DE102015209810A1

DE102015209810A1 - Device for inductive charging

Info

Publication number: DE102015209810A1
Application number: DE102015209810.9A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Primärspuleneinheit für ein induktives Ladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Hauptspule (3a) umfasst und die Primärspuleneinheit zumindest eine Anpassungsspule (3b) umfasst, die elektrisch kurzschließbar ist.A primary coil unit for an inductive charging system, wherein the primary coil unit comprises a main coil (3a) and the primary coil unit comprises at least one matching coil (3b) which is electrically short-circuitable.

Description

Die Erfindung betrifft eine Primärspuleneinheit für ein induktives Ladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Hauptspule umfasst.The invention relates to a primary coil unit for an inductive charging system, wherein the primary coil unit comprises a main coil.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des induktiven Ladens einer aufladbaren Batterie eines Fahrzeugs. Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, umfassen aufladbare Batterien zur Speicherung elektrischer Energie. Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom fahrzeugäußeren Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion, die Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs überbrückend, elektrische Energie zum Laden der Batterie übertragen wird. Das Fahrzeug umfasst eine sogenannte Sekundärspule im Bereich des Fahrzeugunterbodens, außerhalb des Fahrzeugs befindet sich eine Primärspule, relativ zu der das Fahrzeug mit der Sekundärspule zum Laden zu positionieren ist. Die Primärspule kann auch als Basis- oder Bodeneinheit bezeichnet werden, da die Primärspule in geeigneter Weise mit dem Untergrund, z. B. einem Parkplatz, verbunden ist, siehe z. B. die Schrift DE 10 2007 033 654 A1 .The invention is in the field of inductive charging of a rechargeable battery of a vehicle. Vehicles, especially vehicles with electric drive, include rechargeable batteries for storing electrical energy. One approach to automatically, wirelessly, inductively charging the battery of the vehicle is to transmit electrical energy to charge the battery from the vehicle exterior floor to the underbody of the vehicle via magnetic induction bridging the underfloor freedom of the vehicle. The vehicle comprises a so-called secondary coil in the region of the vehicle underbody, outside the vehicle there is a primary coil relative to which the vehicle with the secondary coil is to be positioned for loading. The primary coil may also be referred to as a base or bottom unit, since the primary coil in a suitable manner with the ground, z. As a parking lot is connected, see z. B. the font DE 10 2007 033 654 A1 ,

Eine hohe Ladeeffizienz kann nur erreicht werden, wenn zum Laden die Sekundärspule relativ zur Primärspule genau positioniert wird, d. h. im Bereich einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Nach der Schrift DE 10 2012 2016 660 A1 wird der Nutzer des Fahrzeugs beim Abstellen durch technische Verfahren unterstützt, um diese genaue Positionierung zu erreichen. Das technische Verfahren optimiert die relative Lage der beiden Spulen zueinander, indem als Parameter die Fahrzeugposition in x- und y-Richtung sowie der Fahrzeugtyp erfasst werden, um in allen drei Fahrzeug- bzw. Raumrichtungen, also auch bezüglich der Fahrzeughöhe in z-Richtung, eine optimale Spulenlage einstellbar ist. Die z-Richtung wird gemäß DE 10 2012 2016 660 A1 durch eine z-Höhenverstellbarkeit einer bodengebundenen, x- und y-beweglichen Primärspuleneinheit erreicht.A high charging efficiency can only be achieved if the secondary coil is positioned accurately relative to the primary coil for charging, ie in the range of an accuracy of a few centimeters. After the writing DE 10 2012 2016 660 A1 When the vehicle is parked, the user of the vehicle is assisted by technical procedures to achieve this exact positioning. The technical method optimizes the relative position of the two coils with respect to one another by detecting the vehicle position in the x and y direction and the vehicle type as parameters in order to determine in all three vehicle or spatial directions, ie also with respect to the vehicle height in the z direction. an optimal coil position is adjustable. The z direction is according to DE 10 2012 2016 660 A1 achieved by z-height adjustability of a ground-based, x- and y-movable primary coil unit.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Primärspuleneinheit für ein induktives Ladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Hauptspule umfasst, zu beschreiben.It is an object of the invention to describe an improved primary coil unit for an inductive charging system, wherein the primary coil unit comprises a main coil.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Primärspuleneinheit gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a primary coil unit according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst die Primärspuleneinheit zumindest eine Anpassungsspule, die elektrisch kurzschließbar ist.According to the invention, the primary coil unit comprises at least one matching coil, which is electrically short-circuitable.

Die Primärspuleneinheit weist also zumindest zwei Spulen auf, die unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Hauptspule ist als eine Primärspule nach dem Stand der Technik zur induktiven Energieübertragung ausgeführt. Die zumindest eine Anpassungsspule ist als eine passive Spule ausgeführt, d. h. diese Spule selbst ist nicht zur induktiven Energieübertragung mit der Sekundärspule vorgesehen.The primary coil unit thus has at least two coils which are operable independently of one another. The main coil is designed as a primary coil according to the prior art for inductive energy transmission. The at least one matching coil is designed as a passive coil, i. H. This coil itself is not intended for inductive energy transfer to the secondary coil.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Primärspuleneinheit einen der zumindest einen Anpassungsspule zugeordneten Schalter umfasst, um die Anpassungsspule elektrisch kurzschließen zu können.It is furthermore advantageous if the primary coil unit comprises a switch associated with the at least one adaptation coil in order to be able to electrically short-circuit the adaptation coil.

Dies bedeutet, dass die Anpassungsspule als passive Spule zwei Betriebszustände annehmen. Im ersten Betriebszustand ist der zugeordnete Schalter geöffnet und die Spule verhält sich neutral, wie ein elektrisch unkontaktiertes, offenes Leiterstück. Im zweiten Betriebszustand ist der zugeordnete Schalter geöffnet und die Spule ist kurzgeschlossen. In diesem Betriebszustand wirkt die Anpassungsspule als passive Spule, d. h. eine induktive Wechselwirkung mit der Hauptspule erfolgt dann, wenn die Anpassungsspule von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld durchsetzt wird. Infolge dieser Wechselwirkung verändert die Anpassungsspule das magnetische Verhalten der Hauptspule, so dass die Anpassungsspule die Eigenschaften der Primärspuleneinheit mitbestimmt bzw. „anpasst”.This means that the matching coil as a passive coil assume two operating states. In the first operating state of the associated switch is open and the coil behaves neutral, such as an electrically uncontacted, open conductor piece. In the second operating state, the associated switch is open and the coil is short-circuited. In this mode, the matching coil acts as a passive coil, i. H. an inductive interaction with the main coil takes place when the matching coil is penetrated by a time-varying magnetic field. As a result of this interaction, the matching coil changes the magnetic behavior of the main coil, so that the matching coil co-determines or "adjusts" the properties of the primary coil unit.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter als Transistor ausgeführt. Ein Transistor ist ein einfacher, kostengünstiger und robuster Schalter, der elektrisch präzise angesteuert werden kann.According to a preferred embodiment of the invention, the switch is designed as a transistor. A transistor is a simple, inexpensive and robust switch that can be electrically controlled precisely.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung umfasst ein Induktivladesystem für ein Kraftfahrzeug eine Primärspuleneinheit nach einer dieser Ausführungen sowie eine fahrzeugseitige Sekundärspule. Dann ist es vorteilhaft, wenn das Induktivladesystem oder das Fahrzeug auch eine Steuereinheit umfasst, das Induktivladesystem von der Steuereinheit regelbar ist, eine Übertragungsfrequenz eine Regelgröße ist und der zumindest eine Schalter von der Steuereinheit schaltbar ist. Induktive Ladesysteme werden häufig als resonante Systeme ausgeführt. Dazu ist die Primär- und Sekundärinduktivität jeweils mit einer entsprechenden Kapazität beschaltet, die für eine resonante Abstimmung des Systems sorgen. Über die Induktivitäten L₁ und L₂ sowie die Kondensatoren C₁ und C₂ werden die Resonanzfrequenzen bestimmt. Diese sind in der Regel beide auf Werte nahe der Übertragungsfrequenz abgestimmt.According to a further variant of the invention, an inductive charging system for a motor vehicle comprises a primary coil unit according to one of these embodiments as well as a secondary coil on the vehicle side. Then it is advantageous if the inductive charging system or the vehicle also comprises a control unit, the inductive charging system is controllable by the control unit, a transmission frequency is a controlled variable and the at least one switch is switchable by the control unit. Inductive charging systems are often designed as resonant systems. For this purpose, the primary and secondary inductance is connected in each case with a corresponding capacity, which ensure a resonant tuning of the system. About the inductors L ₁ and L ₂ and the capacitors C ₁ and C ₂ , the resonant frequencies are determined. These are usually both tuned to values close to the transmission frequency.

