WO2018192771A1 - Spule geeignet für ein induktives ladesystem mit zwei teilspulen - Google Patents

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WO2018192771A1
WO2018192771A1 PCT/EP2018/058531 EP2018058531W WO2018192771A1 WO 2018192771 A1 WO2018192771 A1 WO 2018192771A1 EP 2018058531 W EP2018058531 W EP 2018058531W WO 2018192771 A1 WO2018192771 A1 WO 2018192771A1
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Ulrich Brenner
Achim Henkel
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a coil suitable for an inductive charging system
  • Transmission systems used which consist of a transmitting coil and a receiving coil.
  • the transmitting coil of a charging station is placed, for example, with a flat winding on the road surface or embedded in the road.
  • the receiver coil with a flat winding as possible is attached to the vehicle floor.
  • the vehicle is positioned over the transmitting coil.
  • non-contact charging of the electrical energy storage of electronic devices such as watches, mobile phones or electrically powered tools transmission systems are also used, which consist of a connected to a charger coil and a receiving coil connected to the device to be charged receiving coil.
  • two different coil systems are used for the transmission of electrical energy during non-contact charging.
  • each coil consists of two substantially equal partial coils arranged side by side.
  • the magnetic flux emerges essentially from the middle of one partial coil and again through the other partial coil.
  • the magnetic flux exits from the middle of the one partial coil of the transmitting coil and penetrates one partial coil of the receiving coil.
  • the magnetic flux exits the other sub-coil of the receiving coil again and again through the other sub-coil of the transmitting coil.
  • WO 2015/175096 a bipolar coil system with two equal sizes Part coil proposed coil of reduced height proposed, which is characterized by overlapping areas of the coil sections.
  • a transmitter coil with an unrestricted inductive energy transfer with receiving coils is possible, which consist of two partial coils or of a circular coil as a bipolar coil.
  • the device according to the invention with the characterizing part of claim 1 has the advantage that a bipolar transmitting coil consisting of two substantially juxtaposed partial coils of an inductive transmission system both with a likewise consisting of two substantially juxtaposed partial coils bipolar receiving coil as well as one of a single coil existing circular receiver coil can be coupled without significant restrictions on energy transfer.
  • the enlarged version of one of the two partial coils of the bipolar transmitting coil improves the magnetic coupling to a circular receiver coil. Due to the construction according to the invention of a bipolar transmitting coil, it is advantageously achieved that a largely unrestricted inductive energy transmission to bipolar and circular receiving coils and vice versa is possible.
  • a transmission coil for this purpose, which is bipolar and consists of two substantially juxtaposed partial coils, wherein the two partial coils of the coil are of different sizes.
  • one and / or the other of the two partial coils is made oval or round.
  • An oval or round design has the advantage of a homogeneous course of the magnetic flux and can be made very easily and inexpensively.
  • one and / or the other of the two sub-coils is made polygonal.
  • a polygonal design a compact construction of a bipolar coil arrangement can be achieved in an advantageous manner.
  • one and / or the other of the two sub-coils are made rectangular.
  • the rectangular design offers the advantage of a compact construction of a bipolar arrangement with a good coupling. A good coupling is achieved even if it can not be ensured that the transmission coil and the receiver coil coupled to the energy transmission are optimally aligned with one another.
  • one and / or the other of the rectangular or polygonal partial coils are executed with at least partially rounded corners. This design combines the advantage of a compact design with a simple and cost-effective production. When using HF stranded wire as a coil wire is achieved by rounded corners advantageously compliance with the minimum bending radii of the RF wire used as a coil wire allows.
  • At least the larger of the two partial coils is at least as large as a coil to be coupled.
  • This achieves comparably good coupling for coupling a bipolar transmitting coil with a bipolar receiving coil, advantageously with a circular receiving coil.
  • a charging station equipped with a bipolar transmitting coil according to the invention with two differently sized sub-coils can thus charge electric vehicles without restrictions, which are equipped either with a bipolar receiving coil or with a circular receiving coil.
  • even a smaller magnification of a partial coil of the transmitting coil leads to an improvement of the coupling.
