DE102012216417A1

DE102012216417A1 - Kabelloses Ladesystem mit induktiver Kopplung

Info

Publication number: DE102012216417A1
Application number: DE201210216417
Authority: DE
Inventors: Farid Yousif
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung, bei dem zwischen Primär- und Sekundärspule mindestens eine zusätzliche Zwischenspule zur Verbesserung der Resonanzeigenschaften der Übertragung vorgesehen ist. Zur vollen Ausnutzung der verbesserten Resonanzeigenschaft können weiterhin mehrere Energiequellen vorgesehen sein, welche durch unterschiedliche Frequenzen gespeist werden. Weiterhin ist es möglich, mehrere Energieempfänger in einem entsprechenden induktiven Kopplungsbereich zu positionieren und an diese gleichzeitig Energie zu übertragen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die kabellose Übertragung elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung kabellose Batterieladesysteme mit induktiver Kopplung.
2. Stand der Technik
Das physikalische Prinzip der elektromagnetischen Induktion ermöglicht es, Energie von einem ersten Objekt (Primärseite) zu einem zweiten Objekt (Sekundärseite) zu übertragen. Hierbei wird die Energie von einer ersten Induktivität (Spule) auf der Primärseite zu einer zweiten Induktivität (Spule) auf der Sekundärseite übertragen. Wenn die Primärspule von einem zeitlich veränderlichen elektrischen Strom durchflossen wird, so entsteht ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld, welches wiederum in einer in hinreichender Nähe befindlichen Sekundärspule einen elektrischen Strom induziert, wodurch die Energieübertragung realisiert wird. Mit anderen Worten spricht man davon, dass die Primärspule und die Sekundärspule miteinander induktiv gekoppelt sind. Eine besonders verbreitete Anwendung der kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion ist das kabellose Laden (wegen des Funktionsprinzips auch als induktives Laden bezeichnet) eines Energiespeichers, wie z. B. einer Batterie oder eines Akkumulators eines elektrischen Geräts. Ein zum induktiven Laden eingerichtetes elektrisches Gerät verfügt über eine Induktivität, die als Sekundärspule mit einer in einem Ladegerät angeordneten Primärspule induktiv koppelt.
Das induktive Laden bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, vom Laden kleiner transportabler elektrischer Geräte, wie Handys oder elektrische Zahnbürsten, bis hin zu Anwendungen im Bereich von Elektromobilität (Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb). Ein weiterer Anwendungsbereich betrifft die Medizintechnik, wobei Batterien in implantierten Geräten, wie z. B. Herzschrittmachern oder Insulinpumpen kabellos geladen werden.
Den Vorteilen des kabellosen Ladens gegenüber der Energieübertragung mittels elektrischen Stroms durch einen Leiter, wie einfacher mechanischer Aufbau, Nutzbarkeit in Feuchträumen wegen des Fehlens elektrischer Ströme zwischen den Geräten, oder in Situationen, wie bei implantierten Geräten, wo keine mechanische Verbindung möglich ist, stehen als Nachteile eine niedrigere Effizienz des Ladens und höhere resistive Verluste (Wärmeentwicklung) gegenüber. Das Problem der erhöhten Erwärmung kann durch die Erhöhung der Frequenz des Primärstroms reduziert werden.
Eine Steigerung der Effizienz kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die relative Anordnung von Primär- und Sekundärspule optimiert wird, um einen möglichst hohen Koppelfaktor der induktiven Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule zu erreichen. Der Koppelfaktor zweier Induktivitäten L₁ und L₂ trägt der Tatsache Rechnung, dass entsprechend dem Abstand zwischen Übertragerspule und Empfängerspule (Primärspule und Sekundärspule) nur ein Teil des magnetischen Flusses der Primärspule den Bereich der Sekundärspule durchdringt und somit zur Leistungsübertragung beiträgt.
Es wurden deshalb kabellose Lade- bzw. Energieübertragungssysteme entwickelt, die mehrere Primärspulen verwenden. Insbesondere werden die Primärspulen als Spulenfeld (array) angeordnet, wobei die Spulen gleichzeitig (parallel oder seriell) angesteuert werden können. Auch ist es möglich, mehrere Primärspulen selektiv so anzusteuern, dass eine am stärksten induktiv mit der Sekundärseite gekoppelte Spule angesteuert wird.
