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DE102017005369A1 - Device for inductive energy transmission - Google Patents

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DE102017005369A1
DE102017005369A1 DE102017005369.3A DE102017005369A DE102017005369A1 DE 102017005369 A1 DE102017005369 A1 DE 102017005369A1 DE 102017005369 A DE102017005369 A DE 102017005369A DE 102017005369 A1 DE102017005369 A1 DE 102017005369A1
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coil
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coil elements
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switching
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DE102017005369.3A
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German (de)
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Andreas Tombült
Eckehart Hollmann
Rainer Vens
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Leopold Kostal GmbH and Co KG
Original Assignee
Leopold Kostal GmbH and Co KG
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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung, aufweisend eine Vielzahl von Spulenelementen, die matrixartig angeordnet sind, und durch mehrere elektrische Schaltelemente in variablen Kombinationen miteinander verschaltet werden können, wobei die einzelnen Spulenelemente jeweils nur Abschnitte vollständiger Spulenwindungen ausbilden, und wobei die Schaltelemente elektrisch zwischen den Spulenelementen angeordnet sind.A device for inductive energy transmission with a coil arrangement, comprising a plurality of coil elements, which are arranged in a matrix, and can be interconnected by a plurality of electrical switching elements in variable combinations, wherein the individual coil elements each form only portions of complete coil turns, and wherein the switching elements are electrically arranged between the coil elements.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung, aufweisend eine Vielzahl von Spulenelementen, die matrixartig angeordnet sind, und durch mehrere elektrische Schaltelemente in variablen Kombinationen miteinander verschaltet werden können.The invention relates to a device for inductive energy transmission with a coil arrangement, comprising a plurality of coil elements, which are arranged in a matrix-like manner, and can be interconnected by a plurality of electrical switching elements in variable combinations.

Mit der Zunahme akkubetriebener Geräte gewinnt auch das kabellose Laden und damit die induktive Energieübertragung immer mehr an Bedeutung. Zur induktiven Energieübertragung werden dem Prinzip nach zwei Spulen verwendet, von denen eine Spule ein magnetisches Feld erzeugt, welches in der anderen Spule eine Spannung induziert. Die relative Position der beiden Spulen zueinander hat einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Energieübertragung. Um den Wirkungsgrad dieser Energieübertragung möglichst hoch zu halten, müssen die Mittelachsen der Spulen möglichst genau übereinstimmen, das heißt möglichst nahe und vorzugsweise in einer Flucht zueinander liegen. Je weiter die Mittelachsen voneinander entfernt sind, umso mehr verschlechtert sich der Wirkungsgrad.With the increase in battery-powered devices, wireless charging, and thus inductive energy transfer, is becoming more and more important. For inductive energy transfer two coils are used in principle, of which one coil generates a magnetic field, which induces a voltage in the other coil. The relative position of the two coils to each other has a significant impact on the efficiency of energy transfer. In order to keep the efficiency of this energy transfer as high as possible, the center axes of the coils must match as closely as possible, that is as close as possible and preferably in alignment with each other. The farther the center axes are away from each other, the more the efficiency deteriorates.

Zur Durchführung einer induktiven Energieübertragung werden eine primärseitige Spulenanordnung und eine sekundärseitige Spulenanordnung übereinander gebracht. Diese Annäherung geschieht in der Regel relativ grob und liefert nicht unbedingt die bestmögliche Positionierung der beiden Spulenanordnungen zueinander.To carry out an inductive energy transmission, a primary-side coil arrangement and a secondary-side coil arrangement are brought one above the other. This approach is usually done relatively coarse and does not necessarily provide the best possible positioning of the two coil assemblies to each other.

So ist beispielsweise die Parkposition eines Fahrzeugs in einer Parkbucht abhängig von der Parksituation benachbarter Fahrzeuge und/oder dem individuellen Verhalten des Fahrers. Oder aber die Position eines Mobiltelefons in einer Ladeschale ist nicht genau definiert, wenn dieses nicht an der Lageschale mechanisch fixiert wird.For example, the parking position of a vehicle in a parking bay is dependent on the parking situation of adjacent vehicles and / or the individual behavior of the driver. Or the position of a mobile phone in a charging cradle is not exactly defined if it is not mechanically fixed to the bearing shell.