  • an offset of the transmitting and receiving coils is advantageously possible.
  • the coupling is not restricted by an offset of the transmitting and receiving coils if the contour of the receiving coil lies completely within the contour of one of the two partial coils of the transmitting coil.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a bipolar coil with two differently sized rectangular partial coils, a schematic representation of a bipolar coil with two differently sized and shaped partial coils, a schematic representation of an inductive circular transmission coil in a coil carrier, a schematic representation of an inductive bipolar transmitting coil with two different sized partial coils in a coil carrier with a coupled inductive bipolar receiver coil in a coil carrier, a schematic representation of an inductive bipolar transmitter coil in egg nem coil carrier with a coupled inductive circular receiver coil in a coil carrier, a schematic representation of an inductive charging station for electrically powered vehicles. All figures are merely schematic representations of the device according to the invention or its components according to embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the bipolar coil 1 according to the invention.
  • the coil 1 consists of two partial coils 3, 4. These two partial coils 3, 4 of the bipolar coil 1 according to the invention have different sizes, for which purpose the partial coil 4 is made larger than the partial coil 3.
  • the two partial coils 3, 4 are arranged in a coil carrier 9.
  • the coil carrier 9 and the two sub-coils 3, 4 together form the coil 1.
  • the bipolar design of the coil 1 allows a guided magnetic circuit, for example, the magnetic flux exits from the coil part 3 and in part coil 4 again in the coil 1 a.
  • the flow direction can be reversed, so that the magnetic flux exits the partial coil 4 and enters the coil 1 again in the partial coil 3.
  • FIG. 2 likewise shows a schematic illustration of the coil 1 according to the invention.
  • the coil 1 shown in FIG. 2 consists of two partial coils 3, 4, one of which is designed as a circular coil and the other as a polygonal coil.
  • the two partial coils 3, 4 are arranged in a coil carrier 9.
  • the bobbin 9 and the two sub-coils 3, 4 together form the coil. 1
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a coil 1 in a circular design in a coil carrier 9.
  • the circularly working coil 1 shown in Figure 3 consists of a single coil 10 in a coil carrier 9.
  • the circular design leads to a central center of gravity of the magnetic circuit, for example
  • the magnetic flux exits the coil 10 with a center of gravity.
  • the magnetic flux field lines describe a path outside coil 10 to reenter coil 10 from below. The flow direction can be reversed so that the magnetic flux enters the coil 10 in the center and exits the coil 10 at the bottom.
  • the magnetic flux field lines describe a closed path outside the coil 10.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the coupling of a transmitting coil 1 according to the invention with two differently sized partial coils 3, 4 in a coil carrier 9 with a coupled receiving coil 11 with two partial coils 12a, 12b in a coil carrier 9.
  • the two partial coils 12a, 12b are bipolar Reception coil same size. Both coils are constructed as bipolar coils, so that a good magnetic coupling for the transmission of electrical energy is achieved.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the coupling of a coil 1 according to the invention with a circular transmission coil 10. In this example, electrical energy is transmitted from the coil 1 to the coupled coil 10.
  • the circular coil 10 is arranged above the partial coil 4 such that the contour of the coil 10 ideally lies completely within the contour of the partial coil 4.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a charging station 12 for electrically driven vehicles.
  • the transmitting coil 1 is powered by the power electronics of the inductive charging system 2 with energy. This energy is transmitted to the receiving coil 11 and processed via on-board power electronics for charging the vehicle battery.
  • the coil according to the invention with different sized partial coils can also be used for all applications of wireless energy transmission.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Übertragungsspule für ein induktives Ladesystem mit zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen, wobei die beiden Teilspulen unterschiedlich groß sind.