Feldförmige Anordnungen von Primärspulen sind zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/137996 beschrieben. Eine Übertragungsvorrichtung mit selektiv ansteuerbaren Primärspulen beschreibt zum Beispiel die US-Patentanmeldung US 2010/0259217 A1 .
Derartige Ladesysteme sind generell weniger empfindlich gegenüber der genauen Positionierung der Sekundärspulen, wo je nach Positionierung wenigstens eine oder ein Teil der vorhandenen Primärspulen eine effiziente Kopplung ermöglicht, und für die Leistungsübertragung genutzt werden kann. Auch ermöglichen Energieübertragungssysteme mit Primärspulenfeldern die gleichzeitige Energieübertragung an mehrere Sekundärspulen, insbesondere mehrere sekundärseitige elektrische Geräte.
Ein Nachteil feldförmiger Primärspulenanordnungen (arrays) besteht in der hohen Zahl der Spulen im Array, wodurch Größenausdehnung und Kosten des Systems erhöht werden, sowie eine relativ komplexe Steuerschaltung erforderlich wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung bereitzustellen, bei der eine hohe Effizienz der Energieübertragung auf besonders einfache und kostengünstige Weise erreicht werden kann.
Dies wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung bereitgestellt. Die Einrichtung umfasst eine erste Induktivität, eingerichtet zum Anschließen an eine Spannungsquelle und eine zweite Induktivität, welche elektrisch weder mit einer Spannungsquelle noch mit einem Lastkreis verbunden ist. Die erste und die zweite Induktivität sind jeweils zum induktiven Koppeln sowohl untereinander als auch mit einer in einem elektrischen Gerät angeordneten dritten Induktivität eingerichtet.
Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, die Effizienz einer Energieübertragung mittels induktiver Kopplung dadurch zu erhöhen, dass man zwischen Primär- und Sekundärspule eine weitere Induktivität vorsieht, die elektrisch weder mit der Primär- noch mit der Sekundärseite verbunden ist. Eine solche Zwischenspule führt zu einem schmalbandigeren Resonanzverhalten, wodurch die Effizienz der Energieübertragung verbessert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Induktivität (Zwischenspule) elektrisch mit einem Kondensator verbunden. Vorzugsweise ist auch die erste Induktivität elektrisch mit einem Kondensator verbunden. Weiter vorzugsweise ist die Kapazität wenigstens eines der Kondensatoren variabel einstellbar. Mit Hilfe derartiger Kondensatoren kann das Resonanzverhalten der Energieübertragung beeinflusst und ggf. durch Änderung der Kapazitäten variiert werden.
Vorzugsweise kann die dritte Induktivität, das heißt die Spule des Energie empfangenden elektrischen Geräts in verschiedene Positionen bewegt werden. Dadurch kann eine Anordnung erreicht werden, die eine optimale induktive Kopplung ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie eine Mehrzahl erster Induktivitäten (Primärspulen), die jeweils an verschiedene Spannungsquellen angeschlossen werden. Entsprechend der Mehrzahl von Primärspulen ist weiterhin vorzugsweise eine Mehrzahl zweiter Induktivitäten (Zwischenspulen) vorgesehen. Dies ermöglicht eine Energieübertragung auf die Sekundärseite mit Hilfe derjenigen Spulenanordnung, die die höchste Effizienz gewährleistet.
Weiter vorzugsweise stellen die unterschiedlichen Spannungsquellen zeitlich variable Spannungen mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen bereit. Bei den zeitlich variablen Spannungen handelt es sich vorzugsweise um Wechselspannung. Wie bekannt, beruht der Vorgang der elektromagnetischen Induktion auf der zeitlichen Änderung eines Stromflusses durch einen Induktor, und ein daraus resultierendes zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dies wird vorzugsweise durch Wechselstrom, weiter vorzugsweise durch hochfrequenten Wechselstrom erreicht. Alternativ kann auch eine Gleichspannungsquelle verwendet werden, deren Strom in einen zeitlich variablen Strom umgewandelt wird. Neben einem Wechselrichter kann dies zum Beispiel ein Zerhacker sein, der einen pulsierenden Gleichstrom bereitstellt. Auch die Verwendung von Mischstrom ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Durch die Verwendung verschiedener Frequenzen und sich daraus ergebender unterschiedlicher Resonanzkurven, kann eine Anpassung der Effizienz an verschiedene sekundärseitige elektrische Geräte erfolgen.
