用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站的製作方法
2023-04-29 00:06:21 2
用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站，具有用於電源的接口和電子線圈(10，30)，藉助該電子線圈可以提供用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的磁交變場(Φ)，其中電子線圈(10，30)具有圓柱形的繞組(16，18，36，38)和鐵磁體(22)，其中繞組(16，18，36，38)的端面與鐵磁體(22)毗鄰，以便使由繞組(16，18，36，38)所發出的磁交變場(Φ)通過該端面耦合到鐵磁體(22)中，其中繞組具有第一和第二繞組(16，18，36，38)，第一和第二繞組彼此毗鄰且利用其端面與鐵磁體(22)毗鄰布置，並且其設計為，產生反向的磁交變場(Φ)，其中分別被第一和第二繞組包圍的空間具有鐵磁材料(24，26)。
【專利說明】用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站，具有電源接口和電子線圈，藉助該電子線圈可以提供用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的磁交變場，其中電子線圈具有圓柱形的繞組和鐵磁體，其中繞組的端面與鐵磁體毗鄰，從而由繞組所發出的磁交變場通過該端面耦合到鐵磁體中。此外，本發明涉及一種用於使能電驅動的車輛與充電站進行能量技術上的無線耦合的方法，該充電站從電源獲得電能並藉助用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的磁交變場提供能量，藉助充電站的、具有圓柱形繞組和鐵磁體的電子線圈產生該磁交變場，其中通過與鐵磁體毗鄰的繞組的端面，使由繞組發出的磁交變場耦合到鐵磁體中。最後，本發明還涉及一種用於充電站的能量技術上的無線耦合的能電驅動的車輛，具有蓄電器、帶有電機的驅動裝置和電子線圈，用於充電站的能量技術上的無線耦合的充電站的磁交變場可以流經該電子線圈，其中電子線圈具有圓柱形的繞組和鐵磁體，其中繞組的端面與鐵磁體毗鄰，從而由繞組所發出的磁交變場通過該端面耦合到鐵磁體中。
【背景技術】
[0002]這種類型的充電站和能電驅動的車輛及用於藉助磁交變場進行能量的無線傳輸的方法在原理上是已知的，因此這裡無需特別的書面說明。這種類型的充電站的作用在於，在充電時對能電驅動的車輛提供能量，從而使能電驅動的車輛可以執行其預定的功能。尤其是能電驅動的車輛需要行駛所需的能量。
[0003]能量由充電站的磁交變場提供，充電站本身與電源，例如與公共的供電網絡、與發電機、與電池和/或諸如此類的相連接。充電站在接收電源電能的情況下產生磁交變場。能電驅動的車輛藉助適當的電子線圈獲取磁交變場、吸收此能量並且從車輛側提供電能，尤其是為車輛的蓄電器和/或車輛的驅動裝置的電機提供電能。
[0004]一種將能量從充電站輸送至車輛的充電裝置的可行性方案為，藉助車輛與充電站之間的電纜建立作為能量技術耦合的電動連接。除此之外已知，依據另外的可行性方案建立無線能量技術的耦合，該耦合避免了藉助電纜的高成本的機械連接。為了該目的，一般在充電站側和車輛側分別設置具有電子線圈的線圈電路，其在充電時基本上彼此相對布置，並且能在使用磁交變場的情況下實現能量耦合。舉例來說這種結構由KR 1020120016521A已知。