Description

Beschreibung
Titel
SPULE GEEIGNET FÜR EIN INDUKTIVES LADESYSTEM MIT ZWEI TEILSPULEN Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule, geeignet für ein induktives Ladesystem
Stand der Technik
Beim berührungslosen Laden der elektrischen Energiespeicher von elektrisch angetriebe- nen Fahrzeugen mit Hilfe der induktiven Übertragung von elektrischer Energie werden
Übertragungssysteme eingesetzt, die aus einer Sendespule und einer Empfangsspule bestehen. Die Sendespule einer Ladestation wird dazu beispielsweise mit einer flachen Wicklung auf die Fahrbahnoberfläche gelegt oder in die Fahrbahn eingelassen. Die Empfangsspule mit einer möglichst flachen Wicklung wird am Fahrzeugboden angebracht. Für den Ladevorgang wird das Fahrzeug über der Sendespule positioniert. Beim berührungslosen Laden der elektrischen Energiespeicher von elektronischen Geräten wie beispielsweise Armbanduhren, Mobiltelefonen oder auch elektrisch angetriebenen Werkzeugen werden ebenfalls Übertragungssysteme eingesetzt, die aus einer mit einem Ladegerät verbundenen Sendespule und einer mit dem aufzuladenden Gerät verbundenen Emp- fangsspule bestehen. Für die Übertragung elektrischer Energie beim berührungslosen Laden werden insbesondere zwei unterschiedliche Spulensysteme eingesetzt.
Zum einen sind dies sogenannte bipolare Spulensysteme, bei denen jede Spule aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten gleichgroßen Teilspulen besteht. Der mag- netische Fluss tritt im Wesentlichen aus der Mitte der einen Teilspule aus und durch die andere Teilspule wieder ein. Im günstigsten Fall der Kopplung einer bipolaren Sendespule mit einer bipolaren Empfangsspule tritt der magnetische Fluss aus der Mitte der einen Teilspule der sendenden Spule aus und durchdringt die eine Teilspule der empfangenden Spule. Der magnetische Fluss tritt aus der anderen Teilspule der empfangenden Spule wieder aus und durch die andere Teilspule der sendenden Spule wieder ein. Beispielsweise wird in WO 2015/175096 eine als bipolares Spulensystem mit zwei gleichgroßen Teilspulen ausgeführte Spule mit reduzierter Bauhöhe vorgeschlagen, die sich durch überlappende Bereiche der Teilspulen auszeichnet.
Zum anderen sind dies sogenannte zirkuläre Spulensysteme, deren Spulen im Gegensatz zu bipolaren Spulen jeweils nur aus einer einzigen Spule bestehen. Beispielsweise wird in der WO 2016/036747 ein Übertragungssystem mit zirkulär arbeitenden Spulen gezeigt. Bei zirkularen Spulen tritt der magnetische Fluss mit einem mittigen Schwerpunkt beispielsweise aus der Sendespule aus. Die Feldlinien des magnetischen Flusses durchdringen die Empfangsspule und beschreiben außerhalb der Spulen eine Bahn, um in die Sen- despule von unten wieder einzutreten.
Bei der Kopplung von bipolaren Sendespulen mit zirkularen Empfangsspulen besteht im Gegensatz zur Kopplung mit bipolaren Empfangsspulen das Problem, dass dabei nur eine unbefriedigende magnetische Kopplung erreicht wird.
Da der Wunsch besteht, das berührungslose Laden der elektrischen Energiespeicher unabhängig von der Bauart der eingesetzten Empfangsspule ohne Einschränkungen beispielsweise an öffentlich zugänglichen Ladestationen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge durchzuführen, besteht daher der Bedarf nach einer Sendespule, mit der eine uneingeschränkte induktive Energieübertragung mit Empfangsspulen möglich ist, die als bi- polare Spule aus zwei Teilspulen oder aus einer zirkularen Spule bestehen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen bestehende bipolare Sendespule eines induktiven Übertragungssystems sowohl mit einer ebenfalls aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen bestehenden bipolaren Empfangsspule als auch mit einer aus einer einzigen Spule bestehenden zirkularen Empfangsspule ohne wesentliche Einschränkungen zur Energieübertragung gekoppelt werden kann. Durch die vergrößerte Ausführung einer der beiden Teilspulen der bipolaren Sendespule wird die magnetische Kopplung zu einer zirkulär ausgeführten Empfangsspule verbessert. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau einer bipolaren Sendespule wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine weitgehend uneingeschränkte induktive Energieübertragung zu bipolaren und zu zirkularen Empfangsspulen und umgekehrt möglich ist.