Weiter vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zur kabellosen Energieübertragung eine Steuereinheit, die die Effizienz der induktiven Kopplung der einzelnen Spannungsquellen mit der sekundärseitigen Induktivität anhand der übertragenen Leistung überwacht und eine nicht optimal gekoppelte Spannungsquelle automatisch abschaltet. Da hierdurch ein zusätzlicher, nicht effizienter Weg der Energieübertragung vermieden wird, wird der Wirkungsgrad weiter erhöht.
Vorzugsweise sind die verwendeten Spannungsquellen so eingerichtet, dass die Frequenz der von ihnen bereitgestellten Spannungen variabel einstellbar ist. Hierdurch kann das Resonanzverhalten zum Beispiel an unterschiedliche sekundärseitige Spulen bzw. Lastkreise angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie weiterhin wenigstens eine mit der ersten Induktivität (primärseitigen Induktivität) verbundene Spannungsquelle. Alternativ umfasst die Vorrichtung nicht selbst eine Spannungsquelle, sondern einen Anschluss, wie zum Beispiel in Form einer Steckverbindung, an eine externe Spannungsquelle bzw. ein externes Netz.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, gleichzeitig Energie mittels induktiver Kopplung an eine Mehrzahl sekundärseitiger Geräte zu übertragen. Weiter vorzugsweise ist eine Leistungssteuereinheit vorgesehen, die die Anzahl der induktiv an die Einrichtung gekoppelten dritten Induktivitäten erfasst, und die eingespeiste Leistung reduziert, wenn weniger dritte Induktivitäten (sekundärseitige Geräte) als eine maximal mögliche Anzahl erfasst wird. Hierdurch kann die bereitgestellte Energie an die angeforderte Leistung angepasst werden.
Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion bereitgestellt. Das System umfasst eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung gemäß dem oben genannten Aspekt der Erfindung. Das System umfasst weiterhin ein elektrisches Gerät. Das elektrische Gerät umfasst eine dritte Induktivität, eingerichtet zum induktiven Koppeln mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Induktivität in der Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie und einen mit der dritten Induktivität elektrisch verbundenen Lastkreis.
Vorzugsweise weist der Lastkreis hierbei eine Speichereinrichtung für elektrische Energie auf, womit die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie als Ladegerät dient. Bei der Speichervorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Akkumulatoreinrichtung („aufladbare Batterie“).
Weiter vorzugsweise umfasst das System eine Abschalteinrichtung zum automatischen Abschalten einer Spannungsquelle, wenn die Energiespeicher aller induktiv mit der Spannungsquelle verbundenen Lastkreise voll geladen sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrischen Gerät um ein portables elektrisches Gerät, wie zum Beispiel ein Handy, ein tragbarer Computer, eine Digitalkamera oder ein anderes elektronisches Gerät. Alternativ ist die vorliegende Erfindung einsetzbar für eine Energieübertragung an bzw. Ladung von ortsfesten Geräten mit Hilfe einer portablen Ladestation, oder für ein Aufladen medizinischer Geräte, insbesondere im Körper implantierte medizinische Geräte. Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung betrifft das kabellose Aufladen von Akkumulatoren für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, wie Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in der detaillierten Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei:
1A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einer Zwischenspule sowie den dazugehörigen induktiven Koppelfaktoren ist,
1B ein Schaltschema entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
1C das Resultat einer Simulation der Stärke der Leistungsübertragung entsprechend dem Schema der 1B darstellt,
2 einen Vergleich des Frequenzgangs der Energieübertragung bei einem herkömmlichen induktiven Energieübertragungssystem und bei einem induktiven Energieübertragungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
3A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung bei denen eine Sekundärspule mit jeweils zwei Primär- und Zwischenspulen koppelt, ist,
3B ein Schema einer Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
3C das Resultat einer Simulation der Stärke der Energieübertragung von zwei Spannungsquellen in einer Anordnung gemäß dem Schema der 3B darstellt,
4A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung mit jeweils zwei Primär- und Zwischenspulen sowie zwei Sekundärspulen ist,
4B ein Schaltschema gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, bei der zwei verschiedene Spannungsquellen zur Energieübertragung an zwei Lastkreise eingesetzt werden,
4C das Resultat einer Simulation für die Stärke der Energieübertragung in einer Anordnung gemäß 4B darstellt, und
5 eine schematische Darstellung eines Systems zur kabellosen Energieübertragung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung mittels Induktion, insbesondere ein Ladegerät, zur Verfügung, welche eine hohe Ladeeffizienz auf kostengünstige und einfache Weise ermöglicht, und keine hohen Anforderungen bezüglich einer exakten Justierung der (in einem sekundärseitigen elektrischen Gerät eingebauten) Sekundärspulen (Empfangsspulen) stellt. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine gute Energieübertragung über einen größeren Bereich einer Oberfläche des Energieübertragungsgeräts. Dies wird mittels der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass durch den Einsatz zusätzlicher Zwischenspulen die Energieübertragung im Bereich einer schmalbandigen Resonanz erfolgt. Ein Energieübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere auch für ein Ladesystem zum gleichzeitigen Laden von Energiespeichern (Batterien) mehrerer elektrischer Geräte anwendbar.
Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst eine Mehrzahl induktiv gekoppelter Resonatoren (L-C-Resonanzkreise), die die Energieübertragung bei einer bestimmten Resonanzfrequenz maximieren. Dadurch erfolgt die Energieübertragung selektiv in einem Bereich mit einer bestimmten Bandbreite um die Resonanzfrequenz herum. Die Resonanzfrequenz eines jeden Resonators ist allgemein gegeben durch
wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators sind, die den Resonanzkreis bilden.
Für den Koppelfaktor k₁₂ zweier induktiv gekoppelter Resonatoren 1 und 2 mit den Resonanzfrequenzen f₁ und f₂ gilt:
In diese Formel (2) geht indirekt auch die Geometrie der Anordnung mit ein. Bei gekoppelten Spulen kann der Einfluss der Gegeninduktivitäten auf eine Modifikation der Selbstinduktivitäten umgerechnet werden. Somit ergeben sich die in Formel (2) eingehenden Frequenzen f₁ und f₂ aus Formel (1), wobei der jeweils in Formel (1) einzusetzende Wert der Induktivität nicht die reine Selbstinduktion der entsprechenden Spule ist sondern den Einfluss der Gegeninduktivität und damit der geometrischen Anordnung der Spulen zueinander widerspiegelt. In jedem Falle ist die Kopplungsstärke umso größer, je stärker die Magnetfelder der gekoppelten Induktivitäten einander durchdringen. Weiterhin spielt die relative Orientierung eine Rolle, wobei wiederum die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Spulen zu berücksichtigen ist.
Im einfachsten Fall verwendet die vorliegende Erfindung ein induktives Koppeln zwischen drei Spulen, wie dies schematisch in 1A dargestellt ist. 1A zeigt schematisch eine Primärspule (L₁), eine Zwischenspule (auch als Resonanzspule bezeichnet, L₂) und eine Sekundärspule (L₃). Die Koppelfaktoren eines jeden Paares von Spulen werden entsprechend mit k₁₂, k₁₃ und k₂₃ bezeichnet, wobei die Indizes den jeweiligen Indizes der gekoppelten Spulen entsprechen. Gemäß der Theorie der induktiven elektromagnetischen Kopplung führt der Einsatz der Zwischenspulen zu einem schmalbandigeren Resonanzverhalten und somit zu einer Erhöhung der Effizienz der Energieübertragung wenn eine Arbeitsfrequenz der Wechselspannungsquelle geeignet gewählt wird.
Ein entsprechendes Schaltschema ist in 1B dargestellt. Hierbei wird die Übertragerspule L₁ mit der Wechselspannungsquelle 10 über einen Kondensator C₁ verbunden. L₂ fungiert als Zwischenspule, welche elektrisch weder mit der Primär- noch mit der Sekundärseite verbunden ist. Zwischen der Spule L₂ und Erde ist zusätzlich der Kondensator C₂ geschaltet. Von der Empfangsspule L₃ wird die Energie zu der Last 15 übertragen. Auch in diesem Schaltkreis ist zusätzlich ein Kondensator C₃ geschaltet. Ein jeder der gezeigten L-C-Schaltkreise bildet somit einen Resonator (Resonanzkreis). Wie aus den weiter unten diskutierten Simulationen ersichtlich ist, erfüllt die Mehrzahl miteinander gekoppelter L-C-Resonatoren insbesondere die Funktion eines Bandpassfilters.