Falls beide Spulenanordnungen in ihrer körperlichen Lage zueinander unverändert bleiben sollen, muss zur Optimierung der induktiven Kopplung mindestens eine der Spulenanordnungen so konstruiert sein, dass sie die Geometrie ihres magnetischen Feldes verändern kann. Dieses bedeutet, dass sie die Lage ihres Magnetfeldes zumindest innerhalb einer Fläche verschieben kann.If both coil arrangements are to remain unchanged in their physical position relative to one another, at least one of the coil arrangements must be constructed in such a way that it can change the geometry of its magnetic field in order to optimize the inductive coupling. This means that it can shift the position of its magnetic field at least within a surface.

Im Bereich der induktiven Energieübertragung, beispielsweise für Mobiltelefone (Powercharging), wird eine Verbesserung der induktiven Kopplung dadurch angestrebt, dass zwischen unterschiedlich positionierten Spulen umgeschaltet wird. Solche Systeme enthalten mehrere eigenständige Spulen, von denen die am besten positionierte durch Ausmessen ermittelt wird und für den nachfolgenden Ladevorgang selektiert wird.In the field of inductive energy transmission, for example for mobile phones (power charging), an improvement of the inductive coupling is sought by switching between differently positioned coils. Such systems contain several independent coils, of which the best positioned is determined by measuring and selected for the subsequent charging process.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 013 694 A1 ist eine primärseitige Vorrichtung für ein Energieübertragungssystem zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie auf ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der an dem Kraftfahrzeug mindestens ein Sekundärelement angeordnet ist, welches induktiv mittels mindestens einer Spule mit der primärseitige Vorrichtung koppelbar ist, wobei die Spulen der primärseitigen Vorrichtung mit mindestens einer Energiequelle verbunden oder verbindbar sind, und wobei die Spulen der primärseitigen Vorrichtung entweder in einer Reihe angeordnet sind oder matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei entweder die Spulen auf den Knotenpunkten der Zeilen und Spalten angeordnet sind oder sich die Spulen als langgestreckte Spulen entlang der Zeilen und Spalten erstrecken und im Bereich der Knotenpunkte kreuzen. Die Spulen können selektiv einzeln oder auch gruppenweise bestromt werden.From the German patent application DE 10 2009 013 694 A1 a primary-side device for a power transmission system for contactless transmission of electrical energy to a motor vehicle is known, in which at least one secondary element is arranged on the motor vehicle, which can be coupled inductively by means of at least one coil with the primary-side device, wherein the coils of the primary-side device with at least one Energy source are connected or connectable, and wherein the coils of the primary-side device are arranged either in a row or arranged in a matrix in rows and columns, wherein either the coils are arranged on the nodes of the rows and columns or the coils as elongated coils along the Lines and columns extend and cross in the area of the nodes. The coils can be selectively energized individually or in groups.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine besonders vielfältige variable Spulenpositionierung ermöglicht.It was the object to provide a device that allows a particularly versatile variable coil positioning.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die einzelnen Spulenelemente jeweils nur Abschnitte vollständiger Spulenwindungen ausbilden, und dass die Schaltelemente elektrisch zwischen den Spulenelementen angeordnet sind.This object is achieved in that the individual coil elements each form only portions of complete coil turns, and that the switching elements are arranged electrically between the coil elements.

Die hier beschriebene Vorrichtung sieht somit die Verwendung einer einzigen Spule vor, deren Induktionsfeld individuell anhand der räumlichen Gegebenheiten modelliert werden kann. Im Besonderen geht es hier um eine variable Positionierung der Mittenachse des Induktionsfeldes zur Erzielung einer optimalen induktiven Kopplung zweier Systeme.The device described here thus provides for the use of a single coil whose induction field can be modeled individually on the basis of the spatial conditions. In particular, it involves a variable positioning of the center axis of the induction field to achieve optimal inductive coupling of two systems.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht es, während des Ladevorgangs die induktive Kopplung zu optimieren, ohne dass eine der beiden Spulen nachträglich bewegt werden muss. Die Vorrichtung eignet sich grundsätzlich sowohl zu Ausgestaltung einer primärseitigen als auch einer sekundärseitigen Spulenanordnung.The proposed device makes it possible to optimize the inductive coupling during the charging process, without one of the two coils has to be moved later. The device is basically suitable both for the design of a primary-side and a secondary-side coil arrangement.

