借助磁交变场进行的能量技术上的无线耦合的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于磁交变场(28)进行能量技术上的无线耦合的电路布置(10，30)，其具有：带有至少一个电子线圈(20，38)的线圈电路(18，36)，用于提供与外部的线圈电路(18，36)的能量技术上的无线耦合；以及可连接到电源和/或电能汇点上的变流器，用于使电源中的电能供给到线圈电路(18，36)或者向电能汇点输出线圈电路(18，36)的电能，其中线圈电路(18，36)连接到变流器上。借助本发明提出，电子线圈(20，38)的绕组在其几何和其绕组匝数方面的大小被确定，使得能够实现用于补偿的尽可能宽的范围。
【专利说明】借助磁交变场进行的能量技术上的无线耦合
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于磁交变场进行能量技术上的无线耦合的电路布置，其具有:带有至少一个电子线圈的线圈电路，用于提供与外部的线圈电路的能量技术上的无线耦合；以及能连接到电源和/或电能汇点上的变流器，用于从电源中对线圈电路供给电能或者将线圈电路的电能输出至电能汇点，其中线圈电路连接到变流器上。本发明还涉及一种能电驱动的车辆，其具有:包括电机的驱动设备；用于在车辆行驶运行中对电机供给电能的蓄电器和用于将电能输送至蓄电器的充电装置，为了所述目的，所述充电装置具有用于借助磁交变场进行能量技术上的无线耦合的电路布置，电路布置具有:带有至少一个电子线圈的线圈电路，用于提供与外部的线圈电路的能量技术上的无线耦合；以及连接到蓄电器上的变流器，用于将线圈电路的电能输出至电能汇点，其中线圈电路连接到变流器上。
【背景技术】
[0002]具有用于借助磁交变场无线地传输能量的充电装置的类型相关的车辆在原理上是已知的，使得为此不需要单独的、参考文献方面的证据。可电驱动的车辆具有充电装置，借助所述充电装置能够为可电驱动的车辆输送能量，为了实施符合规定的运行、即形式运行，所述能量优选存储在车辆的蓄能器中。能量通常借助于充电站来提供，所述充电站就其而言连接到电源上、例如连接到公共的电网上、连接到发电机上、连接到电池和/或类似物上。充电站在吸收电源的电能的情况下产生磁交变场。车辆的充电装置检测磁交变场，提取该能量并且在车辆侧提供电能，尤其是以便对车辆的蓄电器和/或驱动设备的电极提供电能。
[0003]用于从充电站到车辆的充电装置输送能量的可行性在于:借助于车辆和充电站之间的线缆建立作为能量技术上的耦合的电连接。此外已知的是:根据另一可行性，建立能量技术上的无线耦合，所述能量技术上的无线耦合避免借助于线缆进行高成本的机械联接。为了该目的，在充电站侧和在车辆侧通常分别设有线圈电路，所述线圈电路在充电过程期间基本上彼此相对置地设置并且利用磁交变场实现能量耦合。这种装置例如从KR1020120016521 A 中已知。
[0004]在借助于磁交变场传输能量的系统中也提出电感性的能量传输装置，通过变化间距和/或偏移部分显著地改变所参与的线圈电路的电感。在已知的系统中，这引起工作频率的显著变化，即磁交变场的频率。如果线圈电路的参数在比较值之上变化，那么这引起效率降低，使得不再能够传输预设的额定功率。
[0005]能够执行调整工作频率的可能性基于使用电感二极管，以便能够实现频率调谐。例如为了对电车辆的蓄能器进行充电，这种类型的频率调谐在用于电感性的能量传输的系统中的应用是耗费的。仅能够实现小的调谐范围。此外，由于在符合规定的运行中出现的电压和要传输的功率而需要电感性二极管的串联和并联电路。为了能够抵消工作频率的在符合规定的运行中出现的变化需要相应高的电路耗费。
[0006]电感性的能量传输装置具有下述缺陷:可传输的功率和效率与充电站和可电驱动的车辆以及偏移范围之间的空气间隙相关。因此，在预设的系统设计中，仅能够在窄的空气间隙范围以及窄的负载和偏移范围之内实现令人满意的符合规定的运行。传输功率在那里仅还能够通过改变工作频率来调节。然而，所述特征由于标准范围和预设而仅能够以极其受限的方式使用。