Die Werte der Koppelfaktoren k₁₂, k₂₃ und k₁₃ sind wie erwähnt insbesondere eine Funktion der Positionen einer jeden Spule relativ zu den anderen Spulen. Für vorbestimmte Positionen der Spulen L₁ und L₂ kann durch eine Bewegung der Spule L₃ die Bedingung für eine effiziente Energieübertragung mit kleinen Koppelfaktoren erreicht werden. Zum Einstellen eines resonanten Koppelns der Spulen werden die in dem Schaltschema der 1B gezeigten Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ verwendet.
Das Ergebnis einer Simulation der Leistungsübertragung ist in 1C gezeigt. In dem Diagramm der 1C wird der Betrag der Transmission von der Quelle 10 zur Last 15 über der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms in Kilohertz (kHz) aufgetragen. Der gewählte Parameter „Transmission“ ist hierbei definiert als das Verhältnis
Transmission = (an den Lastkreis übertragenen Energie)/(von der Quelle bereitgestellte Energie) Für die Simulation werden in diesem Beispiel Koppelfaktoren von k₁₂ = 0,27, k₂₃ = 0,39 und k₁₃ = 0 angenommen.
Wie aus 1C zu erkennen ist, kommt es zu einer effizienten Übertragung in einem schmalbandigen Bereich, im gezeigten Beispiel um 110 kHz.
Allgemein gesagt, führt die Hinzufügung einer Zwischenspule, auch als Resonanzspule bezeichnet (im vorstehenden Beispiel die Spule L₂) zu einem verbesserten Resonanzverhalten bereits bei schwachen Koppelfaktoren. Dies führt dazu, dass eine effiziente Energieübertragung bereits bei kleineren Kopplungsstärken erfolgt als ohne Zwischenspule. Da eine hohe Kopplungsstärke nicht mehr erforderlich ist, sind erfindungsgemäß die Anforderungen an die Positionierung der Sekundärspule gegenüber herkömmlichen Geräten weniger streng. Dies wird im Folgenden anhand beispielhafter Simulationsergebnisse näher erläutert.
Für verlustlose Resonatoren zeigt eine Berechnung der Koppelfaktoren mit der Theorie gekoppelter Matrizen (ähnlich den Verfahren für die Berechnung von auf gekoppelten Resonatoren basierenden Bandpassfiltern), dass zum Beispiel bei Annahme einer Resonanzfrequenz (Mittenfrequenz) von 100kHz eine Bandbreite von 27% der Resonanzfrequenz wie folgt erreicht werden kann:

1.) Bei zwei gekoppelten Resonatoren (Stand der Technik): bei k₁₂ = 0,4523
2.) Bei drei gekoppelten Resonatoren (erfindungsgemäß): bei k₁₂ = k₁₃ = 0,281 (unter der weiteren Annahme, dass es keine direkte Kopplung des ersten mit dem dritten Resonator gibt, also k₁₃ = 0 gilt.

Dies zeigt bereits, dass die Hinzufügung des Resonators mit dem Zwischenkreis die gleiche Effizienz beim Energietransfer (gleiche Bandbreite) bereits bei deutlich geringeren Kopplungsstärken erreicht. Mit anderen Worten führt die Hinzufügung eines zusätzlichen Resonators dazu, dass die Anforderungen hinsichtlich der Stärke der Kopplung reduziert werden. Da die Kopplungsstärken wie bereits ausgeführt wesentlich von der relativen Positionierung der Spulen zueinander abhängen, führt dies automatisch zu einer Reduktion der Anforderungen an die Justierung.
Eine allgemeinere Simulation ist in 2 dargestellt. Diese zeigt, wie die Bandbreite erfindungsgemäß reduziert werden kann und dadurch eine effiziente Energieübertragung bei gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Koppelstärken erreicht werden kann. In 2 wird der herkömmliche Fall (zwei gekoppelte Spulen: „Transmission 1“ – durchgezogene Kurve) und Ausführungsform der Erfindung nach 1B (drei gekoppelte Spulen: „Transmission 2“ – gestrichelte Kurve) einander gegenübergestellt. Im ersten Fall beträgt der Kopplungsfaktor k₁₂ = 0,5 zwischen den beiden Spulen. Im zweiten Fall werden Kopplungsstärken von k₁₂ = 0,27 zwischen der ersten(L₁) und der zweiten (L₂) Spule, k₂₃ = 0,39 zwischen der zweiten (L₂) und der dritten (L₃) Spule und k₁₃ zwischen der ersten und der dritten Spule angenommen. Wie man beim Vergleich der dargestellten Frequenzgänge sieht, ist überhaupt nur im Falle dreier gekoppelter Spulen (Transmission 2) ein deutlich ausgeprägtes Resonanzverhalten zu erkennen. Dagegen zeigt der herkömmliche Fall mit nur zwei gekoppelten Spulen (Transmission 1) einen breitbandigen Frequenzgang mit nur schwach ausgeprägtem Maximum. Es ist deutlich erkennbar, dass die Transmission im Resonanzfall deutlich höher wird als im Vergleichsfall.