[0005]用於充電站中的預定的應用以及以雙重方式用於能電驅動的車輛的線圈應當構造得儘可能平坦，以使得在現有技術條件下，線圈通常相對於其直徑具有較小的結構高度。因此，線圈的兩個端面僅放置在基本上構造為長方體形狀的鐵氧體上，該鐵氧體構成磁軛。一般來說，線圈的繞組的內直徑與其在磁交變場方向上的結構高度的比值是一個值為五或更大的因數。
[0006]在現有技術條件下，在這種情況時佔主導的觀點為，由於較小的結構高度由繞組包圍的空間無法填充鐵磁材料。由於此原因一般來說，該空間作為由空氣填充的自由空間。
[0007]即使在現有技術條件下已經證明了這種結構，還是需要改善，尤其是考慮到對能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的越來越高的要求。
【發明內容】
[0008]因此本發明的目的為，在功率性能和效率方面改善一般類型的充電站。
[0009]作為解決方案，本發明提出一種以獨立權利要求1為依據的充電站。此外，本發明提出一種以另外的獨立權利要求7為依據的用於運行充電站的方法。最後，本發明提出一種以另外的獨立權利要求12為依據的能電驅動的車輛。本發明的其他有利的設計方案由附屬權利要求所述的特徵和特性給出。
[0010]本發明特別是從裝置角度提出，繞組包括第一和第二繞組，第一和第二繞組彼此毗鄰且其端面與鐵磁體毗鄰，並且其設計為，產生反向的磁交變場，其中分別被第一和第二繞組包圍的空間具有鐵磁材料。相應地從方法角度提出，所述繞組藉助於第一和第二繞組，所述第一和第二繞組彼此毗鄰並且其端面與鐵磁體毗鄰布置，產生反向的磁交變場，其中分別被第一和第二繞組包圍的空間使用鐵磁材料。
[0011]出乎意料地確定出，當由繞組所包圍的空間至少部分地由鐵磁材料填充時，可以明顯改善能量技術上的無線耦合的效率，儘管繞組的結構高度相對於其直徑來說較小。這也就表明，繞組的漏磁通量出乎意料地-與現有技術條件下至今所採用的不同-並不是無關緊要的並且可以通過以本發明為依據的這種結構顯著地降低。除此之外，此種結構還可以，儘量降低由於電磁交變作用而產生的不期望的自加熱。由此，從總體上不僅可以改善能量技術上的無線耦合的效率，還可以降低不受歡迎的損失功率產生及其引起的發熱。由此，從總體上得到一種改良的充電站，相對於現有條件下的同類充電站來說，其更有效率、更緊湊並因此成本更低。
[0012]本發明如下設置，即所述繞組分為兩個分繞組，即第一繞組和第一繞組。兩個繞組彼此毗鄰，例如彼此以給定的距離或諸如此類的布置。由此可以完成對結構高度的減少。所述繞組，不僅是第一繞組，還有第二繞組，具有圓柱形結構，其具有例如圓形或有角的底面。舉例來說，由繞組構成的圓柱體的底面可以為長方形。也可以以組合形式設置，其既包括圓形也包括直角部分。
[0013]可以按如下方式選擇第一和第二線圈的繞組方向及流經第一繞組和第二繞組的電流，即從空間指向上來看，第一繞組的磁交變場的方向與第二繞組的磁交變場的方向基本相反。由此藉助鐵磁體，該鐵磁體可以例如由鐵氧體板或諸如此類的構成，形成一個磁迴路，該磁迴路可以通過能電驅動的車輛的線圈布置相連接。由此，可以在很小的結構尺寸下實現由充電站到能電驅動的車輛的高效能量傳輸。
[0014]在本發明範疇內，感應式能量傳輸或能量技術上的無線耦合是以能量的傳輸為目的的耦合，這種耦合可以實現，能量至少單向地由能量源傳輸至能量匯點。所述能量源可以是例如公共的供電網絡、發電機、太陽能電池、燃料電池、電池、其組合和/或諸如此類的。能量匯點可以為例如能電驅動的車輛的驅動裝置，尤其是驅動裝置的電機和/或驅動裝置的蓄電器，例如蓄電池或諸如此類的。也可以設置雙向的能量傳輸，亦即，能量傳輸可以在兩個方向上改變。此外，應向能電驅動的車輛傳輸能量的充電站實現了該目的，即充電站由與其電動連接的電源獲得電能。
