermöglicht. Denn wenn die Induktivität der Sekundärspule bei beiden Beladungsarten, also von der versenkten oder von der aufliegenden Primärspule aus, gleich ist, ist auch die Resonanzfrequenz desjenigen Schwingkreises, welcher aus der Sekundärspule und einer in Reihe und/oder parallel zugeschalteten Kapazität gebildet ist, unverändert. Somit muss also der Schwingkreis nicht angepasst werden an die Montageart der Primärspule. Wenn jedoch dieselben Primärspulen versenkt oder aufliegend verwendet werden würden, wäre eine Anpassung des Schwingkreises notwendig.
Die resonante Übertragung ist bei der vorliegenden schwachen induktiven Kopplung, also bei dem vorliegenden großen Luftspalt bei der Übertragung, vorteilhaft, da trotzdem ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche,
wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, insbeosndere wobei die erste Primärspule einen ersten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist und wobei die zweite Primärspule einen zweiten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, wobei bei zentrischer Positionierung der ersten Sekundärspule über der ersten Primärspule die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule denselben Wert aufweist wie die Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule bei zentrischer Positionierung der ersten Sekundärspule über der zweiten Primärspule.
Insbesondere weist bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des ersten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der
Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist, die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule auf oder über der ersten Primärspule denselben Wert auf wie die Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule auf oder über der zweiten Primärspule. bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der zweiten Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des zweiten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der
Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum ein interoperabler Betrieb ermöglicht ist, weil die Resonanzfrequenz in erster Näherung durch die Selbstinduktivität bestimmt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des ersten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist, die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule auf oder über der ersten Primärspule einen Wert auf, welcher nicht mehr als 10% abweicht von dem Wert der Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule auf oder über der zweiten
Primärspule bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der zweiten Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des zweiten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der
Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein im Wesentlichen gleichförmiger interoperabler Betrieb ermöglicht ist. Bei Abweichungen von weniger als 10% und entsprechend niedriger Güte des Schwingkreises ist wiederum eine im Wesentlichen unveränderte Beladung an den verschieden angeordneten Primärspulen erreichbar. Die Güte des Schwingkreises wird durch Dimensionierung der in der realen Ausführung verwendeten Bauteile festlegbar. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die jeweilige Primärspule einen jeweiligen
Spulenkern auf, an welchem eine Wicklung, insbesondere Primärwicklung, angeordnet ist und mittels Befestigungsmaterial am Spulenkern gehalten ist, insbesondere wobei der Spulenkern plattenartig ausgeformt ist, insbesondere aus
Ferritmaterial, und die Wicklung auf der Oberseite, also auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklung als Flachwicklung und/oder ebene Wicklung, insbesondere ebene Flachwicklung, ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Primärspule jeweils als Feldplatte ausführbar ist, also als plattenartige Einheit. Dabei ist für die plattenartige Form der Spulenkern bestimmend. Denn der Spulenkern ist beispielsweise als ebene Platte, wie
Kreisscheibe oder Quader, ausführbar. Hierbei wird vorzugsweise Ferritmaterial verwendet. Die Wicklung ist als Flachwicklung ausgeführt und aufgelegt auf den Spulenkern oder in einen Spulenträger eingelegt, der aufgelegt ist auf den Spulenkern. Das Befestigungsmaterial weist beispielsweise Vergussmasse und/oder weitere Befestigungsteile, wie Schrauben oder dergleichen, auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Sekundärspule einen Spulenkern auf, an welchem eine Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung, angeordnet ist und mittels
Befestigungsmaterial am Spulenkern der ersten Sekundärspule gehalten ist, insbesondere wobei der Spulenkern plattenartig ausgeformt ist, insbesondere aus
Ferritmaterial, und die Wicklung auf der Oberseite, also auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklung als Flachwicklung und/oder ebene Wicklung, insbesondere ebene Flachwicklung, ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das System eine zur ersten Sekundärspule unterschiedliche, zweite Sekundärspule auf, wobei der Kopplungsleitwert GM oder die Kopplungsinduktivität L12 zwischen erster
Sekundärspule und erster Primärspule denselben Wert aufweist wie zwischen erster
Sekundärspule und zweiter Primärspule oder dass die Abweichung dieser beiden Werte voneinander weniger als 10% beträgt. Von Vorteil ist dabei, dass ein interoperabler Betrieb auch mit einer anders geformten zweiten Sekundärspule ermöglicht ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kopplungsleitwert GM, oder die
Kopplungsinduktivität L12 zwischen zweiter Sekundärspule und erster Primärspule denselben Wert auf wie zwischen zweiter Sekundärspule und zweiter Primärspule oder die Abweichung dieser beiden Werte voneinander beträgt weniger als 10%. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum ein interoperabler Betrieb bei entsprechend ausgelegter Güte des Schwingkreises ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Sekundärspule größer als die erste Sekundärspule, insbesondere wobei die senkrechte Projektion der zweiten Sekundärspule, insbesondere die senkrechte Projektion des Spulenkerns der zweiten Sekundärspule, auf die Verfahrfläche mehr Flächeninhalt aufweist oder in einer Richtung länger ausgeführt ist als die senkrechte Projektion der ersten Sekundärspule, insbesondere die senkrechte Projektion des
Spulenkerns der zweiten Sekundärspule, auf die Verfahrfläche. Von Vorteil ist dabei, dass verschiedene Sekundärspulen, also auch verschieden große Fahrzeuge beladbar sind und somit ein interoperabler Betrieb ermöglicht ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen
Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes System zum induktiven Beladen gezeigt, wobei in einer Vertiefung des Bodens eine Primärspule 2 angeordnet ist und an der Unterseite eines nicht dargestellten Fahrzeugs eine Sekundärspule 1 angeordnet ist, wobei das Fahrzeug auf dem Boden 3 verfahrbar ist.