[0007]因此在现有技术中，为了补偿而提出:将补偿电路连接在变流器和线圈装置之间，所述线圈装置能够借助于电容器补偿无功电压。所述线圈装置能够设置在初级侧和次级侦U。在实际运行中显示出:不能够在全部运行状态下借助常用的基于电容器的补偿电路实现充分的补偿。
【发明内容】
[0008]从中得出本发明的目的:改进此类型相关的电路布置以及可电驱动的车辆，使得能够基于电感性的传输系统实现改进的功率传输。
[0009]本发明提出一种根据独立权利要求1所述的电路布置作为解决方案。此外，本发明提出一种根据另一独立权利要求7的可电驱动的车辆。本发明的其他的有利的设计方案通过从属权利要求的特征和特性得出。
[0010]用于能量技术上的无线耦合或者电感性的能量传输的电子线圈能够在充电站侧和车辆侧具有不同的几何尺寸和匝数。
[0011]线圈的有效性能够借助漏电感来确定。术语漏电感描述电子线圈的在此耦合系统中通过所谓的漏磁磁通形成的电感分量来形成。漏电感例如在变压器模型中是重要的。充电站与可电驱动的车辆的能量耦合的状态能够借助于变压器的模型来描述。漏电感借助与任何其他电感相同的方法和方式确定，在此仅考虑漏磁磁通。
[0012]在符合规定的运行中能够出现运行状态，其中一个或这两个漏电感具有数值O或者对于该电感的负值。借助常规的基于电容器的补偿电路不能够为这种情况实现补偿。更确切地说，这种补偿电路引起进一步不利地作用于可传输的功率。
[0013]本发明关于电路布置尤其提出:电子线圈的绕组在其几何和其绕组匝数方面的大小被确定为，使得能够实现用于补偿的尽可能宽的范围。本发明考虑:可电驱动的交通功率的线圈电路的电子线圈通常小于、尤其在几何尺寸方面、电感的数值方面等小于充电站的电路布置的电子线圈。这还取决于车辆制造商的要求，该要求期望在可电驱动的车辆中的尽可能小的电子线圈，电子线圈优选尽可能小地影响可电驱动的车辆的车辆结构。
[0014]在充电运行期间可电驱动的车辆的线圈电路距充电站的线圈电路的直线的小的间距能够引起:在车辆侧，上述漏电感具有负值。在所述情况下，不能够实现借助电容器进行补偿。本发明因此提出:补偿电路具有作为无源的电子蓄能器的电感器，借助所述蓄能器在该情况下能够为尽可能大的功率传输实现可靠的补偿。优选地，补偿电路提出:电感器与电子线圈串联。在充电站侧，变流器大多具有换流器，尤其是逆变器，换流器将由能量源输送的能量转换成交流电压，该交流电压在电子线圈中引起交流电流，电子线圈借助于交流电流产生磁交变场。在车辆侧，变流器能够通过整流器形成，此外，能够将DC/DC变换器连接在整流器下游。在车辆侧，变流器用于:借助车辆侧的电子线圈将从磁交变场中提取的能量转换成适合于可电驱动的车辆的能量。充电站和可电驱动的车辆借助其相应的电路布置形成用于借助于磁交变场的能量技术上的无线耦合的电感性的传输系统。所述系统能够借助于变压器的等效电路图来描述。电感性的传输系统的等效电路图的特殊的视图具有初级的和次级的漏电感器以及耦合电感器。经由漏电感器构成无功电压，所述无功电压在从充电站至可电驱动的车辆的能量传输中被干扰，引起其降低可传输的能量。
[0015]就本发明而言，电感性的能量传输装置或者无线能量耦合实现用于传输能量的耦合，这实现:从能量源到能量汇点的单向的能量传递。能量源例如能够是公共电网、发电机、太阳能电池、燃料电池、电池、它们的组合和/或等等。能量汇点例如能够是可电驱动的车辆的驱动设备、尤其是驱动设备的电机和/或驱动设备的蓄电器、例如蓄电池等。但是也能够设有双向的能量传输装置，即，交替地沿两个方向进行能量传输。此外，应当将能量传输到可电驱动的车辆上的充电站用于该目的，为了该目的，所述车辆从能量源中得到电能，所述车辆电连接到所述能量源上。
[0016]就本发明而言，电感性的能量传输装置或者无线能量耦合表示:在充电站和可电驱动的车辆之间不需要设置用于建立电耦合的机械连接。特别地，能够避免借助于线缆连接电连接。代替于此，基本上单独地由于能量场、优选磁交变场进行能量耦合。