Mit anderen Worten wird das Induktivladesystem von der Steuereinheit betrieben. Im Wesentlichen stellt die Steuereinheit eine Übertragungsfrequenz ein, mit der die Primärspuleneinheit ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Wechselfeld induziert eine Spannung der Sekundärspule, die fahrzeugseitig als elektrische Leistung zum Laden genutzt werden kann. Die induzierte Spannung kann als Zielgröße der Regelung dienen, d. h. die Übertragungsfrequenz wird derart eingestellt, dass eine bestimmte Spannungsvorgabe auf der Sekundärseite des Systems erreicht werden kann.In other words, the inductive charging system is operated by the control unit. In essence, the control unit provides one Transmission frequency with which the primary coil unit generates an alternating electromagnetic field. This alternating field induces a voltage of the secondary coil, which can be used on the vehicle side as electrical power for charging. The induced voltage can serve as the target variable of the control, ie the transmission frequency is set such that a specific voltage specification can be achieved on the secondary side of the system.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist in der Steuereinheit eine Bandbreite der Übertragungsfrequenz hinterlegbar und es ist die Bandbreite der Regelgröße Übertragungsfrequenz begrenzt.According to a further embodiment, a bandwidth of the transmission frequency can be stored in the control unit and the bandwidth of the controlled variable transmission frequency is limited.

Die Übertragungsfrequenz kann also nur Werte innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes annehmen. Die Vorgabe eines Frequenzbandes kann auf technischen Vorgaben wie Normen oder Standards beruhen.The transmission frequency can therefore only assume values within a given frequency band. The specification of a frequency band may be based on technical specifications such as standards or standards.

Weiterhin ist in der Steuereinheit eine Bandbreite einer Induktionsspannung der Sekundärspule hinterlegbar, wobei die Induktionsspannung als Zielgröße der Regelung der Steuereinheit nutzbar ist.Furthermore, a bandwidth of an induction voltage of the secondary coil can be stored in the control unit, wherein the induction voltage is used as a target variable of the control unit control.

Die Induktionsspannung dient als Zielgröße beim Betrieb des Induktivladesystems durch die Steuereinheit. Die von der Sekundärspule maximale, induzierte Spannung liegt vorzugsweise in einem bestimmten Spannungsbereich, der einerseits ein schnelles Laden des Speichers gewährleistet und andererseits an die Spannungsauslegung des Induktivladesystems angepasst ist.The induction voltage serves as the target variable during operation of the inductive charging system by the control unit. The maximum voltage induced by the secondary coil is preferably within a certain voltage range which, on the one hand, ensures rapid charging of the memory and, on the other hand, is adapted to the voltage design of the inductive charging system.

Es ist das Induktivladesystem bei einer optimalen Betriebsfrequenz betreibbar, wobei die Steuereinheit durch Schalten des zumindest einen Schalters das Induktivladesystem so an einen räumlichen Abstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule anpasst, dass die optimale Betriebsfrequenz nahe an oder innerhalb der hinterlegten Bandbreite der Übertragungsfrequenz liegt.It is the inductive charging system operable at an optimal operating frequency, wherein the control unit adapts by switching the at least one switch, the inductive charging system to a spatial distance between the primary coil and the secondary coil, that the optimum operating frequency is close to or within the stored bandwidth of the transmission frequency.

Die optimale Betriebsfrequenz ist dadurch charakterisiert, dass beim Betrieb des Induktivladesystems mit dieser Frequenz die induzierte Spannung innerhalb der Bandbreite des maximalen Spannungsbereichs der von der Sekundärspule induzierten Spannung liegt. Diese Betriebsfrequenz wird vom räumlichen Abstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule beeinflusst. Bei einem übermäßig kleinen oder großen Abstand beim Laden, d. h. beim Laden mit einem Fahrzeug mit einer sehr geringen oder sehr großen Unterbodenfreiheit, kann der Fall eintreten, dass die Betriebsfrequenz außerhalb der Bandbreite der Übertragungsfrequenz liegt und demzufolge regelungstechnisch nicht mehr erreichbar, Dann ist das Induktivladesystem nicht mehr effizient betreibbar. Da die Betriebsfrequenz, um die optimale Induktionsspannung zu erreichen, neben dem räumlichen Spulenabstand insbesondere auch von der Induktivität der Primärspuleneinheit abhängig ist, kann durch Verändern der Induktivität der Hauptspule der Wirkung des räumlichen Abstands entgegengewirkt werden. Mit anderen Worten wird die Betriebsfrequenz durch gezielte Induktivitätsanpassung auf der Primärseite in die hinterlegte Bandbreite für die Übertragungsfrequenz verschoben. Erreicht wird dies über die zumindest eine Anpassungsspule. Im kurzgeschlossenen Zustand der Anpassungsspule ist die Induktivität der Primärspuleneinheit kleiner als im geöffneten Zustand der Anpassungsspule, so dass durch die schaltbare Anpassungsspule zwei Gesamtinduktivitäten der Primärspuleneinheit einstellbar sind. Mit jeder weiteren Anpassungsspule mit je zwei Schaltzuständen erhöht sich die Zahl an einstellbaren Gesamtinduktivitäten. Bei geeigneter Dimensionierung der Anpassungsspulen steigt die Zahl der Möglichkeiten jeweils um den Faktor 2. Die qualitativen Zusammenhänge zwischen den hier beschriebenen Systemgrößen werden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels unten näher ausgeführt.The optimum operating frequency is characterized in that, during operation of the inductive charging system at this frequency, the induced voltage is within the bandwidth of the maximum voltage range of the voltage induced by the secondary coil. This operating frequency is influenced by the spatial distance between the primary coil and the secondary coil. At an excessively small or large distance when loading, d. H. when charging with a vehicle with a very small or very large underbody clearance, the case may occur that the operating frequency is outside the bandwidth of the transmission frequency and consequently not technically achievable, then the inductive charging system is no longer operable efficiently. Since the operating frequency, in order to achieve the optimum induction voltage, in addition to the spatial coil spacing in particular depends on the inductance of the primary coil unit, can be counteracted by changing the inductance of the main coil of the effect of the spatial distance. In other words, the operating frequency is shifted by targeted inductance adjustment on the primary side in the stored bandwidth for the transmission frequency. This is achieved via the at least one matching coil. In the shorted state of the matching coil, the inductance of the primary coil unit is smaller than in the open state of the matching coil, so that two total inductances of the primary coil unit can be set by the switchable matching coil. Each additional matching coil with two switching states increases the number of adjustable total inductances. With suitable dimensioning of the matching coils, the number of possibilities increases by a factor of 2. The qualitative relationships between the system variables described here are explained in greater detail below in the context of an exemplary embodiment.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Das kabellose induktive Laden eines Fahrzeugs mit einem elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher wird nach dem Stand der Technik über ein Spulenpaar durchgeführt. Dabei befindet sich eine Spule auf dem Untergrund bzw. am Boden. Diese Spule wird Primärspule genannt. Die weitere Spule, die Sekundärspule, ist im Unterbodenbereich des Fahrzeugs integriert. Die Primärspule überträgt die Energie über einen Luftspalt zwischen den beiden Spulen zum Fahrzeugunterboden, d. h. die Energieübertragung erfolgt über eine magnetische Kopplung von der Primär- auf die Sekundärspule. Aufgrund des relativ großen Luftspaltes zwischen dem Fahrzeugunterboden und dem Untergrund sind beide Spulen nur lose magnetisch gekoppelt.The invention is based on the following considerations:
The wireless inductive charging of a vehicle with an electric or electrochemical energy storage is carried out according to the prior art via a pair of coils. There is a coil on the ground or on the ground. This coil is called a primary coil. The other coil, the secondary coil, is integrated in the underbody area of the vehicle. The primary coil transmits the energy via an air gap between the two coils to the vehicle underbody, ie the energy transfer takes place via a magnetic coupling from the primary to the secondary coil. Due to the relatively large air gap between the vehicle underbody and the ground, both coils are only loosely coupled magnetically.