Eine Erweiterung auf fünf gekoppelte Spulen ist schematisch in 3B dargestellt. Hierbei entsprechen die Spulen L₁, L₂ und L₃ den entsprechenden Spulen in 3A. L₆ stellt eine zusätzliche Primär- und L₅ eine zusätzliche Zwischenspule dar. Beide Paare von Primär- und Sekundärspulen dienen der induktiven Energieübertragung an eine mit einem Lastkreis verbundene Spule L₃.
Ein entsprechendes Schaltschema ist in der 3B gezeigt. Hierbei sind L₁ und L₆ mit den Wechselstromquellen 10 und 20 verbunden. Die beiden Wechselstromquellen haben unterschiedliche Frequenzen, die zudem vorzugsweise variabel einstellbar sind, um eine maximale Leistungsübertragung an die Last 15 zu erreichen.
Zwischen jeweils zwei Spulen findet wieder induktive Kopplung mit entsprechenden Kopplungsstärken k_ij (i und j die Nummer der ersten und der zweiten Spule) statt. Die Empfängerspule L₃ kann in x- oder y-Richtung bewegt werden, wodurch eine ausreichende induktive Kopplung zur Übertragung von Leistung zu der Last 15 von entweder der Spannungsquelle 10 oder der Spannungsquelle 20 oder beiden Spannungsquellen erreicht werden kann.
Die Auswahl hängt hierbei zum Beispiel von der Zeit ab, die benötigt wird, um eine aufladbare Batterie zu laden. Dafür kann das System die Höhe der übertragenen Leistung überprüfen und entscheiden, welche Energiequelle optimal gekoppelt ist, sowie mit Hilfe einer Steuereinheit ggf. die andere Energiequelle abschalten. Die Benutzung zweier unterschiedlicher Frequenzen für die Spannungsquelle optimiert die Übertragung für jeden Übertragungsweg und minimiert die Wechselwirkung zwischen den beiden Quellen, indem zwischen den beiden schmalbandigen Resonanzbereichen der jeweiligen Resonanzkurven eine Lücke entsprechend der Frequenzdifferenz entsteht. Dies ist in 3C dargestellt, die die Übertragungsstärke von der ersten Energiequelle zur Last (Transmission 1, durchgezogen) sowie von der zweiten Energiequelle zur Last (Transmission 2, gestrichelt) darstellt. Wie aus der Zeichnung zu sehen ist, zeigen beide Kurven schmalbandige Resonanz in unterschiedlichen Frequenzbereichen (im vorliegenden Fall um 120 kHz und um 175 kHz), zwischen denen ein Versatz von ca. 55 kHz entsprechend der Frequenzdifferenz besteht. Im vorstehenden Beispiel betragen k₁₂ = 0,28, k₂₃ = 0,368, k₆₅ = 0,2, k₅₃ = 0,318. Alle anderen Koppelfaktoren sind vernachlässigbar klein und werden deshalb in der vorstehenden Simulation zu Null angenommen.
Die vorliegende Erfindung gestattet es weiterhin, Energie an mehr als ein sekundärseitiges Gerät gleichzeitig zu übertragen. Ein Fall mit zwei Sekundärspulen ist in 4A gezeigt. Spannungsquellen stellen Energie an die sekundärseitigen Lastkreise über Resonanzkopplung bei zwei verschiedenen Frequenzen bereit. Die Primärspulen L₁ und L₆ sind so angeordnet, dass die induktive Kopplung zwischen ihnen sehr gering ist. Dies minimiert die Wechselwirkung zusätzlich zu dem Einsatz verschiedener Frequenzen. Die zwei Lastspulen (Sekundärspulen L₃ und L₄) können innerhalb eines vorgegebenen Bereichs einer für das Laden vorgesehenen Fläche an beliebiger Position angeordnet werden, wobei sie induktiv an die Quellen koppeln und eine effiziente Leistungsübertragung an die Lastkreise ermöglichen.
