CN104518550B - 用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的充电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的充电站，具有用于电源的接口和电子线圈(10，30)，借助该电子线圈可以提供用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的磁交变场(Φ)，其中电子线圈(10，30)具有圆柱形的绕组(16，18，36，38)和铁磁体(22)，其中绕组(16，18，36，38)的端面与铁磁体(22)毗邻，以便使由绕组(16，18，36，38)所发出的磁交变场(Φ)通过该端面耦合到铁磁体(22)中，其中绕组具有第一和第二绕组(16，18，36，38)，第一和第二绕组彼此毗邻且利用其端面与铁磁体(22)毗邻布置，并且其设计为，产生反向的磁交变场(Φ)，其中分别被第一和第二绕组包围的空间具有铁磁材料(24，26)。

Description

用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的充电站
技术领域
本发明涉及一种用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的充电站，具有电源接口和电子线圈，借助该电子线圈可以提供用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的磁交变场，其中电子线圈具有圆柱形的绕组和铁磁体，其中绕组的端面与铁磁体毗邻，从而由绕组所发出的磁交变场通过该端面耦合到铁磁体中。此外，本发明涉及一种用于使能电驱动的车辆与充电站进行能量技术上的无线耦合的方法，该充电站从电源获得电能并借助用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的磁交变场提供能量，借助充电站的、具有圆柱形绕组和铁磁体的电子线圈产生该磁交变场，其中通过与铁磁体毗邻的绕组的端面，使由绕组发出的磁交变场耦合到铁磁体中。最后，本发明还涉及一种用于充电站的能量技术上的无线耦合的能电驱动的车辆，具有蓄电器、带有电机的驱动装置和电子线圈，用于充电站的能量技术上的无线耦合的充电站的磁交变场可以流经该电子线圈，其中电子线圈具有圆柱形的绕组和铁磁体，其中绕组的端面与铁磁体毗邻，从而由绕组所发出的磁交变场通过该端面耦合到铁磁体中。
背景技术
这种类型的充电站和能电驱动的车辆及用于借助磁交变场进行能量的无线传输的方法在原理上是已知的，因此这里无需特别的书面说明。这种类型的充电站的作用在于，在充电时对能电驱动的车辆提供能量，从而使能电驱动的车辆可以执行其预定的功能。尤其是能电驱动的车辆需要行驶所需的能量。
能量由充电站的磁交变场提供，充电站本身与电源，例如与公共的供电网络、与发电机、与电池和/或诸如此类的相连接。充电站在接收电源电能的情况下产生磁交变场。能电驱动的车辆借助适当的电子线圈获取磁交变场、吸收此能量并且从车辆侧提供电能，尤其是为车辆的蓄电器和/或车辆的驱动装置的电机提供电能。
一种将能量从充电站输送至车辆的充电装置的可行性方案为，借助车辆与充电站之间的电缆建立作为能量技术耦合的电动连接。除此之外已知，依据另外的可行性方案建立无线能量技术的耦合，该耦合避免了借助电缆的高成本的机械连接。为了该目的，一般在充电站侧和车辆侧分别设置具有电子线圈的线圈电路，其在充电时基本上彼此相对布置，并且能在使用磁交变场的情况下实现能量耦合。举例来说这种结构由KR 10 2012 0 016521 A已知。
用于充电站中的预定的应用以及以双重方式用于能电驱动的车辆的线圈应当构造得尽可能平坦，以使得在现有技术条件下，线圈通常相对于其直径具有较小的结构高度。因此，线圈的两个端面仅放置在基本上构造为长方体形状的铁氧体上，该铁氧体构成磁轭。一般来说，线圈的绕组的内直径与其在磁交变场方向上的结构高度的比值是一个值为五或更大的因数。
在现有技术条件下，在这种情况时占主导的观点为，由于较小的结构高度由绕组包围的空间无法填充铁磁材料。由于此原因一般来说，该空间作为由空气填充的自由空间。
即使在现有技术条件下已经证明了这种结构，还是需要改善，尤其是考虑到对能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的越来越高的要求。
