EP4179607A1 - Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren - Google Patents

Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren

Info

Publication number
EP4179607A1
EP4179607A1 EP21740016.7A EP21740016A EP4179607A1 EP 4179607 A1 EP4179607 A1 EP 4179607A1 EP 21740016 A EP21740016 A EP 21740016A EP 4179607 A1 EP4179607 A1 EP 4179607A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmission
energy transmission
energy
coil
transmission module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21740016.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Schaer
Lukas Hornscheidt-Schrittwieser
Dan Mugioiu
Markus Christian WEGMANN
Noah Hüsser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4179607A1 publication Critical patent/EP4179607A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices

Definitions

  • Energy transfer module transmitter unit, energy transfer system and method
  • the present invention relates to a power transmission module for power transmission to a mobile device. Furthermore, the invention relates to a transmission unit for such an energy transmission module, an energy transmission system and a method for operating an energy transmission system, an energy transmission module and/or a transmission unit.
  • the two currents have a relative phase angle of 0°, i. H. the two currents are in phase with each other.
  • a power transmission module for power transmission to a mobile device, in particular a hand-held power tool, with the power being transmitted wirelessly comprising at least a first and a second transmission coil, the first transmission coil with a first alternating current and the second transmission coil is operable with a second alternating current, wherein the energy transmission module is set up to minimize the amount of the relative phase angle of the currents flowing in the first and the second transmission coil, at least during an energy transmission phase of the energy transmission module.
  • the invention is based on the idea that at least extensive, possibly complete, synchronization of the phases of the two currents can increase the spatial energy transmission range within which energy can be transmitted to the mobile device by at least one of the two transmission coils. Interference transmissions between the two transmission coils and the power losses associated with them can be reduced. The demands on the accuracy with which the mobile device has to be positioned and/or aligned relative to the energy transmission module can thus be reduced, as a result of which the ease of use and the power that can be transmitted permissibly can be increased considerably.
  • the energy can be transmitted to the mobile device via the first and/or the second transmission coil.
  • the energy transfer can be used in particular to charge an energy store of the mobile device. Furthermore, due to the relatively small, in particular vanishingly small, relative phase angle, energy losses during the energy transmission can be reduced and the efficiency of the energy transmission can be increased.
  • the energy transfer module can be set up in particular for transferring energy to a hand-held power tool, in particular with a rechargeable energy store.
  • the energy transmission preferably takes place for the transmission of energy required for the operation of the mobile device.
  • it can be set up for the transmission of high power, for example from 0.1 kW and for example up to 2.5 kW.
  • the energy transmission module can also be used in building construction and/or civil engineering, for example for energy transmission to, in particular battery-operated, drills, rotary hammers, chiselling machines, sawing machines, measuring instruments for building construction and/or for civil engineering such as total stations or rotating lasers and/or any Combination of such devices particularly suitable. It is conceivable that when the energy transmission module is used in this way, energy is transmitted simultaneously or at least quasi-simultaneously to a number of these mobile devices.
  • the energy transfer phase can correspond to a state in which both transmission coils are active, so that the relative phase angle can be determined.
  • the energy transmission module can also be set up so that energy transmission is also possible when only one of the two transmission coils is active.
  • Radiated interference can be further avoided if the energy transmission module is set up in such a way that, at least during the energy transmission phase, the effective current values of the currents flowing in the first and second transmission coils do not change by more than 10 percent, particularly preferably by no more than 6 percent, and/or differ by no more than 0.3 A.
  • the effective values particularly preferably differ by less than 1 percent and can in particular be the same.
  • the amplitudes of the currents and/or voltages associated with the first and second alternating currents can correspond or differ by at least no more than 10 percent, particularly preferably by no more than 1 percent.
  • the power of the energy transmission can be controlled particularly easily if the energy transmission module is set up in such a way that, at least during the energy transmission phase, the voltages associated with the first and/or the second alternating current are pulse-width modulated, preferably square-wave or at least essentially square-wave.
  • the transmitted effective power and the relative phase angle between the currents flowing through the first and the second transmission coil can be controlled via the respective pulse width of the respective assigned voltage.
  • the phase angle between the two associated voltages can be determined and/or adjusted based on the time offset of the centers of the respectively corresponding pulses of the respectively associated voltage.
  • the first and the second transmission coil can each be integrated into at least one electrical oscillating circuit with a respective resonant frequency.
  • the resonant frequencies of the oscillating circuits can preferably differ by no more than 10 percent, particularly preferably by no more than 1 percent.
  • At least one of the resonant circuits can have the respective transmission coil and an electrical capacitance.
  • the energy transmission system can have a control unit that is set up for the selection and in particular for the subsequent activation and/or deactivation of one or more of the transmission coils.
  • the scope of the invention also includes a transmission unit for an energy transmission module according to the invention, the transmission unit having at least one transmission coil that can be controlled with an alternating current and a communication interface via which at least one piece of information about a target phase position of the current flowing in the transmission coil or about a relative setpoint phase angle and/or via a setpoint pulse width of the voltage and/or an effective value of the current flowing through the transmission coil and/or the phase angle of the current can be transmitted.
  • the spatial energy transmission range within which energy transmission to the mobile device is possible, can be expanded in a simple manner. This also makes it possible to increase the comfort for a user.
  • the communication interface can be in the form of a wireless and/or wired interface.
  • Active power to be transmitted via the transmission coil can also be transmittable via the communication interface, in particular if it is wired.
  • the communication interface can be designed as an electrical connection element and/or have an electrical connection element.
  • the communication interface can correspond to an input of the alternating current associated with the transmission coil. It can be set up to feed a supply current, preferably an alternating current supply current, into the transmission unit, it being possible for the alternating current with which the transmission coil can be operated to be generated from the supply current.
  • the target phase angle and/or the relative target phase angle can be encoded in the supply current.
  • the communication interface can also be set up to activate and/or deactivate the transmission coil of the transmission unit and/or to transmit an activation signal and/or a deactivation signal with which the transmission coil of the transmission unit can be activated and/or deactivated.
  • the energy transmission module can be expanded in a modular manner by the transmission unit.
  • the energy transmission area suitable for energy transmission can be enlarged and/or reduced in a particularly simple manner.
  • a plurality of transmission coils can be arranged within a polygon, in particular within a rectangle.
  • the energy transmission module and the at least one transmission unit can be in a master-slave relationship.
  • the energy transmission module can act as a master and the at least one transmission unit can act as a slave.
  • the energy transmission module can be designed to control, as a master, a phase position and/or a strength of the current and/or the voltage with which the at least one transmission coil of the transmission unit can be operated.
  • the scope of the invention also includes an energy transmission system comprising at least one energy transmission module according to the invention and at least one transmission unit according to the invention.
  • an energy transmission system can have a modular structure.
  • the spatial energy transmission area in which energy can be transmitted to a mobile device can thus be enlarged and/or reduced in a modular manner.
  • each mobile device can be supplied with energy by its own set of one or more of the transmission coils of the energy transmission system.
  • one or more of the transmission coils can be selectively activated and/or selectively deactivated, in particular depending on the location and/or the position of at least one of the mobile devices.
  • the scope of the invention also includes a method for operating an energy transmission system according to the invention, an energy transmission module according to the invention and/or a transmission unit according to the invention, the energy transmission system, the energy transmission module and/or the transmission unit having a total of at least two transmission coils that can each be operated using an alternating current, at least comprehensively the steps a. detection and localization of a mobile device; b. activation of at least one of the transmission coils depending on the detection and/or the localization of the mobile device; c. Monitoring a transmitted active power of at least one activated transmission coil and/or, if at least the two transmission coils are activated, a relative phase angle of the currents flowing in the first and the second transmission coil. In order to determine and/or monitor the relative phase angle, reference can be made to a reference phase, for example of the current flowing through a specific one of the activated transmission coils.
  • the method according to the invention is based on the idea of offering the largest possible spatial energy transmission area in which energy transmission to one or more mobile devices is possible and thus the requirements for the accuracy of positioning and / or aligning the at least one mobile device relative to the energy transmission system - module and/or to the transmitter unit.
  • the at least one mobile device is detected and located.
  • Transmission coils that are sufficiently close to the mobile device can then be activated. Transmission coils that are relatively far away from the mobile device can be deactivated.
  • the location and/or position of the mobile device can then be monitored. This can be done via the strength of an input current, a power and/or via the relative phase angle.
  • Transmission coils can preferably be used which have a smaller transmission range than a reception range of at least one reception coil of the mobile device.
  • the proportions and/or the radiation characteristics of the transmission coils and/or the reception characteristics of the at least one reception coil can be and/or are selected such that energy can be transmitted from a number of transmission coils to the at least one reception coil.
  • Continuous energy transmission, even after the mobile device has been moved, at least within the energy transmission range, can be achieved if at least one inactive transmission coil is activated in addition to the activation according to the second step.
  • a previously inactive transmission coil is activated, which is currently as close as possible to the mobile device.
  • the inactive transmission coils can be tried out cyclically. This can easily be achieved by activating, preferably one after the other, that inactive transmission coil which has been inactive for the longest time. For this purpose, the activation can only take place so briefly that it can be determined whether energy transmission from the respectively activated transmission coil to the mobile device is possible or not.
  • This principle can be further refined by first selecting a subgroup of inactive transmission coils, within which the transmission coil that has been inactive for the longest time is activated. For example, initially only the currently activated transmission coils adjacent to the inactive transmission coils can be activated and, in particular, checked.
  • the mobile device If the mobile device moves, it can leave the transmission range of one of the transmission coils. Energy can thus also be saved and interference radiation avoided if an active transmission coil is deactivated during the monitoring according to step c.
  • a selection criterion for this can be that that active transmission coil is deactivated whose transmitted effective power is the lowest of all active transmission coils and/or whose transmitted effective power falls below a minimum effective power.
  • the voltage assigned to the alternating current can preferably be pulse width modulated.
  • the method can provide that a phase angle and/or a pulse duty factor of at least one associated voltage is set.
  • the size of the energy transmission area can be adjusted as needed by connecting a further energy transmission module and/or a further transmission unit to the energy transmission system, the energy transmission module and/or the Transmitter unit is coupled.
