-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung mit einer Leiterschleife, mit einem Einkoppelmodul zur induktiven Einkopplung von Energie in die Leiterschleife und mit einem Auskoppelmodul zur induktiven Auskopplung von Energie aus der Leiterschleife. Die Erfindung betrifft weiter auch ein Kabel zur Ausbildung der Leiterschleife.
-
Eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung der eingangs genannten Art dient der Übertragung von Energie zu einem elektrischen Verbraucher ohne einen mechanischen oder elektrischen Kontakt. Über das beispielsweise netzgekoppelte Einkoppelmodul erfolgt die Einspeisung von Energie in die Leiterschleife. Über ein oder mehrere Auskoppelmodule wird die Energie der Leiterschleife induktiv ausgekoppelt und für einen oder mehrere elektrische Verbraucher bereit gestellt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 101 31 905 A1 bekannt. Dort ist zusätzlich zur induktiven Energieübertragung in der Leiterschleife ein Adernpaar zur induktiven Datenübertragung vorgesehen.
-
Der Anwendungsbereich einer Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie erstreckt sich nicht nur auf das Laden von Akkumulatoren, wie dies insbesondere bei E-Mobility Anwendungen benötigt wird, sondern auch auf das Versorgen von Aktoren, Steuergeräten, Umrichtern und Starteinrichtungen in technischen Geräten und insbesondere in Fahrzeugen.
-
Zur induktiven Energieübertragung wird in bekannten Systemen ein Wechselstrom in die Leiterschleife eingespeist. Das Auskoppelmodul wandelt das resultierende magnetische Feld der Leiterschleife in eine Wechselspannung um, die – gegebenenfalls mittels Gleich- oder Wechselrichter gewandelt – einem elektrischen Verbraucher oder mehreren elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird. Um die benötigte Leistung über die Leiterschleife übertragen zu können, müssen entsprechend der gewählten Frequenzen zur Vermeidung des Skin-Effektes oder des Proximity-Effektes Adern mit einem großen Querschnitt oder relativ teure HF-Litzen mit verseilten, zueinander isolierten Feindrähten verwendet werden. Dies macht die Leiterschleife nicht nur teuer sondern auch hinsichtlich ihrer räumlichen Ausgestaltung unflexibel, da starr. Aus der Verwendung mehrerer Windungen in der Leiterschleife wiederum resultiert eine hohe Induktivität, die zu hohen Induktionsspannungen bzw. zu einer hohen Impedanz und somit zu einer unerwünscht hohen Blindleistung in der Übertragung führt.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung der eingangs genannten Art anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik bezüglich der genannten Nachteile verbessert ist.
-
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung, die eine Leiterschleife, ein Einkoppelmodul zur induktiven Einkopplung von Energie in die Leiterschleife und ein Auskoppelmodul zur induktiven Auskopplung von Energie aus der Leiterschleife umfasst, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leiterschleife eine Mehrzahl separater, entlang der Leiterschleife gegeneinander elektrisch isolierter Leiterwindungen umfasst, wobei die Enden von Leiterwindungen wenigstens eines Teilbündels jeweils über eine Kapazität derart miteinander gekoppelt sind, dass über die Kapazitäten eine Anzahl von Leiterwindungen einzeln in sich und/oder eine Anzahl von Leiterwindungen in einer elektrischen Serienschaltung geschlossen sind.
-
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, zur induktiven Energieübertragung am Einkoppelmodul nicht unmittelbar einen Wechselstrom in die Leiterschleife einzuspeisen, sondern vielmehr die Leiterwindungen der Leiterschleife gewissermaßen im Kurzschluss unter Erzeugung von Kreisströmen zu betreiben. Dazu sind die Leiterwindungen der Leiterschleife jeweils einzeln über ihre Enden kapazitiv geschlossen oder es liegt eine Serienschaltung von Leiterwindungen vor, die jeweils über Kapazitäten miteinander in einem Ringschluss verbunden sind. Die Einkopplung von Kreisströmen kann in an sich bekannter Art und Weise am Einkoppelmodul induktiv über ein äußeres magnetisches Erregerfeld erfolgen.
