DE102014000909A1

DE102014000909A1 - Device for contactless energy transmission

Info

Publication number: DE102014000909A1
Application number: DE102014000909.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Schmidt; Rüdiger Schmidt; Michael Gleißner; Karl-Ernst Vathauer
Original assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN AMBERG WEIDEN; Hochschule fur angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden; Msf Vathauer Antriebstechnik & Co KG GmbH; Msf-Vathauer Antriebstechnik & Co KG GmbH; Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN AMBERG WEIDEN; Hochschule fur angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden; Msf Vathauer Antriebstechnik & Co KG GmbH; Msf-Vathauer Antriebstechnik & Co KG GmbH; Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend eine Leiterschleife (3), ein Einkoppelmodul (4) zur induktiven Einkopplung von Energie in die Leiterschleife (3) und ein Auskoppelmodul (5) zur induktiven Auskopplung von Energie aus der Leiterschleife (3) angegeben. Dabei ist vorgesehen, dass die Leiterschleife (3) eine Mehrzahl separater, entlang der Leiterschleife (3) gegeneinander elektrisch isolierter Leiterwindungen (14, 20, 21, 22) umfasst, wobei die Enden von Leiterwindungen (20, 21, 22) wenigstens eines Teilbündels (16) jeweils über eine Kapazität (24, 25, 26) derart miteinander gekoppelt sind, dass über die Kapazitäten (24) eine Anzahl von Leiterwindungen (20) einzeln in sich und/oder eine Anzahl von Leiterwindungen (21, 22) in einer elektrischen Serienschaltung geschlossen sind. Weiter wird ein Kabel (10) für eine derartige Leiterschleife (3) angegeben.The invention relates to a device (1) for contactless energy transmission, comprising a conductor loop (3), a coupling module (4) for inductive coupling of energy into the conductor loop (3) and a coupling-out module (5) for inductive coupling of energy from the conductor loop (3 ). It is provided that the conductor loop (3) comprises a plurality of separate, along the conductor loop (3) mutually electrically insulated conductor windings (14, 20, 21, 22), wherein the ends of conductor windings (20, 21, 22) at least one sub-beam (16) in each case via a capacitor (24, 25, 26) are coupled together in such a way that over the capacitances (24) a number of conductor turns (20) individually in and / or a number of conductor turns (21, 22) in one series electrical circuit are closed. Further, a cable (10) for such a conductor loop (3) is given.

Description

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.The invention relates to a device for contactless energy transmission with a conductor loop, with a coupling module for the inductive coupling of energy in the conductor loop and with a decoupling module for the inductive coupling of energy from the conductor loop. The invention further relates to a cable for forming the conductor loop.

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.A device for inductive energy transmission of the type mentioned above is used to transfer energy to an electrical consumer without a mechanical or electrical contact. About the example grid-coupled coupling module, the feeding of energy into the conductor loop takes place. Via one or more decoupling modules, the energy of the conductor loop is inductively decoupled and made available for one or more electrical consumers. Such a device is for example from the DE 101 31 905 A1 known. There, a pair of wires for inductive data transmission is provided in addition to the inductive energy transfer in the conductor loop.

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.The scope of a non-contact energy transmission device extends not only to the charging of accumulators, as required particularly in e-mobility applications, but also to the supply of actuators, control devices, converters and starting devices in technical devices and in particular in vehicles ,

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.For inductive energy transmission, an alternating current is fed into the conductor loop in known systems. The decoupling module converts the resulting magnetic field of the conductor loop into an alternating voltage, which - if necessary converted by means of rectifier or inverter - is provided to an electrical consumer or to a plurality of electrical consumers. In order to be able to transmit the required power via the conductor loop, cores with a large cross-section or relatively expensive HF-strands with stranded, mutually insulated fine wires must be used in accordance with the selected frequencies to avoid the skin effect or the proximity effect. This makes the conductor loop not only expensive but also inflexible in terms of their spatial design, as rigid. The use of multiple turns in the conductor loop in turn results in a high inductance, which leads to high induction voltages or to a high impedance and thus to an undesirably high reactive power in the transmission.