  • a large-area system for energy transmission in particular for charging energy stores of one or more mobile devices, can be set up in a particularly simple manner.
  • a further increase in convenience can be achieved if status information of the mobile device is transmitted from the mobile device to the energy transmission system, the energy transmission module and/or the transmission unit.
  • the status information can, for example, correspond to information about a state of charge, for example a cell voltage, of the energy store of the mobile device.
  • the transmission can be wireless.
  • the mobile device can have a communication module.
  • the communication module can use a wireless and preferably energy-efficient communication protocol such as "Bluetooth Low Energy" or "Zigbee".
  • the energy transmission system preferably has a corresponding communication module, which particularly preferably uses the same communication protocol as the communication module of the mobile device.
  • FIG. 1 shows an energy transmission system with a plurality of mobile devices in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a simplified basic circuit diagram of an energy transmission module with a mobile device coupled thereto
  • 3a shows a voltage-time diagram in a schematic representation
  • FIG. 3b shows a current-time diagram in a schematic representation
  • FIG. 4 shows a flow chart of a method.
  • FIG. 1 shows an energy transmission system 10 on which one or more, in FIG. 1 three by way of example, mobile devices 12 are arranged for energy transmission.
  • energy stores of the mobile devices 12 are to be charged by means of the energy transmission system 10 .
  • the mobile devices 12 can be, for example, battery-powered rotary hammers, chisels, drills or other battery-powered handheld power tools or a battery pack for such a machine.
  • the energy transmission system 10 has an energy transmission module 14 and two transmission units 16 .
  • the transmission units 16 are coupled to the energy transmission module 14 via communication interfaces 18 .
  • the communication interfaces 18 have electrical connection elements, in particular plug connectors and sockets of complementary design.
  • the transmission units 16 can be supplied with electrical energy by the energy transmission module 14 via the communication interfaces 18 .
  • information about a target phase position can be transmitted via the communication interfaces 18 from the energy transmission module 14 to the respective transmission unit 16 .
  • at least one feed current can be transmitted from the energy transmission module 14 to the transmission units 16 via the communication interface 18 .
  • a Phase position of the supply current can be encoded a respective target phase position.
  • the phase position of the supply current can correspond to the desired phase position to be set or to be achieved.
  • the energy transmission module 14 and the transmission units 16 each have a plurality of transmission coils 20, of which only one transmission coil 20 is marked with a reference number to simplify the illustration.
  • the transmission coils 20 are each distributed over a surface area in the energy transmission module 14 or in the respective transmission units 16, in particular in the form of a matrix.
  • Mobile devices 12 are set up in particular for electromagnetic, in particular inductive, coupling to energy transmission system 10 .
  • the mobile devices 12 each have a receiving coil 22 .
  • the reception coils 22 are set up to receive energy radiated by at least one of the transmission coils 20 , provided they are located in a respective spatial energy transmission range of the respective transmission coil 20 .
  • the mobile devices 12 are freely placed and freely aligned on the energy transmission system 10, in particular for energy transmission.
  • the receiving coils 22 each span a larger area than one of the transmitting coils 20.
  • the receiving coils 22 are larger than the transmitting coils 20.
  • the receiving coils 22 are larger than the respective spatial energy transmission areas of the respective transmitting coils 20.
  • the mobile device 12 placed furthest to the left in Fig. 1 and in particular its receiving coil 22 span nine transmitting coils 20.
  • the energy transmission system 10 has a modular structure. Further transmission units (not shown in Fig. 1) and preferably further energy transmission modules (also not shown in Fig. 1) can be connected to the energy transmission module 14 by means of the communication interface 18, so that the energy transmission system 10 and in particular the energy transmission range of the energy transmission system 10 are enlarged. One or both transmission units 16, in particular from the Communication interface 18 are decoupled, so that the energy transmission system 10 and in particular its energy transmission range are reduced.
  • the energy transmission system 10 in particular its energy transmission module 14, has - not shown in Fig. 1 - a programmable control unit with a memory unit in which program code for executing the method according to the invention to be described in more detail with reference to Fig. 4 is executably stored, and with electrical switching elements that can be controlled by means of program code.
  • the control unit is set up to control the transmission coils 20 according to the method according to the invention.
  • the transmission units 16 each have their own control units that are appropriately set up for controlling their respective transmission coils 20 .
  • the controls can be synchronized by the control units via the communication interfaces 18 .
  • FIG. 2 shows a simplified basic circuit diagram of an energy transmission module 14 with two transmission coils 20 that can be operated with a first and a second alternating current and their transmission inductances Ltx1 and Ltx2.
  • the energy transmission module 14 and the transmission units 16 as well as the mobile devices 12 of the previous exemplary embodiment have a structure analogous to the exemplary embodiment now to be described.
  • a mobile device 12 is inductively coupled via the transmission coils 20 to the energy transmission module 14 for energy transmission.
  • the mobile device 12 has a reception coil 22 with a reception inductance Lrx.
  • the transmission inductance Lrx is coupled to the transmission inductances Ltx1 and Ltx2, respectively, with a coupling factor k1r and k2r, respectively.
  • the transmission inductances Ltx1 and Ltx2 as well as the reception inductance Lrx are each integrated into separate resonant circuits.
  • the resonant circuits have capacitances Ctx1, Ctx2 and Crx. All resonant circuits have the same resonant frequency.
  • the transmission inductances Ltx1 and Ltx2 are supplied with energy via a DC/AC converter 24, of which, for the sake of simplicity, only individual components, in particular power semiconductors, are shown in the basic circuit diagram according to FIG.
  • the DC/AC converter 24 is supplied with the supply voltage Uq by a voltage source.
  • the supply voltage Uq is 24 V.
  • the DC/AC converter 24 generates voltages utx1 and utx2. To do this, it picks up input currents Iin1 and Iin2.
  • An induction voltage urx and an induction current irx are generated in the resonant circuit of the mobile device 12 by inductive energy transmission.
  • the induction voltage urx and/or the induction current irx can be used to charge an energy store with the charging voltage Ubat and the charging current Ibat via a rectifier circuit, in particular having power diodes.
  • the charging of the energy store can also take place through other interconnections, in particular having a charging control circuit. It is also conceivable that further and/or different functional groups of the mobile device 12 can be supplied with energy by means of the induction voltage urx and/or the induction current irx.
  • the maximum charging power achieved by the energy transmission module 14, in particular in connection with the mobile device 12, is 100 W in this exemplary embodiment.
  • the charging current Ibat is 5 A and the charging voltage Ubat is 20 V.
  • the energy transmission system 10 in particular the energy transmission module 14 and for each of the transmission coils 20, also has analog/digital converter units, also not shown in FIG. 1 for reasons of simplification.
  • the input currents lin 1 , Iin2 the voltages utx1 , utx2 and/or the currents itx1 , itx2 can be digitized and/or measured by means of the analog/digital converter units.
  • FIG. 3a shows the time profile of the voltages utx1 and utx2 in a schematic representation.
  • Both voltages utx1 and utx2 are square-wave AC voltages. They have a square-wave or at least a substantially square-wave voltage profile.
  • the voltage utx1 has a pulse width d1.
  • the voltage utx2 has a pulse width d2.
  • the pulse widths d1 and/or d2 in connection with the frequencies of the voltages utx1 and utx2 respectively result in specifically adjustable pulse duty factors of the voltages utx1, utx2.
  • the voltages utx1 and utx2 have a phase angle alpha relative to one another.
  • the phase angle alpha can be measured as a relative time difference, for example expressed as a proportion in relation to a period, of the respective midpoints between a respective rising edge and the associated next following falling edge of the positive half-wave of the respective voltages utx1, utx2.
  • the amplitudes of the voltages utx1 and utx2 are the same size or they are at least essentially the same size.
  • FIG. 3b shows—also in a schematic representation—a time profile of the currents itx1 and itx2 associated with the voltages utx1, utx2 according to FIG. 3a.
  • the currents itx1 and itx2 have a relative phase angle beta relative to one another.
  • the relative phase angle beta can be expressed as a relative time difference, for example as a proportion in relation to a period, two be measured immediately following rectified zero crossings of the respective current itx1, itx2.
  • the relative phase angle beta is less than 15°.
  • the frequencies of the currents itx1 and itx2 match or at least substantially match.
  • the effective values of the currents itx1 and itx2 also match or at least essentially match.
  • Fig. 4 now shows a method 100 for operating the energy transmission system 10.
  • the method 100 is explained in more detail below with reference to the elements described in the preceding FIGS. 1 , 2 , 3a and 3b and with recourse to the reference symbols used there.
  • the method 100 is used in particular to control the transmission coils 20 of the energy transmission module 14 and the transmission units 16 .
  • a start step 110 during which the energy transmission system 10 is placed in a general operating state, is first followed by a waiting step 112.
  • a search step 114 is triggered after a predetermined period of time, for example 5 seconds, has elapsed after the beginning of the waiting step 112. During this waiting time, the energy transmission system 10 or at least one of its elements can be put into an in particular energy-saving idle state.
  • the search step 114 is used to detect and localize at least one mobile device 12 located in the energy transmission range of the energy transmission system 10. The detection and the localization are carried out indirectly by determining whether and, if so, in which transmission coils 20 a receiving coil 22 is within an energy transmission range of the respective transmission coil 20 located.
  • a receiving coil 22 is detected by sequentially checking the resonant circuits associated with the transmitting coils 20 for detuning.
  • the following sub-steps are carried out sequentially for each of a total of n transmission coils 20 or for each of n associated oscillating circuits, with k denoting the index number of the respective oscillating circuit and the reference symbols link, utxk, itxk and dk analogous to Iin1 , utx1 , itx1 and d1 in relation to a transmission coil 20 denoted by index k and the associated resonant circuit are to be understood:
  • Resonant circuit k is activated with a duty cycle of 1%.
  • its voltage utxk is set to this duty cycle of 1% and the pulse width dk associated with this duty cycle.
  • the frequency of the voltage utxk is set to the resonant frequency of the oscillating circuit k.
  • a decay of possible transients of an associated current itxk is awaited. For this purpose, for example, a predefined period of time is waited for.
  • the oscillating circuit k is deactivated by switching off the voltage utxk.