-
Zur Kompensation von Blindleistung wird im Falle mehrerer Leiterwindungen nicht der gesamt verkettete magnetische Fluss im Sinne einer Spule sondern lediglich der jeweilige magnetische Fluss der einzelnen kapazitiv geschlossenen Leiterwindungen berücksichtigt. Die auftretenden Induktionsspannungen und damit die Impedanz der Leiterschleife kann dadurch niedrig gehalten werden. Für die Ausbildung der Leiterschleife kann auf die Verwendung von HF-Litzen verzichtet werden. Insbesondere kann ein flexibles mehradriges Kabel zur Ausbildung der Leiterschleife herangezogen werden, welches mehrere gegeneinander isolierte Adern umfasst.
-
Entlang der Leiterschleife kann ein Auskoppelmodul oder können mehrere Auskoppelmodule angeordnet sein. Die Energie wird von einem Auskoppelmodul dem Magnetfeld entnommen, welches durch die im Kurzschluss (im Grenzfall hoher Frequenzen) betriebenen Leiterwindungen fließenden Kreisströme erzeugt wird. Es kann ein Einkoppelmodul vorgesehen sein. Es können aber auch mehrere gegebenenfalls synchronisierte Einkoppelmodule eingesetzt sein.
-
Es können alle Leiterwindungen der Leiterschleife kapazitiv an ihren Enden in besagter Art und Weise einzeln oder in Serie miteinander gekoppelt sein. Die Leiterschleife kann aber auch nur ein Teilbündel mit solchen kapazitiv verbundenen Leiterwindungen umfassen. Andere Leiterwindungen, deren Enden nicht über Kapazitäten miteinander verbunden sind, die also insbesondere offene Enden aufweisen, können von der Leiterschleife ebenfalls bzw. zusätzlich umfasst sein. Solche offenen Leiterwindungen können insbesondere zu einer Übertragung von Daten parallel zur induktiven Energieübertragung genutzt sein.
-
Wahlweise können die einzelnen Leiterwindungen des Teilbündels, also derjenigen Leiterwindungen, deren Enden kapazitiv zu einem Kurzschlussbetrieb gekoppelt sind, parallel oder seriell verschaltet sein. Insbesondere liegen einzelne Leiterwindungen vor, deren Enden über Kapazitäten in sich geschlossen sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind alle Leiterwindungen des Teilbündels über jeweilige zwischen ihre Enden geschaltete Kapazitäten in sich geschlossen. Dies erlaubt für jede einzelne Leiterwindung eine Blindleistungskompensation durch eine Kapazität, deren Größe auf die Eigeninduktivität der jeweiligen Leiterwindung abgestimmt ist.
-
In einer anderen Ausgestaltung sind alle Leiterwindungen des Teilbündels über jeweilige Kapazitäten derart miteinander verbunden, dass im Bündel eine in sich geschlossene elektrische Serienschaltung der Leiterwindungen umfasst ist. In diesem Fall liegt eine Serienschaltung von Kapazitäten und Induktivitäten vor, wobei die Summe der Kapazitäten zu einer Blindleistungskompensation zur Summe der Induktivitäten betrachtet werden muss.
-
Bei der Ermittlung der Kapazitäten zu einer Blindleistungskompensation werden bevorzugt nicht nur die Eigeninduktivitäten der einzelnen kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen sondern auch die parasitären Kapazitäten berücksichtigt. Die parasitären Kapazitäten ergeben sich durch die kapazitive Kopplung der nebeneinander in der Leiterschleife angeordneten Leiterwindungen. Die parasitären Kapazitäten sind zu den Induktivitäten parallel geschaltet.
-
Durch die über die eingesetzten Kapazitäten ermöglichte Blindleistungskompensation wird es möglich, zur Energieübertragung auch hoher Leistungen handelsübliche mehradrige Kabel einzusetzen, wobei deren einzelne zueinander isolierte Adern beispielsweise aus einer Mehrzahl parallel angeordneter oder verseilter unisolierter Feindrähte gebildet sind. Dabei kann abhängig von der Übertragungsfrequenz, die typischerweise im Bereich von 10 kHz bis 120 kHz liegen kann, eine entsprechende Anpassung der Aderquerschnitte, der Aderanzahl und/oder der Art des Schlags und/oder der Verseilung vorgenommen sein, um Leitungsverluste durch den Skin-Effekt und/oder durch den Proximity-Effekt zu verringern.
