WO2020070115A1 - Device for non-contact inductive energy transfer, in particular for inductive charging processes in motor vehicles - Google Patents

Device for non-contact inductive energy transfer, in particular for inductive charging processes in motor vehicles

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WO2020070115A1
WO2020070115A1 PCT/EP2019/076570 EP2019076570W WO2020070115A1 WO 2020070115 A1 WO2020070115 A1 WO 2020070115A1 EP 2019076570 W EP2019076570 W EP 2019076570W WO 2020070115 A1 WO2020070115 A1 WO 2020070115A1
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primary
coil arrangement
different
primary coil
individual coils
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PCT/EP2019/076570
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David Maier
Felix Klein
Nejila Parspour
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Universität Stuttgart
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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Transmission in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and one connected to the primary coil arrangement
  • the invention also relates to a
  • Inductive energy transmission is a contactless transmission technology that is used, for example, to charge the battery of an electric vehicle
  • Deviations mean that the charging power fluctuates and the voltage level or current change. The deviations from the intended
  • the input voltage can be adjusted or the output voltage.
  • the object of the present invention is to provide a device for contactless inductive energy transmission which, without mechanically moving parts, has a constant charging power and constant voltage level, even at predetermined ones
  • the task is carried out with the facility
  • Claim 8 specifies a method for contactless inductive energy transmission with the proposed device.
  • the proposed facility has one
  • the power electronics can have a DC voltage source and an inverter in a known manner.
  • the proposed facility is characterized in that the
  • Primary coil arrangement one or more switching devices and several individual coils and capacities has, via the one or more switching devices to different primary circuits
  • Capacitors is thus made possible with only one primary power electronics and the
  • Coupling factors are coordinated, as will be explained in more detail below.
  • the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil with different inductances.
  • a first of the different primary circles includes only the first single coil, the second primary circuit a series circuit of the first and second single coil and the third primary circuit a series circuit of the first, second and third single coil. This is achieved by suitable interconnection with the help of the switching devices. In this way it is possible to switch between three primary circuits, each of which has a different inductance. By connecting several individual coils in series, high inductivities can be generated without having to use large individual coils.
  • Each of the primary circuits of the proposed device is dimensioned such that it covers a certain coupling factor, so that depending on the vehicle or vehicle class, the corresponding primary-side coil combination or the corresponding one
  • Output power P, characteristic resistance R2 , c and voltage transfer function M 0 result from serial compensation of the primary and secondary circuit:
  • Primary circuit and in the secondary circuit are dimensioned such that the three terms for all
  • - k > Li ⁇ L 2 f).
  • Vehicles with a smaller distance to the ground (and thus a correspondingly higher coupling factor) therefore receive a secondary coil with a lower inductance and the primary circuit to be switched accordingly is operated with only a single coil or a combination of fewer individual coils with a low inductance.
  • the Li required for the respective coupling factor can be determined, for example, from the equation for P and the required L 2 from the equation for R 2 , c or M 0 .
  • the inductivities of the individual coils of the primary coil arrangement are then selected such that the different LI (for the different coupling factors) can be combined appropriately
  • Single coils (including the use of only one of the Single coils) can be obtained with the help of the switching device (s).
  • respective secondary circuit can be compensated either in series or in parallel. If the primary circuits are serially compensated, the secondary circuit must also be serially compensated. If the primary circuits are compensated in parallel, the secondary circuit must also be compensated in parallel. In the case of a bilateral
  • Reactive voltage which can be several kV.
  • Primary coil arrangement designed or designed so that the (primary-side) individual coils have the highest possible coupling of k> 0.9 with one another.
  • the individual coils of the primary coil arrangement are preferably arranged one above the other in order to achieve the greatest possible coupling factors between these individual coils. These are preferably coils wound flat. This arrangement takes advantage of the fact that the number of turns with a high internal coupling squares into the coil inductance
  • the proposed device and the associated method are particularly suitable for contactless energy transmission in the field of motor vehicles.
  • the device and the method can also be used to transfer energy to other objects use, where a similar problem
  • Fig. 1 shows an example of the conditions in the
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of a device for
  • Fig. 3 shows a schematic illustration of the primary coil arrangement and the secondary coil in a device according to the present invention
  • Fig. 4 is a plan view of the primary coils
  • Fig. 5 shows a circuit diagram of a further device for contactless inductive energy transmission according to the present invention.
  • Ki, k 2 and k 2 are the three different
  • Resonance frequency Typical operating areas are marked with hatched areas in the figure.
  • the optimal operating point (R R 2, C) corresponding to the best efficiency in the coil system with reactive power compensation is marked with a circle. If the deviations from the intended operating point become too large, the operational safety can be impaired.
  • Figure 2 shows an example of an embodiment of the proposed device. The figure shows the input voltage Ui , D cv via an inverter into a suitable one
  • the primary coil arrangement 1 of the proposed device which in the present example consists of three coils with the Inductors Li a , Li b and Li c and the associated capacitors Ci a , Ci b and Ci c connected in series is formed.
  • Two switching devices S b and S2 with which different primary circuits can be switched in the primary coil arrangement, are arranged between these individual components consisting of coil and capacitor.
  • the first primary circuit here consists only of the first primary coil with the inductance Li a and the capacitance Ci a .
  • the second primary circuit is connected in series with the first two coils
  • the third primary circuit is formed by connecting all three coils and capacitors in series. The individual primary circuits are compensated for the same design frequency co b by the corresponding capacitances.
  • Figure 2 shows the overall system, ie also the secondary side with the secondary coil L2 X , the capacitor in the secondary circuit C2 X , the inverter, the load-side capacitance C D c2 and the load-side resistor R2, DCV, for example, by the vehicle battery to be charged
  • the primary circuit and secondary circuit are each compensated in series.
  • the primary circuit and secondary circuit are each compensated in series.
  • Individual coils Li x a secondary coil L2 X , which is suitable for the respective inductance of the primary circuit.
  • This coil L2 X is installed in the vehicle depending on the distance class.
  • the primary inductance should be small.
  • the coils Li b and Li c and their capacitors are not switched in this example.
  • a suitable small inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle. If the coupling factor increases, ie the distance between the motor vehicle and the ground is large, the inductance on the primary side must be correspondingly larger.
  • a suitable larger inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle of this distance class.