[0017]因此，充电站构建成，产生相应的能量场、尤其是磁交变场。在车辆侧，相应地提出:能够检测这种能量场或者磁交变场并且从中获取用于可电驱动的车辆的符合规定的运行的能量。借助于车辆的充电装置，将借助于能量场、尤其是磁交变场输送的能量转换成电能，该电能然后优选能够存储在车辆的蓄能器中以符合规定地运行。为了该目的，充电装置能够具有变流器，其将借助于线圈从磁交变场中提取的并且输送给变流器的电能转换成适合于车辆的电能，例如对其整流、电压变换等。此外，能量也能够直接地输送给车辆的驱动设备的电极。因此，能量耦合基本上用于能量的传输并且首先用于传输信息。与此相应地，以与无线通信连接不同的方式将用于执行本发明的机构设计用于相应高的功率产量。
[0018]用于尤其借助磁交变场进行无线能量耦合的主要元件是线圈电流，所述线圈电路包括至少一个电子线圈、偶尔也包括多个电子线圈，所述电子线圈在车辆侧由能量场、尤其在磁交变场中的磁流作为能量场来流过，并且在其相应的接口处提供电能。相应地，在充电站侧对线圈电路电施加引起交流电流的交流电压，使得线圈电路借助于其一个或多个线圈提供磁交变场，借助于所述磁交变场能够示出能量。经由磁交变场在充电过程期间将充电站的线圈电路与可电驱动的车辆的线圈电路耦合。
[0019]通常，线圈具有带有多匝电导体的绕组，其中绕组通常包围或围住经常通过铁氧体形成的铁磁体。借助于铁磁体能够以期望的方式引导磁流，使得由于充电站的线圈电路和可电驱动的车辆之间的磁交变场而能够加强能量耦合的效率。
[0020]电子线圈的形成匝的电导体通常构成为所谓的高频绞合线，这就是说，所述电导体由多个彼此电绝缘的单独导体或者线组成，所述单独导体或者线相应地以形成导体的方式组合。由此实现:在如本发明中的频率应用中降低或基本上避免趋肤效应。为了能够改进将电流尽可能均匀地分布到高频绞合线的各个线上，通常还将单独线捻合。捻合也能够包括:由特定数量的单独线形成束，所述单独线本身自动地捻合，并且其中形成电导体的所述束同样被抢合。
[0021]本发明的一个改进形式提出:补偿电路的电感器设计为能调节的。其例如能够借助于控制单元来实现，该控制单元能够优选由电路布置所包括。为了该目的，补偿电路的至少一个电感器设计为能调节的。例如，电感器能够通过多个电感器的串联电路形成，所述多个电感器需要时能够借助于开关元件激活或去激活。
[0022]无源的电子蓄能器的特征在于，其基本上不产生和/或消耗电能。所述蓄能器优选是电子构件、如电感器、例如线圈、电容器等。无源的电子蓄能器用于:以期望的可预设的方式影响线圈电流的特性，以便在能量耦合时实现尽可能良好的耦合和/或尽可能高的效率。因此，所述蓄能器因此尤其不是原电池，即不是电池或也不是蓄电池。就此而言，无源的电子蓄能器与能够通过蓄电池、电池等形成的并且基本上用作为电能量供给装置的一部分、例如用作为能量源和/或能量汇点的蓄电器区分开。
[0023]电感器例如能够借助与其相关联的开关元件来短路，以便将其作用去激活。优选地，所述开关元件是可控的，尤其借助于上面已经提出的控制单元来控制。当然，也能够借助于相应的开关元件激活或去激活、尤其是短路多个相邻的匝。
[0024]就本公开意义而言的开关元件优选是可控的电子开关元件、例如继电器、接触器等形式的电机械开关元件，替选地为可控的电子半导体开关、例如晶体管、晶闸管、其组合电路、尤其是两个晶闸管的反并联电路、两个晶体管的反串联电路、优选其具有并联的空程二极管、TRIAC、GT0、IGBT、它们的组合等。优选地，开关元件能够通过控制单元来控制。控制单元优选确定决定激活或去激活多件式的无源电子蓄能器的相应的部件的条件。为了该目的，控制单元能够经由传感器检测相关的参数、例如变流器、补偿电路、线圈电路等。参数例如能够是电流、电压、电功率、电压和所属的电流之间的相移、局部的磁场强度、电功率、它们的组合和/或等等。