Im Unterschied zu bekannten Ausführungen werden hier nicht mehrere Einzelspulen auf unterschiedliche Weise zusammen eingeschaltet oder miteinander verbunden, sondern es werden mehrere Spulenelemente zu einer einzigen Spule verschaltet. Unter einem Spulenelement wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein gerade oder auch gekrümmt verlaufender Leiterabschnitt verstanden, der aber keine vollständige Spulenwindung ausbildet. Eine vollständige Spulenwindung entsteht erst durch das Zusammenschalten mehrerer, das heißt von mindestens zwei Spulenelementen.In contrast to known designs not several individual coils are turned on in different ways together or connected together, but there are several coil elements are connected to form a single coil. In the case of the device according to the invention, a coil element is understood to mean a straight or even curved conductor section, which, however, does not form a complete coil turn. A complete coil winding is formed only by the interconnection of several, that is, of at least two coil elements.

Dazu sind Schaltelemente elektrisch zwischen den Spulenelementen angeordnet, welche die Spulenelemente auf unterschiedliche Weise elektrisch miteinander verbinden können. Da die verschiedenen zusammenschaltbaren Spulenelemente geometrisch an unterschiedlichen Stellen und in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind, können durch unterschiedliches Zusammenschalten mehrerer Spulenelemente sehr verschiedenartige Spulengeometrien gebildet werden. Durch die Wahl der jeweiligen Spulengeometrie kann so die Spulenmittelachse an vielen unterschiedlichen Stellen der Vorrichtung positioniert werden, wodurch die Lage der Spulenmittelachse gut an die für die jeweilige Ladesituation ideale Lage angepasst werden kann. For this purpose, switching elements are electrically arranged between the coil elements, which can electrically connect the coil elements in different ways. Since the different interconnected coil elements are geometrically arranged at different locations and in different directions, very different coil geometries can be formed by different interconnection of a plurality of coil elements. By choosing the respective coil geometry, the central axis of the coil can thus be positioned at many different points of the device, as a result of which the position of the central axis of the coil can be adapted well to the position which is ideal for the respective charging situation.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulenelemente und Schaltelemente zusätzlich in mehreren Ebenen angeordnet, so dass die zusammengeschalteten Spulenelemente mehrere übereinander liegende Windungen ausbilden. Hierdurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Gestaltung der Spulengeometrie und zur Positionierung der Spulenmittelachse.In a preferred embodiment, the coil elements and switching elements are additionally arranged in several levels, so that the interconnected coil elements form a plurality of superimposed turns. This results in further possibilities for designing the coil geometry and for positioning the coil central axis.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen in jeweils einer skizzenhafter Darstellung, die

  • 1 das Aufbauprinzip einer Vorrichtung,
  • 2 ein erstes Beispiel einer Spulenanordnung mit zusammengeschalteten Spulenelementen,
  • 3 weitere Beispiele zusammengeschalteter Spulenelemente,
  • 4 mögliche Lagen der Spulenmittelachse der Vorrichtung,
  • 5 eine Spulenanordnung in mehreren Ebenen,
  • 6 weitere Details zur 5,
  • 7 eine alternative Ausführung einer Spulenmatrix.
In the following the invention will be illustrated with reference to the drawing and explained in more detail. It shows in each case a sketchy representation, the
  • 1 the construction principle of a device,
  • 2 a first example of a coil arrangement with interconnected coil elements,
  • 3 further examples of interconnected coil elements,
  • 4 possible positions of the coil center axis of the device,
  • 5 a coil arrangement in several levels,
  • 6 more details to 5 .
  • 7 an alternative embodiment of a coil matrix.

In der 1 ist das Aufbauprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch skizziert. Die Vorrichtung besteht aus einer Vielzahl von Spulenelementen E1 , E2 , E3 , E4 , die matrixartig in Reihen A, B, C, D, E und Spalten a, b, c, d angeordnet sind. Alle Spulenelemente E1 , E2 , E3 , E4 bestehen aus Leiterstücken, die in der dargestellten Spulenanordnung SP1 alle als gerade Leiterstücke ausgebildet sind. Alternativ können die Spulenelemente auch durch gekrümmte Leiterstücke ausgeführt werden, welche aber einzeln jeweils keine vollständige Spulenwindung ausbilden.In the 1 the structure principle of a device according to the invention is schematically sketched. The device consists of a plurality of coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 , the matrix-like in rows A . B . C . D . e and columns a . b . c . d are arranged. All coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 consist of conductor pieces, in the illustrated coil assembly SP 1 all are designed as straight conductor pieces. Alternatively, the coil elements can also be carried out by curved conductor pieces, which however individually do not form a complete coil turn.

