Energieübertrag ungssystem zum Laden von Wiederau fladbaren Energiespei- chern

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Energieübertragungssysteme zum Übertragen von elektrischer Energie von einer Sendeeinheit zu einer Empfangseinheit, insbesondere zum Laden eines wiederaufladbaren Energiespeichers in der Empfangseinheit.

Technischer Hintergrund

Energieübertragungssysteme, wie sie für das Laden von elektrischen Energiespeichern verwendet werden, weisen häufig eine Lade- und Empfangseinheit mit einer Sendespule bzw. einer Empfangsspule auf. Ein solches Energieübertragungssystem erfordert eine exakte Ausrichtung zwischen der Sendespule und Empfangsspule, und ein Versatz zwischen den Spulen quer zu deren ausgerichteten Spulenachsen reduziert die übertragene Leistung erheblich.

Auch sind beispielsweise aus den WPC Qi Spezifikationen Spulenanordnungen mit überlappenden Spulen bekannt, die einen begrenzten Versatz zwischen Sende- und Empfangseinheit erlauben. In der Regel ist jedoch in der Empfangseinheit nur eine Empfangsspule vorgesehen, so dass die maximal übertragbare elektrische Leistung begrenzt ist.

Es ist daher wünschenswert, ein induktives Energieübertragungssystem zur Verfügung zu stellen, bei der ein Versatz der Anordnung der Empfangseinheit auf der Sendeeinheit möglich ist, ohne dass sich die übertragene Leistung nennenswert reduziert.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch das Energieübertragungssystem zum Übertragen elektrischer Energie, insbesondere zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in einer Empfangseinheit gemäß Anspruch 1 , sowie durch eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Sendeeinheit für ein Energieübertragungssystem zur induktiven Übertragung von Energie zu einer Empfangseinheit, insbesondere zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in der Empfangseinheit, vorgesehen, umfassend:

eine Auflagefläche, die flächenparallel über einer Feldanordnung von Einzelspulen angeordnet ist;

eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um die Einzelspulen anzusteuern, so dass eine regelmäßige Flussänderung erhalten wird;

wobei zumindest ein Teil der Einzelspulen der Feldanordnung so angeordnet ist, dass die Spulenseiten der im Inneren der Feldanordnung angeordneten Einzelspulen vollständig von im Wesentlichen zwischenraumlos anliegenden Spulenseiten benachbarter Einzelspulen umgeben sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Empfangseinheit für ein Energieübertragungssystem zur induktiven Übertragung von Energie von einer Sendeeinheit, insbesondere zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in der Empfangseinheit, vorgesehen, umfassend:

eine Feldanordnung von Einzelspulen;

einen Gleichrichter, der ausgebildet ist, um elektrische Energie aus den Einzelspulen gleichzurichten und zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers bereitzustellen; wobei zumindest ein Teil der Einzelspulen der Feldanordnung so angeordnet ist, dass die Spulenseiten der im Inneren der Feldanordnung angeordneten Einzelspulen vollständig von im Wesentlichen zwischenraumlos anliegenden Spulenseiten benachbarter Einzelspulen umgeben sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Energieübertragungssystem zur induktiven Übertragung von Energie mit der obigen Sendeeinheit und der obigen Empfangseinheit vorgesehen, insbesondere zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in der Empfangseinheit, wobei die Feldanordnung der Einzelspulen der Sendeeinheit in senkrechten Flächenrichtungen größer ist als die Feldanordnung der Einzelspulen der Empfangseinheit.

Induktive Energieübertragungssysteme weisen eine Sendeinheit und eine Empfangseinheit auf, wobei durch induktive Kopplung elektrische Energie zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit übertragen werden kann.