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.The invention is therefore based on the object to provide a device for inductive energy transmission of the type mentioned, which is improved over the prior art with respect to the disadvantages mentioned.

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.This object is achieved according to the invention for a device for contactless energy transmission, which comprises a conductor loop, a coupling module for the inductive coupling of energy into the conductor loop and a coupling-out module for the inductive coupling of energy from the conductor loop, in that the conductor loop has a plurality of separate, along the Conductor loop against each other electrically insulated conductor windings comprises, wherein the ends of conductor windings of at least one sub-bundle are each coupled via a capacitance such that over the capacitances a number of conductor windings individually in and / or a number of conductor turns are closed in a series electrical connection.

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.The invention is based on the idea not to directly feed an alternating current into the conductor loop for inductive energy transmission at the coupling module, but rather to operate the conductor turns of the conductor loop to a certain extent in the short circuit to generate circulating currents. For this purpose, the conductor windings of the conductor loop are each capacitively closed individually via their ends or there is a series circuit of conductor windings, which are each connected to each other via capacitances in a ring closure. The coupling of circulating currents can be carried out in a manner known per se on the coupling module inductively via an external magnetic exciter field.

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.To compensate for reactive power, in the case of multiple conductor windings, not the total concatenated magnetic flux in the sense of a coil but only the respective magnetic flux of the individual capacitively closed conductor windings is taken into account. The occurring induction voltages and thus the impedance of the conductor loop can be kept low. For the formation of the conductor loop can be dispensed with the use of RF strands. In particular, a flexible multi-core cable can be used to form the conductor loop, which comprises a plurality of mutually insulated cores.

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.Along the conductor loop, a decoupling module or several decoupling modules can be arranged. The energy is taken from a decoupling module from the magnetic field, which is generated by the current flowing in the short circuit (in the limit of high frequencies) conductor turns circulating currents. It may be provided a coupling module. However, it is also possible to use a plurality of optionally synchronized coupling-in modules.

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. All conductor turns of the conductor loop may be capacitively coupled at their ends in said manner individually or in series with each other. However, the conductor loop can also comprise only a partial bundle with such capacitively connected conductor windings. Other conductor windings, the ends of which are not connected to one another via capacitances, that is to say in particular have open ends, can also be included in the conductor loop. Such open conductor windings can be used in particular for a transmission of data parallel to the inductive energy transmission.

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.Optionally, the individual conductor windings of the sub-beam, ie those conductor windings whose ends are capacitively coupled to a short-circuit operation, be connected in parallel or in series. In particular, individual conductor windings are present whose ends are closed in terms of capacity. In an advantageous embodiment, all the conductor turns of the sub-bundle are closed by respective capacitors connected between their ends. This allows a reactive power compensation for each individual conductor winding by a capacitance whose size is matched to the self-inductance of the respective conductor winding.

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.In another embodiment, all conductor windings of the sub-beam are connected to each other via respective capacitances such that a self-contained electrical series connection of the conductor windings is included in the bundle. In this case, there is a series connection of capacitances and inductances, wherein the sum of the capacitances must be considered as a reactive power compensation to the sum of the inductances.

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.In determining the capacitances for a reactive power compensation, preferably not only the self-inductances of the individual capacitively coupled conductor windings but also the parasitic capacitances are taken into account. The parasitic capacitances result from the capacitive coupling of the conductor windings arranged next to one another in the conductor loop. The parasitic capacitances are connected in parallel with the inductors.