Um für die Energieübertragung relevante Feldstärken herstellen zu können, um den relativ großen Luftspalt zu überbrücken, werden resonante Systeme verwendet. Dabei sind die Primär- und die Sekundärspule in einen jeweiligen Reihenschwingkreis eingebunden. Speziell im Primärschwingkreis ist ein hoher Strom notwendig, um ein entsprechend starkes elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Dies wird durch eine hohe Güte des Schwingkreises und damit hohen Blindstrom – die Blindleistung schwingt zwischen Spule und Kondensator – erreicht.In order to be able to produce relevant field strengths for the energy transmission in order to bridge the relatively large air gap, resonant systems are used. In this case, the primary and the secondary coil are integrated in a respective series resonant circuit. Especially in the primary resonant circuit, a high current is necessary to generate a correspondingly strong electromagnetic field. This is achieved by a high quality of the resonant circuit and thus high reactive current - the reactive power oscillates between coil and capacitor.

Es kann bei der Anwendung des induktiven Spulensystems zum Laden eines Fahrzeugs der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärspule aufgrund unterschiedlicher Unterbodenfreiheiten von Fahrzeugen stark variieren. Dazu kann ein zusätzlicher seitlicher Versatz durch unpräzises Abstellen des Fahrzeugs auf der Parkposition kommen, d. h. es besteht nicht nur ein Abstand entlang des Lotes auf dem Untergrund (z-Achse), sondern auch in der Ebene senkrecht zu diesem Lot (x-Achse und y-Achse). Als Konsequenz ergeben sich unterschiedliche Übertragungsparameter für das Spulensystem. Im Wesentlichen variieren die Parameter Kopplungsfaktor k, sowie die Induktivität der Primärspule L₁ und die Induktivität der Sekundärspule L₂. Um in möglichst vielen Abstandskonstellationen möglichst effizient Energie übertragen zu können, könnte zwar die Sekundärspule auf die verschiedenen Unterbodenfreiheiten (d. h. je nach Fahrzeugtyp) angepasst werden. Dies ist nur in Grenzen möglich und als nachteilig gegenüber einer Lösung anzusehen, die es gestattet, gleichartige Sekundärspulen zu verwenden.In the application of the inductive coil system for charging a vehicle, the distance between the primary and secondary coils may vary widely due to different underfloor freedoms of vehicles. This can be an additional lateral offset by imprecise parking of the vehicle come to the parking position, ie there is not only a distance along the solder on the ground (z-axis), but also in the plane perpendicular to this Lot (x-axis and y-axis). As a consequence, different transmission parameters result for the coil system. In essence, the parameters coupling factor k, as well as the inductance of the primary coil L ₁ and the inductance of the secondary coil L ₂ vary. In order to be able to transmit energy as efficiently as possible in as many distance constellations as possible, the secondary coil could indeed be adapted to the various underfloor freedoms (ie, depending on the vehicle type). This is only possible within limits and to be regarded as disadvantageous compared to a solution that allows to use similar secondary coils.

Insbesondere ist es das Ziel, dass verschiedenste Fahrzeugtypen mit sehr unterschiedlichen Unterbodenfreiheiten mit einer im Übrigen gleichartig ausgestalteten Sekundärspule an einer erfindungsgemäßen Primärspule geladen werden können. Dies wird als Interoperabilität des induktiven Ladesystems bezeichnet, d. h. insbesondere die Primärspule und deren Betrieb sind derart ausgelegt, dass unterschiedliche Fahrzeugtypen induktiv an der Primärspule geladen werden können.In particular, the goal is that a wide variety of vehicle types can be loaded with very different sub-floor freedoms with a secondary coil similarly designed secondary to a primary coil according to the invention. This is called interoperability of the inductive charging system, i. H. in particular the primary coil and its operation are designed so that different types of vehicles can be inductively charged to the primary coil.

Der Ausgleich der Unterbodenfreiheit könnte regelungstechnisch erreicht werden. Allerdings kann bereits der weitere Parameterbereich betreffend die x-Achse und die y-Achse jedenfalls nur über die Regelung beim Laden ausgeglichen werden, da diese Abweichungen durch die Fahrzeugposition bedingt sind.The compensation of the underbody clearance could be achieved by control technology. However, the further parameter range relating to the x-axis and the y-axis can in any case only be compensated for via the control during loading, since these deviations are caused by the vehicle position.

Zur Regelung der Übertragungsleistung und damit zur Kompensation der genannten Parameterabweichungen muss die Übertragungsfrequenz durch entsprechendes Ansteuern des Wechselrichters verändert werden. Über die Regelung der Frequenz werden die Schwingkreise über die Resonanzüberhöhung in den für den jeweiligen Arbeitspunkt notwendigen Bereich gefahren. Alle Parametervariationen müssen über die Frequenz ausgeglichen werden. Durch diese Frequenzregelung wird effektiv eine Leistungsregelung erreicht, bei der insbesondere die jeweiligen Einflüsse der Parameter Induktivität der Primärspule L₁ und des Kopplungsfaktors k korrigiert werden. Die Induktivität der Primärspule L₂ kann für unterschiedliche Fahrzeugunterbodenfreiheiten durch Resonanzabgleich der Sekundärspule kompensiert werden, da es sich um einen fahrzeugspezifischen Parameter handelt.To regulate the transmission power and thus to compensate for the mentioned parameter deviations, the transmission frequency must be changed by appropriate control of the inverter. By regulating the frequency, the resonant circuits are driven via the resonance peaking to the range necessary for the respective operating point. All parameter variations must be compensated by the frequency. By this frequency control, a power control is effectively achieved, in particular, the respective influences of the parameters inductance of the primary coil L ₁ and the coupling factor k are corrected. The inductance of the primary coil L ₂ can be compensated for different vehicle underfloor freedoms by resonance compensation of the secondary coil, since it is a vehicle-specific parameter.