-
Bevorzugt sind die Adern des Kabels jeweils als Litzen aus unisolierten Einzeldrähten ausgebildet. Zweckmäßigerweise weisen die Adern des Kabels jeweils eine Querschnittsfläche zwischen 1 mm2 und 3 mm2 auf. Ein solches Kabel kann typischerweise zur Ausbildung einer Leiterschleife herangezogen werden, wobei bei einer Frequenz von bevorzugt 20 kHz bis 150 kHz eine elektrische Leistung von bevorzugt 2 W bis 20 kW, weiter bevorzugt von 10 W bis 200 W, mit Strömen von bevorzugt 1 A bis 15 A übertragen wird.
-
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind das Einkoppelmodul und das Auskoppelmodul weiter zu einer induktiven Datenübertragung über die Leiterschleife eingerichtet und ausgebildet. Zu einer solchen induktiven Datenübertragung kann eine separate Leiterwindung, die also nicht zu dem Teilbündel der über Kapazitäten geschlossenen Leiterwindungen gehört, eingesetzt sein. Auch kann ein entsprechendes separates Leiterpaar zur induktiven Übertragung von Daten verwendet werden, wobei durch dieses Leiterpaar beispielsweise ein Wechselstrom zur Datenübertragung eingespeist wird. Es ist aber ebenso gut möglich, die Datenübertragung über die zur induktiven Energieübertragung vorgesehenen Leiterwindungen vorzunehmen.
-
Weiter bevorzugt umfasst die Leiterschleife wenigstens eine Leiterwindung mit offenen Enden, wobei das Einkoppelmodul und das Auskoppelmodul zusätzlich zu einer kapazitiven Datenübertragung über die offene Leiterwindung ausgebildet sind. Die offene Leiterwindung kann beispielsweise als eine Elektrode eingesetzt sein, deren Potential zu einer kapazitiven Datenübertragung variiert wird. Auch können zwei separate Leiterwindungen eingesetzt sein, die die Elektroden zu einer kapazitiven Datenübertragung bilden.
-
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, wobei eine oder mehrere Leiterwindungen vorgesehen sind, die sowohl zu einer induktiven als auch zu einer kapazitiven Datenübertragung verwendet sind. Das Einkoppelmodul und das Auskoppelmodul sind hierbei sowohl zu einer induktiven als auch zu einer kapazitiven Datenübertragung ausgebildet. Durch die gleichzeitig induktive und kapazitive Datenübertragung wird die Ausfallsicherheit der Datenübertragung erhöht und die Störempfindlichkeit reduziert.
-
Durch die kapazitive Kopplung der zur induktiven Energieübertragung eingesetzten Leiterwindungen der Leiterschleife entsteht eine Serienschaltung von Induktivitäten und Kapazitäten. Bevorzugt ist das Einkoppelmodul zur induktiven Einkopplung von Energie mit einer der entsprechenden Serienresonanz der kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen entsprechenden Frequenz ausgebildet. Im Resonanzfall sinkt die Impedanz auf ein Minimum, wobei im Idealfall der Blindleistungsstrom und damit die Blindleistung kompensiert ist. Die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung arbeitet dann im Bereich ihrer minimalen Verluste.
-
Um Effekte durch angekoppelte Auskoppelmodule bzw. Verbraucher zu kompensieren, ist das Einkoppelmodul vorteilhafterweise zu einer Regelung der Einspeisefrequenz auf einen hohen Einspeisestrom ausgebildet. Bevorzugt ist das Einkoppelmodul hierbei zu einer Regelung der Einspeisefrequenz auf das Maximum des Effektivwertes des Einspeisestroms ausgebildet. Dabei wird die stark ausgeprägte Serienresonanz der vorbeschriebenen Anordnung von Leiterwindungen verwendet. Grundsätzlich kann als Regelkriterium das Maximum der Admittanz bzw. das Minimum der Impedanz verwendet sein. Durch eine Mittelwertbildung und Betrachtung des Effektivwerts des Speisestroms wird ein Analogsignal erzeugt, dessen Bandbreite erheblich geringer als die des tatsächlichen Signals ist. Das sehr niederfrequente Signal des Effektivwerts des Einspeisestroms kann mit einem handelsüblichen einfachen Mikrocontroller weiter verarbeitet und zu einer entsprechenden Regelung oder Steuerung des Einkoppelmoduls herangezogen werden. Dazu kann das Einkoppelmodul beispielsweise mit einem Wechselrichter ausgestattet sein, der bedarfsabhängig die Übertragungsfrequenz für die einzukoppelnde Energie anpasst. Üblicherweise ist ein solcher Wechselrichter mit einer H-Brücke ausgestaltet, die es über PWM-Steuerung ermöglicht, die Frequenz des Ausgangssignals entsprechend zu variieren.