  • the primary side and secondary side remain constant on the currently typical 85 kHz or 140 kHz, for example. This is achieved by compensating each individual coil with a suitable capacitance in such a way that the same resonance frequency is obtained in total.
  • the relationship is inversely proportional with serial compensation on both sides. Therefore, if the inductance increases due to a series connection, the capacitance must be reduced. This also works advantageously with serial compensation using a
  • wired single coil (s) are preferably open, ie not short-circuited, and none anyway
  • respective switch or the respective switching device preferably open so that no voltage can be induced. Without resonance, there are no high reactive voltages in the non-connected ones
  • FIG. 3 This figure shows the
  • the primary side is arranged above the radius r of a radial flat winding. This works with
  • a high coupling factor of preferably k> 0.9 between the individual coils of the primary coil arrangement can also be achieved by other measures, so that the individual coils do not necessarily have to be arranged one above the other for this purpose.
  • Figure 4 shows a plan view of a
  • FIG. 3 exemplary coil arrangement according to FIG. 3, in which the three individual coils A, B and C can be seen.
  • the three coils A, B, C are for
  • Figure 5 shows another example of a
  • Switching devices S 3 , S 4 in the primary coil arrangement 1 are required in order, for example, to be able to switch all three capacitances Cla, Clb and Clc in parallel when only the first coil Lla is in operation, while only the first capacitance Clc is required when all three coils are connected in series.

Abstract

The present invention relates to a device for non-contact inductive energy transfer, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which device comprises a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and configured for energy transfer via the primary coil arrangement. In this case, the primary coil arrangement comprises a plurality of individual coils (A, B, C) and capacitances, which are interconnectable to form different primary circuits via one or more switching devices (S1, S2) of the primary coil arrangement. The primary circuits are tuned to the same resonant frequency and each comprise one of the individual coils (A, B, C) or a series connection of a plurality of the individual coils (A, B, C). The proposed device makes it possible to supply different types of vehicles having different ground clearances with energy inductively in a non-contact manner, wherein charging power and also current and voltage levels remain the same here at the operating point.

Description

Einrichtung zur kontaktlosen induktiven  Device for contactless inductive
Energieübertragung, insbesondere für induktive  Energy transmission, especially for inductive
Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen  Charging processes in motor vehicles
Technisches Anwendungsgebiet Technical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine  The present invention relates to a
Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energie  Device for contactless inductive energy
übertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and one connected to the primary coil arrangement
Leistungselektronik aufweist, die für die Power electronics, which for the
Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein  Energy transmission is formed via the primary coil arrangement. The invention also relates to a
Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energie Process for contactless inductive energy
übertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung. transfer with the proposed facility.
Die induktive Energieübertragung stellt eine kontaktlose Übertragungstechnik dar, die bspw. zum Laden des Akkumulators eines Elektrofahrzeugs Inductive energy transmission is a contactless transmission technology that is used, for example, to charge the battery of an electric vehicle
eingesetzt werden kann. Dabei befinden sich die can be used. Here are the
Primärspule im Boden eines Stellplatzes und die Primary coil in the floor of a parking space and the
Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs. Ein Problem dieser kontaktlosen Energieübertragung, speziell im Kraftfahrzeugbereich, sind unterschiedliche Abstände der Spulen aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugklassen. Dies führt in erster Linie zu unterschiedlichen  Secondary coil on the underbody of the vehicle. One problem with this contactless energy transmission, especially in the motor vehicle sector, is the different distances between the coils due to different vehicle classes. This leads primarily to different ones
Koppelfaktoren und dementsprechend unterschiedlichem Betriebsverhalten. Die SAE Norm J2954 spezifiziert drei unterschiedliche z-Klassen im Abstand von 100mm bis 250mm. Stand der Technik Coupling factors and accordingly different operating behavior. The SAE standard J2954 specifies three different z-classes at a distance of 100mm to 250mm. State of the art
Bisherige Systeme zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung sind für einen bestimmten Koppel faktor der Spule ausgelegt. Da sich der Koppelfaktor mit einer Veränderung des Abstandes zwischen  Previous systems for contactless inductive energy transmission are designed for a specific coupling factor of the coil. Because the coupling factor changes with the distance between
Primärspule und Sekundärspule verkleinert oder Primary coil and secondary coil reduced or
vergrößert, führt dies zu Abweichungen im Betriebs punkt. Abweichungen bedeuten, dass die Ladeleistung schwankt und Spannungspegel bzw. Stromstärke sich ändern. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen enlarged, this leads to deviations in the operating point. Deviations mean that the charging power fluctuates and the voltage level or current change. The deviations from the intended
Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden, so dass die Ladeeinrichtung abgeschaltet werden muss. Zur Vermeidung dieser Problematik im Bereich der If the operating point is too large, the operational safety can be impaired, so that the charging device must be switched off. To avoid this problem in the area of
Kraftfahrzeuge ist es bekannt, den Primär- und den Sekundärkreis geeignet zu regeln. So kann bei Motor vehicles are known to suitably regulate the primary and secondary circuits. So at
geändertem Koppelfaktor bspw. die Eingangsspannung angepasst werden oder auch die Ausgangsspannung. changed coupling factor, for example, the input voltage can be adjusted or the output voltage.
Nachteilig dabei ist, dass bei diesen Methoden entweder die Ladeleistung, die Effizienz oder die Spannung nicht konstant bleiben und außerdem eine zusätzliche Regelung im System benötigt wird. Eine weitere bekannte Technik zur Vermeidung der obigen Problematik besteht darin, den unterschiedlichen Abstand durch eine mechanisch bewegliche Primärseite auszugleichen. Die Primärspule wird hierbei mit Hilfe eines Aktors entsprechend angehoben oder abgesenkt. Damit ist die gleiche Ladeleistung bei gleicher The disadvantage here is that with these methods either the charging power, the efficiency or the voltage do not remain constant and that additional control in the system is also required. Another known technique for avoiding the above problem is to compensate for the different distance by means of a mechanically movable primary side. The primary coil is raised or lowered accordingly using an actuator. So the same charging power is the same
Stromstärke und gleichen Spannungspegeln möglich. Ein Nachteil besteht hierbei jedoch in der dafür benötigten Mechanik, die regelmäßig gewartet werden muss. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung anzugeben, die ohne mechanisch bewegliche Teile eine konstante Ladeleistung und konstante Spannungspegel auch bei vorgegebenen Current strength and equal voltage levels possible. A disadvantage here, however, is the mechanics required for this, which must be maintained regularly. The object of the present invention is to provide a device for contactless inductive energy transmission which, without mechanically moving parts, has a constant charging power and constant voltage level, even at predetermined ones
unterschiedlichen Abständen zwischen Primär- und different distances between primary and
Sekundärspule ermöglicht. Secondary coil enables.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Einrichtung zur  The task is carried out with the facility
kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß contactless inductive energy transmission according to
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand der abhängigen Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the device are the subject of the dependent
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Patentanspruch 8 gibt ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung an. Claims or can be found in the following description and the embodiment. Claim 8 specifies a method for contactless inductive energy transmission with the proposed device.
Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine The proposed facility has one
Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulen anordnung verbundene Leistungselektronik auf, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist, die sie also mit einer geeigneten Wechselspannung versorgt. Die Leistungselektronik kann dabei in bekannter Weise eine Gleichspannungsquelle und einen Wechselrichter aufweisen. Die vorgeschlagene Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Primary coil arrangement and a power electronics connected to the primary coil arrangement, which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement, which thus supplies it with a suitable AC voltage. The power electronics can have a DC voltage source and an inverter in a known manner. The proposed facility is characterized in that the
Primärspulenanordnung eine oder mehrere Schaltein richtungen sowie mehrere Einzelspulen und Kapazitäten aufweist, die über die eine oder mehreren Schaltein richtungen zu unterschiedlichen Primärkreisen Primary coil arrangement one or more switching devices and several individual coils and capacities has, via the one or more switching devices to different primary circuits
verschaltbar sind. Diese Primärkreise umfassen jeweils nur eine oder eine Reihenschaltung mehrerer der are interconnectable. These primary circuits each comprise only one or a series connection of several of the
Einzelspulen und sind jeweils auf die gleiche Resonanz frequenz abgestimmt. Individual coils and are each tuned to the same resonance frequency.
In der Primärspulenanordnung der vorgeschlagenen Einrichtung lassen sich somit unterschiedliche Different arrangements can thus be made in the primary coil arrangement of the proposed device
Kombinationen von Einzelspulen zu Primärkreisen Combinations of single coils to primary circuits
verschalten, so dass die unterschiedlichen Primärkreise unterschiedliche Induktivitäten aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung der Einzelspulen und interconnect so that the different primary circuits have different inductances. By appropriate dimensioning of the individual coils and
Kondensatoren wird somit ermöglicht, mit nur einer primärseitigen Leistungselektronik und der Capacitors is thus made possible with only one primary power electronics and the
Primärspulenanordnung unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen (z-Klassen) kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, indem jeweils auf die passende Kombination von Einzelspulen umgeschaltet wird. Ladeleistung sowie Strom- und  Primary coil arrangement to supply different types of vehicles with different ground clearances (z-classes) contactless inductively with energy by switching to the appropriate combination of individual coils. Charging power as well as electricity and
Spannungspegel bleiben dabei im Betriebspunkt gleich. Dies setzt lediglich voraus, dass die Induktivitäten der Sekundärspulen in den jeweiligen Fahrzeugklassen und die Induktivitäten der unterschiedlichen Primär- kreise auf die unterschiedlichen Abstände bzw.  Voltage levels remain the same at the operating point. This only assumes that the inductances of the secondary coils in the respective vehicle classes and the inductances of the different primary circuits match the different distances or
Koppelfaktoren abgestimmt sind, wie dies im Folgenden noch näher ausgeführt wird.  Coupling factors are coordinated, as will be explained in more detail below.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der In an advantageous embodiment of the
vorgeschlagenen Einrichtung weist die Primärspulen anordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule mit unterschiedlichen Induktivitäten auf. Ein erster der unterschiedlichen Primärkreise umfasst dabei nur die erste Einzelspule, der zweite Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und der dritte Primärkreis eine Reihen schaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule. Dies wird durch geeignete Verschaltung mit Hilfe der Schalteinrichtungen erreicht. Auf diese Weise kann zwischen drei Primärkreisen umgeschaltet werden, die jeweils eine unterschiedliche Induktivität aufweisen. Durch die Reihenschaltung mehrerer Einzelspulen können hohe Induktivitäten erzeugt werden, ohne hierfür entsprechend große Einzelspulen einsetzen zu müssen. proposed device, the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil with different inductances. A first of the different primary circles includes only the first single coil, the second primary circuit a series circuit of the first and second single coil and the third primary circuit a series circuit of the first, second and third single coil. This is achieved by suitable interconnection with the help of the switching devices. In this way it is possible to switch between three primary circuits, each of which has a different inductance. By connecting several individual coils in series, high inductivities can be generated without having to use large individual coils.
Bei dem Betrieb der vorgeschlagenen Einrichtung zur induktiven Energieübertragung auf Sekundärkreise in Kraftfahrzeugen müssen unterschiedliche Sekundärspulen in Fahrzeugen unterschiedlicher Fahrzeugklassen verbaut werden. Jeder der Primärkreise der vorgeschlagenen Einrichtung ist dabei so dimensioniert, dass er einen gewissen Koppelfaktor abdeckt, so dass je nach Fahrzeug bzw. Fahrzeugklasse dann die entsprechende primär seitige Spulenkombination bzw. der entsprechende When operating the proposed device for inductive energy transmission to secondary circuits in motor vehicles, different secondary coils must be installed in vehicles of different vehicle classes. Each of the primary circuits of the proposed device is dimensioned such that it covers a certain coupling factor, so that depending on the vehicle or vehicle class, the corresponding primary-side coil combination or the corresponding one
Primärkreis geschaltet wird. Primary circuit is switched.
Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung bzw. des zugehörigen Verfahrens lässt sich anhand der folgenden Gleichung zeigen. Die Gleichungen für The functioning of the proposed device or the associated method can be shown using the following equation. The equations for
Ausgangsleistung P, charakteristischer Widerstand R2,c und Spannungsübertragungsfunktion M0 ergeben sich bei serieller Kompensation von Primär- und Sekundärkreis zu :
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000008_0001
Output power P, characteristic resistance R2 , c and voltage transfer function M 0 result from serial compensation of the primary and secondary circuit:
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000008_0001
Es ist aus den Gleichungen ersichtlich, dass Li und k sowie
Figure imgf000008_0002
und k in gleichem Verhältnis stehen, k entspricht dabei dem Koppelfaktor, Li und L2 der
It can be seen from the equations that Li and k as well
Figure imgf000008_0002
and k are in the same ratio, k corresponds to the coupling factor, Li and L 2 the
Induktivität der Spulen bzw. Spulenkombination im Inductance of the coils or coil combination in
Primärkreis und im Sekundärkreis. Primärkreise und Sekundärkreise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren so dimensioniert, dass die drei Terme für alle Primary circuit and in the secondary circuit. In the proposed method, primary circles and secondary circles are dimensioned such that the three terms for all
vorgegebenen Koppelfaktoren bzw. Abstände zwischen Primär- und Sekundärspule konstant bleiben. Somit muss bei Vergrößerung des Koppelfaktors k im Falle einer seriellen Kompensation von Primärkreis und Sekundär kreis die Induktivität Li und die Induktivität L2 entsprechend niedriger gewählt werden als bei einem kleineren Koppelfaktor (k† => Lij. L2| - k => Li† L2f) . Fahrzeuge mit geringerem Abstand zum Boden (und damit einem entsprechend höheren Koppelfaktor) erhalten daher eine Sekundärspule mit niedrigerer Induktivität und auch der entsprechend zu schaltende Primärkreis wird mit nur einer Einzelspule oder einer Kombination weniger Einzelspulen niedriger Induktivität betrieben. Prinzipiell kann hierbei bspw. aus der Gleichung für P das für den jeweiligen Koppelfaktor erforderliche Li und aus der Gleichung für R2,c oder M0 das erforderliche L2 bestimmt werden. Die Induktivitäten der Einzelspulen der Primärspulenanordnung werden dann so gewählt, dass die unterschiedlichen LI (für die unterschiedlichen Koppelfaktoren) durch geeignete Kombination der predetermined coupling factors or distances between the primary and secondary coils remain constant. Thus, if the coupling factor k is increased in the case of serial compensation of the primary circuit and the secondary circuit, the inductance Li and the inductance L 2 must be chosen correspondingly lower than with a smaller coupling factor (k † => Lij. L 2 | - k => Li † L 2 f). Vehicles with a smaller distance to the ground (and thus a correspondingly higher coupling factor) therefore receive a secondary coil with a lower inductance and the primary circuit to be switched accordingly is operated with only a single coil or a combination of fewer individual coils with a low inductance. In principle, the Li required for the respective coupling factor can be determined, for example, from the equation for P and the required L 2 from the equation for R 2 , c or M 0 . The inductivities of the individual coils of the primary coil arrangement are then selected such that the different LI (for the different coupling factors) can be combined appropriately
Einzelspulen (einschließlich der Nutzung nur einer der Einzelspulen) mit Hilfe der Schalteinrichtung (en) erhalten werden können. Single coils (including the use of only one of the Single coils) can be obtained with the help of the switching device (s).
Auf diese Weise wird erreicht, dass bspw. für drei unterschiedliche Abstände bzw. Fahrzeugklassen und damit drei unterschiedliche Koppelfaktoren jeweils durch entsprechendes Umschalten der Primärspulen anordnung die Ausgangsleistung, der charakteristische Widerstand und die Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben. Dies ermöglicht eine gleiche In this way it is achieved that, for example, for three different distances or vehicle classes and thus three different coupling factors, the output power, the characteristic resistance and the voltage transfer function remain constant by appropriately switching the primary coil arrangement. This enables the same
Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln für alle drei Fahrzeugklassen mit der vorgeschlagenen Einrichtung, die ohne mechanisch bewegliche Teile oder entsprechende Regelungen der Primär- und Sekundärelektronik auskommt.  Charging power at the same current and voltage levels for all three vehicle classes with the proposed device, which works without mechanically moving parts or corresponding regulations of the primary and secondary electronics.
Die unterschiedlichen Primärkreise und der The different primary circles and the
jeweilige Sekundärkreis können entweder seriell oder parallel kompensiert sein. Bei serieller Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis seriell kompensiert sein. Bei paralleler Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis parallel kompensiert sein. Im Falle einer beidseitigen respective secondary circuit can be compensated either in series or in parallel. If the primary circuits are serially compensated, the secondary circuit must also be serially compensated. If the primary circuits are compensated in parallel, the secondary circuit must also be compensated in parallel. In the case of a bilateral
parallelen Kompensation erbeben sich aus den dann gegebenen Gleichungen für P, R2,c und M0, dass bei einer Erhöhung des Kopplungsfaktors die Induktivitäten des Primärkreises und des Sekundärkreises ebenfalls vergrößert und bei einer Verkleinerung des Parallel compensation arises from the then given equations for P, R2 , c and M 0 , that if the coupling factor is increased, the inductances of the primary circuit and the secondary circuit also increase and if the coupling factor is reduced
Koppelfaktors verkleinert werden müssen (k => Li† L2† - kj => L L2|) . Coupling factor must be reduced (k => Li † L2 † - kj => LL 2 |) .