Es können die Parameterabweichungen, die durch Versätze in x-, y- und z-Richtung entstehen, in der Praxis so groß werden, dass der Stellbereich für die Frequenz so weit zu wählen wäre, dass die Grenzen des aufgrund von normativen Vorschriften zugedachten Frequenzbandes für das Induktivladen schnell erreicht ist. Es beträgt in den USA etwa 38 bis 90 kHz (festgelegt durch die Federal Communications Commission FCC). Außerdem erfordert ein großer Stellbereich auch eine entsprechende Auslegung des gesamten elektronischen Systems für diesen Bereich.In practice, the parameter deviations that result from offsets in the x, y and z directions can become so large that the setting range for the frequency would have to be selected so far that the limits of the frequency band intended for use by normative regulations would be the inductive charging is reached quickly. It is about 38 to 90 kHz in the US (as determined by the Federal Communications Commission FCC). In addition, a large adjustment range also requires a corresponding design of the entire electronic system for this area.

Es wird deshalb im Stand der Technik das Problem zur Reduzierung des Frequenzstellbereichs so behandelt, dass etwa in der z-Richtung bewegliche Spulen vorgeschlagen werden oder das Einfügen einer festen zusätzlichen Längsinduktivität in den Primärschwingkreis. Diese Maßnahmen reduzieren jeweils die Variation des der Parameterschwankung.Therefore, in the prior art, the problem of reducing the frequency-adjusting range is treated so as to suggest moving coils in the z-direction or inserting a fixed additional series inductance into the primary resonant circuit. These measures each reduce the variation of the parameter variation.

Diese Vorschläge sind jedoch nachteilig, da primärseitig ein hoher Aufwand bzw. ein hohes Maß an Komplexität erforderlich ist. Entweder muss nach dem Stand der Technik die Primärspule als Ganzes beweglich gestaltet werden oder es ist eine zusätzliche Spule in den Bereich des Luftspaltes einzubringen, die wiederum eine höhere Blindleistung in das System einbringt. Dies stellt höhere Anforderungen an den Resonanzkondensator des Schwingkreises.These proposals are disadvantageous, however, since on the primary side a high outlay or a high degree of complexity is required. Either the primary coil as a whole must be designed to be movable in the state of the art or it is necessary to introduce an additional coil in the region of the air gap, which in turn introduces a higher reactive power into the system. This makes higher demands on the resonant capacitor of the resonant circuit.

Es wird zur Lösung dieser Nachteile eine geschickte Modifikation an gängigen Primärspulen vorgeschlagen.It is proposed to solve these disadvantages, a clever modification of common primary coils.

Zur Kompensation der Parametervariationen wird eine oder es werden mehrere passive Spulen in die Primärspulenseite und optional in die Sekundärspulenseite integriert. Dabei wird das System aus Primärsystem und Sekundärsystem auf eine minimalen Kopplungsfaktor ausgelegt, d. h. auf Laden unter „schlechten Parameterbedingungen” ausgelegt, wobei der Kopplungsfaktor durch die zusätzliche(n) Spule(n) gezielt verringert werden kann. Diese Anpassungsspulen werden gezielt kurzgeschlossen, um die Primärspule teilweise magnetisch zu deaktivieren, was durch die Gegeninduktion der kurzgeschlossenen Anpassungsspule erreicht wird. Das Maß der Anpassung des Systems ergibt sich durch die Anzahl der kurzgeschlossenen Anpassungsspulen. Das Kurzschließen der Anpassungsspulen erfolgt durch elektrisches Schalten der Spulen (Schalter S_i für die Ausgleichsspule i).To compensate for the parameter variations, one or more passive coils are integrated into the primary coil side and optionally into the secondary coil side. In this case, the system of primary system and secondary system is designed for a minimum coupling factor, ie designed for charging under "poor parameter conditions", wherein the coupling factor can be selectively reduced by the additional coil (s). These matching coils are selectively shorted to partially magnetically deactivate the primary coil, which is accomplished by the mutual induction of the shorted match coil. The degree of adaptation of the system results from the number of shorted matching coils. The shorting of the matching coils is done by electrically switching the coils (switch S _i for the compensation coil i).

Die Erfindung zielt also darauf ab, dass bei gegebener geometrischer Situation beim Induktivladen, d. h. insbesondere abhängig vom Fahrzeugtyp, eine Anpassung des Systems auf rein elektrischer und regelungstechnischer Basis erfolgt. Die Primärspule und die kurzschließbaren Anpassungsspulen können in einem vereinfachten Ersatzschaltbild als variable Induktivität dargestellt werden. Die variable Induktivität, d. h. die Gesamtinduktivität der Primärspule mit den Anpassungsspulen, ist z. B. über eine 3-dimensionale Finite-Elemente-Simulationen beschreibbar, was über dieses Dokument jedoch hinausgeht.The invention thus aims to ensure that, given a given geometrical situation in inductive charging, ie in particular depending on the type of vehicle, the system is adapted on a purely electrical and control-technical basis. The primary coil and the short-circuiting matching coils can be represented as a variable inductance in a simplified equivalent circuit diagram. The variable inductance, ie the total inductance of the primary coil with the matching coils, z. Eg via a 3-dimensional finite element simulation describable, but beyond this document.

Der Einsatz mehrerer Anpassungsspulen unterschiedlicher Größen kann so weit flexibilisiert werden, dass das System eine feste Übertragungsfrequenz nutzt. In diesem Fall ist der Frequenzraum nicht auszuregeln. Stattdessen ist die Anpassungsvariabilität so hoch, dass die Übertragungsfrequenz gezielt über die Schalter S_i eingestellt werden kann. Bei einer binären Wahl der Anpassungsspulen kann ähnlich einem D/A-Wandler eine kontinuierliche Systemanpassung durchgeführt werden. Der digitale Zahlenwert (mit n-Bit) ergibt sich aus den einzelnen binären Werten der Schalter S_i, s = S₁, S₂, ... S_n bei n Ausgleichsspulen und Schaltern.The use of multiple matching coils of different sizes can be made so flexible that the system uses a fixed transmission frequency. In this case, the frequency space can not be corrected. Instead, the adaptation variability is so high that the transmission frequency can be adjusted selectively via the switches S _i . With a binary choice of the matching coils, a continuous system adaptation can be performed similar to a D / A converter. The digital numerical value (with n-bit) results from the individual binary values of the switches S _i , s = S ₁ , S ₂ , ... S _n for n equalizing coils and switches.

Die passiven Anpassungsspulen sind in der Extremkonstellation bzw. in einem Arbeitspunkt deaktiviert, d. h. die Schalter S_i sind in diesem Arbeitspunkt offen, wenn das Primärspule nicht „feldhemmend” beeinflusst werden muss, sondern das gesamte Kopplungspotential der Primärseite genutzt werden soll. Anpassungsspulen sind mit anderen Worten nur in „guten” Betriebspunkten aktiv und verschlechtert dort die gute Übertragung in geringem Maße, jedoch so stark, dass die Primärseite an die guten Bedingungen angepasst ist.The passive matching coils are deactivated in the extreme constellation or in one operating point, ie the switches S _i are open at this operating point if the primary coil does not have to be influenced "field-inhibiting", but the entire coupling potential of the primary side is to be used. In other words, matching coils are only active in "good" operating points and there deteriorates the good transmission to a slight extent, but so strongly that the primary side is adapted to the good conditions.