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.The reactive power compensation made possible by the capacitances used makes it possible to use commercially available multicore cables for energy transmission even with high powers, the individual insulated wires of which are formed for example from a plurality of parallel or stranded uninsulated fine wires. In this case, depending on the transmission frequency, which may typically be in the range of 10 kHz to 120 kHz, a corresponding adjustment of the wire cross sections, the number of cores and / or the nature of the impact and / or the stranding be made to conduction losses through the skin effect and / or decrease by the proximity effect.

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.Preferably, the wires of the cable are each formed as strands of uninsulated individual wires. Conveniently, the wires of the cable each have a cross-sectional area between 1 mm ² and 3 mm ² . Such a cable can typically be used to form a conductor loop, wherein at a frequency of preferably 20 kHz to 150 kHz, an electrical power of preferably 2 W to 20 kW, more preferably from 10 W to 200 W, with currents of preferably 1 A to 15 A is transmitted.

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.In a further preferred embodiment, the coupling-in module and the coupling-out module are further set up and designed for inductive data transmission via the conductor loop. For such an inductive data transmission, a separate conductor winding, which thus does not belong to the sub-beam of the conductor windings closed by capacitances, can be used. Also, a corresponding separate pair of conductors for the inductive transmission of data can be used, with this pair of conductors, for example, an alternating current for data transmission is fed. However, it is just as possible to carry out the data transmission via the conductor windings provided for inductive energy transmission.

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.More preferably, the conductor loop comprises at least one conductor winding with open ends, wherein the coupling module and the coupling-out module are formed in addition to a capacitive data transmission via the open conductor winding. The open conductor winding can be used, for example, as an electrode whose potential is varied to a capacitive data transmission. Also, two separate conductor windings can be used, which form the electrodes for a capacitive data transmission.

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.Particularly preferred is an embodiment, wherein one or more conductor windings are provided, which are used both for an inductive as well as for a capacitive data transmission. The coupling-in module and the coupling-out module are in this case designed both for inductive and for capacitive data transmission. The simultaneous inductive and capacitive data transmission increases the reliability of the data transmission and reduces the susceptibility to interference.

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.The capacitive coupling of the conductor windings of the conductor loop used for inductive energy transmission produces a series connection of inductors and capacitors. Preferably, the coupling module for inductive coupling of Energy is formed with a frequency corresponding to the corresponding series resonance of the capacitively coupled conductor windings. In the case of resonance, the impedance drops to a minimum, and in the ideal case the reactive power current and thus the reactive power is compensated. The device for inductive energy transmission then works in the range of their minimum losses.

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.In order to compensate for effects by coupled out coupling modules or consumers, the coupling module is advantageously designed to control the feed frequency to a high feed. In this case, the coupling-in module is preferably designed to regulate the feed-in frequency to the maximum of the effective value of the feed-in current. In this case, the strongly pronounced series resonance of the above-described arrangement of conductor windings is used. In principle, the maximum of the admittance or the minimum of the impedance can be used as the control criterion. Averaging and looking at the RMS value of the supply current produces an analog signal whose bandwidth is significantly less than that of the actual signal. The very low-frequency signal of the effective value of the feed-in current can be processed further with a commercially available simple microcontroller and used for a corresponding regulation or control of the coupling-in module. For this purpose, the coupling module may for example be equipped with an inverter, which adapts the transmission frequency for the energy to be coupled as needed. Typically, such an inverter is designed with an H-bridge, which allows PWM control to vary the frequency of the output signal accordingly.

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.The invention has the further object of specifying a cable which is suitable for inductive energy transmission in a device of the type described above. According to the invention, this object is achieved by a flexible cable which comprises a plurality of conductors which are electrically insulated from one another, wherein the ends of cores of at least one sub-group are each coupled to one another via a capacitance in such a way that a number of cores individually and / or in one another via the capacitances or a number of wires are closed in a series electrical connection.