Bei einer seriellen Kompensation der Primärkreise ergibt sich zudem der Vorteil, dass zu jeder der Einzelspulen eine geeignete Kapazität in Reihe Serial compensation of the primary circuits also has the advantage that each of the Individual coils have a suitable capacity in series
verschaltet werden kann, so dass bei einer can be connected, so that with a
Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen zwischen den Einzelspulen jeweils wenigstens eine Kapazität liegt. Eine derartige Aufteilung der Kapazitäten über die Primärspulenanordnung ist vorteilhaft, um hohe Series connection of several of the individual coils between the individual coils each has at least one capacitance. Such a division of the capacities over the primary coil arrangement is advantageous to high
Blindspannungen, gerade bei kleinen Koppelfaktoren, also einem großen Abstand und großer Induktivität, über die gesamte Spulenanordnung zu verteilen. Die Distribute reactive voltages, especially with small coupling factors, i.e. a large distance and large inductance, over the entire coil arrangement. The
Anschlussenden der in Reihe geschalteten Connection ends of the series connected
Spulenanordnung weisen somit nicht die gesamte Coil arrangement thus do not have the whole
Blindspannung auf, die mehrere kV betragen kann. Reactive voltage, which can be several kV.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die In a preferred embodiment, the
Primärspulenanordnung so ausgebildet oder ausgelegt, dass die (primärseitigen) Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung von k > 0,9 untereinander aufweisen. Die Einzelspulen der Primärspulenanordnung sind hierzu vorzugsweise übereinander angeordnet, um möglichst große Koppelfaktoren zwischen diesen Einzelspulen zu erreichen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um flach gewickelte Spulen. Bei dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spulendinduktivität Primary coil arrangement designed or designed so that the (primary-side) individual coils have the highest possible coupling of k> 0.9 with one another. For this purpose, the individual coils of the primary coil arrangement are preferably arranged one above the other in order to achieve the greatest possible coupling factors between these individual coils. These are preferably coils wound flat. This arrangement takes advantage of the fact that the number of turns with a high internal coupling squares into the coil inductance
einfließt. Damit lassen sich mit Spulen kleinerer flows in. This makes it possible to use smaller coils
Windungszahl und damit geringerem Materialverbrauch höhere Induktivitäten erzielen. Number of turns and thus lower material consumption achieve higher inductances.
Die vorgeschlagene Einrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich vor allem für die kontaktlose Energieübertragung im Bereich der Kraftfahrzeuge. Die Einrichtung und das Verfahren lassen sich jedoch auch für die Energieübertragung auf andere Objekte einsetzen, bei denen eine ähnliche Problematik The proposed device and the associated method are particularly suitable for contactless energy transmission in the field of motor vehicles. However, the device and the method can also be used to transfer energy to other objects use, where a similar problem
unterschiedlicher Abstände oder Koppelfaktoren different distances or coupling factors
vorliegt . is present.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorgeschlagene Einrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:  The proposed device is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Here show:
Fig. 1 ein Beispiel für die Verhältnisse bei der Fig. 1 shows an example of the conditions in the
Energieübertragung für drei unterschied liche Koppelfaktoren gemäß dem Stand der Technik;  Energy transfer for three different coupling factors according to the prior art;
Fig . 2 ein Schaltbild einer Einrichtung zur  Fig. 2 shows a circuit diagram of a device for
kontaktlosen induktiven Energieüber tragung gemäß der vorliegenden Erfindung; contactless inductive power transmission according to the present invention;
Fig . 3 eine schematische Darstellung der Primär spulenanordnung und der Sekundärspule bei einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 shows a schematic illustration of the primary coil arrangement and the secondary coil in a device according to the present invention;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Primärspulen  Fig. 4 is a plan view of the primary coils
anordnung der Figur 3 sowie eine  arrangement of Figure 3 and a
Darstellung der Einzelspulen dieser  Representation of the individual coils of these
Primärspulenanordnung; und  Primary coil arrangement; and
Fig . 5 ein Schaltbild einer weiteren Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieüber tragung gemäß der vorliegenden Erfindung.  Fig. 5 shows a circuit diagram of a further device for contactless inductive energy transmission according to the present invention.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention
Bei bisherigen Systemen, die lediglich für einen bestimmten Koppelfaktor der Spulen ausgelegt sind, ergeben sich durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule Abweichungen vom Betriebspunkt, die zu einer Änderung der Ladeleistung sowie der Spannungspegel bzw. Stromstärke führen. Figur 1 zeigt hierzu ein Beispiel für drei unterschiedlicheIn previous systems that are only designed for a specific coupling factor of the coils, A change in the distance between the primary coil and the secondary coil results in deviations from the operating point, which lead to a change in the charging power and the voltage level or current. Figure 1 shows an example of three different ones
Koppelfaktoren anhand eines Diagrammes, das die Coupling factors based on a diagram that the
Spannungsübertragungsfunktion U2/Ui in Abhängigkeit vom Widerstand der Sekundärseite R2 zeigt. Ui und U2 stellen hierbei die Eingangsspannung U2 und die Ausgangs- Spannung U2, L2 und L2 wiederum die Induktivität imVoltage transfer function U 2 / Ui depending on the resistance of the secondary side R 2 shows. Ui and U 2 here represent the input voltage U 2 and the output voltage U 2 , L 2 and L 2 in turn the inductance in the
Primärkreis und die Induktivität im Sekundärkreis dar. ki, k2 und k2 sind die drei unterschiedlichen Primary circuit and the inductance in the secondary circuit. Ki, k 2 and k 2 are the three different
vorgegebenen Koppelfaktoren, ar die Design- bzw. given coupling factors, ar the design or
Resonanzfrequenz. Typische Betriebsbereiche sind in der Figur mit den schraffierten Bereichen gekennzeichnet. Der optimale Betriebspunkt (R=R2,C) entsprechend dem besten Wirkungsgrad im Spulensystem mit Blindleistungs kompensation ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden . Resonance frequency. Typical operating areas are marked with hatched areas in the figure. The optimal operating point (R = R 2, C) corresponding to the best efficiency in the coil system with reactive power compensation is marked with a circle. If the deviations from the intended operating point become too large, the operational safety can be impaired.