  • the latched comparison results are evaluated and in particular the number n ac tive of the positive by the or occupied, the mobile device 12 and therefore to activate transmitter coil 20 in the form of the number of comparison results counted.
  • the energy transmission module (14) and/or the transmission unit (16) can be set up to carry out a type identification or an interference object identification.
  • nactive exceeds a predefined minimum number nactive, min.
  • the minimum number nactive in can be 1, for example.
  • a higher minimum number nactive, min can be selected in order to improve the measurement error tolerance in the detection and localization of the mobile device(s) 12 .
  • the method 100 continues with the waiting step 112 . That waits
  • Energy transmission system 10 for example, to charge mobile devices 12.
  • the method 100 continues with an energy transfer step 118 .
  • the energy transfer step 118 is used for the actual energy transfer to the mobile device or devices 12.
  • the energy transfer step 118 is set up such that the currents itxk of all active transmission coils 20 or all associated resonant circuits are regulated in such a way that they have the same effective current values as possible or that at least their paired effective current value differences fall below a maximum, predetermined maximum current difference value, for example 0.3 A.
  • the currents itxk of all active transmission coils 20 are additionally regulated such that the currents itxk are in phase or that at least the relative phase angles beta measured in pairs fall below a maximum, predetermined setpoint phase angle, for example 15°.
  • a further control aim of the energy transfer step 118 is preferably to minimize all currents itxk while at least largely maintaining the overall energy transfer power in order to avoid stray fields.
  • the energy transmission step 118 is also set up so that at least one of the transmission coils 20 is activated depending on the previous detection and/or the localization of the mobile device or devices 12 .
  • the active power of at least one of the activated transmission coils 20 is monitored.
  • the strength of at least one current itxk and/or at least one of the relative phase angles beta of the currents itxk, measured relative to a reference current, of at least one of the activated transmission coils 20 are monitored.
  • this transmission coil 20 is preferably deactivated.
  • that previously active transmission coil 20 with index number k can be deactivated whose transmitted active power is the lowest of all active transmission coils 20 and/or whose transmitted active power falls below a minimum active power. This can occur, for example, when the mobile device or devices 12 are moved during the energy transfer.
  • that inactive transmission coil 20 that has been inactive for the longest time is preferably activated and checked as a test. Such a previously inactive transmission coil 20 is then activated if the check is positive. This can also occur, for example, if the mobile device or devices 12 are moved during the energy transmission.
  • energy transfer step 118 provides for the respective phase angles alpha and/or the pulse duty factors to be set, in particular by setting the associated pulse widths dk.
  • the following sub-steps are provided in the energy transfer step 118:
  • step 114 Activation of all nactive transmission coils 20 recognized in step 114, i. H. Activation of the transmission coils 20 depending on the detection and/or the localization of the at least one mobile device 12.
  • a target value for the total energy transmission power for example 100 W;
  • 118.4.1 Deactivation of at least one previously active transmission coil 20 that is no longer required. For this purpose, in particular, deactivation of those transmission coils 20 whose transmitted effective power falls below a predetermined minimum effective power, for example 6 W.
  • Stepwise adjustment of its phase angle alpha if its rms current value of the current itxk deviates from the rms current value of the current itxref of the reference transmission coil by more than a relevance threshold, for example 0.1 A;
  • mean values of the input currents link are measured, multiplied by the supply voltage Uq and the power determined is corrected for power losses, in particular in the form of ohmic power losses.
  • the input currents link and the currents itxk are measured by rapid sampling using the analog/digital converter units, for example with a clock rate of approximately 5 MHz.
  • a predetermined number of measured values for example 58 measured values, of each measured variable, ie in particular of the input currents link and the currents itxk, is added for each measuring transmitter coil 20 is detected and then proceeded to the next transmitter coil 20 to be measured.
  • sampling is carried out over an integer multiple of the period duration.
  • the measurements are always started at the beginning of a new period of the voltage utxref of the reference coil in order to ensure a uniform time reference point and to be able to calculate relative phase angles beta.
  • the RMS current values and the relative phase angle beta are determined in a simplified manner from the measured values obtained on the basis of a first-order Fourier series development.
  • a decision step 120 the total active power transmitted is checked. If it reaches at least a predefined minimum total active power, for example 0.02 kW, the method 100 continues with sub-step 118.2 of the energy transmission step 118. Otherwise, the method 100 returns to the wait step 112 again.
  • a predefined minimum total active power for example 0.02 kW

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungsmodul (14) zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät (12), insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei die Energieübertragung drahtlos erfolgt, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Sendespule (20), wobei die erste Sendespule (20) mit einem ersten Wechselstrom und die zweite Sendespule (20) mit einem zweiten Wechselstrom betreibbar ist, wobei das Energieübertragungsmodul (14) derart eingerichtet ist, dass zumindest während einer Energieübertragungsphase des Energieübertragungsmoduls (14) der Betrag des relativen Phasenwinkels (beta) der in der ersten und der zweiten Sendespule (20) fließenden Ströme (itx1, itx2) nicht mehr als 45°, besonders bevorzugt nicht mehr als 15°, beträgt oder der relative Phasenwinkel (beta) minimiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sendeeinheit (16), ein Energieübertragungssystem (10) sowie ein Verfahren (100) zum Betreiben wenigstens einer der vorgenannten Vorrichtungen. Die Erfindung ermöglicht eine besonders komfortable Energieübertragung zu einem oder mehreren Mobilgeräten (12), um beispielsweise Energiespeicher dieser Mobilgeräte (12) zu laden.

Description

Energieübertragungsmodul, Sendeeinheit, Energieübertragungssystem und Verfahren
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungsmodul zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sendeeinheit für ein solches Energieübertragungsmodul, ein Energieübertragungssystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Energieübertragungssystems, eines Energieübertragungsmoduls und/oder einer Sendeeinheit.
Um ein Mobilgerät, beispielsweise eine akkubetriebene Handwerkzeugmaschine, betreiben zu können, ist es in der Regel erforderlich, einen Energiespeicher des Mobilgeräts vorab aufzuladen. Dies erfolgt üblicherweise mittels eines speziell auf das Mobilgerät abgestimmten Energieübertragungssystems, mit dem das Mobilgerät zur Aufladung gekoppelt wird. Die Kopplung erfolgt bei manchen Mobilgeräten und den zugehörigen Energieübertragungssystemen drahtlos. Bei solchen Paaren aus Mobilgeräten und Energieübertragungssystemen bedarf es einer verhältnismäßig genauen Positionierung und Ausrichtung des Mobilgeräts relativ zum Energieübertragungssystem, um eine Energieübertragung beziehungsweise eine Aufladung durchführen zu können. Unzureichende Positionierungen und/oder Ausrichtungen können zu erheblichen, unerwünschten Störabstrahlungen führen. Dies ist für einen Benutzer des Mobilgeräts bzw. des Energieübertragungssystems insgesamt höchst unbefriedigend, wenn nicht in den jeweiligen Jurisdiktionen sogar unzulässig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, komfortabel nutzbare Vorrichtungen anzubieten, die eine Energieübertragung mit hoher Leistung zu einem Mobilgerät erlauben. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung anzubieten, durch das sich ebenfalls eine Energieübertragung mit hoher Leistung erreichen lässt.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Energieübertragungsmodul zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät, insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei die Energieübertragung drahtlos erfolgt, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Sendespule, wobei die erste Sendespule mit einem ersten Wechselstrom und die zweite Sendespule mit einem zweiten Wechselstrom betreibbar ist, wobei das Energieübertragungsmodul derart eingerichtet ist, dass zumindest während einer Energieübertragungsphase des Energieübertragungsmoduls der Betrag des relativen Phasenwinkels der in der ersten und der zweiten Sendespule fließenden Ströme nicht mehr als 45°, besonders bevorzugt nicht mehr als 15°, beträgt.
Vorzugsweise weisen die beiden Ströme einen relativen Phasenwinkel von 0° auf, d. h. die beiden Ströme sind zueinander in Phase.
Dementsprechend wird die Aufgabe dem gleichen erfinderischen Gedanken folgend auch durch ein Energieübertragungsmodul zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät, insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei die Energieübertragung drahtlos erfolgt, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Sendespule, wobei die erste Sendespule mit einem ersten Wechselstrom und die zweite Sendespule mit einem zweiten Wechselstrom betreibbar ist, wobei das Energieübertragungsmodul eingerichtet ist, zumindest während einer Energieübertragungsphase des Energieübertragungsmoduls den Betrag des relativen Phasenwinkels der in der ersten und der zweiten Sendespule fließenden Ströme zu minimieren, gelöst.
Der Erfindung liegt dabei insgesamt der Gedanke zugrunde, dass sich durch eine zumindest weitgehende, gegebenenfalls vollständige, Synchronisation der Phasen der beiden Ströme der räumliche Energieübertragungsbereich, innerhalb dessen eine Energieübertragung zum Mobilgeräts durch zumindest eine der beiden Sendespulen erfolgen kann, vergrößern lässt. Störübertragungen zwischen den beiden Sendespulen und damit verbunden Verlustleistungen können reduziert werden. Die Anforderungen an die Genauigkeiten, mit denen das Mobilgerät relativ zum Energieübertragungsmodul positioniert und/oder ausgerichtet werden muss, lassen sich somit reduzieren, wodurch der Benutzungskomfort sowie die zulässigerweise übertragbare Leistung erheblich steigerbar sind. Dabei kann die Energieübertragung zum Mobilgerät über die erste und/oder die zweite Sendespule erfolgen. Die Energieübertragung kann insbesondere zur Aufladung eines Energiespeichers des Mobilgeräts dienen. Durch den verhältnismäßig geringen, insbesondere verschwindend geringen, relativen Phasenwinkel können ferner Energieverluste bei der Energieübertragung verringert und der Wirkungsgrad der Energieübertragung gesteigert werden.