[0025]根据一个改进方案，开关元件由半导体开关元件或由具有多个半导体开关元件的开关单元构成。优选地，开关单元的设置用于，可以在每个电流方向上引导电流。如上面所讨论的，半导体开关元件可以是晶体管、晶闸管或诸如此类的。开关单元优选地由至少两个半导体开关元件构成，这些半导体开关元件以适当的方式连接以便实现预定功能。例如可以设置晶闸管并联电路，其与其导通方向相反地并联，即反并联连接。作为替代地，除了这种并联电路也可以应用三端双向交流开关(TRIAC)，不同于单个的晶闸管，所述三端双向交流开关允许在两个电流方向上可控制地开关。当开关单元具有晶体管时、例如具有带有两个晶体管的串联电路时，其中在双极晶体管时，开关单元的发射端，在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)时，相应的开关单元的源极端子，可以彼此电子连接。由此设计为开关单元的开关元件的端子分别由集电极或漏极端子构成。此外，在具有晶体管的开关单元中可以设置空程二极管。利用开关单元或半导体开关元件可以实现高度可变的有效且快速地控制或执行开关过程。与电机开关元件相比，由于较小的磨损可以实现更小的损失功率，更高的开关速度并且还可以实现更高的可靠性。
[0026]因此，本发明的一个方面是补偿电路具有第一开关元件，借助于所述第一开关元件能够激活电感器。当然，其借助于开关元件优选也能够再次被去激活。
[0027]本发明那的另一方面提出:补偿电路具有可借助于第二开关元件接通的电容器。电容器能够设置成，使得其能够串联成线圈电路的电子线圈。此外，当然能够提出:能够将电容器并联成电子线圈。此外能够提出:电容器连同补偿电路的电感器一起形成网络，以便进一步改进补偿。尤其当由于不同的充电站上的不同的运行特性而得到漏电感的不同的数值时，这是尤其有利的，其中漏电感在一个充电站中例如能够是负的并且在另一充电站中例如能够是正的。由此可行的是，电路布置匹配于相应的情况并且能够实现在宽的运行范围之上的补偿。
[0028]证实为尤其有利的是以能调节的方式构成电容器。电容器为了该目的能够由多个单独电容器形成，所述单独电容器能够分别经由自身的、与其相关联的开关元件激活或去激活。由此，能够进一步改进补偿的调节范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]能够根据附图从实施例的下面的描述中得出其他的优点和特征。在附图中相同的构件和功能设有相同的附图标记。
[0030]其示出:
[0031]图1示出用于在充电运行期间在没有补偿电路的情况下将充电站与可电驱动的车辆进行能量技术上的无线耦合的示意原理电路图，
[0032]图2示出根据图1的用于该装置的示意等效电路图，以及
[0033]图3示出具有基于电容器的补偿的、如图2的示意等效电路图。
【具体实施方式】
[0034]图1示出没有进一步示出的充电站的电路布置和没有进一步示出的可电驱动的车辆的电路布置30之间的能量技术上的无线耦合的示意电路图。能量技术上的无线耦合借助于磁交变场28引起。为了该目的，电路布置10具有带有电子线圈20的线圈电路18，该线圈电路由从没有详细绘出的逆变器中加载交流电压U1，使得交流电流Il流过电子线圈20。借助于交流电流Il产生磁场28,该磁场用于电感性的能量传输。
[0035]在车辆侧，电路布置30具有电子线圈38,该电子线圈由磁场28通流。由于通过磁场28通流，线圈38产生交流电压U2，该交流电压输送给没有进一步示出的变流器，该变流器利用交流电流12将由线圈38所提供的功率转换成匹配于可电驱动的车辆的功率。从图1中可见:不需要进行补偿。
[0036]图2示出基于变压器模型的图1的装置的相应的等效电路图，从中可见的是:除耦合电感器M之外，在充电站侧漏电感Lsl和在车辆侧漏电感Ls2是有效的。
[0037]在电感性的传输系统中，通过寄生的漏电感Lsl和Ls2降下无功电压，在车辆侧为了最佳的能量传输而省略该漏电感器。在常规运行(图3)中为了补偿而设有补偿电路12，34，该补偿电路借助于电容器来补偿无功电压。
[0038]用于无线的能量传输的电子线圈20，38能够在充电站侧和/或在车辆侧具有不同的几何尺寸和匝数。在考虑根据图2的视图的情况下，在充电站侧和在车辆侧能够引起不同的几何尺寸和匝数，使得这两个电感器Lsl或Ls2中的一个具有数值O或甚至负值。在该情况下，借助于图3中示出的补偿电路没有实现补偿，而是其在该情况下产生附加的无功电压，该无功电压进一步限制功率传输。