4B zeigt einen äquivalenten Schaltkreis der gekoppelten Spulen. Die Schaltung der Spulen L₁, L₂, L₃, L₅ und L₆ entspricht derjenigen in 4B. Spule L₄ ist die Sekundärspule eines zweiten, von dem Lastkreis mit der Spule L₃ unabhängigen Lastkreises (in der Regel eines zweiten elektrischen Gerätes, an welches ebenfalls Energie zu übertragen ist). Spule L₄ ist über die Kapazität C₄ mit der Last 35 in derselben Weise verbunden, wie die Sekundärspule L₃ über die Kapazität C₃ mit der Last 15.
Simulationsergebnisse sind in 4C dargestellt. Dabei zeigen die durchgezogene Kurve (Transmission 1) die Resonanzkurve der Energieübertragung von Quelle 1 (10) zu Last 1 (15) und die gestrichelte Kurve (Transmission 2) die Energieübertragung von Quelle 2 (20) zu Last 2 (35). Die Koppelfaktoren wurden für die Simulation wie folgt angenommen: k₁₂ = 0,27, k₂₃ = 0,4, k₆₅ = 0,27, k₅₄ = 0,32. Alle nicht genannten Koppelfaktoren werden wieder vernachlässigbar klein angenommen. Wie dabei zu sehen ist, findet effiziente Energieübertragung in zwei verschiedenen schmalbandigen Frequenzbereichen statt.
Die Verwendung zweier Quellen und zweier Gruppen gekoppelter Resonatoren mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen erlaubt eine unabhängige Energieübertragung an verschiedene Lastkreise und eine adäquate Leistungssteuerung. Dies wird durch die durch Reduktion der Bandbreite erreicht, so dass ein jeweiliger Übertragungskanal (erste Quelle 10 über erste Resonatorgruppe zum ersten Lastkreis 15 bzw. zweite Quelle 20 über zweite Resonatorgruppe zum zweiten Lastkreis 35) praktisch nicht mit dem jeweiligen „Nachbarkanal“ wechselwirkt.
In den vorstehenden Beispielen wurden jeweils drei Spulen (eine Primär-, eine Zwischen- und eine Sekundärspule) für jeden Übertragungsweg gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Insbesondere können weitere Zwischenspulen hinzugefügt werden, und so angeordnet werden dass eine optimale Kopplungskonfiguration für eine konstante Energieübertragung gewährleistet wird.
5 zeigt ein kabelloses Leistungsübertragungssystem, welches zwei Spannungsquellen, verbunden mit zwei Primärspulen (Rechteckspulen 410 und 460) verwendet, um Energie an bis zu vier in Lastkreisen befindliche Sekundärspulen 1 bis 4 zweier verschiedener Frequenzen zu übertragen. Die Übertragung erfolgt wieder mit den Zwischenspulen 420 und 450. Hierbei kann das Leistungsniveau jeweils für zwei Lastkreise simultan geändert werden, und jede Energiequelle wird abgeschaltet, sobald die Energieübertragung an die angeschlossenen Lastkreise vollständig erfolgt ist (zum Beispiel wenn eine zu ladende Batterie voll geladen ist). Das Leistungsniveau kann reduziert werden, wenn zum Beispiel nur eine Last angeschlossen ist (in dem in 5 gezeigten Beispiel also zwei der vier Ladeplätze frei bleiben), womit eine effiziente und schnelle Übertragung gewährleistet ist. Zu diesem Zweck dient die in 5 gezeigte Ansteuereinheit 400. Solche Systeme mit mehreren Energiequellen reduzieren die Anforderungen an die Positionierung der Lastkreise (Sekundärspulen) weiter und garantieren eine effiziente Energieübertragung (insbesondere einen schnellen Ladevorgang) auf einem größeren Flächenbereich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung, bei dem zwischen Primär- und Sekundärspule mindestens eine zusätzliche Zwischenspule zur Verbesserung der Resonanzeigenschaften der Übertragung vorgesehen ist. Zur vollen Ausnutzung der verbesserten Resonanzeigenschaft können weiterhin mehrere Energiequellen vorgesehen sein, welche durch unterschiedliche Frequenzen gespeist werden. Weiterhin ist es möglich, mehrere Energieempfänger in einem entsprechenden induktiven Kopplungsbereich zu positionieren und an diese gleichzeitig Energie zu übertragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/137996 [0007]
US 2010/0259217 A1 [0007]

Claims

Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung, umfassend: eine erste Induktivität (L₁), eingerichtet zum Anschließen an eine Spannungsquelle (10), und eine zweite Induktivität (L₂), welche elektrisch weder mit einer Spannungsquelle noch mit einem Lastkreis verbunden ist, wobei die erste und die zweite Induktivität jeweils zum induktiven Koppeln sowohl untereinander als auch mit einer in einem elektrischen Gerät angeordneten dritten Induktivität (L₃) eingerichtet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen mit der zweiten Induktivität (L₂) elektrisch verbundenen Kondensator (C₂).