Das Energieübertragungsmodul kann insbesondere zur Energieübertragung zu einer Handwerkzeugmaschine, insbesondere mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher, eingerichtet sein. Bevorzugt erfolgt die Energieübertragung zur Übertragung von zum Betrieb des Mobilgeräts erforderlicher Energie. Es kann insbesondere zur Übertragung hoher Leistungen, beispielsweise ab 0,1 kW und beispielsweise bis 2,5 kW, eingerichtet sein. Somit ist auch eine Verwendung des Energieübertragungsmoduls im Hochbau und/oder Tiefbau, beispielsweise zur Energieübertragung auf, insbesondere akkubetriebene, Bohrmaschinen, Bohrhämmer, Meißelmaschinen, Sägemaschinen, Messinstrumente für den Hochbau und/oder für den Tiefbau wie beispielsweise Totalstationen oder Rotationslaser und/oder einer beliebigen Kombination solcher Geräte besonders geeignet. Denkbar ist dabei, dass bei einer solchen Verwendung des Energieübertragungsmoduls gleichzeitig oder zumindest quasi-zeitgleich Energie zu mehreren dieser Mobilgeräte übertragen wird.
Die Energieübertragungsphase kann einem Zustand entsprechen, bei dem beide Sendespulen aktiv sind, sodass der relative Phasenwinkel bestimmbar ist. Das Energieübertragungsmodul kann allerdings auch eingerichtet sein, dass eine Energieübertragung auch möglich ist, wenn nur eine der beiden Sendespulen aktiv ist.
Störabstrahlungen lassen sich weiter vermeiden, wenn das Energieübertragungsmodul derart eingerichtet ist, dass sich zumindest während der Energieübertragungsphase die Effektivstromwerte der in der ersten und der zweiten Sendespule fließenden Ströme um nicht mehr als 10 Prozent, besonders bevorzugt um nicht mehr als 6 Prozent, und/oder um nicht mehr als 0,3 A unterscheiden. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Effektivwerte um weniger als 1 Prozent und können insbesondere gleich sein. Alternativ oder ergänzend können sich analog die Amplituden der Ströme und/oder von dem ersten und dem zweiten Wechselstrom zugeordneten Spannungen entsprechen oder zumindest um nicht mehr als 10 Prozent, besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 Prozent, unterscheiden. Die Leistung der Energieübertragung lässt sich besonders einfach steuern, wenn das Energieübertragungsmodul derart eingerichtet ist, dass zumindest während der Energieübertragungsphase die jeweils dem ersten und/oder dem zweiten Wechselstrom zugeordneten Spannungen pulsweitenmoduliert, vorzugsweise rechteckförmig oder zumindest im Wesentlichen rechteckförmig, sind. Insbesondere können über die jeweilige Pulsweite der jeweiligen zugeordneten Spannung die übertragene Effektiv-Leistung und der relative Phasenwinkel zwischen den durch die erste und die zweite Sendespule fließenden Strömen gesteuert werden. Der Phasenwinkel zwischen den beiden zugeordneten Spannungen kann anhand des zeitlichen Versatzes der Mitten der sich jeweils entsprechenden Pulse der jeweils zugeordneten Spannung bestimmbar und/oder einstellbar sein.
Die erste und die zweite Sendespule können in jeweils mindestens einen elektrischen Schwingkreis mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz integriert sein. Vorzugsweise können sich die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise um nicht mehr als 10 Prozent, besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 Prozent, unterscheiden. Wenigstens einer der Schwingkreise kann die jeweilige Sendespule und eine elektrische Kapazität aufweisen. Durch Betreiben wenigstens einer der Sendespulen, vorzugsweise aller Sendespulen, in Resonanz können Störabstrahlungen, insbesondere auf Harmonischen der jeweiligen Resonanzfrequenz, reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden. Auch können Scheinleistungen reduziert werden.
Ist wenigstens eine der Sendespulen und/oder sind vorzugsweise alle Sendespulen einzeln aktivierbar und deaktivierbar, so lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen und/oder Störabstrahlungen reduzieren, indem nur oder indem zumindest vorrangig diejenigen der Sendespulen aktiviert werden, in deren Nähe, insbesondere in deren räumlichen Energieübertragungsbereich, sich das Mobilgerät befindet. Dazu kann das Energieübertragungssystem eine Steuereinheit aufweisen, die zur Auswahl und insbesondere zur nachfolgenden Aktivierung und/oder Deaktivierung einer oder mehrerer der Sendespulen eingerichtet ist.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren eine Sendeeinheit für ein erfindungsgemäßes Energieübertragungsmodul, wobei die Sendeeinheit wenigstens eine mit einem Wechselstrom ansteuerbare Sendespule und eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, über die wenigstens eine Information über eine Soll-Phasenlage des in der Sendespule fließenden Stroms oder über einen relativen Soll-Phasenwinkel und/oder über eine Soll-Pulsbreite der Spannung und/oder ein Effektivwert des durch die Sendespule fließenden Stroms und/oder die Phasenlage des Stroms übertragbar ist. Mit einer solchen Sendeeinheit lässt sich der räumliche Energieübertragungsbereich, innerhalb dessen eine Energieübertragung zum Mobilgerät möglich ist, auf einfache Weise erweitern. Auch dadurch lässt sich der Komfort für einen Benutzer erhöhen. Die Kommunikationsschnittstelle kann als drahtlose und/oder als drahtgebundene Schnittstelle ausgebildet sein. Über die Kommunikationsschnittstelle, insbesondere wenn sie drahtgebunden ist, kann auch über die Sendespule zu übertragende Wirkleistung übertragbar sein. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle als elektrisches Verbindungselement ausgebildet sein und/oder ein elektrisches Verbindungselement aufweisen. Die Kommunikationsschnittstelle kann einem Eingang des zur Sendespule gehörigen Wechselstroms entsprechen. Sie kann eingerichtet sein, einen Speisestrom, vorzugsweise einen Wechselstrom- Speisestrom in die Sendeeinheit einzuspeisen, wobei vorzugsweise der Wechselstrom, mit dem die Sendespule betreibbar ist, aus dem Speisestrom erzeugbar ist. Im Speisestrom kann die Soll- Phasenlage und/oder der relative Soll-Phasenwinkel codiert sein.
Die Kommunikationsschnittstelle kann auch eingerichtet sein, die Sendespule der Sendeeinheit zu aktivieren und/oder zu deaktivieren und/oder ein Aktivierungssignal und/oder ein Deaktivierungssignal zu übertragen, mit dem die Sendespule der Sendeeinheit aktivierbar und/oder deaktivierbar ist. Somit kann das Energieübertragungsmodul modulartig durch die Sendeeinheit erweiterbar sein.
Weist das Energieübertragungsmodul und/oder die Sendeeinheit wenigstens einen Verbinder zur gegenseitigen, insbesondere reversibel lösbaren, Verbindung auf, lässt sich der zur Energieübertragung geeignete Energieübertragungsbereich auf besonders einfache Weise vergrößern und/oder verkleinern. Beispielsweise können durch Kombination eines Energieübertragungsmoduls mit einer oder mehreren Sendeeinheiten mehrere Sendespulen innerhalb eines Vielecks, insbesondere innerhalb eines Rechtecks, angeordnet sein. So ist beispielsweise eine Anordnung denkbar, bei der im Endeffekt die Sendespulen des Energieübertragungsmoduls sowie der wenigstens einen Sendeeinheit in einer 3x3-Matrix angeordnet sind. Das Energieübertragungsmodul und die wenigstens eine Sendeeinheit können in einem Master- Slave-Verhältnis stehen. Dabei kann das Energieübertragungsmodul als Master und die wenigstens eine Sendeeinheit als Slave fungieren. Insbesondere kann das Energieübertragungsmodul ausgebildet sein, als Master eine Phasenlage und/oder eine Stärke des Stroms und/oder der Spannung, mit der die wenigstens eine Sendespule der Sendeeinheit betreibbar ist, zu steuern.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren ein Energieübertragungssystem, umfassend wenigstens ein erfindungsgemäßes Energieübertragungsmodul und wenigstens eine erfindungsgemäße Sendeeinheit. Ein solches Energieübertragungssystem kann modular aufgebaut sein. Der räumliche Energieübertragungsbereich, in dem eine Energieübertragung zu einem Mobilgerät stattfinden kann, lässt sich somit modular vergrößern und/oder verkleinern.
Insbesondere ist denkbar, Energie zu einem oder zu mehreren Mobilgeräten zeitgleich oder zumindest quasi-zeitgleich zu übertragen. Dabei ist insbesondere denkbar, dass jeweils ein Mobilgerät von jeweils einem eigenen Satz von ein oder mehreren der Sendespulen des Energieübertragungssystems mit Energie versorgbar ist. Um Störabstrahlungen zu reduzieren, können ein oder mehrere der Sendespulen, insbesondere in Abhängigkeit von der Lage und/oder der Position wenigstens eines der Mobilgeräte, selektiv aktivierbar und/oder selektiv deaktivierbar sein.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems, eines erfindungsgemäßen Energieübertragungsmoduls und/oder einer erfindungsgemäßen Sendeeinheit, wobei das Energieübertragungssystem, das Energieübertragungsmodul und/oder die Sendeeinheit insgesamt zumindest zwei, jeweils mittels eines Wechselstroms betreibbare Sendespulen aufweisen, wenigstens umfassend die Schritte a. Detektion und Lokalisation eines Mobilgerätes; b. Aktivierung wenigstens einer der Sendespulen in Abhängigkeit der Detektion und/oder der Lokalisation des Mobilgeräts; c. Überwachen einer übertragenen Wirkleistung zumindest einer aktivierten Sendespule und/oder, sofern zumindest die zwei Sendespulen aktiviert sind, eines relativen Phasenwinkels der in der ersten und der zweiten Sendespule fließenden Ströme. Zur Bestimmung und/oder Überwachung des relativen Phasenwinkels kann auf eine Referenzphase, beispielsweise des durch eine bestimmte der aktivierten Sendespulen hindurchfließenden Stroms, Bezug genommen werden.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei der Gedanke zugrunde, einen möglichst großen räumlichen Energieübertragungsbereich anzubieten, in dem eine Energieübertragung zu einem oder mehreren Mobilgeräten möglich ist und dadurch die Anforderungen an die Genauigkeiten zur Positionierung und/oder zur Ausrichtung des wenigstens einen Mobilgeräts relativ zum Energieübertragungssystem, -modul und/oder zur Sendeeinheit zu reduzieren.
Dazu kann zunächst eine Vielzahl von Sendespulen bereitgestellt werden.