In der Figur 2 ist im Unterschied zur Figur 1 die Primärspule 2 auf dem Boden 3 aufgelegt und weniger ausgedehnt in der Bodenebene, also kleiner ausgeführt.
In der Figur 3 ist im Unterschied zur Figur 1 nur die Sekundärspule 1 kleiner ausgeführt.
In der Figur 4 ist im Unterschied zur Figur 2 nur die Sekundärspule 1 kleiner ausgeführt, wobei sie die gleiche Größe wie bei Figur 3 hat.
In der Figur 5 ist ein Querschnitt durch die Sekundärspule 1 und durch die Primärspule 1 ausgeführt.
In der Figur 6 ein schematisches Schaltbild für die induktive Energieübertragung bei dem erfindungsgemäßen System dargestellt.
In der Figur 7 ist unter Vernachlässigung von C_2S ein näherungsweise verwendbares Ersatzschaltbild für Figur 6 dargestellt. In der Figur 8 ist ein zum System nach Figur 1 zugehöriges Magnetfeldlinienbild dargestellt.
In der Figur 9 ist ein zum System nach Figur 2 zugehöriges Magnetfeldlinienbild dargestellt.
In den Figuren 10 bis 12 sind weitere Magnetfeldlinien für Systeme dargestellt.
Wie in den Figuren gezeigt, weist jede Spule eine Wicklung 51 auf, die auf einen plattenartig ausgeführten Spulenkern aus Ferrit aufgelegt ist. jede Spule weist auch Befestigungsmaterial
50, wie beispielhaft Vergussmasse, auf. Somit ist die Spule zusammengehalten. Dabei ist das Befestigungsmaterial diamagnetisch oder paramagnetisch, also nicht ferromagnetisch.
Die plattenartigen Spulenkerne 52 sind jeweils parallel zur Bodenebene, also Verfahrebene des Fahrzeugs, ausgerichtet.
Dabei ist die Wicklung 51 der Primärspule 2 auf der der Sekundärspule 1 zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet und die Wicklung 51 der Sekundärspule 1 auf der der
Primärspule 2 zugewandten Seite des Spulenkerns 52 angeordnet.
In Figur 1 und 2 sind jeweils dieselben Sekundärspulen gezeigt. Dabei wäre aber wegen der Anordnung der Primärspule 2 auf dem Boden 3 oder in einer Vertiefung des Bodens 3 eine unterschiedliche induktive Kopplungsstärke zur Sekundärwicklung 1 vorhanden. Zum
Ausgleich ist die auf dem Boden 3 angeordnete Primärspule 2 kleiner ausgeführt
In Figur 1 und Figur 3 sind jeweils die Primärspulen 2 im Boden eingelassen angeordnet, aber die Sekundärspulen sind unterschiedlich groß, insbesondere unterscheiden sich die
Sekundärspulen 1 in ihrer Größe, insbesondere also Ausdehnung parallel zur Bodenebene. In Figur 3 und Figur 4 sind die Sekundärspulen gleich groß, aber die Primärwicklung 2 ist entweder in einer Vertiefung des Bodens 3 angeordnet oder auf dem Boden 3. Um wiederum die ansonsten unterschiedliche Kopplungsstärke auszugleichen, ist die Primärspule 2 bei Anordnung auf dem Boden 3 kleiner ausgeführt als bei der Anordnung in der Vertiefung gemäß Figur 3.