Bei der vorgeschlagenen Einrichtung werden größere Abweichungen vom Betriebspunkt bei unterschiedlichen Koppelfaktoren vermieden, indem zwischen den einzelnen Primärkreisen geschaltet wird. Figur 2 zeigt hierzu ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung. Die Figur zeigt die Eingangsspannung Ui,Dcv die über einen Wechselrichter in eine geeignete In the proposed device, larger deviations from the operating point with different coupling factors are avoided by switching between the individual primary circuits. Figure 2 shows an example of an embodiment of the proposed device. The figure shows the input voltage Ui , D cv via an inverter into a suitable one
Wechselspannung U gewandelt wird. Mit dieser AC voltage U is converted. With this
Wechselspannung wird die Primärspulenanordnung 1 der vorgeschlagenen Einrichtung beaufschlagt, die im vorliegenden Beispiel aus drei Spulen mit den Induktivitäten Lia, Lib und Lic sowie den zugehörigen in Reihe geschalteten Kapazitäten Cia, Cib und Cic gebildet ist. Zwischen diesen einzelnen Komponenten aus Spule und Kondensator sind zwei Schalteinrichtungen Sb und S2 angeordnet, mit denen unterschiedliche Primärkreise in der Primärspulenanordnung geschaltet werden können. Der erste Primärkreis besteht hierbei lediglich aus der ersten Primärspule mit der Induktivität Lia und der Kapazität Cia. Der zweite Primärkreis wird durch eine Reihenschaltung der ersten beiden Spulen mit den AC voltage is applied to the primary coil arrangement 1 of the proposed device, which in the present example consists of three coils with the Inductors Li a , Li b and Li c and the associated capacitors Ci a , Ci b and Ci c connected in series is formed. Two switching devices S b and S2, with which different primary circuits can be switched in the primary coil arrangement, are arranged between these individual components consisting of coil and capacitor. The first primary circuit here consists only of the first primary coil with the inductance Li a and the capacitance Ci a . The second primary circuit is connected in series with the first two coils
Induktivitäten Lia und Lbb sowie den zugehörigen Inductors Li a and L bb and the associated
Kapazitäten Cia und Cbb gebildet. Der dritte Primärkreis wird durch die Reihenschaltung aller drei Spulen und Kapazitäten gebildet. Die einzelnen Primärkreise sind hierbei über die entsprechenden Kapazitäten jeweils auf die gleiche Auslegungsfrequenz cob kompensiert. Figur 2 zeigt hierbei das Gesamtsystem, d.h. auch die Sekundär seite mit der Sekundärspule L2X, dem Kondensator im Sekundärkreis C2X, dem Wechselrichter, der lastseitigen Kapazität CDc2 und dem lastseitigen Widerstand R2,DCV der bspw. durch die zu ladende Fahrzeugbatterie eines Capacities Ci a and C bb formed. The third primary circuit is formed by connecting all three coils and capacitors in series. The individual primary circuits are compensated for the same design frequency co b by the corresponding capacitances. Figure 2 shows the overall system, ie also the secondary side with the secondary coil L2 X , the capacitor in the secondary circuit C2 X , the inverter, the load-side capacitance C D c2 and the load-side resistor R2, DCV, for example, by the vehicle battery to be charged
Kraftfahrzeugs gebildet sein kann. In dem dargestellten Beispiel sind Primärkreis und Sekundärkreis jeweils seriell kompensiert. Für das Laden von Fahrzeugen unterschiedlicher Abstandsklassen existiert hierbei zu jedem Primärkreis mit einem oder mehreren der Motor vehicle can be formed. In the example shown, the primary circuit and secondary circuit are each compensated in series. For the charging of vehicles of different distance classes there is one or more of each primary circuit
Einzelspulen Lix eine Sekundärspule L2X, welche passend zur jeweiligen Induktivität des Primärkreises ist. Individual coils Li x a secondary coil L2 X , which is suitable for the respective inductance of the primary circuit.
Diese Spule L2X wird je nach Abstandsklasse im Fahrzeug verbaut. Jeder der n Einzelspulen der Primärseite deckt einzeln oder in Reihenschaltung mit einer oder mehreren anderen der Einzelspulen einen gewissen Koppelfaktor ab. Je nach zu ladendem Fahrzeug wird dann eine geeignet primärseitige Spulenkombination als This coil L2 X is installed in the vehicle depending on the distance class. Each of the n individual coils on the primary side, individually or in series with one or more other of the individual coils, covers a certain coupling factor. Depending on the vehicle to be loaded, one is then suitable primary-side coil combination as
Primärkreis geschaltet. Primary circuit switched.
Die Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandsklassen und den The coordination between the different vehicle classes or distance classes and the
Primärkreisen, die in der Einrichtung geschaltet werden können, erfolgt mit dem bereits weiter oben angeführten Gleichungssystem derart, dass für die unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandklassen Ausgangsleistung, charakteristischer Widerstand und Spannungsüber  Primary circuits, which can be switched in the device, are carried out with the equation system already mentioned above in such a way that output power, characteristic resistance and voltage transmittance for the different vehicle classes or distance classes
tragungsfunktion konstant bleiben. load function remain constant.
Bei einem hohen Koppelfaktor, d.h. niedrigem With a high coupling factor, i.e. low
Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden muss die The distance from the motor vehicle to the ground must be
primärseitige Induktivität klein sein. Die Spulen Lib und Lic sowie deren Kondensatoren werden hierbei in diesem Beispiel nicht geschaltet. Im Kraftfahrzeug wird dann ebenfalls eine passende kleine sekundärseitige Induktivität verbaut. Vergrößert sich der Koppelfaktor, d.h. großer Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden, so muss die primärseitige Induktivität entsprechend größer sein. In dem Kraftfahrzeug dieser Abstandsklasse ist dann ebenfalls eine passende größere sekundärseitige Induktivität verbaut. Nun wird basierend auf dem primary inductance should be small. The coils Li b and Li c and their capacitors are not switched in this example. A suitable small inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle. If the coupling factor increases, ie the distance between the motor vehicle and the ground is large, the inductance on the primary side must be correspondingly larger. A suitable larger inductor on the secondary side is then also installed in the motor vehicle of this distance class. Now based on the
Abstand mit Hilfe der Schalteinrichtungen Si, S2 entweder nur eine Reihenschaltung aus Lia und Lib oder eine Reihenschaltung aus Lia, Lbb und Lic in der Distance with the help of the switching devices Si, S2 either only a series connection of Li a and Li b or a series connection of Li a , L bb and Li c in the
Primärseite mit deren Kondensatoren verschaltet. Da die Werte für die drei oben genannten Gleichungen konstant bleiben, ändern sich P, R2,c und Mb nicht. Primary side interconnected with their capacitors. Since the values for the three equations above remain constant, P, R2 , c and M b do not change.
Die Resonanzfrequenzen beider Systeme, d. h. The resonance frequencies of both systems, i. H.