Das wenigstens eine Mobilgerät wird detektiert und lokalisiert.
Es können dann dem Mobilgerät ausreichend nahe gelegene Sendespulen aktiviert werden. Verhältnismäßig weit vom Mobilgerät entfernte Sendespulen können deaktiviert werden.
Anschließend können die Lage und/oder die Position des Mobilgeräts überwacht werden. Dies kann über die Stärke eines Eingangsstroms, einer Leistung und/oder über den relativen Phasenwinkel erfolgen.
Vorzugsweise können Sendespulen verwendet werden, die einen kleineren Sendebereich aufweisen als ein Empfangsbereich wenigstens einer Empfangsspule des Mobilgeräts. Mit anderen Worten können die Größenverhältnisse und/oder die Abstrahlcharakteristiken der Sendespulen und/oder die Empfangscharakteristik der wenigstens einen Empfangsspule derart gewählt sein und/oder werden, dass Energie von mehreren Sendespulen auf die wenigstens eine Empfangsspule übertragbar ist. Eine kontinuierliche Energieübertragung, selbst nach Verlagerung des Mobilgeräts, zumindest innerhalb des Energieübertragungsbereichs, lässt sich erzielen, wenn zusätzlich zur Aktivierung gemäß dem zweiten Schritt wenigstens eine inaktive Sendespule aktiviert wird. Vorzugsweise wird dabei eine bislang inaktive Sendespule aktiviert, die aktuell dem Mobilgerät möglichst nahe gelegen ist.
Um eine geeignete, derzeit inaktive Sendespule zeitsparend zu ermitteln, können die inaktiven Sendespulen zyklisch durchprobiert werden. Dies lässt sich einfach erreichen, indem, vorzugsweise nacheinander, diejenige inaktive Sendespule aktiviert wird, die jeweils am längsten inaktiv gewesen ist. Die Aktivierung kann dazu lediglich so kurzzeitig erfolgen, dass ermittelbar ist, ob eine Energieübertragung von der jeweils aktivierten Sendespule zum Mobilgerät möglich ist oder nicht. Dieses Prinzip lässt sich weiter verfeinern, indem zunächst eine Untergruppe inaktiver Sendespulen ausgewählt wird, innerhalb derer die jeweils am längsten inaktive Sendespule aktiviert wird. Beispielsweise können zunächst nur die aktuell aktivierten Sendespulen benachbarten, inaktiven Sendespulen aktiviert und insbesondere überprüft werden.
Durch eine Verlagerung des Mobilgeräts kann dieses den Sendebereich einer der Sendespulen verlassen. Somit lassen sich auch Energie einsparen und Störstrahlungen vermeiden, wenn eine aktive Sendespule während der Überwachung gemäß dem Schritt c deaktiviert wird.
Ein Auswahlkriterium hierzu kann darin bestehen, dass diejenige aktive Sendespule deaktiviert wird, deren übertragene Wirkleistung von allen jeweils aktiven Sendespulen am geringsten ist und/oder deren übertragene Wirkleistung eine Mindestwirkleistung unterschreitet.
Bevorzugt kann die dem Wechselstrom zugeordnete Spannung pulsweitenmoduliert werden.
Zur Steuerung der Energieübertragung kann das Verfahren vorsehen, dass ein Phasenwinkel und/oder ein Tastverhältnis wenigstens einer zugeordneten Spannung eingestellt wird.
Die Größe des Energieübertragungsbereichs lässt sich bedarfsgerecht anpassen, indem ein weiteres Energieübertragungsmodul und/oder eine weitere Sendeeinheit mit dem Energieübertragungssystem, dem Energieübertragungsmodul und/oder respektive der Sendeeinheit gekoppelt wird. Insbesondere lässt sich hierdurch auf besonders einfache Weise ein großflächiges System zur Energieübertragung, insbesondere zum Aufladen von Energiespeichern ein oder mehrerer Mobilgeräte, aufbauen.
Eine weitere Komfortsteigerung lässt sich erzielen, wenn eine Zustandsinformation des Mobilgeräts vom Mobilgerät an das Energieübertragungssystem, das Energieübertragungsmodul und/oder respektive die Sendeeinheit übertragen wird. Die Zustandsinformation kann beispielsweise einer Information über einen Ladezustand, beispielsweise eine Zellspannung, des Energiespeichers des Mobilgeräts entsprechen. Die Übertragung kann drahtlos erfolgen. Dazu kann das Mobilgerät ein Kommunikationsmodul aufweisen. Das Kommunikationsmodul kann ein drahtloses und bevorzugt energetisch sparsames Kommunikationsprotokoll wie beispielsweise »Bluetooth Low Energy» oder «Zigbee», verwenden. Vorzugsweise weist das Energieübertragungssystem ein entsprechendes Kommunikationsmodul auf, das besonders bevorzugt dasselbe Kommunikationsprotokoll verwendet wie das Kommunikationsmodul des Mobilgeräts.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Energieübertragungssystem mit mehreren Mobilgeräten in schematischer Darstellung;
Fig. 2 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Energieübertragungsmoduls mit einem daran angekoppelten Mobilgerät;
Fig. 3a ein Spannungs-Zeit-Diagramm in schematischer Darstellung;
Fig. 3b ein Strom-Zeit-Diagramm in schematischer Darstellung und Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren für sich funktionell entsprechende Elemente jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt ein Energieübertragungssystem 10, auf dem zur Energieübertragung ein oder mehrere, in Fig. 1 beispielhaft drei, Mobilgeräte 12 angeordnet sind. Insbesondere sollen Energiespeicher der Mobilgeräte 12 mittels des Energieübertragungssystems 10 aufgeladen werden. Die Mobilgeräte 12 können beispielsweise akkubetriebene Bohrhämmer, Meißelmaschinen, Bohrmaschinen oder andere akkubetriebene Handwerkzeugmaschinen oder ein Akkublock für eine solche Maschine sein.
Das Energieübertragungssystem 10 weist ein Energieübertragungsmodul 14 sowie zwei Sendeeinheiten 16 auf. Über Kommunikationsschnittstellen 18 sind die Sendeeinheiten 16 mit dem Energieübertragungsmodul 14 gekoppelt.
Die Kommunikationsschnittstellen 18 weisen elektrische Verbindungselemente, insbesondere Steckverbinder sowie komplementär ausgebildete Buchsen auf. Über die Kommunikationsschnittstellen 18 können die Sendeeinheiten 16 von dem Energieübertragungsmodul 14 mit elektrischer Energie versorgt werden. Zudem kann eine Information über eine Soll-Phasenlage über die Kommunikationsschnittstellen 18 vom Energieübertragungsmodul 14 zur jeweiligen Sendeeinheit 16 übertragen werden. Insbesondere kann über die Kommunikationsschnittstelle 18 wenigstens ein Speisestrom vom Energieübertragungsmodul 14 zu den Sendeeinheiten 16 übertragen werden. Durch eine Phasenlage des Speisestroms kann eine jeweilige Soll-Phasenlage codiert sein. Beispielsweise kann die Phasenlage des Speisestroms der jeweils einzustellenden bzw. zu erreichenden Soll- Phasenlage entsprechen.
Das Energieübertragungsmodul 14 sowie die Sendeeinheiten 16 weisen jeweils mehrere Sendespulen 20 auf, von denen zur Vereinfachung der Darstellung lediglich eine Sendespule 20 mit einem Bezugszeichen markiert ist. Die Sendespulen 20 sind jeweils im Energieübertragungsmodul 14 bzw. in den jeweiligen Sendeeinheiten 16 flächig, insbesondere matrixförmig, verteilt angeordnet.
Die Mobilgeräte 12 sind insbesondere für eine elektromagnetische, insbesondere induktive, Ankopplung an das Energieübertragungssystem 10 eingerichtet. Die Mobilgeräte 12 weisen jeweils eine Empfangsspule 22 auf. Die Empfangsspulen 22 sind eingerichtet, von wenigstens einer der Sendespulen 20 abgestrahlte Energie zu empfangen, sofern sie sich in einem jeweiligen räumlichen Energieübertragungsbereich der jeweiligen Sendespule 20 befinden.
Zu erkennen ist, dass die Mobilgeräte 12 auf dem Energieübertragungssystem 10, insbesondere zur Energieübertragung, frei platziert und frei ausgerichtet sind.
Auch ist zu erkennen, dass die Empfangsspulen 22 jeweils eine größere Fläche überspannen als jeweils eine der Sendespulen 20. Mit anderen Worten sind die Empfangsspulen 22 größer als die Sendespulen 20. Insbesondere sind die Empfangsspulen 22 größer als die jeweiligen räumlichen Energieübertragungsbereiche der jeweiligen Sendespulen 20. Beispielsweise überspannen das in Fig. 1 am weitesten links platzierte Mobilgerät 12 und insbesondere dessen Empfangsspule 22 neun Sendespulen 20.
Das Energieübertragungssystem 10 ist modular aufgebaut. Weitere Sendeeinheiten (in Fig. 1 nicht dargestellt) und vorzugsweise weitere Energieübertragungsmodule (in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellt) lassen sich mittels der Kommunikationsschnittstelle 18 an das Energieübertragungsmodul 14 anschließen, sodass das Energieübertragungssystem 10 und insbesondere der Energieübertragungsbereich des Energieübertragungssystems 10 vergrößert werden. Auch können eine oder beide Sendeeinheiten 16, insbesondere von der Kommunikationsschnittstelle 18, abgekoppelt werden, sodass das Energieübertragungssystem 10 und insbesondere sein Energieübertragungsbereich verkleinert werden.
Das Energieübertragungssystem 10, insbesondere sein Energieübertragungsmodul 14, weist - jeweils in Fig. 1 nicht dargestellt - eine programmierbare Steuereinheit mit einer Speichereinheit, in der Programmcode zur Ausführung des in Bezug auf Fig. 4 noch näher zu beschreibenden, erfindungsgemäßen Verfahrens ausführbar abgelegt ist, und mit mittels Programmcode steuerbare, elektrische Schaltelemente auf. Die Steuereinheit ist insbesondere eingerichtet, die Sendespulen 20 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern. Denkbar ist, dass alternativ oder ergänzend die Sendeeinheiten 16 jeweils entsprechend eingerichtete, eigene Steuereinheiten zur Steuerung ihrer jeweiligen Sendespulen 20 aufweisen. Eine Synchronisation der Steuerungen durch die Steuereinheiten kann in diesem Fall über die Kommunikationsschnittstellen 18 erfolgen.