Um aus diesem Matrixaufbau eine variable Spulenstruktur zu erzeugen, ist eine veränderbare Verschaltung der Spulenelemente E1 , E2 , E3 , E4 vorgesehen. An allen Verbindungspunkten V und Kreuzungspunkten K der Spulenelemente E1 , E2 , E3 , E4 sind hierzu steuerbare Schaltelemente S1 , S2 , S3 , S4 eingefügt, über die jeweils elektrische Verbindungen zu allen benachbarten Spulenelementen E1 , E2 , E3 , E4 hergestellt werden können.In order to produce a variable coil structure from this matrix structure, a variable connection of the coil elements is possible E 1 . E 2 . E 3 . E 4 intended. At all connection points V and crossing points K the coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 are controllable switching elements S 1 . S 2 . S 3 . S 4 inserted, via the respective electrical connections to all adjacent coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 can be produced.

Als Beispiel ist ein Kreuzungspunkt K hervorgehoben dargestellt, an dem vier steuerbare Schaltelemente S1 , S2 , S3 , S4 angeschlossen sind, welche im eingeschalteten Zustand den Kreuzungspunkt K mit jeweils einem anliegenden Spulenelement E1 , E2 , E3 , E4 verbinden. Jedes Spulenelement E1 , E2 , E3 , E4 kann individuell auf den Kreuzungspunkt K aufgeschaltet werden, um eine optimale Spulengeometrie zu erzeugen. In der Regel geschieht dieses dadurch, dass an ausgewählten Kreuzungspunkten K jeweils genau zwei Spulenelemente E1 , E2 , E3 , E4 miteinander verbunden werden.An example is a crossing point K shown highlighted on the four controllable switching elements S 1 . S 2 . S 3 . S 4 are connected, which in the on state, the crossing point K each with an adjacent coil element E 1 . E 2 . E 3 . E 4 connect. Each coil element E 1 . E 2 . E 3 . E 4 can be customized to the crossing point K be switched to produce an optimal coil geometry. As a rule, this happens because at selected intersections K exactly two coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 be connected to each other.

Ein erstes Beispiel einer Spulenanordnung SP1 mit zusammengeschalteten Spulenelementen ist in der 2 dargestellt. Hierin sind alle fett hervorgehoben gezeichneten Spulenelemente durch Schaltelemente miteinander verbunden. Rein beispielhaft sind davon die Spulenelemente ED1 , ED2 und Ec3 mit Bezugszeichen versehen. Diese Spulenelemente ED1 , ED2 und Ec3 sind an den Kreuzungspunkten K1 und K2 durch die geschlossenen Schaltelemente S11 , S12 , S21 und S23 zusammengeschaltet.A first example of a coil arrangement SP 1 with interconnected coil elements is in the 2 shown. Herein all coil elements highlighted in bold are interconnected by switching elements. By way of example only are the coil elements E D1 . E D2 and E c3 provided with reference numerals. These coil elements E D1 . E D2 and E c3 are at the crossroads K 1 and K 2 through the closed switching elements P 11 . S 12 . S 21 and S 23 connected together.

Weitere Schaltelemente S13 , S14 , S22 , S24 sind im nicht angesteuerten und daher geöffneten Schaltzustand dargestellt. Alle Schaltelemente S11 , S12 , S13 , S14 , S21 , S22 , S23 , S24 sind vorzugsweise als steuerbare Halbleiterschalter ausgeführt, deren Schaltzustände von einer hier nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung beeinflusst werden können.Other switching elements S 13 . S 14 . S 22 . S 24 are shown in the non-activated and therefore open switching state. All switching elements P 11 . S 12 . S 13 . S 14 . S 21 . S 22 . S 23 . S 24 are preferably designed as controllable semiconductor switches whose switching states can be influenced by a control device, not shown here.

