Titel

SPULE GEEIGNET FÜR EIN INDUKTIVES LADESYSTEM MIT ZWEI TEILSPULEN Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule, geeignet für ein induktives Ladesystem

Stand der Technik

Beim berührungslosen Laden der elektrischen Energiespeicher von elektrisch angetriebe- nen Fahrzeugen mit Hilfe der induktiven Übertragung von elektrischer Energie werden

Übertragungssysteme eingesetzt, die aus einer Sendespule und einer Empfangsspule bestehen. Die Sendespule einer Ladestation wird dazu beispielsweise mit einer flachen Wicklung auf die Fahrbahnoberfläche gelegt oder in die Fahrbahn eingelassen. Die Empfangsspule mit einer möglichst flachen Wicklung wird am Fahrzeugboden angebracht. Für den Ladevorgang wird das Fahrzeug über der Sendespule positioniert. Beim berührungslosen Laden der elektrischen Energiespeicher von elektronischen Geräten wie beispielsweise Armbanduhren, Mobiltelefonen oder auch elektrisch angetriebenen Werkzeugen werden ebenfalls Übertragungssysteme eingesetzt, die aus einer mit einem Ladegerät verbundenen Sendespule und einer mit dem aufzuladenden Gerät verbundenen Emp- fangsspule bestehen. Für die Übertragung elektrischer Energie beim berührungslosen Laden werden insbesondere zwei unterschiedliche Spulensysteme eingesetzt.

Zum einen sind dies sogenannte bipolare Spulensysteme, bei denen jede Spule aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten gleichgroßen Teilspulen besteht. Der mag- netische Fluss tritt im Wesentlichen aus der Mitte der einen Teilspule aus und durch die andere Teilspule wieder ein. Im günstigsten Fall der Kopplung einer bipolaren Sendespule mit einer bipolaren Empfangsspule tritt der magnetische Fluss aus der Mitte der einen Teilspule der sendenden Spule aus und durchdringt die eine Teilspule der empfangenden Spule. Der magnetische Fluss tritt aus der anderen Teilspule der empfangenden Spule wieder aus und durch die andere Teilspule der sendenden Spule wieder ein. Beispielsweise wird in WO 2015/175096 eine als bipolares Spulensystem mit zwei gleichgroßen Teilspulen ausgeführte Spule mit reduzierter Bauhöhe vorgeschlagen, die sich durch überlappende Bereiche der Teilspulen auszeichnet.

Zum anderen sind dies sogenannte zirkuläre Spulensysteme, deren Spulen im Gegensatz zu bipolaren Spulen jeweils nur aus einer einzigen Spule bestehen. Beispielsweise wird in der WO 2016/036747 ein Übertragungssystem mit zirkulär arbeitenden Spulen gezeigt. Bei zirkularen Spulen tritt der magnetische Fluss mit einem mittigen Schwerpunkt beispielsweise aus der Sendespule aus. Die Feldlinien des magnetischen Flusses durchdringen die Empfangsspule und beschreiben außerhalb der Spulen eine Bahn, um in die Sen- despule von unten wieder einzutreten.

Bei der Kopplung von bipolaren Sendespulen mit zirkularen Empfangsspulen besteht im Gegensatz zur Kopplung mit bipolaren Empfangsspulen das Problem, dass dabei nur eine unbefriedigende magnetische Kopplung erreicht wird.