Die Fläche der Feldanordnung der Sendeeinheit ist größer als die Fläche der Feldanordnung der Empfangsspulen der Empfangseinheit, so dass die Empfangseinheit beliebig auf der Sendeeinheit positioniert werden kann, ohne dass die übertragene elektrische Leistung variiert. Auch ist es dadurch möglich, mehrere Empfangseinheiten auf der Sendeeinheit anzuordnen. Dadurch, dass die Sendespulen bzw. die Empfangsspulen ohne Zwischenräume in den Feldanordnungen angeordnet sind, kann gewährleistet werden, dass ein großer Teil der Sende- und Empfangsspulen überdeckend einander gegenüberliegen, so dass eine größtmögliche Leistung übertragen werden kann.

Weiterhin können die Spulenform und Größe der Spulenflächen für die Einzelspulen der Sendeeinheit und die Einzelspulen der Empfangseinheit so ausgelegt sein, dass ein Mindestanteil, eine Mindestanzahl oder eine Mehrheit der Empfangsspulen eine Kopplung mit einer entsprechenden Sendespule eingeht, wobei eine Kopplung bei einer Überdeckung der Spulenflächen quer zu einer axialen Ausrichtung der Einzelspulen vorliegt, die größer ist als ein vorgegebener Überdeckungsschwellenwert.

Eine Idee des obigen Energieübertragungssystems besteht darin, sowohl Sendeeinheit als auch Empfangseinheit mit einer Feldanordnung von Einzelspulen, d. h. Sendespulen bzw. Empfangsspulen, auszubilden, wobei in mindestens einer der Feldanordnungen die Spulenseiten von benachbarten Einzelspulen vollumfänglich im Wesentlichen zwischenraumlos aneinander anliegen, wobei die Sendespulen und die Empfangsspulen unterschiedliche Spulenflächen aufweisen. Die Energieübertragung zwischen einer Sendespule und einer Empfangsspule ist optimal, wenn die Spulenfläche der Empfangsspule vollständig in der Spulenfläche der Sendespule liegt oder umgekehrt.

Unter im Wesentlichen abstandslos wird eine Anordnung der Spulenseiten verstanden, so dass diese einen Abstand voneinander aufweisen, der zwischen 0 und 10%, vorzugsweise zwischen 0 und 5% der Breite der Spulenseite in Flächenrichtung aufweist.

Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, mithilfe einer Induktivitätsmessung an jeder der Einzelspulen eine Kopplung mit einer auf der Auflagefläche aufliegenden Spule festzustellen und nur die Einzelspulen anzusteuern, für die eine Kopplung festgestellt wird, wobei eine Kopplung festgestellt wird, wenn eine Überdeckung der Spulenfläche der jeweiligen Einzelspule mit der Spulenfläche der aufliegenden Spule quer zur axialen Richtung einen vorgegeben Überdeckungsschwellenwert übersteigt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Einzelspulen einer Feldanordnung jeweils eine gleiche Form und Spulenfläche aufweisen, wobei die Einzelspulen insbesondere eine eckige Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere eine sechseckige, rechteckige, oder dreieckige Querschnittsfläche.

Bei der obigen Sendeeinheit und/oder Empfangseinheit können die Einzelspulen einer Feldanordnung jeweils eine eckige Form und unterschiedliche Spulenflächen aufweisen.

In dem obigen Energieübertragungssystem können die Einzelspulen der Sendeeinheit und die Einzelspulen der Empfangseinheit unterschiedliche Größen aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Spulenform und Größe der Spulenflächen für die Einzelspulen der Sendeeinheit und die Einzelspulen der Empfangs- einheit so ausgelegt sein, dass ein Mindestanteil, eine Mindestanzahl oder eine Mehrheit der Empfangsspulen eine ausreichende Kopplung mit einer entsprechenden Sendespule eingeht, wobei eine ausreichende Kopplung bei einer Überdeckung der Spulenflächen quer zu einer axialen Ausrichtung der Einzelspulen vorliegt, die größer ist als ein vorgegebener Überdeckungsschwellenwert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um mithilfe einer Induktivitätsmessung an den Einzelspulen jeder der Sendeelemente einen Grad der Kopplung mit einer auf der Auflagefläche aufliegenden Einzelspule der Empfangseinheit festzustellen und nur diejenigen Sendeelemente der Sendeeinheit anzusteuern, für die eine ausreichende Kopplung festgestellt wird, wobei eine ausreichende Kopplung festgestellt wird, wenn eine Kopplungsgrad einen vorgegeben Kopplungsschwellenwert übersteigt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematische Darstellung eines Energieübertragungssystems mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Grundprinzips der induktiven Energieübertragung von einer Sendeeinheit zu einer Empfangseinheit eines Energieübertragungssystems;