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.Further advantageous embodiments can be taken from the directed to the cable dependent claims. In this case, the advantages mentioned for the device for energy transfer can be transferred to the cable.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Showing:

1 schematisch eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung, 1 schematically a device for inductive energy transmission,

2 schematisch einen Querschnitt durch die zur induktiven Energieübertragung in der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzten Leiterschleife und 2 schematically a cross section through the inductive energy transmission in the device according to 1 inserted conductor loop and

3 schematisch eine Mehrzahl von kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen in der zur Energieübertragung der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzten Leiterschleife. 3 schematically a plurality of capacitively coupled conductor turns in the energy transmission of the device according to 1 inserted conductor loop.

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.In 1 is schematically a device 1 shown for inductive energy transfer. The device 1 this includes a flexible, spatially extended conductor loop 3 comprising a plurality of capacitively closed conductor turns. For the coupling of energy are two coupling modules 4 intended. Next are along the conductor loop 3 two decoupling modules 5 arranged the energy from the conductor loop 3 refer and provide for electrical consumers.

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.The coupling module 4 is from a network 7 is powered and this is about a controllable inverter 8th connected. The capacitances of the individual conductor windings of the conductor loop 3 are selected for a reactive power compensation of the inductances of the respective capacitively coupled conductor windings. The transmission frequency of the energy takes place in the region of the series resonance of the capacitively coupled conductor windings. The energy is at the coupling module 4 inductively with the formation of circular currents in the capacitively coupled conductor turns of the conductor loop 3 coupled. The decoupling modules 5 take over the magnetic field of the circulating currents from the conductor loop 3 Energy and make them available for example via DC or inverter connected electrical consumers. By regulating the energy transfer to the maximum of the feed-in current, the losses of the energy transfer are minimized.

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.In 2 is a schematic cross section through the conductor loop 3 corresponding 1 shown. As conductor loop 3 is a flexible cable 10 used. The cable 10 covered in a coat 13 isolated cores 14 . 20 . 21 . 22 , The veins 14 are thereby open conductor turns and are used for a capacitive and inductive data transmission. The veins 20 . 21 . 22 are connected at their ends via capacitances and thus operated in short circuit (in the limit of high frequencies). The wires or conductor windings 20 . 21 . 22 , which are operated in the short circuit, provide a partial bundle 16 of the cable 10 which is used for energy transfer in the conductor loop 3 the device 1 according to 1 is used.