Da der Wunsch besteht, das berührungslose Laden der elektrischen Energiespeicher unabhängig von der Bauart der eingesetzten Empfangsspule ohne Einschränkungen beispielsweise an öffentlich zugänglichen Ladestationen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge durchzuführen, besteht daher der Bedarf nach einer Sendespule, mit der eine uneingeschränkte induktive Energieübertragung mit Empfangsspulen möglich ist, die als bi- polare Spule aus zwei Teilspulen oder aus einer zirkularen Spule bestehen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen bestehende bipolare Sendespule eines induktiven Übertragungssystems sowohl mit einer ebenfalls aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen bestehenden bipolaren Empfangsspule als auch mit einer aus einer einzigen Spule bestehenden zirkularen Empfangsspule ohne wesentliche Einschränkungen zur Energieübertragung gekoppelt werden kann. Durch die vergrößerte Ausführung einer der beiden Teilspulen der bipolaren Sendespule wird die magnetische Kopplung zu einer zirkulär ausgeführten Empfangsspule verbessert. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau einer bipolaren Sendespule wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine weitgehend uneingeschränkte induktive Energieübertragung zu bipolaren und zu zirkularen Empfangsspulen und umgekehrt möglich ist.

Erfindungsgemäß ist dazu eine Sendespule vorgesehen, die bipolar ausgeführt ist und aus zwei im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Teilspulen besteht, wobei die beiden Teilspulen der Spule unterschiedlich groß sind. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Vorteilhafterweise wird eine und/oder die andere der beiden Teilspulen oval oder rund ausgeführt. Eine ovale oder runde Ausführung hat den Vorteil eines homogenen Verlaufs des magnetischen Flusses und kann sehr einfach und kostengünstig angefertigt werden.

Alternativ wird eine und/oder die andere der beiden Teilspulen polygonal ausgeführt. Durch eine polygonale Ausführung kann in vorteilhafter Weise ein kompakter Aufbau einer bipolaren Spulenanordnung erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine und/oder die andere der beiden Teilspulen rechteckig ausgeführt werden. Die rechteckige Ausführung bietet den Vorteil eines kompakten Aufbaus einer bipolaren Anordnung mit einer guten Kopplung. Eine gute Kopplung wird selbst dann erzielt, wenn nicht sichergestellt werden kann, dass die zur Energieüber- tragung gekoppelte Sendespule und Empfangsspule bestmöglich zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise werden die eine und/oder die andere der rechteckigen oder polygonalen Teilspulen mit mindestens teilweise abgerundeten Ecken ausgeführt. Diese Ausführung verbindet den Vorteil des kompakten Aufbaus mit einer einfachen und kostengünsti- gen Fertigung. Bei Verwendung von HF-Litze als Spulendraht wird durch abgerundete Ecken in vorteilhafter Weise die Einhaltung der Mindestbiegeradien der als Spulendraht verwendeten HF-Litze ermöglicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens die größere der beiden Teilspulen mindestens so groß wie eine zu koppelnde Spule ausgeführt ist. Damit wird eine zur Kopplung einer bipolaren Sendespule mit einer bipolaren Empfangsspule vergleichbar gute Kopplung in vorteilhafter Weise mit einer zirkulären Empfangsspule erreicht. Beispielsweise kann eine mit einer erfindungsgemäßen bipolaren Sendespule mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen ausgerüstete Ladestation kann somit ohne Einschränkungen elektrische Fahrzeuge laden, die entweder mit einer bipolaren Empfangsspule oder mit einer zirkulären Empfangsspule ausgerüstet sind. In vorteilhafter Weise führt bereits eine kleinere Vergrößerung einer Teilspule der Sendespule zu einer Verbesserung der Kopplung.