Das vorgestellte Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit der Anpassung einer Primärspule an verschiedene Sekundärspulen und deren Versatz in x-, y- und z-Richtung dar. Es kann ohne mechanische Stellglieder eine Anpassung erfolgen. Damit kann Interoperabilität zwischen einer bodengebundenen Primärspule und Sekundärspulen in unterschiedlichen Fahrzeugtypen in einem sehr großen Bereich hergestellt werden. Unter Bereich wird sowohl der oben geschilderte Versatz als auch – in einer weiteren Ausführung – der Freiraum zur Gestaltung verschiedener Sekundärsysteme (z. B. Dimension der Spule) verstanden.The presented method represents a simple possibility of adapting a primary coil to different secondary coils and their offset in the x, y and z directions. It can be adjusted without mechanical actuators. Thus, interoperability between a ground-based primary coil and secondary coils in different types of vehicles can be made in a very large area. The term "area" is understood to mean both the above-described offset and-in a further embodiment-the free space for the design of various secondary systems (eg dimension of the coil).

Anpassungsspulen sind mit verhältnismäßig geringem Aufwand implementierbar. Je kleiner die betreffende Spule ist, umso mehr reduziert sich diese Anforderungen. Die Schalter S_i sind bevorzugt als Transistoren ausgeführt. Sowohl die Schaltspannung, als auch der Schaltstrom des Transistors sind proportional zur Ausgleichsspulenfläche. Damit können insbesondere die kleinen Spulen mit sehr einfachen MOS-Transistoren und einfachen Lackdrähten realisiert werden. Entsprechend reduzieren sich auch die Verluste bei aktivierter Spule.Matching coils can be implemented with relatively little effort. The smaller the coil in question, the more these requirements are reduced. The switches S _i are preferably designed as transistors. Both the switching voltage and the switching current of the transistor are proportional to the compensating coil surface. Thus, in particular the small coils can be realized with very simple MOS transistors and simple enameled wires. Accordingly, the losses are reduced when activated coil.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche technische Gegenstände. Im Einzelnen zeigen schematischHereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. The same reference numerals designate the same technical objects. In detail, show schematically

1 Induktivladesystem mit Abstand d und nicht kurz geschlossener Anpassungsspule 1 Inductive charging system with distance d and not short-circuited matching coil

2 Induktivladesystem mit Abstand d' und kurz geschlossener Anpassungsspule, wobei d' < d 2 Inductive charging system with distance d 'and short-closed matching coil, where d'<d

3a Sicht auf eine Primärspuleneinheit mit zirkularer Hauptspule in der Zeichenebene 3a View of a primary coil unit with circular main coil in the drawing plane

3b Schematisches Ersatzschaltbild des Induktivladesystems 3b Schematic equivalent circuit diagram of the inductive charging system

4a Zusammenhang zwischen Übertragungsfrequenz und induzierter Spannung für eine erste Spulenkonfiguration beim induktiven Laden 4a Relationship between transmission frequency and induced voltage for a first coil configuration during inductive charging

4b Zusammenhang zwischen Übertragungsfrequenz und induzierter Spannung für eine zweite Spulenkonfiguration beim induktiven Laden 4b Relationship between transmission frequency and induced voltage for a second coil configuration during inductive charging

5a Resonanzfrequenz bei einem Ladeabstand d 5a Resonance frequency at a loading distance d

5b Resonanzfrequenz bei einem Ladeabstand d' 5b Resonant frequency at a loading distance d '

Es zeigt 1 ein Induktivladesystem mit einer Primärspuleneinheit umfassend eine Hauptspule (3a), eine Anpassungsspule (3b) und einen Ferrit (2) in einem Gehäuse (1). Außerdem umfasst das Induktivladesystem eine Sekundärspule (4) mit einem Ferrit (2a), die im Unterbodenbereich eines Fahrzeugs montiert ist. Die Primärspuleneinheit ist bodengebunden außerhalb des Fahrzeugs befindlich und wird zum berührungslosen Laden einer Batterie des Fahrzeugs vom Nutzer des Fahrzeugs möglichst zielgenau angesteuert. Dabei kann der Nutzer optional von automatischen Positionierungssystemen unterstützt werden, um eine optimale Abdeckung in x-Richtung (parallel zur Fahrzeuglängsachse) und y-Richtung (parallel zur Fahrzeugquerachse) zu erreichen. Eine optimale Abdeckung bedeutet eine Position ohne Versatz in x-Richtung und y-Richtung gegenüber der Position, die die höchste Energieübertragungseffizienz des Induktivladesystems ermöglicht. In der Regel ist dies die Position, bei der die Spulen relativ zum Lot auf dem Boden, auf dem die Primärspuleneinheit angebracht ist, deckungsgleich übereinander liegen. Gesteuert und geregelt wird ein Ladevorgang von einer nicht abgebildeten Steuereinheit.It shows 1 an inductive charging system having a primary coil unit comprising a main coil ( 3a ), a matching coil ( 3b ) and a ferrite ( 2 ) in a housing ( 1 ). In addition, the inductive charging system comprises a secondary coil ( 4 ) with a ferrite ( 2a ) mounted in the underfloor area of a vehicle. The primary coil unit is ground-based located outside of the vehicle and is targeted for the contactless charging of a battery of the vehicle by the user of the vehicle as accurately as possible. In this case, the user can optionally be supported by automatic positioning systems in order to achieve optimum coverage in the x-direction (parallel to the vehicle longitudinal axis) and y-direction (parallel to the vehicle transverse axis). Optimum coverage means a position without offset in the x-direction and y-direction relative to the position that allows the highest energy transfer efficiency of the inductive charging system. In general, this is the position at which the coils lie congruently one above the other relative to the solder on the floor on which the primary coil unit is mounted. A charging process is controlled and regulated by an unillustrated control unit.

Weiterhin bedingt die Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs, das die Sekundärspule mitführt, einen Versatz in z-Richtung (parallel zur Fahrzeughochachse). Dieser Versatz ist mit einer fest bodengebundenen Primärspuleneinheit nicht korrigierbar. Lediglich in z-Richtung mechanisch bewegliche Primärspulen ermöglichen eine Optimierung der räumlichen Lage der beiden Spulen beim Laden. Bei einer fest bodengebundenen Primärspuleneinheit variiert der Abstand d (siehe 1) bzw. d' (siehe 2) mit der Unterbodengestaltung des Fahrzeugs. So ist in 2 der Ladeabstand d' bei Erreichen der Ladeposition kleiner als der Ladeabstand d in 1.Furthermore, the underfloor clearance of the vehicle, which carries the secondary coil, causes an offset in the z-direction (parallel to the vehicle's vertical axis). This offset is not correctable with a fixed ground primary coil unit. Only mechanically movable primary coils in the z-direction allow optimization of the spatial position of the two coils when charging. In a fixedly ground primary coil unit, the distance d varies (see 1 ) or d '(see 2 ) with the underbody design of the vehicle. So is in 2 the charging distance d 'when reaching the loading position is smaller than the loading distance d in 1 ,

Eine Anpassung des Induktivladesystems erfolgt jedoch elektrisch durch die Spulengestaltung auf der Primärseite. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit könnte eine derartige Anpassung auch auf der Sekundärseite erfolgen. Im weiteren Verlauf wird jedoch aus Gründen der Einfachheit von der Primärseite ausgegangen. Die Primärspuleneinheit umfasst die Hauptspule (3a) sowie die Anpassungsspule (3b). Die Anpassungsspule kann durch einen Transistorschalter kurzgeschlossen werden. 3a zeigt eine Ansicht der Primärspuleneinheit in Draufsicht mit einer zirkularen Hauptspule (quadratisch mit abgerundeten Ecken) in der Zeichenebene. Die Anpassungsspule liegt im Zentrum der Hauptspule.However, an adaptation of the inductive charging system is carried out electrically by the coil design on the primary side. Without limiting the general public, such an adaptation could also take place on the secondary side. In the further course, however, for the sake of simplicity, the primary side is assumed. The primary coil unit comprises the main coil ( 3a ) and the matching coil ( 3b ). The matching coil can be shorted by a transistor switch. 3a shows a view of the primary coil unit in plan view with a circular main coil (square with rounded corners) in the plane of the drawing. The matching coil is located in the center of the main coil.