Der Spulenkern der jeweiligen Spule (1 , 2) weist das Magnetfluss-führende Material der jeweiligen Spule (1 , 2) auf.
Wie in den Figuren gezeigt, ist also eine Interoperabilität gewährleistbar, indem ein Fahrzeug mit seiner Sekundärspule entweder von einer Primärspule gemäß Figur 1 oder gemäß Figur 2 beladbar ist.
Wie in Figur 6 gezeigt, wird primärseitig ein Wechselrichter, der zwei Halbbrücken aus steuerbaren Halbleiterschaltern aufweist, aus einer Versorgungsgleichspannung U1 versorgt.
Diese Versorgungsgleichspannung U1 ist über einen Gleichrichter aus einem Öffentlichen Wechselspannungsversorgungsnetz bereit stellbar.
Die vom Wechselrichter an seinem wechselspannungsseitigen Anschluss zur Verfügung gestellte Wechselspannung UQ speist einen als Gyrator ausgeführten Vierpol, dessen
Ausgang eine aus einem Kondensator C1 und der Primärspule 1 gebildete Reihenschaltung speist, wobei die Reihenschaltung als Serienschwingkreis eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Frequenz der Wechselspannung entspricht. Ebenso ist der Gyrator 60 mit der Dimensionierung seines zwischen seinen
Ausgangsanschlüssen angeordneten Kondensators C1 P und der zwischen einem seiner Eingangsanschlüsse und einem seiner Ausgangsanschlüsse angeordneten Induktivität LS auf Resonanz zur Frequenz der Wechselspannung ausgelegt. Der Gyrator 60 wandelt daher das spannungsquellenartige Verhalten des wechselspannungsseitigen Anschlusses des
Wechselrichters um in ein stromquellenartiges Verhalten.
Sekundärseitig ist der Sekundärspule 2 ein Kondensator C2S in Reihe zugeschaltet, wobei die so gebildete Reihenschaltung einem Kondensator C2P parallel zugeschaltet ist. Dabei wird die am Kondensator C2P abfallende Spannung einem Gleichrichter zugeführt, welcher über eine Induktivität LG zur Glättung ein Beladen der Batterie mit Batteriespannung UB.
Der aus der Primärspule 2 und der Sekundärspule 1 , insbesondere aus den Wicklungen dieser Spulen, gebildete Übertrager 61 weist nur eine schwache Kopplung auf, da die induktive Übertragung über einen Luftspalt erfolgt.
Wenn C2S vernachlässigt wird, ist eine sekundärseitige Auslegung gemäß Figur 7 ermöglicht. Dabei ist M = L12 die Kopplungsinduktivität zwischen Primärspule 2 und Sekundärspule 1.
Dabei ist der primärseitige Strom i1 des als Stromquelle wirkenden Gyrators wirksam und sekundärseitig der Strom i2.
Eine vorteilhafte Dimensionierung ist
2 * Pi * f = 1 / sqrt ( L22 * C2P )
wobei f die Frequenz der Wechselspannung ist.
Für die magnetischen Leitwerte gilt: G1 = L1 1 / w1 / w1
G2 = L22 / w2 / w2
GM = L12 / w1 / w2
Wobei
L12 = M die Kopplungsinduktivität der Primärspule zur Sekundärspule ist,
L1 1 die Selbstinduktivität der Primärwicklung ist,
L22 die Selbstinduktivität der Sekundärwicklung ist,
G1 der primäre magnetische Leitwert ist,
G2 der sekundäre magnetische Leitwert ist,
GM der magnetische Kopplungsleitwert ist.
In Figur 8 ist ein Radialschnitt durch einen Übertrager dargestellt. Der so dargestellte Schnitt muss also zur Herstellung des Rotationskörpers um die Ordinatenrichtung herum rotiert werden.
Die im unteren Bildbereich der Figur 8 angeordnete Primärwicklung ist in einer Vertiefung des Bodens 3, also unterhalb der Verfahrfläche für das Fahrzeug, angeordnet. Bei den gezeigten geometrischen Abständen ergibt sich G2 = 384 nH
GM = 61 nH
Wie in Figur 9 gezeigt, ist bei einer oberhalb des Bodens 2, also oberhalb der Verfahrfläche angeordneten Primärwicklung 2 eine kleinere Ausdehnung der Primärwicklung 2 in paralleler Richtung zur Verfahrebene und/oder Oberfläche des Bodens vorgesehen.