Figur 3 eine Draufsicht auf eine Feldanordnung von Sende- und/oder

Empfangsspulen;

Figur 4 eine Draufsicht auf eine weitere Feldanordnung von Sende- und/oder Empfangsspulen; und

Figur 5 eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Feldanordnung von

Empfangsspulen über einer Feldanordnung von Sendespulen. Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieübertragungssystems mit einer Sendeeinheit 2 und einer Empfangseinheit 3. Die Sendeeinheit 2 weist eine Auflagefläche 21 auf, auf oder in der sich eine Sendeeinrichtung 22 zur Bereitstellung elektrischer Energie befindet.

Die Empfangseinheit 3 ist nicht fest mit der Sendeeinheit 2 verbunden und kann ein elektrisch betriebenes Werkzeug oder dergleichen sein. Die Empfangseinheit 3 kann dazu einen elektrischen Energiespeicher 31 und eine Empfangseinrichtung 32 aufweisen, um induktiv übertragene elektrische Energie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 31 zur Verfügung zu stellen.

Die Sendeeinrichtung 22 der Sendeeinheit 2 umfasst mehrere Sendeelemente 23, von denen beispielhaft eines in Figur 2 dargestellt ist.

Jedes Sendeelement 22 umfasst eine Sendespule 24, die in Serie mit einem Kondensator 25 gekoppelt ist, um einen Resonanzkreis zu bilden. Es ist eine Brückenschaltung 26 vorgesehen, die über eine Steuereinheit 27 mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet angesteuert wird, um im Wechsel den Resonanzkreis kurzzuschließen und eine Versorgungsspannung Uv anzulegen, die extern von einer elektrischen Energiequelle bereitgestellt wird. Das Umschalten der Brückenschaltung 26 erfolgt gemäß der durch die Steuereinheit 27 vorgegebenen Schaltfrequenz. Die Sendeelemente 22 können alternativ auch mit mehreren Sendespulen 24 versehen sein, die parallel und/oder seriell verschaltet sind.

Die Empfangseinrichtung 32 der Empfangseinheit 3 umfasst mehrere Empfangselemente 33, von denen eines beispielsweise in Figur 2 dargestellt ist. Das Empfangselement 33 umfasst eine Empfangsspule 34, die mit einem zweiten seriell geschalteten Kondensator 35 und einem dritten parallel geschalteten Kondensator 36 einen Resonanzkreis bildet. Der Resonanzkreis wird an einen Diodengleichrichter 37 angeschlossen, der ausgangsseitig mit einem Glättungskon- densator 38 gekoppelt ist. Der Glättungskondensator 38 kann beispielsweise als ein Speicherkondensator, zum Beispiel als ein sogenannter Supercap, ausgebil- det sein. Weiterhin kann die Ausgangsseite der Empfangseinheit 3 mit einem Energiespeicher zum Aufladen verbunden sein.

Die einzelnen Empfangselemente 33 können in Serie oder parallel zueinander verschaltet sein, um eine entsprechende elektrische Konfiguration bezüglich Nennspannung und maximaler Nennstrom zu definieren.

Die Sendespulen 24 des einen oder der mehreren Sendeelemente 23 können in einer Feldanordnung FS flächig angeordnet sein, wobei alle Spulenseiten 241 im Wesentlichen abstandslos bzw. zwischenraumfrei an Spulenseiten 241 benachbarter Sendespulen 24 anliegen, so dass die Spulenseiten 241 von Sendespulen 24, die nicht am Rand der Feldanordnung FS liegen, vollständig an Spulenseiten 241 benachbarter Sendespulen 24 anliegen.