-
Der Erfindung liegt als weitere Aufgabe zugrunde, ein Kabel anzugeben, welches sich zur induktiven Energieübertragung in einer Vorrichtung der vorbeschriebenen Art eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein flexibles Kabel gelöst, welches eine Mehrzahl von elektrisch zueinander isolierten Adern umfasst, wobei die Enden von Adern wenigstens eines Teilbündels jeweils über eine Kapazität miteinander derart gekoppelt sind, dass über die Kapazitäten eine Anzahl von Adern einzeln in sich und/oder eine Anzahl von Adern in einer elektrischen Serienschaltung geschlossen sind.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den auf das Kabel gerichteten Unteransprüchen entnommen werden. Dabei können die für die Vorrichtung zur Energieübertragung entsprechend genannten Vorteile sinngemäß auf das Kabel übertragen werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung,
-
2 schematisch einen Querschnitt durch die zur induktiven Energieübertragung in der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzten Leiterschleife und
-
3 schematisch eine Mehrzahl von kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen in der zur Energieübertragung der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzten Leiterschleife.
-
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei eine flexible, räumlich ausgedehnte Leiterschleife 3, die eine Mehrzahl von in sich kapazitiv geschlossenen Leiterwindungen umfasst. Zur Einkopplung von Energie sind zwei Einkoppelmodule 4 vorgesehen. Weiter sind entlang der Leiterschleife 3 zwei Auskoppelmodule 5 angeordnet, die Energie aus der Leiterschleife 3 beziehen und für elektrische Verbraucher bereitstellen.
-
Das Einkoppelmodul 4 wird von einem Netz 7 versorgt und ist diesem über einen steuerbaren Wechselrichter 8 angeschlossen. Die Kapazitäten der einzelnen Leiterwindungen der Leiterschleife 3 sind zu einer Blindleistungskompensation der Induktivitäten der jeweils kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen gewählt. Die Übertragungsfrequenz der Energie findet im Bereich der Serienresonanz der kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen statt. Die Energie wird am Einkoppelmodul 4 induktiv unter Ausbildung von Kreisströmen in die kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen der Leiterschleife 3 eingekoppelt. Die Auskoppelmodule 5 entnehmen über das Magnetfeld der Kreisströme aus der Leiterschleife 3 Energie und stellen diese beispielsweise über Gleich- oder Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Verbrauchern zur Verfügung. Über eine Regelung der Energieübertragung auf das Maximum des Einspeisestromes sind die Verluste der Energieübertragung minimiert.
-
In 2 ist schematisch ein Querschnitt durch die Leiterschleife 3 entsprechend 1 dargestellt. Als Leiterschleife 3 ist ein flexibles Kabel 10 eingesetzt. Das Kabel 10 umfasst in einem Mantel 13 zueinander isolierte Adern 14, 20, 21, 22. Die Adern 14 sind dabei offene Leiterwindungen und werden zu einer kapazitiven und induktiven Datenübertragung eingesetzt. Die Adern 20, 21, 22 sind an ihren Enden über Kapazitäten miteinander verbunden und insofern in Kurzschluss (im Grenzfall hoher Frequenzen) betrieben. Die Adern bzw. Leiterwindungen 20, 21, 22, die im Kurzschluss betrieben werden, stellen ein Teilbündel 16 des Kabels 10 dar, welches zur Energieübertragung in der Leiterschleife 3 der Vorrichtung 1 gemäß 1 verwendet wird.
-
3 zeigt schematisch die kapazitive Kopplung von Leiterwindungen bzw. Adern 20, 21, 22 in dem Kabel 10 gemäß 2. Man erkennt, dass die Leiterwindung 20 an ihren Enden über eine Kapazität 24 in sich geschlossen ist. Die Leiterwindungen 21, 22 sind über die Kapazitäten 25, 26 in einer geschlossenen Serienschaltung miteinander verbunden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung zur Energieübertragung
- 3
- Leiterschleife
- 4
- Einkoppelmodul
- 5
- Auskoppelmodul
- 7
- Netz
- 8
- Wechselrichter
- 10
- Kabel
- 13
- Mantel
- 14
- Adern, Leiterwindung (offen)
- 16
- Teilbündel
- 20, 21, 22
- Adern, Leiterwindung (geschlossen)
- 24, 25, 26
- Kapazität
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