[0015]在本發明範疇內，能量技術上的無線耦合或者感應式能量傳輸指的是，在充電站與能電驅動的車輛之間無需機械連接以建立電耦合。尤其是可以避免藉助電纜建立電動連接。換而言之，主要由能量場，優選地為磁交變場而單獨實現能量耦合。
[0016]因此，充電站設置用於產生相應的能量場，即磁交變場。從車輛角度相應地設置為，可以獲得能量場或磁交變場並且由此得到用於能電驅動的車輛的預定運行的能量。藉助車輛的充電裝置將由能量場，特別是磁交變場，所輸入的能量轉換為電能，然後其可以優選地存儲在車輛的、用於其預定運行的能量存儲器中。為此，所述充電裝置可以具有整流器，該整流器將藉助線圈從磁交變場獲得的並輸入給整流器的電能轉換為適用於車輛的電能，例如通過整流、電壓轉換或諸如此類的方式。除此之外，也可以將能量直接輸送至車輛的驅動裝置的電機。能量技術耦合的作用主要在於能量的傳輸而不是信息的傳輸。鑑於此，用於相應的高功率性能的本發明的執行方法與無線通信連接不同。
[0017]用於能量技術上的無線耦合，尤其是藉助磁交變場的主要元件為電子線圈，該電子線圈有時也可以由多個電子線圈構成，該電子線圈在充電站側產生磁交變場，並且在車輛側有磁交變場流過並且在車輛側通過其相應的埠提供電能。相應地，在充電站側電子線圈加載一個產生交變電流的交變電壓，因此該電子線圈提供磁交變場，由此可以提供能量。在充電過程中，充電站的電子線圈通過該磁交變場與能電驅動的車輛的電子線圈耦合。
[0018]原則上，所述線圈具有帶有多個電導體線圈的繞組。此外，將鐵磁體設置為磁迴路。藉助鐵磁體可以以期望的方式傳輸磁通，因此由於充電站和能電驅動的車輛的線圈迴路之間的磁交變場可以增強能量耦合的效率。
[0019]電子線圈的由線圈構成的電導體通常設計為所謂的高頻絞合線，亦即，其由多個彼此電絕緣的單個導體或金屬線組成，所述金屬線相應地組合為導體。由此實現了，在頻率應用如本發明中，降低或基本上避免位移電流效應。為了改善高頻絞合線的每個電線內儘可能均勻的電流，一般地可以將每個電線都設置為絞轉式。絞轉可以包括，由確定數目的單個電線構成電線束，這些單個電線本身為絞轉式的，且其中這些構成導體的電線束，同樣也為絞轉式的。
[0020]所述鐵磁體可以由鐵氧體材料、疊片鐵心或諸如此類的組成。同樣也適用於鐵磁材料。特別優選地，鐵磁材料可以和鐵磁體一體的設計。也可以設置為，所述鐵磁體和鐵磁材料由多個單件以模塊方式組合。事實表明，當鐵磁體和鐵磁材料具有較大的尺寸時，這種設計方案是優選的。可以以低成本生產的模塊化組件進行組合，這樣可以形成所期望的鐵磁體和鐵磁材料。當採用燒結材料，如鐵氧體或諸如此類的，生產這種大尺寸的材料的成本相對而言非常高時，這種設計方案是特別優選的。
[0021]根據另外的方面提出，充電站包括第一和第二逆變器，其中第一繞組連接在第一逆變器上並且第二繞組連接在第二逆變器上。這種設計方案的優點為，第一繞組和第二繞組可以彼此獨立地運行。由此可以附加地實現與磁場和效率相關的效果。事實證明，當第一繞組和第二繞組彼此電動的獨立時，亦即，彼此是電絕緣的，這是特別優選的。由此，可以更容易地、電動地控制所述第一和第二繞組，因為第一和第二逆變器彼此也可以是電動獨立的。
[0022]本發明的另外的設計方案如下，即第一和第二逆變器設置為，第一和第二繞組分別加載電交變電壓，因此耦合在鐵磁體內的第一和第二繞組的磁交變場正疊加。正疊加指的是，由於疊加合成後的磁場強度的值大於由第一或第二繞成產生的磁通密度的值。事實表明，當第一和第二繞組的磁交變場按下述方式疊加，即由第一和第二繞組所產生的磁通密度相加時，這是特別優選的。