Der schaltungstechnische Aufbau des Energieübertragungsmoduls 14 und der Sendeeinheiten 16 wird im Folgenden anhand eines vereinfachten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Energieübertragungsmoduls 14 mit zwei mit einem ersten und einem zweiten Wechselstrom betreibbaren Sendespulen 20 und deren Sende induktivitäten Ltx1 und Ltx2.
Das Energieübertragungsmodul 14 und die Sendeeinheiten 16 sowie die Mobilgeräte 12 des vorangehenden Ausführungsbeispiels weisen einen zu dem nun zu beschreibenden Ausführungsbeispiel analogen Aufbau auf.
Ein Mobilgerät 12 ist über die Sendespulen 20 mit dem Energieübertragungsmodul 14 zur Energieübertragung induktiv gekoppelt. Dazu weist das Mobilgerät 12 eine Empfangsspule 22 mit einer Empfangs-Induktivität Lrx auf. Die Sende-Induktivität Lrx ist mit einem Kopplungsfaktor k1r beziehungsweise k2r mit den Sende-Induktivitäten Ltx1 beziehungsweise Ltx2 gekoppelt. Zwischen den Sende-Induktivitäten Ltx1 und Ltx2 besteht eine, vorzugsweise geringe, Kopplung mit einem Kopplungsfaktor k12. Die Sende-Induktivitäten Ltx1 und Ltx2 sowie die Empfangs-Induktivität Lrx sind in jeweils separate Schwingkreise eingebunden. Die Schwingkreise weisen dazu Kapazitäten Ctx1, Ctx2 beziehungsweise Crx auf. Alle Schwingkreise weisen die gleiche Resonanzfrequenz auf.
Die Energieversorgung der Sende-Induktivitäten Ltx1 und Ltx2 erfolgt über einen Gleichspannungs-Wechselspannungswandler 24, von dem vereinfachend nur einzelne Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter, in dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 2 abgebildet sind.
Der Gleichspannungs-Wechselspannungswandler 24 wird von einer Spannungsquelle mit der Speisespannung Uq gespeist. Die Speisespannung Uq beträgt 24 V. Der Gleichspannungs- Wechselspannungswandler 24 erzeugt Spannungen utx1 und utx2. Dazu nimmt er Eingangsströme Iin1 und Iin2 auf.
Die Schwingkreise der Sendespulen 20 werden von Strömen itx1 beziehungsweise itx2 durchflossen.
Durch induktive Energieübertragung werden im Schwingkreis des Mobilgeräts 12 eine Induktionsspannung urx und ein Induktionsstrom irx erzeugt. Mit der Induktionsspannung urx und/oder dem Induktionsstrom irx kann, wie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, über eine Gleichrichterschaltung, insbesondere Leistungsdioden aufweisend, ein Energiespeicher mit der Ladespannung Ubat und dem Ladestrom Ibat aufgeladen werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Aufladung des Energiespeichers auch durch andere Verschaltungen, insbesondere eine Ladesteuerungsschaltung aufweisend, erfolgen. Denkbar ist auch, dass weitere und/oder andersartige Funktionsgruppen des Mobilgeräts 12 mittels der Induktionsspannung urx und/oder dem Induktionsstrom irx mit Energie versorgbar sind. Die durch das Energieübertragungsmodul 14, insbesondere in Verbindung mit dem Mobilgerät 12, erreichte maximale Ladeleistung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 100 W. Der Ladestrom Ibat beträgt 5 A und die Ladespannung Ubat beträgt 20 V.
Zudem weist das Energieübertragungssystem 10, insbesondere das Energieübertragungsmodul 14 und für jede der Sendespulen 20, ebenfalls aus Vereinfachungsgründen in Fig. 1 nicht dargestellte Analog-Digital-Wandler-Einheiten auf. Mittels der Analog-Digital-Wandler-Einheiten können die Eingangsströme lin 1 , Iin2, die Spannungen utx1 , utx2 und/oder die Ströme itx1 , itx2 digitalisierbar und/oder messbar sein.
Fig. 3a zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Spannungen utx1 und utx2. Beide Spannungen utx1 und utx2 sind Rechteck-Wechselspannungen. Sie weisen einen rechteckförmigen oder einen zumindest im Wesentlichen rechteckförmigen Spannungsverlauf auf. Die Spannung utx1 weist eine Pulsbreite d1 auf. Die Spannung utx2 weist eine Pulsbreite d2 auf. Durch die Pulsbreiten d1 und/oder d2 in Verbindung mit den Frequenzen der Spannungen utx1 respektive utx2 ergeben sich jeweils spezifisch einstellbare Tastverhältnisse der Spannungen utx1 , utx2. Die Spannungen utx1 und utx2 weisen relativ zueinander einen Phasenwinkel alpha auf. Der Phasenwinkel alpha kann dazu als relative zeitliche Differenz, beispielsweise ausgedrückt als Anteil im Verhältnis zu einer Periodendauer, der jeweiligen Mittelpunkte zwischen einer jeweiligen steigenden Flanke und der zugehörigen nächstfolgenden fallenden Flanke der positiven Halbwelle der jeweiligen der Spannungen utx1 , utx2 gemessen sein.
Die Amplituden der Spannungen utx1 und utx2 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß oder sie sind zumindest im Wesentlichen gleich groß.
Fig. 3b stellt- ebenfalls in schematischer Darstellung - einen zu den Spannungen utx1 , utx2 gemäß Fig. 3a gehörigen zeitlichen Verlauf der Ströme itx1 und itx2 dar.
Zu erkennen ist insbesondere, dass die Ströme itx1 und itx2 relativ zueinander einen relativen Phasenwinkel beta aufweisen. Der relative Phasenwinkel beta kann dabei als relative zeitliche Differenz, beispielsweise ausgedrückt als Anteil im Verhältnis zu einer Periodendauer, zweier unmittelbar aufeinanderfolgender gleichgerichteter Nulldurchgänge des jeweiligen Stroms itx1 , itx2 gemessen sein.
Der relative Phasenwinkel beta beträgt weniger als 15°.
Die Frequenzen der Ströme itx1 und itx2 stimmen überein oder stimmen zumindest im Wesentlichen überein.
Auch die Effektivwerte der Ströme itx1 und itx2 stimmen überein oder stimmen zumindest im Wesentlichen überein.
Fig. 4 zeigt nun ein Verfahren 100 zum Betrieb des Energieübertragungssystems 10.
Im Folgenden wird das Verfahren 100 unter Bezug auf die in den vorangehenden Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 3a und Fig. 3b beschriebenen Elemente und unter Rückgriff auf die dort verwendeten Bezugszeichen näher erläutert.
Das Verfahren 100 wird insbesondere zur Steuerung der Sendespulen 20 des Energieübertragungsmoduls 14 und der Sendeeinheiten 16 angewandt.
Es umfasst folgende Schritte:
Auf einen Startschritt 110, während dem das Energieübertragungssystem 10 in einen allgemeinen Betriebszustand versetzt wird, folgt zunächst ein Warteschritt 112.
Im Warteschritt 112 wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise 5 Sekunden, nach Beginn des Warteschritts 112 ein Suchschritt 114 ausgelöst. Während dieser Wartezeit kann das Energieübertragungssystem 10 oder zumindest eines seiner Elemente in einen, insbesondere energiesparenden, Ruhezustand versetzt sein. Der Suchschritt 114 dient zur Detektion und Lokalisation wenigstens eines im Energieübertragungsbereich des Energieübertragungssystem 10 befindlichen Mobilgerätes 12. Die Detektion und die Lokalisation erfolgen dabei indirekt dadurch, dass bestimmt wird, ob sich und gegebenenfalls bei welchen Sendespulen 20 eine Empfangsspule 22 innerhalb eines Energieübertragungsbereichs der jeweiligen Sendespule 20 befindet.
Die Detektion einer Empfangsspule 22 erfolgt dabei durch sequenzielle Prüfung der zu den Sendespulen 20 gehörigen Schwingkreise auf Verstimmung.
Im Einzelnen werden dazu innerhalb des Suchschritts 114 sequenziell für jede einzelne von insgesamt n Sendespulen 20 bzw. für jeden einzelnen von n zugehörigen Schwingkreisen folgende Teilschritte ausgeführt, wobei mit k die Indexnummer des jeweiligen Schwingkreises bezeichnet sei und die Bezugszeichen link, utxk, itxk und dk analog zu Iin1 , utx1, itx1 und d1 in Bezug auf eine mit Index k bezeichnete Sendespule 20 und dem dazugehörigen Schwingkreis zu verstehen sind:
114.1 Schwingkreis k wird mit einem Tastverhältnis von 1% aktiviert. Dazu wird seine Spannung utxk auf dieses Tastverhältnis von 1% und der diesem Tastverhältnis zugehörigen Pulsbreite dk eingestellt. Die Frequenz der Spannung utxk wird auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises k eingestellt.
114.2 Es wird ein Abklingen eventueller Transienten eines zugehörigen Stroms itxk abgewartet. Dazu wird beispielsweise eine vordefinierte Zeitdauer gewartet.
114.3 Der Strom itxk wird gemessen und mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen.
114.4 Das Ergebnis des Vergleichs wird zwischengespeichert.
114.5 Der Schwingkreis k wird deaktiviert, indem die Spannung utxk abgeschaltet wird.
Abschließend werden die zwischengespeicherten Vergleichsergebnisse ausgewertet und insbesondere die Anzahl nactive der durch das oder die Mobilgeräte 12 belegten und daher zu aktivierenden Sendespulen 20 in Form der Anzahl positiver Vergleichsergebnisse gezählt.