An geeigneter Stelle, beispielsweise einem Eckpunkt EP der Spulenanordnung SP1 , kann den zu einer Spulenwindung W miteinander verbundenen Spulenelementen Ec3 , ED1 , ED2 über die Anschlussverbindungen AV ein Strom I zugeführt, beziehungsweise in dem Fall, dass die Spulenanordnung SP1 eine Sekundärspule ausbildet, entnommen werden.At a suitable location, such as a corner point EP the coil arrangement SP 1 that can lead to a coil turn W interconnected coil elements E c3 . E D1 . E D2 via the connection connections AV a stream I supplied, or in the case that the coil assembly SP 1 a secondary coil is formed, are removed.

In der 2 ist erkennbar, dass nur eine Teilmenge der vorhandenen Spulenelemente zu der Spulenwindung W verbunden ist. Durch die Auswahl der jeweils zusammengeschalteten Spulenelemente Ec3 , ED1 , ED2 kann die Lage der Spulenmittelachse MA festgelegt werden. Die Spulenmittelachse MA, die hier symbolisch durch einen Punkt dargestellt ist, bildet das Symmetriezentrum des durch die Spulenwindung W erzeugten oder erfassten Magnetfelds MF aus.In the 2 It can be seen that only a subset of the existing coil elements to the coil turn W connected is. By selecting the interconnected coil elements E c3 . E D1 . E D2 can the position of the coil center axis MA be determined. The coil center axis MA , symbolically represented here by a dot, forms the center of symmetry of the coil winding W generated or detected magnetic field MF out.

Weitere Beispiele für mögliche Spulenwindungen W1 , W2 , W3 , W4 , die aus zusammengeschalteten Spulenelementen gebildet werden können, zeigt die 3 in vier Teilfiguren. Zu diesen Spulenwindungen W1 , W2 , W3 , W4 ist auch jeweils die sich ergebende Lage der Spulenmittelachse MA1 , MA2 , MA3 , MA4 eingezeichnet. Further examples of possible coil turns W 1 . W 2 . W 3 . W 4 , which can be formed from interconnected coil elements, shows the 3 in four subfigures. To these coil turns W 1 . W 2 . W 3 . W 4 is also the respective position of the coil center axis MA 1 . MA 2 . MA 3 . MA 4 located.

Die 4 verdeutlicht die Vielzahl der Möglichkeiten zur Positionierung der Spulenmittelachse MA bei der anhand der 1 bis 3 erläuterten Spulenanordnung SP1 . Durch geeignete Wahl einer durch zusammengeschaltete Spulenelemente gebildeten Windung, kann beim induktiven Laden eine optimale Kopplung erreicht werden, ohne dass einer der beiden Ladepartner nachträglich bewegt werden muss.The 4 illustrates the variety of possibilities for positioning the coil center axis MA in the case of the 1 to 3 explained coil arrangement SP 1 , By suitable choice of a winding formed by interconnected coil elements, optimal coupling can be achieved during inductive charging, without one of the two charging partners having to be subsequently moved.

Die dunklen Punkte zeigen jeweils die Position der Spulenmittelachse MA für verschiedene Zusammenschaltungen von Spulenelementen, wie sie in der 2 und 3 dargestellt sind. Die darum gezeichneten konzentrischen Kreise zeigen symbolisch die jeweiligen Feldlinien der aus verschiedenen möglichen Zusammenschaltungen von Spulenelementen resulierenden Magnetfelder MF, für den Fall, dass die Spulenanordnung SP1 als Sendespule verwendet wird.The dark dots each show the position of the coil central axis MA for various interconnections of coil elements, as shown in the 2 and 3 are shown. The concentric circles drawn around them symbolically show the respective field lines of the magnetic fields resulting from various possible interconnections of coil elements MF in the event that the coil arrangement SP 1 is used as a transmitting coil.

Den 1 bis 4 gemeinsam ist, dass sie jeweils eine Spulenanordnung SP1 zeigen, bei der die Spulenelemente E1 , E2 , E3 , E4 , Ec3 , ED1 , ED2 in einer einzigen Ebene angeordnet sind.The 1 to 4 is common that they each have a coil arrangement SP 1 show, in which the coil elements E 1 . E 2 . E 3 . E 4 . E c3 . E D1 . E D2 arranged in a single plane.