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen mit der ersten Induktivität (L₁) elektrisch verbundenen Kondensator (C₁).
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei wenigstens einer der Kondensatoren (C_1’ C₂) zur variablen Einstellung der Kapazität eingerichtet ist.
Einrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 4, eingerichtet zum beweglichen Anordnen der dritten Induktivität (L₃) des elektrischen Geräts, an das Energie übertragen wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Mehrzahl erster Induktivitäten (L₁, L₆, 410, 460), die jeweils zum Anschluss an eine andere einer Mehrzahl von Spannungsquellen (10, 20) eingerichtet sind, und
eine Mehrzahl zweiter Induktivitäten (L₂, L₅, 420, 450), welche elektrisch weder mit einer Spannungsquelle noch mit einem Lastkreis verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die Mehrzahl von Spannungsquellen (10, 20) eingerichtet ist, zeitlich variable Spannungen bereitzustellen, wobei die von verschiedenen Spannungsquellen (10, 20) bereitgestellten Spannungen jeweils über unterschiedliche Frequenzen verfügen.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin umfassend eine Steuereinheit (400), die die Effizienz der induktiven Kopplung der einzelnen Spannungsquellen (10, 20) mit der dritten Induktivität (L₃) anhand der übertragenen Leistung überwacht und eine nicht optimal gekoppelte Spannungsquelle automatisch abschaltet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenigstens eine Spannungsquelle (10, 20) eingerichtet ist, zeitlich variable Spannungen mit variabel einstellbarer Frequenz bereitzustellen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend wenigstens eine an eine erste Induktivität (L₁, L₆, 410, 460) angeschlossene Spannungsquelle.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, eingerichtet zur gleichzeitigen Übertragung von Energie mittels induktiver Kopplung an eine Mehrzahl in elektrischen Geräten angeordneter dritter Induktivitäten (L₃, L₄, 1, 2, 3, 4).
Einrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend eine Leistungssteuereinheit (400) zum Erfassen der Anzahl induktiv an die Einrichtung gekoppelter dritter Induktivitäten (L₃, L₄, 1, 2, 3, 4) und Reduzieren der eingespeisten Leistung, wenn weniger dritte Induktivitäten (L₃, L₄, 1, 2, 3, 4) als die maximal mögliche Anzahl erfasst werden.
System zur kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion, umfassend eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und wenigstens ein elektrisches Gerät, wobei das elektrische Gerät umfasst: eine dritte Induktivität (L₃, L₄, 1, 2, 3, 4), eingerichtet zum induktiven Koppeln mit wenigstens einer ersten (L₁, L₆, 410, 460) und einer zweiten (L₂, L₅, 420, 450) Induktivität in der Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie, und einen mit der dritten Induktivität (L₃, L₄, 1, 2, 3, 4) elektrisch verbundenen Lastkreis (15, 35).
System nach Anspruch 13, wobei der Lastkreis (15, 35) eine Speichereinrichtung für elektrische Energie enthält, und die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie als Ladegerät für die Speichereinrichtung für elektrische Energie dient.
System nach Anspruch 14, weiterhin umfassend eine Abschalteinrichtung (400) zum automatischen Abschalten einer Spannungsquelle (10, 20), wenn die Energiespeicher aller induktiv mit der Spannungsquelle (10, 20) verbundenen Lastkreise (15, 35) voll geladen sind.