[0023]此外提出，充電站包括用於同步控制第一和第二逆變器的調節單元。由此可以實現，對第一和第二逆變器如此共同控制，即可以實現鐵磁體內的預期效果和/或於能量技術上的無線耦合相關的預期效果。此外，藉助調節單元根據對比值可以調節預定的、期望的狀態，因此可以對在預定的運行中可能發生的幹擾效果進行調整。
[0024]一個有利的優化方案如下，即所述第一逆變器設置為作為主逆變器來工作，並且第二逆變器設置為作為從逆變器來工作。優選地，第一和第二逆變器之間存在通信連接，例如通過通信總線如CAN-BUS、通信網絡、其組合或諸如此類的。在這種設計方案中，第一和第二逆變器之間存在通信耦合，其中第一逆變器為第二逆變器預設相應的控制信號。基於該預設控制信號，在從動-工作模式下，第二逆變器調整對第二繞組的交變電壓的供給。
[0025]作為替代地可以做如下設置，即第一和第二逆變器之間存在通信連接，並且可以相互確定其用於優選地、可預定地產生磁交變場的工作模式。在這種情況下不設置主-從-工作模式，而是兩個逆變器相互調整彼此的工作模式。為此可以作如下設置，即第一和第二逆變器相互交換運行參數，例如電流、電壓、在此的相位、溫度、其組合或諸如此類的。
[0026]除此之外可以作如下設置，即控制單元或作為主逆變器運行的逆變器具有至少一個傳感器，通過該傳感器可以檢測由磁交變場決定的參數，從而可以以該參數為基礎生成控制信號。
[0027]此外提出，分別由第一和第二逆變器對每個第一和第二繞組加載以交變電壓。特別優選的是，兩個交變電壓是彼此電流獨立的。這可以由一種設計方案實現，該設計方案允許相對於其構造來說特別高的結構空間。
[0028]本發明的另外的設計方案如下，即逆變器按下述方式運行，即實現第一和第二繞組中的電流之間的給定的相位差。由於例如公差和/或特別的運行條件，給定的相位差可以是有效的。所述給定的相位差可以例如作為對比值給出，藉助調節單元，該對比值可以實現，對第一和第二逆變器進行相應的調控。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]其他優點和特徵由下述實施例的說明結合附圖給出。在附圖中相同的組件和功能以相同的標號標註。
[0030]附圖示意了:
[0031]圖1是以本發明為依據的充電站的電子線圈的截面示意圖，其中該線圈具有兩個繞組，其共同由一個逆變器加載交變電壓並且
[0032]圖2是圖1所示的電子線圈的截面示意圖，其中該線圈同樣具有兩個繞組，而區別於圖1的是，其分別由第一和第二逆變器加載交變電壓。
【具體實施方式】
[0033]圖1示意了用於藉助磁交變場Φ進行能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的未被示意出的充電站的、以本發明為依據的第一電子線圈10的截面示意圖。充電站通過電源接口實現該目的，該電源在此由公共供電網絡構成。藉助電子線圈10可以提供用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的磁交變場Φ。
[0034]電子線圈10具有圓柱形繞組，在此其包括第一繞組16和第二繞組18。在本設計方案中，第一繞組16和第二繞組18的直徑大約為繞組16，18的高度乘以因數10。繞組的高度為磁交變場Φ方向上的長度單位，其中磁交變場由相應的繞組16，18產生。
[0035]此外，電子線圈10具有鐵磁體22，該鐵磁體在此由鐵氧體材料構成。繞組16，18的未示意出的端面與鐵磁體22毗鄰。由此，由繞組16，18產生的磁交變場Φ通過所述端面耦合到鐵磁體22中。