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. 3 schematically shows the capacitive coupling of conductor windings or wires 20 . 21 . 22 in the cable 10 according to 2 , It can be seen that the conductor winding 20 at their ends over a capacity 24 is closed in itself. The conductor turns 21 . 22 are about the capacities 25 . 26 connected in a closed series connection.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtung zur EnergieübertragungDevice for energy transmission
33: Leiterschleifeconductor loop
44: EinkoppelmodulEinkoppelmodul
55: Auskoppelmodulcoupling-out
77: Netznetwork
88th: Wechselrichterinverter
1010: Kabelelectric wire
1313: Mantelcoat
1414: Adern, Leiterwindung (offen)Cores, conductor winding (open)
1616: Teilbündelpartial bundle
20, 21, 2220, 21, 22: Adern, Leiterwindung (geschlossen)Cores, conductor winding (closed)
24, 25, 2624, 25, 26: Kapazitätcapacity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10131905 A1 [0002] DE 10131905 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend eine Leiterschleife (3), ein Einkoppelmodul (4) zur induktiven Einkopplung von Energie in die Leiterschleife (3) und ein Auskoppelmodul (5) zur induktiven Auskopplung von Energie aus der Leiterschleife (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (3) eine Mehrzahl separater, entlang der Leiterschleife (3) gegeneinander elektrisch isolierter Leiterwindungen (14, 20, 21, 22) umfasst, wobei die Enden von Leiterwindungen (20, 21, 22) wenigstens eines Teilbündels (16) jeweils über eine Kapazität (24, 25, 26) derart miteinander gekoppelt sind, dass über die Kapazitäten (24, 25, 26) eine Anzahl von Leiterwindungen (20) einzeln in sich und/oder eine Anzahl von Leiterwindungen (21, 22) in einer elektrischen Serienschaltung geschlossen sind.Contraption ( 1 ) for contactless energy transfer, comprising a conductor loop ( 3 ), a coupling module ( 4 ) for inductive coupling of energy into the conductor loop ( 3 ) and a decoupling module ( 5 ) for the inductive extraction of energy from the conductor loop ( 3 ), characterized in that the conductor loop ( 3 ) a plurality of separate, along the conductor loop ( 3 ) against each other electrically insulated conductor windings ( 14 . 20 . 21 . 22 ), the ends of conductor windings ( 20 . 21 . 22 ) at least one sub-bundle ( 16 ) each have a capacity ( 24 . 25 . 26 ) are coupled to one another in such a way that over the capacities ( 24 . 25 . 26 ) a number of conductor turns ( 20 ) individually and / or a number of conductor turns ( 21 . 22 ) are closed in a series electrical connection.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Leiterwindungen (20) des Teilbündels (16) über jeweilige zwischen ihre Enden geschaltete Kapazitäten (24) in sich geschlossen sind.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that all conductor windings ( 20 ) of the sub-bundle ( 16 ) via respective capacities connected between their ends ( 24 ) are self-contained.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Leiterwindungen (21, 22) des Teilbündels (16) über jeweilige Kapazitäten (25, 26) derart miteinander verbunden sind, dass im Teilbündel (16) eine in sich geschlossene elektrische Serienschaltung der Leiterwindungen (21, 22) umfasst ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that all conductor windings ( 21 . 22 ) of the sub-bundle ( 16 ) on respective capacities ( 25 . 26 ) are interconnected in such a way that in the sub-bundle ( 16 ) a self-contained series electrical connection of the conductor windings ( 21 . 22 ) is included.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leiterschleife (3) ein flexibles, eine Mehrzahl von elektrisch zueinander isolierten Adern umfassendes Kabel (10) eingesetzt ist, wobei die Adern des Kabels (10) die Leiterwindungen (14, 20, 21, 22) bilden.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that as conductor loop ( 3 ) a flexible, a plurality of electrically insulated wires to each other comprehensive cable ( 10 ), the wires of the cable ( 10 ) the conductor turns ( 14 . 20 . 21 . 22 ) form.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern des Kabels (10) jeweils als Litzen aus isolierten Einzeldrähten ausgebildet sind.Contraption ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the wires of the cable ( 10 ) are each formed as strands of insulated individual wires.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern des Kabels (10) jeweils eine Querschnittsfläche zwischen 1 mm² und 3 mm² aufweisen.Contraption ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the wires of the cable ( 10 ) each have a cross-sectional area between 1 mm ² and 3 mm ² .

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelmodul (4) und das Auskoppelmodul (5) weiter zu einer induktiven Datenübertragung über die Leiterschleife (3) eingerichtet und ausgebildet sind.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling-in module ( 4 ) and the decoupling module ( 5 ) to an inductive data transmission via the conductor loop ( 3 ) are furnished and designed.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (3) wenigstens eine Leiterwindung (14) mit offenen Enden umfasst, wobei das Einkoppelmodul (4) und das Auskoppelmodul (5) zusätzlich zu einer kapazitiven Datenübertragung über die offene Leiterwindung (14) ausgebildet sind.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor loop ( 3 ) at least one conductor winding ( 14 ) with open ends, wherein the coupling module ( 4 ) and the decoupling module ( 5 ) in addition to a capacitive data transmission via the open conductor winding ( 14 ) are formed.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (24, 25, 26) zu einer Blindleistungskompensation der jeweils kapazitiv verbundenen Leiterwindungen (20, 21, 22) gewählt sind.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the capacities ( 24 . 25 . 26 ) to a reactive power compensation of each capacitively connected conductor turns ( 20 . 21 . 22 ) are selected.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelmodul (4) zur induktiven Einkopplung von Energie mit einer der Serienresonanz der kapazitiv gekoppelten Leiterwindungen (20, 21, 22) entsprechenden Frequenz ausgebildet ist.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling-in module ( 4 ) for inductive coupling of energy with one of the series resonances of the capacitively coupled conductor windings ( 20 . 21 . 22 ) is formed corresponding frequency.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelmodul (4) zu einer Regelung der Einspeisefrequenz auf einen hohen Einspeisestrom, insbesondere auf das Maximum des Effektivwerts des Einspeisestroms, ausgebildet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the coupling module ( 4 ) is designed to regulate the supply frequency to a high feed-in current, in particular to the maximum of the effective value of the feed-in current.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Auskoppelmodulen (5) und/oder durch eine Mehrzahl von Einkoppelmodulen (4).Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of decoupling modules ( 5 ) and / or by a plurality of coupling modules ( 4 ).