Wenn die größere der beiden Teilspulen der Sendespule größer ist als die Empfangs- spule ist ein Versatz der Sende- und Empfangsspulen in vorteilhafter Weise möglich. Die Kopplung wird durch einen Versatz der Sende- und Empfangsspulen nicht eingeschränkt, wenn die Kontur der Empfangsspule vollständig innerhalb der Kontur einer der beiden Teilspulen der Sendespule liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen: eine schematische Darstellung einer bipolaren Spule mit zwei unterschiedlich großen rechteckigen Teilspulen, eine schematische Darstellung einer bipolaren Spule mit zwei unterschiedlich großen und geformten Teilspulen, eine schematische Darstellung einer induktiven zirkulären Übertragungsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven bipolaren Sendespule mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen in einem Spulenträger mit einer gekoppelten induktiven bipolaren Empfangsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven bipolaren Sendespule in ei nem Spulenträger mit einer gekoppelten induktiven zirkulären Empfangsspule in einem Spulenträger, eine schematische Darstellung einer induktiven Ladestation für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Spule 1. Die Spule 1 besteht aus zwei Teilspulen 3, 4. Diese beiden Teilspulen 3, 4 der erfindungsgemäßen bipolaren Spule 1 sind unterschiedlich groß, dazu ist die Teilspule 4 gegenüber der Teilspule 3 vergrößert ausgeführt. Die beiden Teilspulen 3, 4 sind in einem Spulenträ- ger 9 angeordnet. Der Spulenträger 9 und die beiden Teilspulen 3, 4 bilden zusammen die Spule 1. Die bipolare Auslegung der Spule 1 ermöglicht einen geführten magnetischen Kreislauf, beispielsweise tritt der magnetische Fluss aus der Teilspule 3 aus und in Teilspule 4 wieder in die Spule 1 ein. Die Flussrichtung kann umgekehrt werden, so dass der magnetische Fluss aus der Teilspule 4 austritt und in Teilspule 3 wieder in die Spule 1 eintritt.

Figur 2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Spule 1. Die in Figur 2 gezeigte Spule 1 besteht aus zwei Teilspulen 3, 4, von denen eine als kreisrunde Spule und die andere als polygonale Spule ausgeführt ist. Die beiden Teilspulen 3, 4 sind in einem Spulenträger 9 angeordnet. Der Spulenträger 9 und die beiden Teilspulen 3, 4 bilden zusammen die Spule 1.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spule 1 in zirkularer Ausführung in einem Spulenträger 9. Die in Figur 3 gezeigte zirkulär arbeitende Spule 1 besteht aus einer einzigen Spule 10 in einem Spulenträger 9. Die zirkuläre Auslegung führt zu einem zentrischen Schwerpunkt des magnetischen Kreislaufs, beispielsweise tritt der magnetische Fluss mit einem mittigen Schwerpunkt aus der Spule 10 aus. Die Feldlinien des magnetischen Flusses beschreiben eine Bahn außerhalb der Spule 10, um von unten wieder in die Spule 10 einzutreten. Die Flussrichtung kann umgekehrt werden, so dass der magne- tische Fluss in die Spule 10 mittig eintritt und unten aus der Spule 10 austritt. Die Feldlinien des magnetischen Flusses beschreiben eine geschlossene Bahn außen um die Spule 10.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplung einer erfindungsgemäßen Sendespule 1 mit zwei unterschiedlich großen Teilspulen 3, 4 in einem Spulenträger 9 mit einer gekoppelten Empfangsspule 11 mit zwei Teilspulen 12a, 12b in einem Spulenträger 9. Beispielhaft sind die beiden Teilspulen 12a, 12b der bipolaren Empfangsspule gleich groß. Beide Spulen sind als bipolare Spulen aufgebaut, so dass eine gute magnetische Kopplung zur Übertragung von elektrischer Energie erzielt wird. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplung einer erfindungsgemäßen Spule 1 mit einer zirkulären Übertragungsspule 10. In diesem Beispiel wird elektrische Energie von der Spule 1 zu der gekoppelten Spule 10 übertragen. Die zirkuläre Spule 10 ist derart über der Teilspule 4 angeordnet, dass die Kontur der Spule 10 idealerweise voll- ständig innerhalb der Kontur der Teilspule 4 liegt.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladestation 12 für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die Sendespule 1 wird durch die Leistungselektronik des induktiven Ladesystems 2 mit Energie versorgt. Diese Energie wird an die Empfangsspule 11 übertra- gen und über eine fahrzeugeigene Leistungselektronik zum Laden der Fahrzeugbatterie aufbereitet. Die erfindungsgemäße Spule mit unterschiedlich großen Teilspulen kann darüber hinaus für alle Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung eingesetzt werden.