发明内容
因此本发明的目的为，在功率性能和效率方面改善一般类型的充电站。
作为解决方案，本发明提出一种充电站。此外，本发明提出一种用于运行充电站的方法。最后，本发明提出一种能电驱动的车辆。
本发明特别是从装置角度提出，绕组包括第一和第二绕组，第一和第二绕组彼此毗邻且其端面与铁磁体毗邻，并且其设计为，产生反向的磁交变场，其中分别被第一和第二绕组包围的空间具有铁磁材料。相应地从方法角度提出，所述绕组借助于第一和第二绕组，所述第一和第二绕组彼此毗邻并且其端面与铁磁体毗邻布置，产生反向的磁交变场，其中分别被第一和第二绕组包围的空间使用铁磁材料。
出乎意料地确定出，当由绕组所包围的空间至少部分地由铁磁材料填充时，可以明显改善能量技术上的无线耦合的效率，尽管绕组的结构高度相对于其直径来说较小。这也就表明，绕组的漏磁通量出乎意料地-与现有技术条件下至今所采用的不同-并不是无关紧要的并且可以通过以本发明为依据的这种结构显著地降低。除此之外，此种结构还可以，尽量降低由于电磁交变作用而产生的不期望的自加热。由此，从总体上不仅可以改善能量技术上的无线耦合的效率，还可以降低不受欢迎的损失功率产生及其引起的发热。由此，从总体上得到一种改良的充电站，相对于现有条件下的同类充电站来说，其更有效率、更紧凑并因此成本更低。
本发明如下设置，即所述绕组分为两个分绕组，即第一绕组和第一绕组。两个绕组彼此毗邻，例如彼此以给定的距离或诸如此类的布置。由此可以完成对结构高度的减少。所述绕组，不仅是第一绕组，还有第二绕组，具有圆柱形结构，其具有例如圆形或有角的底面。举例来说，由绕组构成的圆柱体的底面可以为长方形。也可以以组合形式设置，其既包括圆形也包括直角部分。
可以按如下方式选择第一和第二线圈的绕组方向及流经第一绕组和第二绕组的电流，即从空间指向上来看，第一绕组的磁交变场的方向与第二绕组的磁交变场的方向基本相反。由此借助铁磁体，该铁磁体可以例如由铁氧体板或诸如此类的构成，形成一个磁回路，该磁回路可以通过能电驱动的车辆的线圈布置相连接。由此，可以在很小的结构尺寸下实现由充电站到能电驱动的车辆的高效能量传输。
在本发明范畴内，感应式能量传输或能量技术上的无线耦合是以能量的传输为目的的耦合，这种耦合可以实现，能量至少单向地由能量源传输至能量汇点。所述能量源可以是例如公共的供电网络、发电机、太阳能电池、燃料电池、电池、其组合和/或诸如此类的。能量汇点可以为例如能电驱动的车辆的驱动装置，尤其是驱动装置的电机和/或驱动装置的蓄电器，例如蓄电池或诸如此类的。也可以设置双向的能量传输，亦即，能量传输可以在两个方向上改变。此外，应向能电驱动的车辆传输能量的充电站实现了该目的，即充电站由与其电动连接的电源获得电能。
在本发明范畴内，能量技术上的无线耦合或者感应式能量传输指的是，在充电站与能电驱动的车辆之间无需机械连接以建立电耦合。尤其是可以避免借助电缆建立电动连接。换而言之，主要由能量场，优选地为磁交变场而单独实现能量耦合。
因此，充电站设置用于产生相应的能量场，即磁交变场。从车辆角度相应地设置为，可以获得能量场或磁交变场并且由此得到用于能电驱动的车辆的预定运行的能量。借助车辆的充电装置将由能量场，特别是磁交变场，所输入的能量转换为电能，然后其可以优选地存储在车辆的、用于其预定运行的能量存储器中。为此，所述充电装置可以具有整流器，该整流器将借助线圈从磁交变场获得的并输入给整流器的电能转换为适用于车辆的电能，例如通过整流、电压转换或诸如此类的方式。除此之外，也可以将能量直接输送至车辆的驱动装置的电机。能量技术耦合的作用主要在于能量的传输而不是信息的传输。鉴于此，用于相应的高功率性能的本发明的执行方法与无线通信连接不同。
用于能量技术上的无线耦合，尤其是借助磁交变场的主要元件为电子线圈，该电子线圈有时也可以由多个电子线圈构成，该电子线圈在充电站侧产生磁交变场，并且在车辆侧有磁交变场流过并且在车辆侧通过其相应的端口提供电能。相应地，在充电站侧电子线圈加载一个产生交变电流的交变电压，因此该电子线圈提供磁交变场，由此可以提供能量。在充电过程中，充电站的电子线圈通过该磁交变场与能电驱动的车辆的电子线圈耦合。
原则上，所述线圈具有带有多个电导体线圈的绕组。此外，将铁磁体设置为磁回路。借助铁磁体可以以期望的方式传输磁通，因此由于充电站和能电驱动的车辆的线圈回路之间的磁交变场可以增强能量耦合的效率。