Unter "im Wesentlichen abstandslos" wird eine Anordnung der Spulenseiten 241 der Sendespulen 24 verstanden, so dass diese einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Abstand zwischen 0 und 10%, vorzugsweise zwischen 0 und 5% der Breite der Spulenseite in Flächenrichtung entspricht.

Die Fläche der Feldanordnung FS der Sendespulen 24 der Sendeeinheit 2 erstreckt sich auf, in oder unter der Auflagefläche 21.

Die Empfangsspulen 34 des einen oder der mehreren Empfangselemente 33 können in einer Feldanordnung FE flächig angeordnet sein, wobei alle Spulenseiten 341 im Wesentlichen abstandslos bzw. zwischenraumfrei an Spulenseiten 341 benachbarter Empfangsspulen 34 anliegen, so dass die Spulenseiten 341 von Empfangsspulen 34, die nicht am Rand der Feldanordnung FE liegen, vollständig an Spulenseiten 341 benachbarter Empfangsspulen 34 anliegen.

Unter "im Wesentlichen abstandslos" wird eine Anordnung der Spulenseiten 341 der Empfangsspulen 24 verstanden, so dass diese einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Abstand zwischen 0 und 10%, vorzugsweise zwischen 0 und 5% der Breite der Spulenseite 341 in Flächenrichtung entspricht.

In Figur 3 ist eine beispielhafte Anordnung mit sechseckförmigen Sendespulen 24 bzw. Empfangsspulen 34 dargestellt. Dadurch kann eine flächendeckende Anordnung von Sendespulen 24 bzw. Empfangsspulen jeweils gleicher Form und Größe bereitgestellt werden.

Alternative Ausführungsformen, die es ebenso wie sechseckförmige Spulen ermöglichen, eine zwischenraumfreie Feldanordnung FS von Sendespulen 24 und/oder Empfangsspulen 34 bereitzustellen, sind viereckige oder dreieckige Sendespulen 24 bzw. Empfangsspulen 34.

Zur Formgebung der entsprechenden Formen der Spulenfläche können Wickelkörper aus Kunststoff oder einem anderen nichtleitenden Material vorgesehen sein. Alternativ können weichmagnetische Materialien ins Innere der Spulen eingebracht werden, um den magnetischen Fluss zu richten und den magnetischen Widerstand zu verringern.

In Figur 4 ist ein Beispiel für eine weitere Feldanordnung dargestellt, bei der eine Feldanordnung von in Form und Größe unterschiedlichen Einzelspulen (Sendeoder Empfangsspulen) (achteckig 24a, 34a, viereckig 24b, 34b) ausgebildet ist. Wesentlich ist auch hier, dass die Spulenseiten 241 , 341 möglichst zwischenraumlos aneinander anliegen, da in den Bereichen der Spulenseiten und nicht von Einzelspulen 24, 34 umschlossenen Bereichen keine Energieübertragung stattfinden kann.

Die bestmögliche Energieübertragung zwischen einer Sendespule 24 und einer Empfangsspule 34 besteht dann, wenn eine der beiden Spulenflächen einer Spulenfläche der entsprechend anderen Einzelspule gegenüberliegt und keine der entsprechenden Spulenseiten 241 , 341 überdeckt. In der Praxis genügt häufig bereits eine relative Überdeckung der beiden Spulenflächen von zwischen 70% und 90%, um eine gute Energieübertragung zu erreichen. Sendespulen 24 und Empfangsspulen 34, die einander mit mindestens diesen Überdeckungsgraden einander gegenüberliegen, sind gekoppelt. Eine Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspulen 24, 34 kann beispielsweise bei einer Überdeckung größer als ein vorgegebener Überdeckungsschwellenwert angenommen werden.