Dadurch sind folgende Werte erreichbar:
G2 = 384 nH
GM = 94 nH
Da in Figur 8 und 9 jeweils dieselbe Sekundärwicklung 1 verwendet wird und G2 jeweils denselben Wert aufweist, ist auch der Übertrager in derselben Weise resonant ausgelegt und die induktive Energieübertragung in gleicher Weise ausführbar, also in gleicher Weise bei gleichem Wirkungsgrad.
Figur 10 zeigt eine in einer Vertiefung des Bodens 3 angeordnete Primärspule 2, welche derart dimensioniert ist, dass ein optimierter Wirkungsgrad erreichbar ist bei zwei unterschiedlich großen Sekundärspulen. Diese Sekundärspulen sind mit unterschiedlichen Kondensatoren
C2P zusammengeschaltet, so dass die resonante Übertragung auch bei den unterschiedlichen Geometrien jeweils mit hohem Wirkungsgrad ausführbar ist.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 sind folgende Werte erreichbar:
G2 = 954 nH
GM = 394 nH
Durch weitere Optimierung der geometrischen Daten, insbesondere Durchmesser und Breite des aus Ferrit ausgeführten ringartigen Spulenkerns, sind gleiche Werte für GM erreichbar, wie in Figur 1 1 und Figur 12 gezeigt.
Dabei weisen Figur 1 1 und Figur 12 unterschiedlich große Sekundärspulen auf. Mit der Ausführung nach Figur 1 1 , also der kleineren Ausführung der Sekundärspule im Vergleich zur Ausführung nach Figur 12, sind folgende Werte erreichbar:
G2 = 380 nH
GM = 483 nH
Wohingegen mit der im Vergleich zur Figur 1 1 größeren Sekundärspule folgende Werte erreichbar sind:
G2 = 956 nH
GM = 487 nH
Wie aus den Figuren ersichtlich ist auf der vom Boden abgewandten Seite der Sekundärspule am Fahrzeug eine magnetische Abschirmung 80, insbesondere Aluminium, vorgesehen. Diese ist also zwischen der Sekundärspule und dem restlichen Fahrzeug angeordnet.
Ebenso ist auf der vom Fahrzeug abgewandten Seite der jeweiligen Primärspule eine 80 magnetische Abschirmung 80, insbesondere Aluminium, anordenbar.
Auf diese Weise ist der Wirkungsgrad der induktiven Übertragung weiter verbesserbar.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt der Batterie ein anderer Energiespeicher verwendet, insbesondere ein Akkumulator oder ein Ultracap oder eine Kombination der vorgenannten Energiespeicher.
Bezugszeichenliste
I Sekundärspule
2 Primärspule
3 Boden
50 Befestigungsmaterial, insbesondere Vergussmasse
51 Wicklung
52 Spulenkern, insbesondere Ferritplatte
60 Gyrator
61 Übertrager, aufweisend die Wicklungen der Primärspule 2 und die Sekundärspule 1 80 magnetische Abschirmung, insbesondere Aluminium
U1 Versorgungsgleichspannung
UQ einphasige Wechselspannung
UB Batteriespannung
LS Induktivität des Gyrators 60
C1 P Kapazität des Gyrators 60
C1 Kondensator
C2S seriellen Kapazität
C2P parallele Kapazität
LG Drosselinduktivität
I I primärseitiger Strom der Stromquelle
12 sekundärseitiger Strom der Stromquelle
R Verbraucherwiderstand
Frequenz
M Kopplungsinduktivität
L22 sekundärseitige Selbstinduktivität
L1 1 primärsärseitige Selbstinduktivität
L12 Kopplungsinduktivität,
w1 Windungsanzahl der Primärspule
w2 Windungsanzahl der Sekundärspule
G1 primärseitiger Leitwert
G2 sekundarseitiger Leitwert
GM Kopplungsleitwert, insbesondere zur Kopplungsinduktivität L12 zugeordneter Leitwert
Claims
1 . System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrechte Projektion der zweiten Primärspule auf die Verfahrfläche weniger Flächeninhalt aufweist als die senkrechte Projektion der ersten Primärspule.
2. System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, wobei die erste Primärspule einen ersten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, wobei die zweite Primärspule einen zweiten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrechte Projektion des zweiten Spulenkerns auf die Verfahrfläche weniger
Flächeninhalt aufweist als die senkrechte Projektion des ersten Spulenkerns.