[0039]至今位置常见的是:电感性的传输系统设计成使得以下述假设为基础，即漏电感器Lsl和Ls2总是具有正值。由此引起的无功电压因此能够如在图3中示出的那样设置用于分别将电容器Csl和Cs2与漏电感器Lsl和Ls2串联。
[0040]然而如果由于电感性的传输系统(图1)的几何尺寸和匝数关系而出现负的漏电感器Lsl，Ls2(图2)，那么，由此引起的无功电压降(也参见图3)相加。因此，在可电驱动的车辆中可用的电压降低。电感性的传输系统因此也在此又仅以下降的功率工作。
[0041]根据本发明提出:通过有针对性地设置电感性的传输路段的几何尺寸和匝数，漏电感器Lsl或者Ls2具有小的数值或数值O。因此能够取消借助于补偿电路12或34进行的至此常见的补偿。
[0042]本发明的一个特殊的改进形式提出:通过有针对性地设计电感性的传输路段的几何尺寸和匝数，漏电感器Lsl，Ls2(图2)具有小于O的数值。在该情况下，补偿能够借助于补偿电路实现，该补偿电路具有电感器。优选地，电感器与相应的电子线圈20，38串联。
[0043]证实为尤其有利的是:将设计选择成，使得能够节省掉车辆侧的补偿电路34。这迎合车辆构造的需要、节约构件和节约空间。
[0044]上述实施例应仅阐明本发明而不限制本发明。显然，对于本领域技术人员而言，在需要时提出相应的变型形式，而没有偏离本发明的核心思想。
[0045]当然，各个特征也能够根据需要以任意的方式相互组合。此外，当然也能够通过该相应的方法步骤说明设备特征并且反之亦然。
【权利要求】
1.一种用于借助磁交变场(28)进行能量技术上的无线耦合的电路布置(10，30)，具有:带有至少一个电子线圈(20，38)的线圈电路(18，36)，用于提供与外部的线圈电路(18，36)的能量技术上的无线耦合；以及能连接到电源和/或电能汇点上的变流器，用于为所述线圈电路(18，36)供给来自所述电源的电能或者用于向所述电能汇点输出所述线圈电路(18,36)的电能，其中所述线圈电路(18，36)连接到所述变流器上，其特征在于，所述电子线圈(20，38)的绕组在其几何和其绕组匝数方面的大小被确定，使得能够实现用于补偿的尽可能宽的范围。
2.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于，具有带有作为无源电子蓄能器的电感器的补偿电路(12，34)。
3.根据权利要求2所述的电路布置，其特征在于，所述补偿电路(12，34)的所述电感器设计为能调节的。
4.根据权利要求2或3所述的电路布置，其特征在于，所述补偿电路(12，34)具有第一开关元件，借助所述第一开关元件能够激活所述电感器。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的电路布置，其特征在于，所述补偿电路(12，34)具有能借助第二开关元件接通的电容器(Csl，Cs2)。
6.根据权利要求5所述的电路布置，其特征在于，所述电容器(Csl，Cs2)设计为能调节的。
7.一种能电驱动的车辆，其具有:包括电机的驱动设备；用于在车辆行驶运行中为所述电机供给电能的蓄电器；以及用于使电能输送至所述蓄电器的充电装置，为了这个目的，所述充电装置具有用于借助磁交变场(28)进行能量技术上的无线耦合的电路布置(10)，所述电路布置(10)具有:带有至少一个电子线圈(20)的线圈电路(18)，用于提供与外部的线圈电路的能量技术上的无线耦合；以及连接到所述蓄电器(16)上的变流器，用于为所述蓄电器输出所述线圈电路的电能，其中所述线圈电路(18)连接到所述变流器(14)上， 其特征在于， 所述电路布置(10)根据前述权利要求中的任一项设计。
【文档编号】H02J17/00GK104518575SQ201410505271
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】曼努埃尔·布卢姆, 托马斯·科马, 米丽娅姆·曼特尔, 莫妮卡·波博尔 申请人:西门子公司