Daher kann weiterhin vorgesehen sein, die Feldanordnung der Empfangsspulen 34 mit einem bezüglich der Spulenform gleichen oder ähnlichen Muster vorzusehen, wobei jedoch die Empfangsspulen 34 eine von den Sendespulen 24 abwei- chende Spulenfläche bzw. Spulengröße aufweisen. Dabei sollen die Empfangsspulen 34 möglichst auch zwischenraumfrei aneinander anliegen, so dass die Spulenseiten 341 von Empfangsspulen 34, die nicht am Rand der Feldanordnung liegen, vollständig an Spulenseiten 341 benachbarter Empfangsspulen 34 anliegen.

Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, mithilfe einer Induktivitätsmessung an jeder der Sendespulen 24 einen Grad der Kopplung mit einer auf der Auflagefläche aufliegenden Empfangsspule 34 festzustellen und nur diejenigen Sendelemente 23 mit den Sendespulen 24 anzusteuern, für die eine ausreichende Kopplung festgestellt wird, wobei eine ausreichende Kopplung festgestellt wird, wenn ein Überdeckung der Spulenfläche der jeweiligen Einzelspule 24 mit der Spulenfläche der aufliegenden Empfangsspule 34 quer zur axialen Richtung einen vorgegeben Überdeckungsschwellenwert übersteigt, d.h ein Grad der Kopplung festgestellt wird, der einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.

Um zu gewährleisten, dass eine möglichst große Anzahl von gekoppelten Paaren von Sende- und Empfangsspulen 24, 34 erreicht wird, ist nun vorgesehen, die Spulenflächen der Sendespule 24 und die Spulenflächen der Empfangsspule 34 mit einer unterschiedlichen Größe vorzusehen. Beispielsweise ist, wie in Figur 5 dargestellt, bei Spulenflächen mit sechseckigem Querschnitt es bei unterschiedlichen Spulenflächen möglich, bei jedem möglichen Versatz zwischen der Empfangseinrichtung auf der Auflagefläche 21 der Sendeeinheit 2 eine Mindestanzahl an miteinander gekoppelten Sende- und Empfangsspulen 24, 34 zu erhalten. Auf diese Weise kann bei jeder Anordnung der Empfangseinheit 3 auf der Auflagefläche 21 stets eine Mindestleistung zwischen Sende- und Empfangseinheit 23, 33 übertragen werden.

Zur Energieeinsparung kann vorgesehen sein, nur diejenigen Empfangsspulen zu bestromen, für die eine Paarbildung mit einer Sendespule 24 vorliegt. Eine Paarbildung einer Sendespule kann beispielsweise durch eine Induktivitätsmessung erfolgen, so dass mithilfe der Steuereinheit 27 für jede der Sendespule festgestellt werden kann, ob eine Kopplung vorliegt und ob die betreffende Sendespule aktiv betrieben oder passiv betrieben werden soll. Im passiven Betrieb werden lediglich Induktivitätsmessungen der entsprechenden Sendespulen 24 vorgenommen, um zu erkennen, wenn eine Empfangsspule 34 in den Spulenbe- reich der betreffenden Sendespule 24 gelangt, d. h. eine Kopplung vorliegt, so dass eine ausreichende induktive Kopplung vorliegt.

Dadurch wird festgestellt, ob die Voraussetzungen für einen sicheren Energietransfer gegeben sind. Alle benachbarten Sendespulen werden gleichphasig betrieben, damit die magnetischen Flüsse sich nicht gegenseitig aufheben.

Eine Auswahl der Spulenform und Größe der Spulenflächen für Sende- und Empfangsspule 24, 34 wird so vorgenommen, dass immer ein Mindestanteil, eine Mindestanzahl oder eine Mehrheit der Empfangsspulen 34 eine Paarbildung mit einer entsprechenden Sendespule 24 eingehen, insbesondere ist das Raster aus Spulenformen und Größen der Spulenflächen so gewählt, dass immer eine Mindestanzahl der Empfangsspulen 24 mit entsprechenden Sendespulen 34 gekoppelt ist.