Denkbar ist, dass in diesem Schritt eine Typidentifikation erfolgt, sodass lediglich Mobilgeräte 12 eines oder mehrerer bestimmter Typen berücksichtigt werden. Dies ermöglicht es auch, Störobjekte, beispielsweise metallische Fremdkörper, auf die keine Energie übertragen werden soll, zu detektieren und auszusondern. Dazu ist es auch denkbar, bei Detektion eines Störobjekts die betreffenden Sendespulen 20 nicht zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Dazu ist auch denkbar, dass das Energieübertragungsmodul (14) und/oder die Sendeeinheit (16) eingerichtet sind, eine Typidentifikation oder eine Störobjektidentifikation durchzuführen.
In einem nachfolgenden Prüfschritt 116 wird geprüft, ob die Anzahl nactive eine vordefinierte Mindestanzahl nactive, min überschreitet. Die Mindestanzahl nactive, in kann beispielsweise 1 betragen. Eine höhere Mindestanzahl nactive, min kann dabei gewählt sein, um die Messfehlertoleranz bei der Detektion und Lokalisation des bzw. der Mobilgeräte 12 zu verbessern.
Ist die Anzahl nactive zu gering, beispielsweise, weil sich kein Mobilgerät 12 im
Energieübertragungsbereich des Energieübertragungssystems 10 befindet, wird das Verfahren 100 mit dem Warteschritt 112 fortgesetzt. Damit wartet das
Energieübertragungssystem 10 beispielsweise auf aufzuladende Mobilgeräte 12.
Anderenfalls wird das Verfahren 100 mit einem Energieübertragungsschritt 118 fortgesetzt.
Der Energieübertragungsschritt 118 dient zur eigentlichen Energieübertragung auf das oder die Mobilgeräte 12.
Der Energieübertragungsschritt 118 ist eingerichtet, dass die Ströme itxk aller aktiven Sendespulen 20 beziehungsweise aller zugehörigen Schwingkreise dahingehend geregelt werden, dass sie möglichst gleiche Effektivstromwerte aufweisen oder dass zumindest deren paarweise Effektivstromwertdifferenzen einen maximalen, vorbestimmten Maximalstromdifferenzwert, beispielsweise 0,3 A, unterschreiten. Vorzugsweise werden die Ströme itxk aller aktiven Sendespulen 20 zusätzlich dahingehend geregelt, dass die Ströme itxk in Phase sind oder dass zumindest die paarweise gemessenen, relativen Phasenwinkel beta einen maximalen, vorbestimmten Soll-Phasenwinkel, beispielsweise 15°, unterschreiten. Ein weiteres Regelungsziel des Energieübertragungsschritts 118 ist vorzugsweise, alle Ströme itxk bei zumindest weitgehender Aufrechterhaltung der gesamten Energieübertragungsleistung zu minimieren, um Streufelder zu vermeiden.
Der Energieübertragungsschritt 118 ist ferner eingerichtet, dass wenigstens eine der Sendespulen 20 in Abhängigkeit der vorangehenden Detektion und/oder der Lokalisation des oder der Mobilgeräte 12 aktiviert wird.
Die Wirkleistung wenigstens einer der aktivierten Sendespulen 20 wird überwacht. Insbesondere werden Die Stärke wenigstens eines Stromes itxk und/oder wenigstens einer der jeweils relativ zu einem Bezugs-Strom gemessenen relativen Phasenwinkel beta der Ströme itxk wenigstens einer der aktivierten Sendespulen 20 überwacht.
Wird über eine der aktivierten Sendespulen 20 über einen bestimmten Zeitraum hinweg eine zu geringe Wirkleistung übertragen, so wird vorzugsweise diese Sendespule 20 deaktiviert. Insbesondere kann jeweils diejenige bislang aktive Sendespule 20 mit Indexnummer k deaktiviert werden, deren übertragene Wirkleistung von allen jeweils aktiven Sendespulen 20 am geringsten ist und/oder deren übertragene Wirkleistung eine Mindestwirkleistung unterschreitet. Dies kann beispielsweise Vorkommen, wenn das oder die Mobilgeräte 12 während der Energieübertragung verlagert werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass inaktive Sendespulen 20, insbesondere in regelmäßigen zeitlichen Abständen, dahingehend geprüft werden, ob sich in ihrem jeweiligen Energieübertragungsbereich ein Mobilgerät 12 bzw. eine Empfangsspule 22 befindet. Dazu wird vorzugsweise diejenige inaktive Sendespule 20 probeweise aktiviert und überprüft, die jeweils am längsten inaktiv gewesen ist. Eine solche bislang inaktive Sendespule 20 wird bei positiver Überprüfung sodann aktiviert. Auch dies kann beispielsweise Vorkommen, wenn das oder die Mobilgeräte 12 während der Energieübertragung verlagert werden.
Zur Regelung der Ströme itxk ist im Energieübertragungsschritt 118 vorgesehen, die jeweiligen Phasenwinkel alpha und/oder die Tastverhältnisse, insbesondere durch Einstellen der zugehörigen Pulsweiten dk, einzustellen. Im Einzelnen sind im Energieübertragungsschritt 118 folgende Teilschritte vorgesehen:
118.1 Aktivieren aller nactive im Schritt 114 erkannten Sendespulen 20, d. h. Aktivieren der Sendespulen 20 in Abhängigkeit von der Detektion und/oder der Lokalisation des wenigstens einen Mobilgeräts 12. Dazu Setzen eines Sollwerts der Gesamtenergieübertragungsleistung, beispielsweise 100 W;
118.2 Messen der Effektivwerte aller Ströme itxk aller aktiven Sendespulen 20 und der relativen Phasenwinkel beta;
118.3 Prüfen, ob alle Regelungsziele, insbesondere relative Phasenwinkel beta und Effektivstromwertdifferenzen, für alle Ströme itxk bzw. alle aktiven Sendespulen 20 erfüllt sind;
118.4 Falls alle Regelungsziele gemäß 118.3 erfüllt sind und falls der Mittelwert aller Effektivwerte aller Ströme itxk aller aktiven Sendespulen 20 einen Maximalgesamtstromwert, beispielsweise 4,5 A, überschreitet:
118.4.1 Deaktivieren wenigstens einer nicht mehr benötigten, bislang aktiven Sendespule 20. Dazu insbesondere Deaktivieren derjenigen Sendespulen 20, deren übertragene Wirkleistung eine vorbestimmte Minimalwirkleistung, beispielsweise 6 W, unterschreitet.
118.4.2 In einem vorgegebenen Rhythmus, beispielsweise sekündlich, probeweises Aktivieren einer der bislang inaktiven Sendespulen 20, insbesondere der jeweils am längsten inaktiven Sendespule 20.;
118.5 Falls wenigstens eines der Regelungsziele gemäß 118.3 über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg, beispielsweise 2 Sekunden, dauerhaft nicht erfüllt ist:
118.5.1 Deaktivieren wenigstens einer bislang aktiven Sendespule 20. Dazu insbesondere Deaktivieren derjenigen Sendespule 20 mit der geringsten bezogenen Leistung und/oder mit der geringsten übertragenen Wirkleistung.
118.6 Ermitteln neuer Steuerparameter:
118.6.1 Berechnen einer Gesamtenergieübertragungsleistung als Summe der von den einzelnen Sendespulen 20 abgegebenen Leistungen;
118.6.2 Bestimmen einer Referenz-Sendespule durch Wahl der Sendespule 20 mit der größten übertragenen Wirkleistung. Im Folgenden werden Parameter dieser Referenz-Sendespule mit Index ref bezeichnet;
118.6.3 Schrittweises Anpassen der Pulsweite dref der Spannung utxref der Referenz-Sendespule in Abhängigkeit der Differenz der Gesamtenergieübertragungsleistung von dem Sollwert der Gesamtenergieübertragungsleistung, sofern die Differenz eine Relevanzschwelle, beispielsweise 5 W, überschreitet;
118.6.4 Für jede der übrigen, aktiven Sendespulen 20:
118.6.4.1 Schrittweises Anpassen ihres Phasenwinkels alpha, falls ihr Effektivstromwert des Strom itxk von dem Effektivstromwert des Stroms itxref der Referenz-Sendespule über eine Relevanzschwelle, beispielsweise 0,1 A, hinaus abweicht;
118.6.4.2 Schrittweises Anpassen ihrer Pulsweite dk, falls ihr Phasenwinkel beta relativ zur Referenz-Sendespule über eine Relevanzschwelle, beispielsweise 5°, hinaus abweicht;
118.7 Setzen der im Teilschritt 118.6 neu ermittelten Steuerparameter, insbesondere der relativen Phasenwinkel alpha sowie der Tastverhältnisse bzw. der zugehörigen Pulsweiten dk, zur Einstellung von Pulsweitenmodulationsgeneratoren, durch die die Gleichspannungs- Wechselspannungswandler 24 zur Erzeugung der Spannungen utxk angesteuert werden.
Zur Messung der Gesamtenergieübertragungsleistung werden Mittelwerte der Eingangsströme link gemessen, mit der Speisespannung Uq multipliziert und die ermittelte Leistung um Verlustleistungen, insbesondere in Form von ohmschen Verlustleistungen, korrigiert.
Die Messung der Eingangsströme link und der Ströme itxk erfolgt durch schnelle Abtastung mittels der Analog-Digital-Wandler-Einheiten, beispielsweise mit einem Takt von ca. 5 MHz. Dabei wird jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Messwerten, beispielsweise 58 Messwerte, jeder Messgröße, also insbesondere der Eingangsströme link und der Ströme itxk, für jede zu messende Sendespule 20 erfasst und dann zur nächsten zu messenden Sendespule 20 weitergegangen. Um Leck-Effekte zu vermeiden, wird über ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer hinweg abgetastet. Die Messungen werden immer am Beginn einer neuen Periode der Spannung utxref der Referenzspule begonnen, um einen einheitlichen zeitlichen Bezugspunkt zu gewährleisten und um relative Phasenwinkel beta berechnen zu können.
Die Bestimmung der Effektivstromwerte und der relativen Phasenwinkel beta erfolgt vereinfachend aus den erhaltenen Messwerten auf Basis einer Fourier-Reihenentwicklung erster Ordnung.
Abschließend wird in einem Entscheidungsschritt 120 die insgesamt übertragene Wirkleistung überprüft. Erreicht sie mindestens eine vordefinierte Mindestgesamtwirkleistung, beispielsweise 0,02 kW, so wird das Verfahren 100 mit Teilschritt 118.2 des Energieübertragungsschritts 118 fortgesetzt. Anderenfalls kehrt das Verfahren 100 wieder zum Warteschritt 112 zurück.