Besonders vorteilhaft ist es, mehrere solcher Spulenanordnungen in übereinanderliegenden Ebenen „gestapelt“ anzuordnen. Dieses bedeutet, dass die zuvor beschriebene Struktur mehrfach in der zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung wiederholt angeordnet wird.It is particularly advantageous to arrange a plurality of such coil arrangements in superposed planes "stacked". This means that the structure described above is repeatedly arranged several times in the direction perpendicular to the plane of the drawing.

In der 5 sind drei gleichartige Spulenwindungen WL1 , WL2 , WL3 erkennbar, die in drei übereinander liegenden Ebenen L1 , L2 , L3 angeordnet sind. Die Spulenelemente in den verschiedenen Ebenen L1 , L2 , L3 können dabei entweder genau fluchtend übereinander oder aber auch gegeneinander versetzt angeordnet sein.In the 5 are three similar coil turns W L1 . W L2 . W L3 recognizable, in three superimposed levels L 1 . L 2 . L 3 are arranged. The coil elements in the different levels L 1 . L 2 . L 3 can either be exactly aligned one above the other or else offset from each other.

Wie die 6 zeigt, werden elektrische Verbindungen zwischen den Windungen WL1 , WL2 , WL3 , WL4 , die hier in vier übereinanderliegenden Ebenen L1 , L2 , L3 , L4 ausgebildet sind, an dedizierten Übergangspunkte Ü hergestellt. Die Festlegung der Übergangspunkte Ü in der gewählten Matrixstruktur beeinflußt die Bildung der möglichen Spulengeometrien in den Ebenen L1 , L2 , L3 , L4 , da für jede Spulengeometrie genau ein Übergangspunkt Ü eingebunden werden muss. Durch eine diagonal versetzte Vorrichtung der Übergangspunkte Ü kann diese Einschränkung jedoch minimiert werden und erlaubt dennoch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Erzeugung möglicher Spulengeometrien. Die Windungen WL1 , WL4 in der obersten und der untersten Ebene L1 , L4 der Spulenanordnung sind über Spulenelemente mit Anschlussverbindungen AV1 , AV2 gekoppelt.As the 6 shows, electrical connections between the turns W L1 . W L2 . W L3 . W L4 that are here in four superimposed levels L 1 . L 2 . L 3 . L 4 are formed, at dedicated transition points Ü produced. The definition of the transition points Ü in the chosen matrix structure affects the formation of possible coil geometries in the planes L 1 . L 2 . L 3 . L 4 because for each coil geometry exactly one transition point Ü must be involved. Through a diagonally offset device of the transition points Ü however, this limitation can be minimized while still allowing a high degree of flexibility in the generation of possible coil geometries. The turns W L1 . W L4 in the top and bottom levels L 1 . L 4 the coil arrangement are via coil elements with connection connections AV 1 . AV 2 coupled.

Neben den bisher dargestellten rechteckigen Spulenanordnungen können Matrixstrukturen auch zum Beispiel als Dreiecke, als Pentagone oder durch andere mehreckige Strukturen realisiert werden. Als nur eines von vielen möglichen Beispielen zeigt die 7 skizzenhaft die Realisierung einer Spulenanordnung SP4 aus Spulenelementen, die in der Form einer hexagonalen Wabenstruktur angeordnet sind.In addition to the previously described rectangular coil arrangements, matrix structures can also be realized, for example, as triangles, as pentagons, or through other polygonal structures. As only one of many possible examples shows the 7 sketchy the realization of a coil arrangement SP 4 from coil elements arranged in the shape of a hexagonal honeycomb structure.

Bei alle beschriebenen Spulenanordnungen SP1 , SP2 , SP3 , SP4 erfolgt die Ansteuerung der die Spulenelemente E, E1 , E2 , E3 , E4 , Ec3 , ED1 , ED2 verbindenden Schaltelemente S1 , S2 , S3 , S4 , S11 , S12 , S13 , S14 , S21 , S22 , S23 , S24 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung, die zu einer primär- oder sekundärseitigen Vorrichtung gehört.For all described coil arrangements SP 1 . SP 2 . SP 3 . SP 4 the control of the coil elements takes place e . E 1 . E 2 . E 3 . E 4 . E c3 . E D1 . E D2 connecting switching elements S 1 . S 2 . S 3 . S 4 . P 11 . S 12 . S 13 . S 14 . S 21 . S 22 . S 23 . S 24 by a control device not shown in the drawing, which belongs to a primary or secondary device.