电子线圈的由线圈构成的电导体通常设计为所谓的高频绞合线，亦即，其由多个彼此电绝缘的单个导体或金属线组成，所述金属线相应地组合为导体。由此实现了，在频率应用如本发明中，降低或基本上避免位移电流效应。为了改善高频绞合线的每个电线内尽可能均匀的电流，一般地可以将每个电线都设置为绞转式。绞转可以包括，由确定数目的单个电线构成电线束，这些单个电线本身为绞转式的，且其中这些构成导体的电线束，同样也为绞转式的。
所述铁磁体可以由铁氧体材料、叠片铁心或诸如此类的组成。同样也适用于铁磁材料。特别优选地，铁磁材料可以和铁磁体一体的设计。也可以设置为，所述铁磁体和铁磁材料由多个单件以模块方式组合。事实表明，当铁磁体和铁磁材料具有较大的尺寸时，这种设计方案是优选的。可以以低成本生产的模块化组件进行组合，这样可以形成所期望的铁磁体和铁磁材料。当采用烧结材料，如铁氧体或诸如此类的，生产这种大尺寸的材料的成本相对而言非常高时，这种设计方案是特别优选的。
根据另外的方面提出，充电站包括第一和第二逆变器，其中第一绕组连接在第一逆变器上并且第二绕组连接在第二逆变器上。这种设计方案的优点为，第一绕组和第二绕组可以彼此独立地运行。由此可以附加地实现与磁场和效率相关的效果。事实证明，当第一绕组和第二绕组彼此电动的独立时，亦即，彼此是电绝缘的，这是特别优选的。由此，可以更容易地、电动地控制所述第一和第二绕组，因为第一和第二逆变器彼此也可以是电动独立的。
本发明的另外的设计方案如下，即第一和第二逆变器设置为，第一和第二绕组分别加载电交变电压，因此耦合在铁磁体内的第一和第二绕组的磁交变场正叠加。正叠加指的是，由于叠加合成后的磁场强度的值大于由第一或第二绕成产生的磁通密度的值。事实表明，当第一和第二绕组的磁交变场按下述方式叠加，即由第一和第二绕组所产生的磁通密度相加时，这是特别优选的。
此外提出，充电站包括用于同步控制第一和第二逆变器的调节单元。由此可以实现，对第一和第二逆变器如此共同控制，即可以实现铁磁体内的预期效果和/或于能量技术上的无线耦合相关的预期效果。此外，借助调节单元根据对比值可以调节预定的、期望的状态，因此可以对在预定的运行中可能发生的干扰效果进行调整。
一个有利的优化方案如下，即所述第一逆变器设置为作为主逆变器来工作，并且第二逆变器设置为作为从逆变器来工作。优选地，第一和第二逆变器之间存在通信连接，例如通过通信总线如CAN-BUS、通信网络、其组合或诸如此类的。在这种设计方案中，第一和第二逆变器之间存在通信耦合，其中第一逆变器为第二逆变器预设相应的控制信号。基于该预设控制信号，在从动-工作模式下，第二逆变器调整对第二绕组的交变电压的供给。
作为替代地可以做如下设置，即第一和第二逆变器之间存在通信连接，并且可以相互确定其用于优选地、可预定地产生磁交变场的工作模式。在这种情况下不设置主-从-工作模式，而是两个逆变器相互调整彼此的工作模式。为此可以作如下设置，即第一和第二逆变器相互交换运行参数，例如电流、电压、在此的相位、温度、其组合或诸如此类的。
除此之外可以作如下设置，即控制单元或作为主逆变器运行的逆变器具有至少一个传感器，通过该传感器可以检测由磁交变场决定的参数，从而可以以该参数为基础生成控制信号。
此外提出，分别由第一和第二逆变器对每个第一和第二绕组加载以交变电压。特别优选的是，两个交变电压是彼此电流独立的。这可以由一种设计方案实现，该设计方案允许相对于其构造来说特别高的结构空间。
本发明的另外的设计方案如下，即逆变器按下述方式运行，即实现第一和第二绕组中的电流之间的给定的相位差。由于例如公差和/或特别的运行条件，给定的相位差可以是有效的。所述给定的相位差可以例如作为对比值给出，借助调节单元，该对比值可以实现，对第一和第二逆变器进行相应的调控。
附图说明
其他优点和特征由下述实施例的说明结合附图给出。在附图中相同的组件和功能以相同的标号标注。
附图示意了：
图1是以本发明为依据的充电站的电子线圈的截面示意图，其中该线圈具有两个绕组，其共同由一个逆变器加载交变电压并且
图2是图1所示的电子线圈的截面示意图，其中该线圈同样具有两个绕组，而区别于图1的是，其分别由第一和第二逆变器加载交变电压。
具体实施方式
图1示意了用于借助磁交变场Φ进行能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的未被示意出的充电站的、以本发明为依据的第一电子线圈10的截面示意图。充电站通过电源接口实现该目的，该电源在此由公共供电网络构成。借助电子线圈10可以提供用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的磁交变场Φ。