Primärseite und Sekundärseite, bleiben dabei konstant auf den bspw. momentan typischen 85 kHz oder 140 kHz. Dies wird erreicht, indem jede Einzelspule derart mit einer passenden Kapazität kompensiert wird, dass sich in Summe die gleiche Resonanzfrequenz einstellt. Der Zusammenhang ist bei beidseitig serieller Kompensation invers proportional. Erhöht sich daher die Induktivität durch eine Reihenschaltung, so muss die Kapazität verringert werden. Dies funktioniert vorteilhaft bei einer seriellen Kompensation ebenso durch eine The primary side and secondary side remain constant on the currently typical 85 kHz or 140 kHz, for example. This is achieved by compensating each individual coil with a suitable capacitance in such a way that the same resonance frequency is obtained in total. The relationship is inversely proportional with serial compensation on both sides. Therefore, if the inductance increases due to a series connection, the capacitance must be reduced. This also works advantageously with serial compensation using a
Reihenschaltung der Kondensatoren. In Summe bleibt dann die Resonanzfrequenz konstant. Series connection of the capacitors. The total resonance frequency then remains constant.
Da die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spuleninduktivität einfließt (L = magnetischer Leitwert x Windungszahl2) , sind die nicht beschalteten Einzelspulen der Primärseite (Lib mit Cib usw.) nicht in Resonanz und es kann keine effektive Leistungsübertragung auf die nicht beschalteten Since the number of turns flows squarely into the coil inductance with a high internal coupling (L = magnetic conductance x number of turns 2 ), the unconnected individual coils on the primary side (Li b with Ci b etc.) are not in resonance and there can be no effective power transmission to them wired
Einzelspulen stattfinden. Dies ist ein positiver Single coils take place. This is a positive one
Nebeneffekt, da die Leitungsenden der nicht Side effect, since the line ends are not
beschalteten Einzelspule (n) vorzugsweise offen, also nicht kurzgeschlossen sind, und ohnehin keine wired single coil (s) are preferably open, ie not short-circuited, and none anyway
Leistungsübertragung stattfinden sollte. Die nicht beschalteten Einzelspulen sind also durch den Power transmission should take place. The unconnected individual coils are therefore through the
jeweiligen Schalter bzw. die jeweilige Schaltein richtung vorzugsweise offen, so dass keine Spannung induziert werden kann. Ohne Resonanz treten auch keine hohen Blindspannungen in den nichtbeschalteten respective switch or the respective switching device preferably open so that no voltage can be induced. Without resonance, there are no high reactive voltages in the non-connected ones
Einzelspulen der Primärspulenanordnung auf. Individual coils of the primary coil arrangement.
Bei der Auslegung der Primärspulenanordnung wird dabei vorzugsweise darauf geachtet, dass die When designing the primary coil arrangement, care is preferably taken to ensure that the
primärseitigen Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung untereinander aufweisen. Dies wird primary-side individual coils as high as possible Have coupling with each other. this will
vorzugsweise durch eine Anordnung der Einzelspulen übereinander erreicht, wie dies schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Diese Figur zeigt die preferably achieved by arranging the individual coils one above the other, as is shown schematically in FIG. 3. This figure shows the
Primärspulenanordnung mit den übereinander angeordneten Spulen A, B und C der Induktivitäten Lia, Lib und Lic sowie die davon beabstandete Spule D der Sekundärseite mit der Induktivität L2a. Die Einzelspulen der Primary coil arrangement with the coils A, B and C of the inductors Li a , Li b and Li c arranged above one another and the coil D on the secondary side with the inductor L2 a spaced therefrom. The individual coils of the
Primärseite sind dabei über dem Radius r einer radialen Flachwicklung angeordnet. Dies funktioniert mit The primary side is arranged above the radius r of a radial flat winding. This works with
beliebigen Spulentopologien. Mit einem hohen any coil topologies. With a high
Koppelfaktor innerhalb der Primärseite wird die Coupling factor within the primary side is the
benötigte Spulenlänge verkürzt, was zu einer required coil length shortened, resulting in a
Kosteneinsparung führt, wobei der obige Zusammenhang zwischen der Induktivität L und der Windungszahl gilt. Ein hoher Koppelfaktor von vorzugsweise k > 0,9 zwischen den Einzelspulen der Primärspulenanordnung lässt sich auch durch andere Maßnahmen erreichen, so dass die Einzelspulen hierfür nicht zwangsläufig übereinander angeordnet sein müssen. Cost savings leads, the above relationship between the inductance L and the number of turns applies. A high coupling factor of preferably k> 0.9 between the individual coils of the primary coil arrangement can also be achieved by other measures, so that the individual coils do not necessarily have to be arranged one above the other for this purpose.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Figure 4 shows a plan view of a
beispielhafte Spulenanordnung gemäß Figur 3, in der die drei Einzelspulen A, B und C erkennbar sind. Im unteren Teil der Figur sind die drei Spulen A, B, C zur exemplary coil arrangement according to FIG. 3, in which the three individual coils A, B and C can be seen. In the lower part of the figure, the three coils A, B, C are for
besseren Erkennbarkeit nochmals nebeneinander easier to recognize next to each other
dargestellt . shown.
Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Figure 5 shows another example of a
Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung, bei der Primär- und Sekundärkreis jeweils parallel kompensiert sind. Im Unterschied zur Ausgestaltung der Figur 2 muss hierzu noch jeweils eine Drosselspule LDRI, LDR2 zwischen Spannungsquelle und Wechselrichter der Primärseite und zwischen Wechselrichter und Last der Sekundärseite verschaltet werden. Durch die parallele Kompensation werden in diesem Beispiel auch zwei zusätzliche Design of the proposed device in which the primary and secondary circuits are compensated in parallel. In contrast to the embodiment in FIG. 2, a choke coil L DRI , L DR 2 must be inserted between each The voltage source and inverter on the primary side and between the inverter and the load on the secondary side. The parallel compensation also makes two additional ones in this example
Schalteinrichtungen S3, S4 in der Primärspulenanordnung 1 benötigt, um bspw. bei Betrieb nur der ersten Spule Lla alle drei Kapazitäten Cla, Clb und Clc parallel schalten zu können, während bei Reihenschaltung aller drei Spulen nur die erste Kapazität Clc benötigt wird. Switching devices S 3 , S 4 in the primary coil arrangement 1 are required in order, for example, to be able to switch all three capacitances Cla, Clb and Clc in parallel when only the first coil Lla is in operation, while only the first capacitance Clc is required when all three coils are connected in series.