3b zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Induktivladesystems, das als resonantes System ausgeführt ist. 3b shows a schematic equivalent circuit diagram of the inductive charging system, which is designed as a resonant system.

Das Induktivladesystem aus den 1 und 2 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf einen Fahrzeugtyp mit der Unterbodengestaltung nach 1 ausgelegt, d. h. auf einen Ladeabstand d. Beim Laden mit Ladeabstand d gemäß 1 ist der Schalter der Anpassungsspule geöffnet, so dass durch die Anpassungsspule keine elektromagnetische Wirkung entsteht. In der elektromagnetischen Wirkung besteht die Primärspuleneinheit bei der Ladesituation gemäß 1 somit elektromagnetisch effektiv aus der Hauptspule. Für die Steuerung und Regelung des Ladevorgangs sind die folgenden Parameter qualitativ relevant, die auch aus dem Ersatzschaltbild 3b hervorgehen: Für die Gegeninduktion M auf Seite der Sekundärspule gilt, M ~ k·√L₁L₂, wobei als k der Kopplungsfaktor und mit L₁, L₂ die Induktivitäten der Primärspule (L₁) und der Sekundärspule (L₂) bezeichnet werden. Ein wichtiger Parameter der gekoppelten Spulen ist der Kopplungsfaktor k. In der Primärspuleneinheit wird magnetischer Fluss erzeugt, wovon der Anteil k die Sekundärspule durchdringt und durch die Gegeninduktivität M eine Induktionsspannung hervorruft. Der Kopplungsfaktor k und somit die Gegeninduktivität M hängen vom Versatz der Spulen in x-, y- und z-Richtung beim Laden ab. Eine weitere von der Geometrie abhängige Größe ist der magnetische Widerstand R_M, der von der mittleren Länge der magnetischen Feldlinien l gemäß R_M ~ l abhängt. In der 1 ist die mittlere Länge der magnetischen Feldlinien (5) beim Spulenabstand d größer als in 2 beim Spulenabstand d'. Der magnetische Widerstand steht mit der Induktivität L₁ reziprok in Zusammenhang gemäß

mit der Windungszahl der Hauptspule N. Die Resonanzfrequenz f₀ des Induktivladesystem ergibt sich nach den Gesetzmäßigkeiten eines Schwingkreises als

wobei C₁ die Kapazität der Primärspuleneinheit in Reihe zur Induktivität L₁ bezeichnet. Die Resonanzfrequenz f₀ ist im Spannung-Frequenzdiagramm des Induktivladesystems gemäß 4a an der Frequenzachse gekennzeichnet. Die 4a korrespondiert mit der 1, d. h. das Diagramm aus 4a beschreibt die Ladesituation mit Ladeabstand d. Die Spannung U₂ an der Hochwertachse in 4a bezeichnet die an der Sekundärspule induzierte Spannung, für welche gilt: U₂ ~ M.The inductive charging system from the 1 and 2 is without limitation of generality to a vehicle type with the underbody design 1 designed, ie at a loading distance d. When charging with charging distance d according to 1 the switch of the matching coil is open, so that no electromagnetic effect is created by the matching coil. In the electromagnetic effect, the primary coil unit is in accordance with the charging situation 1 thus electromagnetically effective from the main coil. For the control and regulation of the charging process, the following parameters are qualitatively relevant, also from the equivalent circuit diagram 3b For the mutual induction M on the secondary coil side, M ~ k · √L ₁ L ₂ , where k is the coupling factor and L ₁ , L _{2 is} the inductances of the primary coil (L ₁ ) and the secondary coil (L ₂ ) become. An important parameter of the coupled coils is the coupling factor k. In the primary coil unit magnetic flux is generated, of which the portion k penetrates the secondary coil and causes an induction voltage by the mutual inductance M. The coupling factor k and thus the mutual inductance M depend on the offset of the coils in the x-, y- and z-direction during charging. Another variable dependent on the geometry is the magnetic resistance R _M , which depends on the average length of the magnetic field lines I according to R _M ~ l. In the 1 is the mean length of the magnetic field lines ( 5 ) at the coil spacing d greater than in 2 at the coil spacing d '. The magnetic resistance is in reciprocity with the inductance L ₁ in accordance with

with the number of turns of the main coil N. The resonant frequency f _{0 of} the inductive charging system results according to the laws of a resonant circuit as

wherein C _{1 is} the capacitance of the primary coil unit referred to in series to the inductor _L1. The resonance frequency f ₀ is in accordance with the voltage-frequency diagram of the inductive charging system 4a marked on the frequency axis. The 4a corresponds with the 1 , ie the diagram off 4a describes the charging situation with charging distance d. The voltage U ₂ at the high value axis in 4a denotes the voltage induced at the secondary coil, for which applies: U ₂ ~ M.

Für den Betrieb des Induktivladesystems sind zwei Größen maßgeblich, nämlich die Übertragungsfrequenz f₁ und die induzierte Wechselspannung U₂, die auf der Sekundärseite mit einem Gleichrichter in Gleichspannung gerichtet wird. Die Übertragungsfrequenz bezeichnet die Frequenz, mit der ein Wechselrichter auf Seite der Primärspuleneinheit das elektromagnetische Wechselfeld auf der Primärseite erzeugt. Diese Frequenz ist jedoch nicht beliebig einstellbar, sondern es steht nur ein Frequenzband Δf₁ = [f_1,min; f_1,max] zur Verfügung. Diese Bandbreite ergibt sich beispielsweise aus regulatorischen Gründen, die darin bestehen können, dass für eine bestimmte Anwendung nur bestimmte Frequenzen genutzt werden dürfen. Innerhalb dieser Bandbreite kann die Frequenz f₁ als Regelgröße des Induktivladesystems genutzt werden. Anzumerken ist, dass die Resonanzfrequenz f₀ und die weitere resonante Frequenz auf der Sekundärseite

beide auf Werte nahe der Übertragungsfrequenz f₁ abgestimmt sind. Deshalb wird im Weiteren nur auf die Resonanzfrequenz f₀ Bezug genommen.For the operation of the inductive charging system, two variables are decisive, namely the transmission frequency f ₁ and the induced AC voltage U ₂ , which is directed on the secondary side with a rectifier in DC voltage. The transmission frequency refers to the frequency with which an inverter generates the electromagnetic alternating field on the primary side on the side of the primary coil unit. However, this frequency can not be set arbitrarily, but there is only one frequency band Δf ₁ = [f _{1, min} ; f _{1, max} ]. This bandwidth arises, for example, for regulatory reasons, which may consist in that only certain frequencies may be used for a particular application. Within this bandwidth, the frequency f _{1 can be used} as a controlled variable of the inductive charging system. It should be noted that the resonant frequency f ₀ and the other resonant frequency on the secondary side

both are tuned to values near the transmission frequency f ₁ . Therefore, only the resonance frequency f _{0 will be referred} to below.