Die Umschaltung der Schalteleemente kann vorzugsweise lastlos erfolgen, so dass zu Beginn des Ladevorganges mit einer intitialen Spulengeometrie begonnen wird. Der Wirkungsgrad der energetischen Kopplung wird anschliessend messtechnisch ermittelt. Danach wird durch Umsteuerung von Schaltelementen S1 , S2 , S3 , S4 , S11 , S12 , S13 , S14 , S21 , S22 , S23 , S24 die Geometrie der Sende- oder Empfangsspule geändert. Dieser Ablauf kann sooft wiederholt werden, bis eine für den jeweiligen Ladevorgang optimale Spulengeometrie gefunden ist.The switching of the switching elements can preferably be done without a load, so that is started at the beginning of the charging process with an intitial coil geometry. The efficiency of the energetic coupling is then determined metrologically. Thereafter, by reversing switching elements S 1 . S 2 . S 3 . S 4 . P 11 . S 12 . S 13 . S 14 . S 21 . S 22 . S 23 . S 24 changed the geometry of the transmitting or receiving coil. This sequence can be repeated until a suitable coil geometry for the respective charging process is found.

Vorteilhaft ist, wenn sowohl die primärseitige als auch die sekundärseitige Ladevorrichtung über jeweils eine Steuerungsvorrichtung mit einer Kommunikationsschnittstelle verfügt, über die Informationen über die Qualität der induktiven Kopplung ausgetauscht werden können. Entsprechend der ausgetauschten Daten, die etwa auf Messungen des elektrischen Leistungsflusses beruhen können, können die Spulengeometrien durch die Ansteuerung beziehungsweise Abschaltung von Schaltelementen variiert und dadurch die Kopplung der Spulensysteme bereits ab der Anfangsphase des Ladevorgangs optimiert werden.It is advantageous if both the primary-side and the secondary-side charging device each have a control device with a communication interface via which information about the quality of the inductive coupling can be exchanged. According to the exchanged data, which can be based for example on measurements of the electric power flow, the coil geometries can be varied by the activation or deactivation of switching elements and thereby the coupling of the coil systems can already be optimized starting from the initial phase of the charging process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

A, B, C, D, EA, B, C, D, E
Reihenstring
a, b, c, da, b, c, d
Spaltencolumns
AV, AV1, AV2 AV, AV 1 , AV 2
Anschlussverbindungenterminal connections
E, E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2 E, E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2
Spulenelementecoil elements
EP EP
Eckpunktvertex
II
Stromelectricity
K, K1, K2 K, K 1 , K 2
Kreuzungspunktecrossing points
L1, L2, L3, L4 L 1 , L 2 , L 3 , L 4
Ebenenlevels
MA, MA1, MA2, MA3, MA4 MA, MA 1 , MA 2 , MA 3 , MA 4
Mittelachsencentral axes
MFMF
Magnetfeld(linien)Magnetic field (lines)
S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24 S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24
Schaltelementeswitching elements
SP1, SP2, SP3, SP4 SP 1 , SP 2 , SP 3 , SP 4
Spulenanordnungencoil assemblies
ÜÜ
ÜbergangspunkteTransition points
VV
Verbindungspunkteconnection points
W, W1, W2, W3, W4, WL1, WL2, WL3, WL4 W, W 1 , W 2 , W 3 , W 4 , W L1 , W L2 , W L3 , W L4
Spulenwindungencoil windings

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009013694 A1 [0007]DE 102009013694 A1 [0007]

Claims (14)

Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung (SP1, SP2, SP3, SP4), aufweisend eine Vielzahl von Spulenelementen (E, E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2), die matrixartig angeordnet sind und durch mehrere elektrische Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) in variablen Kombinationen miteinander verschaltet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spulenelemente (E, E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2) jeweils nur Abschnitte vollständiger Spulenwindungen (W, W1, W2, W3, W4, WL1, WL2, WL3, WL4) ausbilden, und dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) elektrisch zwischen den Spulenelementen (E, E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2) angeordnet sind.Device for inductive energy transmission with a coil arrangement (SP 1 , SP 2 , SP 3 , SP 4 ), comprising a multiplicity of coil elements (E, E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ) , which are arranged like a matrix and by a plurality of electrical switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24 ) in variable combinations can be interconnected, characterized in that the individual coil elements (E, E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ) each only sections of complete coil turns (W, W 1 , W 2 , W 3 , W 4 , W L1 , W L2 , W L3 , W L4 ), and that the switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24 ) are arranged electrically between the coil elements (E, E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) jeweils ein Spulenelement (E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2) mit einem benachbarten Verbindungspunkt (V) oder Kreuzungspunkt (K, K1, K2) verbinden.Device after Claim 1 Characterized in that the switching elements (S 1, S 2, S 3, S 4, S 11, S 12, S 13, S 14, S 21, S 22, S 23, S 24) a spool member (E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ) connect to an adjacent connection point (V) or intersection point (K, K 1 , K 2 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenelemente in mehreren parallelen Ebenen (L1, L2, L3, L4) angeordnet sind, und in jeder Ebene (L1, L2, L3, L4) eine Spulenwindung (WL1, WL2, WL3, WL4) ausbilden.Device after Claim 1 , characterized in that coil elements in a plurality of parallel planes (L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ) are arranged, and in each plane (L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ) a coil turn (W L1 , W L2, L3 W train, W L4). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungen (WL1, WL2, WL3, WL4) benachbarter Ebenen (L1, L2, L3, L4) an Übergangsstellen (Ü) elektrisch miteinander verbunden sindDevice after Claim 3 , characterized in that the coil turns (W L1 , W L2 , W L3 , W L4 ) adjacent planes (L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ) are electrically connected to each other at transition points (Ü) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenelemente verschiedener Ebenen (L1, L2, L3, L4) parallel zueinander angeordnet sind.Device after Claim 3 , characterized in that coil elements of different levels (L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ) are arranged parallel to each other. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenelemente verschiedener Ebenen (L1, L2, L3, L4) gegeneinander versetzt angeordnet sind.Device after Claim 3 , characterized in that coil elements of different levels (L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ) are arranged offset from one another. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (E, E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2) matrixartig mehreckige Anordnungen ausbilden.Device after Claim 1 , characterized in that the coil elements (E, E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ) form polygonal arrangements in a matrix-like manner. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (E1, E2, E3, E4, Ec3, ED1, ED2) in Reihen (A, B, C, D, E) und Spalten (a, b, c, d) angeordnet sind.Device after Claim 1 or 7 , characterized in that the coil elements (E 1 , E 2 , E 3 , E 4 , E c3 , E D1 , E D2 ) in rows (A, B, C, D, E) and columns (a, b, c , d) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (E) eine Wabenstruktur ausbilden.Device after Claim 1 or 7 , characterized in that the coil elements (E) form a honeycomb structure. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) durch steuerbare Halbleiterschalter ausgebildet sind.Device after Claim 1 , characterized in that the switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24 ) are formed by controllable semiconductor switches. Vorrichtung nach Anspruch 1, dass die Spulenanordnung (SP1, SP2, SP3, SP4), mit einer Steuerungsvorrichtung gekoppelt ist, welche die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) in einen geöffneten oder einen geschlossenen Schaltzustand steuern kann.Device after Claim 1 in that the coil arrangement (SP 1 , SP 2 , SP 3 , SP 4 ) is coupled to a control device which controls the switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24 ) in an open or a closed switching state can control. Vorrichtung nach Anspruch 11, dass Steuerungsvorrichtung elektrische Größen erfassen kann, anhand und anhand dieser Größen die Effizienz der Energieübertragung für verschiedener Ansteuerungskonfiguration der Schaltelemente (S1, S2, S3, S4, S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24) vergleichen kann.Device after Claim 11 in that the control device can detect electrical variables, based on and on the basis of these variables, the efficiency of the energy transmission for different control configuration of the switching elements (S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 11 , S 12 , S 13 , S 14 , S 21 , S 22 , S 23 , S 24 ). Vorrichtung nach Anspruch 11, dass Steuerungsvorrichtung eine kontaktlose Kommunikationsschnittstelle aufweist, über die sie Daten mit der Steuervorrichtung eines Ladepartners austauschen kann.Device after Claim 11 in that the control device has a contactless communication interface via which it can exchange data with the control device of a charging partner. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Laden der Traktionsbatterien elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge vorgesehen ist.Device after Claim 1 , characterized in that the device is provided for charging the traction batteries of electrically driven motor vehicles.
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