Somit erfolgt eine Energieübertragung solange, bis die Gesamtenergieübertragungsleistung und damit die von den Mobilgeräten 12 insgesamt abgenommene Leistung ein vordefiniertes Minimum unterschreitet.

Claims

Patentansprüche
1. Energieübertragungsmodul (14) zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät (12), insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei die Energieübertragung drahtlos erfolgt, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Sendespule (20), wobei die erste Sendespule (20) mit einem ersten Wechselstrom und die zweite Sendespule (20) mit einem zweiten Wechselstrom betreibbar ist, wobei das Energieübertragungsmodul (14) derart eingerichtet ist, dass zumindest während einer Energieübertragungsphase des Energieübertragungsmoduls (14) der Betrag des relativen Phasenwinkels (beta) der in der ersten und der zweiten Sendespule (20) fließenden Ströme (itx1 , itx2) nicht mehr als 45°, besonders bevorzugt nicht mehr als 15°, beträgt.
2. Energieübertragungsmodul (14) zur Energieübertragung zu einem Mobilgerät (12), insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei die Energieübertragung drahtlos erfolgt, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Sendespule (20), wobei die erste Sendespule (20) mit einem ersten Wechselstrom und die zweite Sendespule (20) mit einem zweiten Wechselstrom betreibbar ist, wobei das Energieübertragungsmodul (14) eingerichtet ist, zumindest während einer Energieübertragungsphase des Energieübertragungsmoduls (14) den Betrag des relativen Phasenwinkels (beta) der in der ersten und der zweiten Sendespule (20) fließenden Ströme (itx1 , itx2) zu minimieren.
3. Energieübertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungsmodul (14) derart eingerichtet ist, dass sich zumindest während der Energieübertragungsphase die Effektivstromwerte der in der ersten und der zweiten Sendespule (20) fließenden Ströme (itx1 , itx2) um nicht mehr als 10 Prozent, besonders bevorzugt um nicht mehr als 6 Prozent, und/oder um nicht mehr als 0,3 A unterscheiden.
4. Energieübertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungsmodul (14) derart eingerichtet ist, dass zumindest während der Energieübertragungsphase jeweils dem ersten und/oder dem zweiten Wechselstrom zugeordnete Spannungen (utx1, utx2) pulsweitenmoduliert, vorzugsweise rechteckförmig oder zumindest im Wesentlichen rechteckförmig, sind.
5. Energieübertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sendespule (20) und die zweite Sendespule (20) in jeweils mindestens einen elektrischen Schwingkreis mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz integriert sind, wobei sich die Resonanzfrequenzen um nicht mehr als 10 Prozent, vorzugsweise um nicht mehr als 1 Prozent, unterscheiden.
6. Energieübertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Sendespulen (20) einzeln aktivierbar und deaktivierbar ist.
7. Energieübertragungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Mobilgerät (12), insbesondere einer Handwerkzeugmaschine, wobei das Mobilgerät (12) eine Empfangsspule (22) aufweist.
8. Energieübertragungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule (22) eine größere Fläche überspannt als jeweils eine der Sendespulen (20).
9. Sendeeinheit (16), insbesondere für ein Energieübertragungsmodul (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (16) wenigstens eine mit einem Wechselstrom betreibbare Sendespule (20) und eine Kommunikationsschnittstelle (18) aufweist, über die wenigstens eine Information über eine Soll-Phasenlage des in der Sendespule (20) fließenden Stroms (itx1 , itx2) oder über einen relativen Soll-Phasenwinkel übertragbar ist.
10. Energieübertragungssystem (10), umfassend wenigstens ein
Energieübertragungsmodul (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und wenigstens eine Sendeeinheit (16) nach Anspruch 9.
11. Verfahren (100) zum Betrieb eines Energieübertragungssystems (10) nach Anspruch 10, eines Energieübertragungsmoduls (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder einer Sendeeinheit (16) nach Anspruch 9, wobei das Energieübertragungssystem (10), das Energieübertragungsmodul (14) und/oder die Sendeeinheit (16) insgesamt zumindest zwei, jeweils mittels eines Wechselstroms betreibbare Sendespulen (20) aufweisen, wenigstens umfassend die Schritte (110, 112, 114, 116, 118, 120): a. Detektion und Lokalisation eines Mobilgerätes (12); b. Aktivierung wenigstens einer der Sendespulen (20) in Abhängigkeit der Detektion und/oder der Lokalisation des Mobilgeräts (12); c. Überwachen einer übertragenen Wirkleistung zumindest einer aktivierten Sendespule (20) und/oder, sofern zumindest die zwei Sendespulen (20) aktiviert sind, eines relativen Phasenwinkels (beta) der in der ersten und der zweiten Sendespule (20) fließenden Ströme (itx1 , itx2).
12. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Aktivierung gemäß Schritt b wenigstens eine inaktive Sendespule (20) aktiviert wird.
13. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige inaktive Sendespule (20) aktiviert wird, die jeweils am längsten inaktiv gewesen ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Sendespule (20) während der Überwachung gemäß Schritt c deaktiviert wird.
15. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige aktive Sendespule (20) deaktiviert wird, deren übertragene Wirkleistung von allen jeweils aktiven Sendespulen (20) am geringsten ist und/oder deren übertragene Wirkleistung eine Mindestwirkleistung unterschreitet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenwinkel (alpha) zwischen wenigstens zwei den jeweiligen Wechselströmen zugeordneten Spannungen (utx1, utx2) und/oder ein Tastverhältnis wenigstens einer aktiven Sendespule (20), vorzugsweise aller aktiven Sendespulen (20), eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Energieübertragungsmodul (14) und/oder eine weitere Sendeeinheit (16) mit dem Energieübertragungssystem (10), dem Energieübertragungsmodul (14) und/oder der Sendeeinheit (16) gekoppelt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, jeweils mittels eines Wechselstroms betreibbare Sendespulen (20) verwendet werden, die einen kleineren Sendebereich aufweisen als ein Empfangsbereich wenigstens einer Empfangsspule (22) des Mobilgeräts (12).
EP21740016.7A 2020-07-13 2021-07-02 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren Pending EP4179607A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20185450.2A EP3940920A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren
PCT/EP2021/068394 WO2022012980A1 (de) 2020-07-13 2021-07-02 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4179607A1 true EP4179607A1 (de) 2023-05-17

Family

ID=71607762

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20185450.2A Withdrawn EP3940920A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren
EP21740016.7A Pending EP4179607A1 (de) 2020-07-13 2021-07-02 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20185450.2A Withdrawn EP3940920A1 (de) 2020-07-13 2020-07-13 Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230261530A1 (de)
EP (2) EP3940920A1 (de)
WO (1) WO2022012980A1 (de)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IN2014DN07034A (de) * 2012-02-16 2015-04-10 Auckland Uniservices Ltd
DE102013004181A1 (de) * 2013-03-12 2014-10-02 Paul Vahle Gmbh & Co. Kg Sekundärseitige Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung mit Quadrupolen
US9800076B2 (en) * 2014-02-14 2017-10-24 Massachusetts Institute Of Technology Wireless power transfer
US10027168B2 (en) * 2015-09-22 2018-07-17 Energous Corporation Systems and methods for generating and transmitting wireless power transmission waves using antennas having a spacing that is selected by the transmitter
WO2018194223A1 (ko) * 2017-04-21 2018-10-25 한국전자통신연구원 에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022012980A1 (de) 2022-01-20
EP3940920A1 (de) 2022-01-19
US20230261530A1 (en) 2023-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3272467B1 (de) Adapteranordnungssystem
EP3134952B1 (de) Übertragungssystem und verfahren zur induktiven ladung eine elektrisch angetriebenen fahrzeugs und fahrzeuganordnung
DE202012013165U1 (de) Drahtloser Stromsender, drahtloser Stromempfänger
DE102013012937A1 (de) Zweimodiger Wireless-Power-Empfänger
DE102015116397A1 (de) Ladesystem und dazugehöriges Ladeverfahren, Batteriepack
EP3887837A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur abschätzung des gesundheitszustands eines wechselakkus
DE102010055696A1 (de) System zur kontaktlosen Energieübertragung, Verwendung eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung und Fahrzeug mit einem System zur kontaktlosen Energieübertragung zwischen einem ersten Fahrzeugteil und einem zweiten Fahrzeugteil
EP2884620B1 (de) Verfahren zum Laden von Batterien und Konverter zum Laden
DE102013212611A1 (de) Induktionsladevorrichtung
DE102015104780A1 (de) Drahtlose Leistungsversorgungsvorrichtung
WO2019211413A1 (de) Energieübertragungssystem und empfangseinheit zur drahtlosen transkutanen energieübertragung
WO2018050288A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verwalten einer elektrizitätsversorgung durch ein elektrisches netz
DE102014222475A1 (de) Übertragungssystem, Verfahren und Fahrzeuganordnung
EP3028540B1 (de) Kochfeldvorrichtung
WO2016096884A1 (de) Primäreinheit mit mehreren teilspulen für induktives laden
EP2206213B1 (de) Galvansiche trennung zwischen zell-ladungsausgleich und steuerung eines hybridantriebs
EP4179607A1 (de) Energieübertragungsmodul, sendeeinheit, energieübertragungssystem und verfahren
EP3258571B1 (de) Energieübertragungssystem und verfahren zum betrieb eines energieübertragungssystems
EP3533131B1 (de) Energieübertragungsvorrichtung und energieübertragungsverfahren
DE102018217599A1 (de) Wandlerschaltung, Fahrzeugladeschaltung und Fahrzeugbordnetz
EP2530809A2 (de) Elektrische Versorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung
DE19534174A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer einen Elektromotor versorgenden Batterie
EP3472845A1 (de) Ladevorrichtung
DE112019004331T5 (de) Berührungsloses Stromversorgungssystem, Verfahren für die berührungslose Stromversorgung und Programm für die berührungslose Stromversorgung
EP3427365B1 (de) Verfahren zu einer induktiven energieübertragung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230213

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)