Die induzierte Spannung U₂ dient als Zielgröße und gibt einen Spannungsbereich ΔU₂ = [U_2,min; U_2,max] an, innerhalb dessen die Anforderung einer möglichst hohen induktiv übertragenen Ladeleistung bei gleichzeitig auslegungskonformem Betrieb des Systems gegeben sind. Insbesondere zu hohe induzierte Spannungen U₂ können zu einer elektrischen Überlastung auf der Sekundärseite führen und müssen vermieden werden.The induced voltage U ₂ serves as the target variable and gives a voltage range ΔU ₂ = [U _{2, min} ; U _{2, max} ], within which the requirement of the highest possible inductively transmitted charging power are given at the same time interpretation compliant operation of the system. In particular, too high induced voltages U ₂ can lead to an electrical overload on the secondary side and must be avoided.

In den 4a und 4b ist im Spannungs-Frequenz-Diagramm der Bereich des Spannungsintervalls ΔU₂ durch Fettdruck gekennzeichnet. Das Spannungsintervall ΔU₂ und das Frequenzband Δf₁ sind in der Steuereinheit hinterlegt. In the 4a and 4b the voltage-frequency diagram shows the range of the voltage interval ΔU _{2 in} bold. The voltage interval ΔU ₂ and the frequency band Δf ₁ are stored in the control unit.

In 4a ist ein optimaler Betriebspunkt U_B, f_B gegeben, bei dem die induzierte Spannung U_B innerhalb des vorgegebenen Spannungsintervalls ΔU₂ und die Frequenz f_B innerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes Δf₁ liegt. Die Anpassungsspule ist in diesem Fall nicht kurz geschlossen.In 4a is an optimal operating point U _B , f _B given, in which the induced voltage U _B within the predetermined voltage interval .DELTA.U ₂ and the frequency f _{B is} within the predetermined frequency band .DELTA.f ₁ . The matching coil is not short-circuited in this case.

Die 4b zeigt das Spannungs-Frequenz-Diagramm beim Ladeabstand d' bei ebenfalls nicht kurz geschlossener Anpassungsspule. Infolge der geringen Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs, d. h. der kleineren Ladeabstands, verkürzt sich die mittlere Feldlinienlänge l' und der magnetische Widerstand R_M' sinkt. Infolgedessen steigt die Induktivität L_1' der Primärspuleneinheit und die Resonanzfrequenz f_0' – somit die gesamte Kennlinie – wird zu kleineren Frequenzen verschoben. Um hinsichtlich der induzierten Spannung U₂ den gleichen Betriebspunkt U_B wie in 4a zu erreichen, müsste die Frequenz f_B' eingestellt werden. Diese steht jedoch nicht zur Verfügung, da sie außerhalb des Frequenzbandes Δf₁ liegt. Die kleinste einstellbare Frequenz f_1,min würde eine induzierte Spannung U₂ unterhalb des Spannungsintervalls ΔU₂ bedeuten. Das Induktivladesystem wäre also hinsichtlich der erzielbaren Ladeleitung nicht optimal ausgenutzt.The 4b shows the voltage-frequency diagram at the charging distance d 'at also not short-closed matching coil. Due to the small underfloor freedom of the vehicle, ie the smaller charging distance, the average field line length l 'and the magnetic resistance R _M' decreases. As a result, the inductance L _{1 'of} the primary coil unit increases and the resonance frequency f _0' - thus the entire characteristic - is shifted to smaller frequencies. With regard to the induced voltage U _2, the same operating point U _B as in 4a to reach, the frequency f _B 'would have to be set. However, this is not available because it is outside the frequency band .DELTA.f ₁ . The smallest adjustable frequency f _{1, min} would mean an induced voltage U ₂ below the voltage interval ΔU ₂ . The inductive charging system would therefore not be optimally utilized in terms of the achievable charging line.

Um die Resonanzfrequenz gezielt zu erhöhen und die Kennlinie gezielt in Richtung höherer Frequenzen zu verschieben (angedeutet durch Pfeil in 4b), wird die Anpassungsspule von der Steuereinheit kurzgeschlossen. Die 2 zeigt die Feldsituation bei kurzgeschlossener Anpassungsspule. Die gestrichelten Feldlinien deuten die Wirkung der kurzgeschlossenen Anpassungsspule an, die darin besteht, dass die Anpassungsspule nach der Lenz'schen Regel durch Gegeninduktion gegen die Hauptspule die wirksame Feldstärke des elektromagnetischen Wechselfeldes der Hauptspule verkleinert. Die Gesamtinduktivität der Primärspuleneinheit L_1',an mit kurzgeschlossener Anpassungsspule ist also kleiner als die Gesamtinduktivität L_1' mit offener Anpassungsspule. Dadurch steigt die Resonanzfrequenz und die optimale Betriebsfrequenz mit kurzgeschlossener Anpassungsspule f_B',an liegt innerhalb des Frequenzbandes Δf₁.In order to increase the resonance frequency in a targeted manner and to shift the characteristic specifically towards higher frequencies (indicated by arrow in FIG 4b ), the matching coil is short-circuited by the control unit. The 2 shows the field situation with shorted matching coil. The dashed field lines indicate the effect of the shorted match coil, which is that the matching inductor reduces the effective field strength of the alternating electromagnetic field of the main spool according to Lenz's rule by counterinduction against the main spool. The total inductance of the primary coil unit L _{1 ',} with short-circuited matching coil is thus smaller than the total inductance L _1' with open matching coil. As a result, the resonance frequency and the optimum operating frequency with short-circuited matching coil f _{B 'increases,} lies within the frequency band Δf ₁ .

Auf diese Weise kann das Induktivladesystem durch Zuschalten der Anpassungsspule an die Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs mit Ladeabstand d' angepasst werden. Durch Vorsehen der schaltbaren Anpassungsspule kann somit Interoperabilität des Induktivladesystems für die Verwendung eines Sekundärspulentyps für verschiedene Fahrzeugtypen erreicht werden.In this way, the inductive charging system can be adapted by connecting the matching coil to the underfloor clearance of the vehicle with loading distance d '. By providing the switchable matching coil, interoperability of the inductive charging system can thus be achieved for the use of a secondary coil type for different vehicle types.

In einer Grundeinstellung des Systems kann – wie im obigen Ausführungsbeispiel in der 1 – der Schalter der Anpassungsspule geöffnet sein und zur gezielten Resonanzfrequenzerhöhung geschlossen werden, wodurch sich eine Anpassung an kleinere Ladeabstände ausgehend von der Grundeinstellung ergibt (siehe im obigen Ausführungsbeispiel in der 2). Alternativ kann in der Grundeinstellung des Systems der Schalter der Anpassungsspule geschlossen sein und zur gezielten Resonanzfrequenzverkleinerung geöffnet werden, wodurch sich eine Anpassung an größere Ladeabstände ausgehend von der Grundeinstellung ergibt.In a basic setting of the system can - as in the above embodiment in the 1 - Be the switch of the matching coil open and be closed for targeted resonance frequency increase, resulting in an adaptation to smaller charging intervals starting from the default setting (see in the above embodiment in the 2 ). Alternatively, in the default setting of the system, the switch of the matching coil may be closed and opened for targeted resonant frequency reduction, thereby adapting to greater charging distances from the default setting.

Eine weitere Ausführungsform sieht mehrere – auch unterschiedlich dimensionierte – Anpassungsspulen vor, was eine genauere – im Idealfall stufenlose – Anpassung der Primärspuleneinheit an den jeweiligen Ladeabstand ermöglicht. Die Anpassungsspulen sind jeweils mit einem Schalter versehen und können unabhängig voneinander von der Steuereinheit geschaltet werden.A further embodiment provides several - also differently dimensioned - matching coils, which allows a more accurate - ideally stepless - adjustment of the primary coil unit to the respective loading distance. The matching coils are each provided with a switch and can be switched independently of each other by the control unit.

Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Primärspuleneinheit, um das Frequenzband Δf₁ gezielt zu verkleinern und das Induktivladesystem somit in einem möglichst engen Frequenzband betreiben zu können.According to a further embodiment, the adaptation of the primary coil unit takes place in order to purposefully reduce the frequency band Δf ₁ and thus to be able to operate the inductive charging system in the narrowest possible frequency band.

Gemäß 5a und 5b kann die Wirkung der Anpassungsspule in vereinfachter Form beschrieben werden. Bei einem mit Resonanzfrequenz f₀ betriebenen Induktivladesystem (siehe etwa 3b) ergibt sich die Übertragungsfrequenz im Wesentlichen als die Resonanzfrequenz

Bei einem Induktivladesystemen, das im Wesentlichen aus zwei gekoppelten Schwingkreisen besteht, können die beiden resonanten Frequenzen auf Primärseite, nämlich

und auf der Sekundärseite, nämlich

zwar auseinanderlaufen. Praktisch ist ein solches Induktivladesystem meist so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenz f₀ des Induktivladesystems von der resonanten Frequenz der Primärseite dominiert und als

angegeben wird. Infolge der Belastung der Primärseite durch die Sekundärseite bei der Energieübertragung ist die Verschiebung der resonanten Frequenz auf der Primärseite und damit von f₀ deshalb verhältnismäßig gering, da der Kopplungsfaktor k bei automotiven Induktivladesystem klein und damit die Gegeninduktion M gering ist. Für eine stabile Regelbarkeit des Induktivladesystems ist es dennoch wesentlich, dass die Resonanzfrequenz f₀ im erlaubten Bereich [f_0min; f_0max] verbleibt – unabhängig von der Unterbodenfreiheit des zu ladenden Fahrzeugs (siehe 5a bei Ladeabstand d).According to 5a and 5b For example, the effect of the matching coil can be described in a simplified form. In an inductive charging system operated at resonance frequency f ₀ (see, for example, FIG 3b ), the transmission frequency is substantially the resonance frequency

In an inductive charging system, which consists essentially of two coupled resonant circuits, the two resonant frequencies on the primary side, namely

and on the secondary side, namely

though diverge. In practice, such an inductive charging system is usually designed so that the resonant frequency f _{0 of} the inductive charging system is dominated by the resonant frequency of the primary side and as

is specified. As a result of the load on the primary side by the secondary side in the energy transfer, the shift of the resonant frequency on the primary side and thus of f _{0 is} therefore relatively low, since the coupling factor k in automotive inductive charging system is small and thus the mutual induction M is low. Nevertheless, for a stable controllability of the inductive _{charging system} , it is essential that the resonance frequency f ₀ in the allowed range [f _0min ; f _0max ] remains - regardless of the underfloor _clearance of the vehicle to be loaded (see 5a at loading distance d).

Beim induktiven Laden mit verändertem Unterbodenabstand und damit Ladeabstand d' kommt es aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs R_M ~ l zu einer Änderung von L₁ und damit zu einer Änderung der Resonanzfrequenz zur Frequenz f_0' (siehe 5b). Um die Resonanzfrequenz weiterhin im erlaubten Bereich zu halten, wird durch Schaltung der Anpassungsspule(n) und damit verbundenen weiteren Änderung von L₁ der erstgenannten Änderung der Resonanzfrequenz ausgleichend entgegengewirkt. Die eigentliche Leistungsregelung erfolgt unabhängig davon über den Wechselrichter. Dazu gibt es verschiedene Ansteuermethoden. So kann die Anregung der Primärseite z. B. über Phasenweitenmodulation oder Variation der der Spannungsamplitude der Versorgungsspannung des Wechselrichters) gesteuert werden.When inductive charging with a modified underbody distance and thus loading distance d 'occurs due to the above-described relationship R _M ~ l to a change of L ₁ and thus to a change in the resonant frequency to the frequency f _0' (see 5b ). In order to keep the resonance frequency within the permitted range, the first-mentioned change of the resonance frequency is counteracted by switching the matching coil (s) and the further change of L ₁ associated therewith. The actual power control is independent of the inverter. There are different control methods for this. Thus, the excitation of the primary z. B. over phase width modulation or variation of the voltage amplitude of the supply voltage of the inverter) are controlled.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007033654 A1 [0002] DE 102007033654 A1 [0002]
DE 1020122016660 A1 [0003, 0003] DE 1020122016660 A1 [0003, 0003]

Claims

Primärspuleneinheit für ein induktives Ladesystem, wobei die Primärspuleneinheit eine Hauptspule (3a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Primärspuleneinheit zumindest eine Anpassungsspule (3b) umfasst, – die zumindest eine Anpassungsspule elektrisch kurzschließbar ist.Primary coil unit for an inductive charging system, wherein the primary coil unit comprises a main coil ( 3a ), characterized in that - the primary coil unit has at least one matching coil ( 3b ), - the at least one matching coil is electrically short-circuitable.

Primärspuleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Primärspuleneinheit einen der zumindest einen Anpassungsspule zugeordneten Schalter umfasst, um die Anpassungsspule elektrisch kurzschließen zu können.Primary coil unit according to claim 1, characterized in that - the primary coil unit comprises a the at least one matching coil associated switch to electrically short-circuit the matching coil can.

Primärspuleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schalter als Transistor ausgeführt ist.Primary coil unit according to claim 2, characterized in that - the switch is designed as a transistor.

Induktivladesystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Primärspuleneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine fahrzeugseitige Sekundärspule.Inductive charging system for a motor vehicle, comprising a primary coil unit according to one of the preceding claims and a vehicle-side secondary coil.

Induktivladesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Induktivladesystem oder das Fahrzeug eine Steuereinheit umfasst, – das Induktivladesystem von der Steuereinheit regelbar ist, – eine Übertragungsfrequenz eine Regelgröße ist und – der zumindest eine Schalter von der Steuereinheit schaltbar ist.Inductive charging system according to claim 4, characterized in that - the inductive charging system or the vehicle comprises a control unit, - the inductive charging system is controllable by the control unit, - a transmission frequency is a controlled variable and - the at least one switch is switchable by the control unit.

Induktivladesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Steuereinheit eine Bandbreite der Übertragungsfrequenz hinterlegbar ist, und – die Bandbreite die Regelgröße Übertragungsfrequenz begrenzt.Inductive charging system according to claim 5, characterized in that - in the control unit, a bandwidth of the transmission frequency can be stored, and - the bandwidth limits the control variable transmission frequency.

Induktivladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Steuereinheit eine Bandbreite einer Induktionsspannung der Sekundärspule hinterlegbar ist, und – die Induktionsspannung als Zielgröße der Regelung der Steuereinheit nutzbar ist.Inductive charging system according to claim 6, characterized in that - in the control unit, a bandwidth of an induction voltage of the secondary coil can be stored, and - the induction voltage is used as the target variable of the control unit control.

Induktivladesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktivladesystem bei einer optimalen Betriebsfrequenz betreibbar ist, und – das Induktivladesystem von der Steuereinheit durch Schalten des zumindest einen Schalters so an einen räumlichen Abstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule anpassbar ist, dass die optimale Betriebsfrequenz innerhalb der hinterlegte Bandbreite der Übertragungsfrequenz liegt.Inductive charging system according to claim 7, characterized in that the inductive charging system is operable at an optimal operating frequency, and - the inductive charging system of the control unit by switching the at least one switch is adaptable to a spatial distance between the primary coil and the secondary coil, that the optimum operating frequency within the stored bandwidth of the transmission frequency is.