电子线圈10具有圆柱形绕组，在此其包括第一绕组16和第二绕组18。在本设计方案中，第一绕组16和第二绕组18的直径大约为绕组16，18的高度乘以因数10。绕组的高度为磁交变场Φ方向上的长度单位，其中磁交变场由相应的绕组16，18产生。
此外，电子线圈10具有铁磁体22，该铁磁体在此由铁氧体材料构成。绕组16，18的未示意出的端面与铁磁体22毗邻。由此，由绕组16，18产生的磁交变场Φ通过所述端面耦合到铁磁体22中。
第一绕组16和第二绕组18的端面彼此毗邻地与铁磁体22毗邻地布置。此外，对其作如下设置，即其产生反向的磁交变场Φ，为此根据绕组方向及绕组电流对绕组16，18进行相应的设置并且对其加载电流。在此，线圈16，18由多个电导体线圈构成。也可以作如下设置，即绕组16，18仅分别具有一个线圈。除此之外可以作如下设置，即绕组16，18可以具有不同的线圈数和导体横截面。
在以图1为依据的设计方案中，绕组16，18以串联方式彼此连接，因此两个绕组16，18中有相同的电流流过。绕组16，18的串联电路与逆变器20相连接，该逆变器对绕组16，18加载交变电压V1。因此，电流I1流经绕组16，18。
此外，在图1中可以看出，由绕组16，18所包围的空间由铁磁材料24，26填充。优选地在该设计方案中，铁磁材料24，26与铁磁体22一体的设计。此外，从图1显而易见的是，铁磁体24，26基本上与相应的绕组16，18齐平。优选地，由此构造一个统一的表面。通过该表面提供用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的磁交变场Φ。
图2示意了以图1为依据的实施例的一个变形，其与图1所示的实施例的区别在于，形成了电子线圈30，该电子线圈具有两个绕组36，38。其也-如图1所示的实施例-通过端面与铁磁体22毗邻地布置。在绕组38，38中分别封闭的空间由铁磁材料填充，因此对图1所示的实施例具有补充作用。
然而区别于图1的是，绕组36，38彼此是电绝缘的并且分别与各自的逆变器相连接并且由它们，也就是第一逆变器40和第二逆变器42对其加载相应的交变电压V1，V2。因此电流I2流经第一绕组36，电流I1则反相流经第二绕组38。该设计方案允许，通过对第一和第二逆变器40，42的适当控制，附加地实现对磁交变场Φ的产生进行控制。
前述实施例仅对本发明进行阐述并不对本发明进行限制。显而易见，可以由专业人员根据需要推到出相应的变体，这并不脱离本发明的保护范围。当然，在能电驱动的车辆的、为实现能量技术上的无线耦合而设置的电子线圈中，也可以应用本发明。充电站的所给特征同样也可以用于能电驱动的车辆。
当然可以根据需求以任意方式对单个特征进行组合。除此之外，当然可以通过相应的方法步骤给出装置特征并且反之亦然。

Claims (7)

1.一种用于能电驱动的车辆的能量技术上的无线耦合的充电站，具有电源接口和电子线圈(10，30)，能够借助所述电子线圈提供用于所述能电驱动的车辆的所述能量技术上的无线耦合的磁交变场(Φ)，其中所述电子线圈(10，30)具有圆柱形的绕组(16，18，36，38)和铁磁体(22)，其中所述绕组(16，18，36，38)的端面与所述铁磁体(22)毗邻，以便使由所述绕组(16，18，36，38)所发出的所述磁交变场(Φ)通过所述端面耦合到所述铁磁体(22)中，其特征在于，所述绕组的结构高度相比于直径较小，其中，所述绕组具有第一绕组和第二绕组(16，18，36，38)，所述第一绕组和所述第二绕组彼此毗邻且利用所述第一绕组和所述第二绕组的端面与所述铁磁体(22)毗邻地布置，并且所述第一绕组和所述第二绕组设计为产生反向的磁交变场(Φ)，其中分别由所述第一绕组和所述第二绕组包围的空间具有铁磁材料(24，26)，其中，所述充电站还具有第一逆变器和第二逆变器(40，42)，其中所述第一绕组(36)连接在所述第一逆变器(40)上并且所述第二绕组(38)连接在所述第二逆变器(42)上，其中，所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)设计用于，所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)分别施加有交流电压(V1，V2)，以使得所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)的耦合到所述铁磁体(22)中的所述磁交变场(Φ)正叠加，其中，所述第一逆变器(40)设计用于作为主逆变器来工作，并且所述第二逆变器(42)设计用于作为从逆变器来工作。