Erfindungsgemäß ist dazu eine Sendespule vorgesehen, die bipolar ausgeführt ist und aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen besteht, wobei die beiden Teilspulen der Spule unterschiedlich groß sind. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Vorteilhafterweise wird eine und/oder die andere der beiden Teilspulen oval oder rund ausgeführt. Eine ovale oder runde Ausführung hat den Vorteil eines homogenen Verlaufs des magnetischen Flusses und kann sehr einfach und kostengünstig angefertigt werden.
Alternativ wird eine und/oder die andere der beiden Teilspulen polygonal ausgeführt. Durch eine polygonale Ausführung kann in vorteilhafter Weise ein kompakter Aufbau einer bipolaren Spulenanordnung erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine und/oder die andere der beiden Teilspulen rechteckig ausgeführt werden. Die rechteckige Ausführung bietet den Vorteil eines kompakten Aufbaus einer bipolaren Anordnung mit einer guten Kopplung. Eine gute Kopplung wird selbst dann erzielt, wenn nicht sichergestellt werden kann, dass die zur Energieüber- tragung gekoppelte Sendespule und Empfangsspule bestmöglich zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise werden die eine und/oder die andere der rechteckigen oder polygonalen Teilspulen mit mindestens teilweise abgerundeten Ecken ausgeführt. Diese Ausführung verbindet den Vorteil des kompakten Aufbaus mit einer einfachen und kostengünsti- gen Fertigung. Bei Verwendung von HF-Litze als Spulendraht wird durch abgerundete Ecken in vorteilhafter Weise die Einhaltung der Mindestbiegeradien der als Spulendraht verwendeten HF-Litze ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens die größere der beiden Teilspulen mindestens so groß wie eine zu koppelnde Spule ausgeführt ist. Damit wird eine zur Kopplung einer bipolaren Sendespule mit einer bipolaren Empfangsspule vergleichbar gute Kopplung in vorteilhafter Weise mit einer zirkulären Empfangsspule erreicht. Beispielsweise kann eine mit einer erfindungsgemäßen bipolaren Sendespule mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen ausgerüstete Ladestation kann somit ohne Einschränkungen elektrische Fahrzeuge laden, die entweder mit einer bipolaren Empfangsspule oder mit einer zirkulären Empfangsspule ausgerüstet sind. In vorteilhafter Weise führt bereits eine kleinere Vergrößerung einer Teilspule der Sendespule zu einer Verbesserung der Kopplung.
Wenn die größere der beiden Teilspulen der Sendespule größer ist als die Empfangs- spule ist ein Versatz der Sende- und Empfangsspulen in vorteilhafter Weise möglich. Die Kopplung wird durch einen Versatz der Sende- und Empfangsspulen nicht eingeschränkt, wenn die Kontur der Empfangsspule vollständig innerhalb der Kontur einer der beiden Teilspulen der Sendespule liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen: eine schematische Darstellung einer bipolaren Spule mit zwei unterschiedlich großen rechteckigen Teilspulen, eine schematische Darstellung einer bipolaren Spule mit zwei unterschiedlich großen und geformten Teilspulen, eine schematische Darstellung einer induktiven zirkulären Übertragungsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven bipolaren Sendespule mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen in einem Spulenträger mit einer gekoppelten induktiven bipolaren Empfangsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven bipolaren Sendespule in ei nem Spulenträger mit einer gekoppelten induktiven zirkulären Empfangsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven Ladestation für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Spule 1. Die Spule 1 besteht aus zwei Teilspulen 3, 4. Diese beiden Teilspulen 3, 4 der erfindungsgemäßen bipolaren Spule 1 sind unterschiedlich groß, dazu ist die Teilspule 4 gegenüber der Teilspule 3 vergrößert ausgeführt. Die beiden Teilspulen 3, 4 sind in einem Spulenträ- ger 9 angeordnet. Der Spulenträger 9 und die beiden Teilspulen 3, 4 bilden zusammen die Spule 1. Die bipolare Auslegung der Spule 1 ermöglicht einen geführten magnetischen Kreislauf, beispielsweise tritt der magnetische Fluss aus der Teilspule 3 aus und in Teilspule 4 wieder in die Spule 1 ein. Die Flussrichtung kann umgekehrt werden, so dass der magnetische Fluss aus der Teilspule 4 austritt und in Teilspule 3 wieder in die Spule 1 eintritt.