[0036]第一繞組16和第二繞組18的端面彼此毗鄰地與鐵磁體22毗鄰地布置。此外，對其作如下設置，即其產生反向的磁交變場Φ，為此根據繞組方向及繞組電流對繞組16，18進行相應的設置並且對其加載電流。在此，線圈16，18由多個電導體線圈構成。也可以作如下設置，即繞組16，18僅分別具有一個線圈。除此之外可以作如下設置，即繞組16，18可以具有不同的線圈數和導體橫截面。
[0037]在以圖1為依據的設計方案中，繞組16，18以串聯方式彼此連接，因此兩個繞組16，18中有相同的電流流過。繞組16，18的串聯電路與逆變器20相連接，該逆變器對繞組16，18加載交變電壓VI。因此，電流Il流經繞組16，18。
[0038]此外，在圖1中可以看出，由繞組16，18所包圍的空間由鐵磁材料24，26填充。優選地在該設計方案中，鐵磁材料24，26與鐵磁體22 —體的設計。此外，從圖1顯而易見的是，鐵磁體24，26基本上與相應的繞組16，18齊平。優選地，由此構造一個統一的表面。通過該表面提供用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的磁交變場Φ。
[0039]圖2示意了以圖1為依據的實施例的一個變形，其與圖1所示的實施例的區別在於，形成了電子線圈30，該電子線圈具有兩個繞組36，38。其也-如圖1所示的實施例-通過端面與鐵磁體22毗鄰地布置。在繞組38，38中分別封閉的空間由鐵磁材料填充，因此對圖1所示的實施例具有補充作用。
[0040]然而區別於圖1的是，繞組36，38彼此是電絕緣的並且分別與各自的逆變器相連接並且由它們，也就是第一逆變器40和第二逆變器42對其加載相應的交變電壓VI，V2。因此電流12流經第一繞組36，電流Il則反相流經第二繞組38。該設計方案允許，通過對第一和第二逆變器40，42的適當控制，附加地實現對磁交變場Φ的產生進行控制。
[0041]前述實施例僅對本發明進行闡述並不對本發明進行限制。顯而易見，可以由專業人員根據需要推到出相應的變體，這並不脫離本發明的保護範圍。當然，在能電驅動的車輛的、為實現能量技術上的無線耦合而設置的電子線圈中，也可以應用本發明。充電站的所給特徵同樣也可以用於能電驅動的車輛。
[0042]當然可以根據需求以任意方式對單個特徵進行組合。除此之外，當然可以通過相應的方法步驟給出裝置特徵並且反之亦然。
【權利要求】
1.一種用於能電驅動的車輛的能量技術上的無線耦合的充電站，具有電源接口和電子線圈(10，30)，能夠藉助所述電子線圈提供用於所述能電驅動的車輛的所述能量技術上的無線耦合的磁交變場(Φ)，其中所述電子線圈(10，30)具有圓柱形的繞組(16，18，36，38)和鐵磁體(22)，其中所述繞組(16，18，36，38)的端面與所述鐵磁體(22)毗鄰，以便使由所述繞組(16，18，36，38)所發出的所述磁交變場(Φ)通過所述端面耦合到所述鐵磁體(22)中，其特徵在於，所述繞組具有第一繞組和第二繞組(16，18，36，38)，所述第一繞組和所述第二繞組彼此毗鄰且利用所述第一繞組和所述第二繞組的端面與所述鐵磁體(22)毗鄰地布置，並且所述第一繞組和所述第二繞組設計為產生反向的磁交變場(Φ)，其中分別由所述第一繞組和所述第二繞組包圍的空間具有鐵磁材料(24，26)。
2.根據權利要求1所述的充電站，其特徵在於，所述鐵磁材料(24，26)設計為與所述鐵磁體(22)是一體的。
3.根據權利要求1或2所述的充電站，其特徵在於，具有第一逆變器和第二逆變器(40，42)，其中所述第一繞組(36)連接在所述第一逆變器(40)上並且所述第二繞組(38)連接在所述第二逆變器(42)上。