Flexibles Kabel (10) für eine Vorrichtung zur Energieübertragung (1) mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von elektrisch zueinander isolierten Adern (14, 20, 21, 22), wobei die Enden von Adern (20, 21, 22) wenigstens eines Teilbündels (16) jeweils über eine Kapazität (24, 25, 26) miteinander derart gekoppelt sind, dass über die Kapazitäten (24, 25, 26) eine Anzahl von Adern (20) einzeln in sich und/oder eine Anzahl von Adern (21, 22) in einer elektrischen Serienschaltung geschlossen sind.Flexible cable ( 10 ) for a device for energy transmission ( 1 ) with the features according to one of claims 1 to 12, characterized by a plurality of electrically isolated cores ( 14 . 20 . 21 . 22 ), the ends of wires ( 20 . 21 . 22 ) at least one sub-bundle ( 16 ) each have a capacity ( 24 . 25 . 26 ) are coupled together in such a way that over the capacities ( 24 . 25 . 26 ) a number of wires ( 20 ) individually and / or a number of wires ( 21 . 22 ) are closed in a series electrical connection.

Kabel (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle Adern (20) des Teilbündels (16) über jeweilige zwischen ihre Enden geschaltete Kapazitäten (24) in sich geschlossen sind.Electric wire ( 10 ) according to claim 13, characterized in that all the wires ( 20 ) of the sub-bundle ( 16 ) via respective capacities connected between their ends ( 24 ) are self-contained.

Kabel (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle Adern (21, 22) des Teilbündels (16) über jeweilige Kapazitäten (25, 26) derart miteinander verbunden sind, dass im Bündel eine in sich geschlossene elektrische Serienschaltung der Adern (21, 22) umfasst ist.Electric wire ( 10 ) according to claim 13 or 14, characterized in that all the wires ( 21 . 22 ) of the sub-bundle ( 16 ) on respective capacities ( 25 . 26 ) are interconnected in such a way that in the bundle a self-contained series electrical connection of the wires ( 21 . 22 ) is included.

Kabel (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern (14, 20, 21, 22) jeweils als Litzen aus unisolierten Einzeldrähten ausgebildet sind.Electric wire ( 10 ) according to one of claims 13 to 15, characterized in that the wires ( 14 . 20 . 21 . 22 ) are each formed as strands of uninsulated strands.

Kabel (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Adern (14, 20, 21, 22) jeweils eine Querschnittsfläche zwischen 1 mm² und 3 mm² aufweisen.Electric wire ( 10 ) according to one of claims 13 to 16, characterized in that the wires ( 14 . 20 . 21 . 22 ) each have a cross-sectional area between 1 mm ² and 3 mm ² .

Kabel (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel wenigstens eine Ader (14) mit offenen Enden umfasst.Electric wire ( 10 ) according to one of claims 13 to 17, characterized in that the cable has at least one core ( 14 ) with open ends.