3. System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, insbeosndere wobei die erste Primärspule einen ersten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist und wobei die zweite Primärspule einen zweiten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei zentrischer Positionierung der ersten Sekundärspule über der ersten Primärspule die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule denselben Wert aufweist wie die Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule bei zentrischer Positionierung der ersten Sekundärspule über der zweiten Primärspule.
4. System zur induktiven Energieübertragung an ein auf einer Verfahrfläche, insbesondere Verfahrebene, bewegbar angeordnetes Fahrzeug, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System eine erste Primärspule aufweist und eine zweite Primärspule aufweist, wobei die erste Primärspule unterhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere in Gravitationsrichtung und/oder auf der von dem Fahrzeug abgewandten Seite der
Verfahrfläche, und die zweite Primärspule oberhalb der Verfahrfläche angeordnet ist, insbesondere entgegen der Gravitationsrichtung und/oder auf der dem Fahrzeug
zugewandten Seite der Verfahrfläche, wobei an der Unterseite, insbesondere also an der der Verfahrfläche zugewandten Seite, des Fahrzeugs eine erste Sekundärspule angeordnet ist, insbesondere welche mit dem Fahrzeug verbunden ist, insbeosndere wobei die erste Primärspule einen ersten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist und wobei die zweite Primärspule einen zweiten Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des ersten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist, die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule denselben Wert aufweist wie die Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen
Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der zweiten Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des zweiten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der
Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist.
5. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des ersten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist, die Selbstinduktivität (L22) oder der magnetische Leitwert (G2) der ersten Sekundärspule einen Wert aufweist, welcher nicht mehr als 10% abweicht von dem Wert der Selbstinduktivität der ersten Sekundärspule bei derartiger Position des Fahrzeugs, dass der Schwerpunkt der ersten Sekundärspule, insbesondere der Schwerpunkt des Spulenkerns der ersten Sekundärspule, auf derjenigen Geraden, insbesondere Normalen insbesondere des begleitenden Dreibeins, liegt, welche durch den Schwerpunkt der zweiten Primärspule, insbesondere durch den Schwerpunkt des zweiten Spulenkerns, geht und, insbesondere im Schnittpunkt der Geraden mit der
Verfahrfläche, senkrecht zur Verfahrfläche ausgerichtet ist.
6. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Primärspule einen jeweiligen Spulenkern aufweist, an welchem eine Wicklung, insbesondere Primärwicklung, angeordnet ist und mittels Befestigungsmaterial am Spulenkern gehalten ist, insbesondere wobei der Spulenkern plattenartig ausgeformt ist, insbesondere aus
Ferritmaterial, und die Wicklung auf der Oberseite, also auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklung als Flachwicklung und/oder ebene Wicklung, insbesondere ebene Flachwicklung, ausgeführt ist.
7. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sekundärspule einen Spulenkern aufweist, an welchem eine Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung, angeordnet ist und mittels Befestigungsmaterial am Spulenkern der ersten Sekundärspule gehalten ist, insbesondere wobei der Spulenkern plattenartig ausgeformt ist, insbesondere aus
Ferritmaterial, und die Wicklung auf der Oberseite, also auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklung als Flachwicklung und/oder ebene Wicklung, insbesondere ebene Flachwicklung, ausgeführt ist.
8. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das System eine zur ersten Sekundärspule unterschiedliche, zweite Sekundärspule aufweist, wobei der Kopplungsleitwert GM oder die Kopplungsinduktivität L12 zwischen erster
Sekundärspule und erster Primärspule denselben Wert aufweist wir zwischen erster
Sekundärspule und zweiter Primärspule oder dass die Abweichung dieser beiden Werte voneinander geringer als 10% beträgt..
9. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kopplungsleitwert GM oder die Kopplungsinduktivität L12 zwischen zweiter Sekundärspule und erster Primärspule denselben Wert aufweist wir zwischen zweiter Sekundärspule und zweiter Primärspule oder dass die Abweichung dieser beiden Werte voneinander geringer als 10% beträgt. .
10. System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Sekundärspule größer als die erste Sekundärspule ist, insbesondere wobei die senkrechte Projektion der zweiten Sekundärspule, insbesondere die senkrechte Projektion des Spulenkerns der zweiten Sekundärspule, auf die Verfahrfläche mehr Flächeninhalt aufweist oder in einer Richtung länger ausgeführt ist als die senkrechte Projektion der ersten Sekundärspule, insbesondere die senkrechte Projektion des
Spulenkerns der zweiten Sekundärspule, auf die Verfahrfläche.
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