4.根據權利要求3所述的充電站，其特徵在於，所述第一逆變器和所述第二逆變器(40,42)設計用於，所述第一繞組和所述第二繞組(36，38)分別施加有交流電壓(VI，V2)，以使得所述第一繞組和所述第二繞組(36，38)的耦合到所述鐵磁體(22)中的所述磁交變場(Φ)正疊加。
5.根據權利要求3或4所述的充電站，其特徵在於，具有用於對所述第一逆變器和所述第二逆變器(40，42)進行同步控制的調節單元。
6.根據權利要求3至5中任一項所述的充電站，其特徵在於，所述第一逆變器(40)設計用於作為主逆變器來工作，並且所述第二逆變器(42)設計用於作為從逆變器來工作。
7.一種用於使能電驅動的車輛與充電站進行能量技術上的無線耦合的方法，所述充電站從電源獲得電能並且藉助用於所述能電驅動的車輛的所述能量技術上的無線耦合的磁交變場(Φ)提供能量，藉助所述充電站的、具有圓柱形的繞組(16，18，36，38)和鐵磁體(22)的電子線圈(10，30)產生所述磁交變場(Φ)，其中通過與所述鐵磁體(22)毗鄰的所述繞組(16,18,36,38)的端面，由所述繞組(16,18,36,38)發出的所述磁交變場(Φ)耦合到所述鐵磁體(22)中，其特徵在於，所述繞組藉助於第一繞組和第二繞組(16，18，36，38)產生反向的磁交變場(Φ)，所述第一繞組和所述第二繞組彼此毗鄰並且利用所述第一繞組和所述第二繞組的端面與所述鐵磁體(22)毗鄰地布置，其中分別由所述第一繞組和所述第二繞組(16，18，36，38)包圍的空間使用鐵磁材料(24，26)。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一繞組和所述第二繞組(36，38)中的每一個分別由第一逆變器和第二逆變器(40，42)加載交流電壓(VI，V2)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述第一逆變器和所述第二逆變器(40，42)彼此同步地工作。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，所述第一逆變器(40)作為主逆變器工作並且所述第二逆變器(42)作為從逆變器工作。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一逆變器和所述第二逆變器(40，42)工作，使得在所述第一繞組和所述第二繞組(36，38)內實現電流(II，12)之間的預定相位差。
12.一種用於充電站的能量技術上的無線耦合的能電驅動的車輛，具有蓄電器、帶有電機的驅動裝置和電子線圈(10，30)，用於所述充電站的能量技術上的無線耦合的所述充電站的磁交變場(Φ)能夠流經所述電子線圈，其中所述電子線圈(10，30)具有圓柱形的繞組(16,18,36,38)和鐵磁體(22)，其中所述繞組(16,18,36,38)的端面與所述鐵磁體(22)毗鄰，以便使由所述繞組(16，18,36,38)所發出的所述磁交變場(Φ)通過所述端面耦合到所述鐵磁體(22)中，其特徵在於，所述繞組具有第一繞組和第二繞組(16，18，36，38)，所述第一繞組和所述第二繞組彼此毗鄰且利用所述第一繞組和所述第二繞組的端面與所述鐵磁體(22)毗鄰地布置，並且所述第一繞組和所述第二繞組設計為產生反向的磁交變場(Φ)，其中分別由所述第一繞組和所述第二繞組包圍的空間具有鐵磁材料(24，26)。
【文檔編號】H02J17/00GK104518550SQ201410505054
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】曼努埃爾·布盧姆, 託馬斯·科馬, 米麗婭姆·曼特爾, 莫妮卡·波博爾 申請人:西門子公司