Figur 2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Spule 1. Die in Figur 2 gezeigte Spule 1 besteht aus zwei Teilspulen 3, 4, von denen eine als kreisrunde Spule und die andere als polygonale Spule ausgeführt ist. Die beiden Teilspulen 3, 4 sind in einem Spulenträger 9 angeordnet. Der Spulenträger 9 und die beiden Teilspulen 3, 4 bilden zusammen die Spule 1.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spule 1 in zirkularer Ausführung in einem Spulenträger 9. Die in Figur 3 gezeigte zirkulär arbeitende Spule 1 besteht aus einer einzigen Spule 10 in einem Spulenträger 9. Die zirkuläre Auslegung führt zu einem zentrischen Schwerpunkt des magnetischen Kreislaufs, beispielsweise tritt der magnetische Fluss mit einem mittigen Schwerpunkt aus der Spule 10 aus. Die Feldlinien des magnetischen Flusses beschreiben eine Bahn außerhalb der Spule 10, um von unten wieder in die Spule 10 einzutreten. Die Flussrichtung kann umgekehrt werden, so dass der magne- tische Fluss in die Spule 10 mittig eintritt und unten aus der Spule 10 austritt. Die Feldlinien des magnetischen Flusses beschreiben eine geschlossene Bahn außen um die Spule 10.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplung einer erfindungsgemäßen Sendespule 1 mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen 3, 4 in einem Spulenträger 9 mit einer gekoppelten Empfangsspule 11 mit zwei Teilspulen 12a, 12b in einem Spulenträger 9. Beispielhaft sind die beiden Teilspulen 12a, 12b der bipolaren Empfangsspule gleich groß. Beide Spulen sind als bipolare Spulen aufgebaut, so dass eine gute magnetische Kopplung zur Übertragung von elektrischer Energie erzielt wird. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplung einer erfindungsgemäßen Spule 1 mit einer zirkulären Übertragungsspule 10. In diesem Beispiel wird elektrische Energie von der Spule 1 zu der gekoppelten Spule 10 übertragen. Die zirkuläre Spule 10 ist derart über der Teilspule 4 angeordnet, dass die Kontur der Spule 10 idealerweise voll- ständig innerhalb der Kontur der Teilspule 4 liegt.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladestation 12 für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die Sendespule 1 wird durch die Leistungselektronik des induktiven Ladesystems 2 mit Energie versorgt. Diese Energie wird an die Empfangsspule 11 übertra- gen und über eine fahrzeugeigene Leistungselektronik zum Laden der Fahrzeugbatterie aufbereitet. Die erfindungsgemäße Spule mit unterschiedlich großen Teilspulen kann darüber hinaus für alle Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Spule (1) geeignet für ein induktives Ladesystem (2), wobei die Spule (1) bipolar ausgeführt ist und aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen (3, 4) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (3, 4) der Spule (1) unterschiedlich groß sind.
2. Spule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder die andere der Teilspulen (3, 4) oval, vorzugsweise rund sind.
3. Spule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder die andere der Teilspulen (3, 4) polygonal ausgeführt sind.
4. Spule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder die andere der Teilspulen (3, 4) rechteckig ausgeführt sind.
5. Spule (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder die andere der Teilspulen (3, 4) mindestens teilweise abgerundete Ecken (5) aufweisen.
6. Spule (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die größere der beiden Teilspulen (3, 4) mindestens so groß wie eine zu koppelnde Spule (8) ist.
PCT/EP2018/058531 2017-04-20 2018-04-04 Spule geeignet für ein induktives ladesystem mit zwei teilspulen WO2018192771A1 (de)

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