Bei einer beispielhaften Dimensionierung der Einrichtung gemäß Figur 2 für eine Leistung P von 50W und Eingangs- und Ausgangsspannungen von 28V werden bei entsprechenden Abständen zi = 4 cm, Z2 = 6 und Z3 = 10 cm und daraus resultierenden Koppelfaktoren ki = 0,36, k2 = 0,2 und k3 = 0,1 Werte für die Spulen und With an exemplary dimensioning of the device according to FIG. 2 for a power P of 50W and input and output voltages of 28V, with corresponding distances zi = 4 cm, Z2 = 6 and Z3 = 10 cm and the resulting coupling factors ki = 0.36, k 2 = 0.2 and k 3 = 0.1 values for the coils and
Kondensatoren von Lia = 41,4 mH, Lib = 5,7 mH, Lic = 13,9 mH, Cia = 30,1 nF, Cib = 37,6 nF und Cic = 16,7 nF ermittelt, wobei für die zu berücksichtigende Kopplung zwischen den Spulen Werte von kxy > 0,9 verwendet wurden. Messergebnisse, die anhand des zuletzt Capacitors of Li a = 41.4 mH, Li b = 5.7 mH, Li c = 13.9 mH, Ci a = 30.1 nF, C ib = 37.6 nF and Ci c = 16.7 nF were determined , whereby values of k xy > 0.9 were used for the coupling to be considered between the coils. Measurement results based on the last
beschriebenen Aufbaus erhalten wurden, zeigen, dass sich bei Nutzung der vorgeschlagenen Einrichtung described structure, show that when using the proposed facility
Ausgangsleistung und Spannungsübertragungsfunktion nicht mit den drei unterschiedlichen Koppelfaktoren ändern. Eine Realisierung einer derartigen Einrichtung mit höheren Ausgangsleistungen von mehreren kW ist ohne weiteres möglich. Do not change output power and voltage transfer function with the three different coupling factors. It is readily possible to implement such a device with higher output powers of several kW.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Einrichtung zur kontaktlosen induktiven 1. Device for contactless inductive
Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen,  Energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles,
die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungs  the one primary coil arrangement and a power connected to the primary coil arrangement
elektronik aufweist, die für die Energieüber tragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist,  has electronics which is designed for the energy transmission via the primary coil arrangement,
wobei die Primärspulenanordnung mehrere Einzel spulen (A, B, C) und Kapazitäten aufweist, die über eine oder mehrere Schalteinrichtungen (Si, the primary coil arrangement having a plurality of individual coils (A, B, C) and capacitances which are connected via one or more switching devices (Si,
S2) der Primärspulenanordnung zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind, die auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind und jeweils eine der Einzelspulen (A, B, C) oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen (A, B,S 2) of the primary coil arrangement can be connected to different primary circuits which are tuned to the same resonance frequency and each have one of the individual coils (A, B, C) or a series connection of several of the individual coils (A, B,
C) umfassen. C) include.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Primärspulenanordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule (A, B, C) mit unterschiedlichen Induktivitäten  that the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil (A, B, C) with different inductances
aufweisen, wobei ein erster der unterschiedlichen have, a first of the different
Primärkreise nur die erste Einzelspule, ein zweiter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und ein dritter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule (A, B, C) umfasst. Primary circuits only the first individual coil, a second of the different primary circuits a series connection of first and second individual coils and a third of the different primary circuits a series connection of first, second and third single coil (A, B, C) comprises.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Primärspulenanordnung so ausgebildet ist, dass die Einzelspulen (A, B, C) eine hohe Kopplung von k > 0,9 untereinander aufweisen.  that the primary coil arrangement is designed such that the individual coils (A, B, C) have a high coupling of k> 0.9 to one another.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Einzelspulen (A, B, C) in der  that the individual coils (A, B, C) in the
Primärspulenanordnung übereinander angeordnet sind .  Primary coil arrangement are arranged one above the other.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Einzelspulen (A, B, C) in der  that the individual coils (A, B, C) in the
Primärspulenanordnung Flachspulen sind.  Primary coil arrangement are flat coils.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die unterschiedlichen Primärkreise seriell kompensiert sind.  that the different primary circuits are serially compensated.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, 7. Device according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass in Reihe zu jeder der Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren  that in series with each of the individual coils (A, B, C) at least one of the capacitors
verschaltet ist, so dass in den Primärkreisen mit einer Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen is connected, so that in the primary circuits with a series connection of several of the individual coils
(A, B, C) zwischen den in Reihe verschalteten Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren angeordnet ist. (A, B, C) at least one each between the individual coils (A, B, C) connected in series the capacitors is arranged.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 8. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die unterschiedlichen Primärkreise parallel kompensiert sind.  that the different primary circuits are compensated in parallel.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Device according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass Leitungsenden der jeweils nicht über die eine oder mehreren Schalteinrichtungen (Si, S2) der Primärspulenanordnung zu einem Primärkreis verschalteten Einzelspulen (A, B, C) offen sind. that line ends of the individual coils (A, B, C) not connected via the one or more switching devices (Si, S 2 ) of the primary coil arrangement to a primary circuit are open.
10. Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energie 10. Method for contactless inductive energy
übertragung mit einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche bei unterschied lichen vorgegebenen Koppelfaktoren zwischen  Transmission with a device according to one of the preceding claims in the case of different predetermined coupling factors between
Primärspule (n) und Sekundärspule,  Primary coil (s) and secondary coil,
bei dem für jeden der unterschiedlichen  for each of the different
Koppelfaktoren eine andere Sekundärspule verwendet und ein anderer der schaltbaren Primärkreise der Primärspulenanordnung geschaltet wird, wobei die schaltbaren Primärkreise und die Sekundärspulen so ausgelegt werden, dass Ausgangsleistung,  Coupling factors uses a different secondary coil and another of the switchable primary circuits of the primary coil arrangement is switched, the switchable primary circuits and the secondary coils being designed in such a way that output power,
charakteristischer Widerstand und Spannungsüber tragungsfunktion für die unterschiedlichen  characteristic resistance and voltage transfer function for the different
Koppelfaktoren konstant bleiben.  Coupling factors remain constant.
PCT/EP2019/076570 2018-10-02 2019-10-01 Device for non-contact inductive energy transfer, in particular for inductive charging processes in motor vehicles WO2020070115A1 (en)

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DE102018216916.0A DE102018216916A1 (en) 2018-10-02 2018-10-02 Device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles

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