2.根据权利要求1所述的充电站，其特征在于，所述铁磁材料(24，26)设计为与所述铁磁体(22)是一体的。
3.根据权利要求1或2所述的充电站，其特征在于，具有用于对所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)进行同步控制的调节单元。
4.一种用于使能电驱动的车辆与充电站进行能量技术上的无线耦合的方法，所述充电站从电源获得电能并且借助用于所述能电驱动的车辆的所述能量技术上的无线耦合的磁交变场(Φ)提供能量，借助所述充电站的、具有圆柱形的绕组(16，18，36，38)和铁磁体(22)的电子线圈(10，30)产生所述磁交变场(Φ)，其中通过与所述铁磁体(22)毗邻的所述绕组(16，18，36，38)的端面，由所述绕组(16，18，36，38)发出的所述磁交变场(Φ)耦合到所述铁磁体(22)中，其特征在于，所述绕组的结构高度相比于直径较小，其中，所述绕组借助于第一绕组和第二绕组(16，18，36，38)产生反向的磁交变场(Φ)，所述第一绕组和所述第二绕组彼此毗邻并且利用所述第一绕组和所述第二绕组的端面与所述铁磁体(22)毗邻地布置，其中分别由所述第一绕组和所述第二绕组(16，18，36，38)包围的空间使用铁磁材料(24，26)，其中，所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)中的每一个分别由第一逆变器和第二逆变器(40，42)加载交流电压(V1，V2)，其中，所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)设计用于，所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)分别施加有交流电压(V1，V2)，以使得所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)的耦合到所述铁磁体(22)中的所述磁交变场(Φ)正叠加，其中，所述第一逆变器(40)作为主逆变器工作并且所述第二逆变器(42)作为从逆变器工作。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)彼此同步地工作。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)工作，使得在所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)内实现电流(I1，I2)之间的预定相位差。
7.一种用于充电站的能量技术上的无线耦合的能电驱动的车辆，具有蓄电器、带有电机的驱动装置和电子线圈(10，30)，用于所述充电站的能量技术上的无线耦合的所述充电站的磁交变场(Φ)能够流经所述电子线圈，其中所述电子线圈(10，30)具有圆柱形的绕组(16，18，36，38)和铁磁体(22)，其中所述绕组(16，18，36，38)的端面与所述铁磁体(22)毗邻，以便使由所述绕组(16，18，36，38)所发出的所述磁交变场(Φ)通过所述端面耦合到所述铁磁体(22)中，其特征在于，所述绕组的结构高度相比于直径较小，其中，所述绕组具有第一绕组和第二绕组(16，18，36，38)，所述第一绕组和所述第二绕组彼此毗邻且利用所述第一绕组和所述第二绕组的端面与所述铁磁体(22)毗邻地布置，并且所述第一绕组和所述第二绕组设计为产生反向的磁交变场(Φ)，其中分别由所述第一绕组和所述第二绕组包围的空间具有铁磁材料(24，26)，其中，所述第一绕组(36)连接在第一逆变器(40)上并且所述第二绕组(38)连接在第二逆变器(42)上，其中，所述第一逆变器和所述第二逆变器(40，42)设计用于，所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)分别施加有交流电压(V1，V2)，以使得所述第一绕组和所述第二绕组(36，38)的耦合到所述铁磁体(22)中的所述磁交变场(Φ)正叠加，其中，所述第一逆变器(40)设计用于作为主逆变器来工作，并且所述第二逆变器(42)设计用于作为从逆变器来工作。
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