WO2019096737A1 - Spuleneinheit für ein induktives ladesystem - Google Patents

Spuleneinheit für ein induktives ladesystem Download PDF

Info

Publication number
WO2019096737A1
WO2019096737A1 PCT/EP2018/080930 EP2018080930W WO2019096737A1 WO 2019096737 A1 WO2019096737 A1 WO 2019096737A1 EP 2018080930 W EP2018080930 W EP 2018080930W WO 2019096737 A1 WO2019096737 A1 WO 2019096737A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
screen
winding
unit
coil unit
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/080930
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Krammer
Florian Niedermeier
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke 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 Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of WO2019096737A1 publication Critical patent/WO2019096737A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B60L53/124—Detection or removal of foreign bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B60L53/122—Circuits or methods for driving the primary coil, e.g. supplying electric power to the coil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/35—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles
    • B60L53/38—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles specially adapted for charging by inductive energy transfer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/288—Shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; 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—ELECTRIC POWER NETWORKS; 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
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/70—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2270/00—Problem solutions or means not otherwise provided for
    • B60L2270/10—Emission reduction
    • B60L2270/14—Emission reduction of noise
    • B60L2270/147—Emission reduction of noise electro magnetic [EMI]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a coil unit, in particular a primary unit and / or a secondary unit, for an inductive charging system.
  • Electric vehicles typically have a battery (i.e., an electrical energy store) in which electrical energy can be stored to operate an electric drive machine of the vehicle.
  • the battery of the vehicle can be powered by electrical energy
  • Power supply network to be charged the battery is coupled to the power supply network to the electrical energy from the
  • Power supply network to be transferred to the battery of the vehicle.
  • the coupling can be wired (via a charging cable) and / or wireless (based on an inductive coupling between a charging station and the vehicle).
  • Fig. 1 shows a vehicle 100 with an energy storage 103 for electrical
  • the vehicle 100 includes a secondary coil 121 in the underbody of the vehicle, the secondary coil 121 being connected to the electrical energy storage 103 via a rectifier.
  • the rectifier is part of a secondary electronics 123.
  • the secondary coil 121 and the secondary electronics 123 are typically over at least one
  • the (Alternating current) line 122 electrically conductively connected to each other and together form a so-called “Wireless Power Transfer” (WPT) vehicle unit 120 and secondary unit 120.
  • the secondary coil 121 of the secondary unit 120 can be positioned above a primary coil 111, the primary coil 111 being mounted, for example, on the floor of a garage.
  • the primary coil 111 is typically part of a so-called WPT bottom unit 110 or primary unit 110.
  • the primary coil 111 is connected via an (AC) line 112 with a primary electronics 113 and further with a
  • the primary electronics 113 may include a radio-frequency generator that generates an AC (Altemating Current) current in the primary coil 111 of the WPT bottom unit 110, thereby inducing a magnetic field (particularly, a magnetic charging field).
  • the magnetic charging field may have a frequency from a predefined charging field frequency range.
  • the charging field frequency of the electromagnetic charging field can be in the range of 80-90 kHz (in particular at 85 kHz).
  • Primary unit 110 and secondary coil 121 of the secondary unit 120 i.e., at a sufficiently high coupling factor
  • Rectifier of the secondary electronics 123 rectified and in the energy storage
  • Charging can be done in the vehicle 100 by a charging controller of the
  • the charging controller may be configured for this purpose, e.g. wirelessly (for example via WLAN) to communicate with the primary unit 110.
  • the coil 111, 121 of a coil unit 110, 120 in particular one
  • Primary unit 110 or secondary unit 120 is typically exposed to relatively high magnetic flux densities. As a result of this will be
  • a coil 111, 121 typically for a coil 111, 121 strands with relatively thin individual wires used, which leads to relatively high costs. Furthermore, electromagnetic fields are generated by a coil 111, 121, which can affect other components of a vehicle 100. Furthermore, defects on a coil 111, 121 typically can not be reliably detected.
  • the present document addresses the technical problem of providing a cost effective coil unit for an inductive charging system which has a reduced effect on adjacent (electrical and / or electronic) components and / or which allows reliable detection of defects.
  • independent claim dependent patent claim without the features of the independent claim or only in combination with a subset of the features of the independent claim may form an independent and independent of the combination of all features of the independent claim invention, the subject of an independent claim, a T eilungsanmeldung or a N achanmeldung can be made.
  • a coil unit e.g., a primary unit or a secondary unit
  • the inductive charging system can be configured to charge the energy store of an at least partially electrically driven vehicle, in particular one
  • the coil unit comprises a coil winding which is arranged in
  • the coil winding comprises at least one conductor which extends in a winding direction about a coil axis of the coil winding.
  • the coil winding may e.g. forming a circular coil or a double D coil.
  • the coil axis may extend along a transmission path of energy transfer from the primary coil to the secondary coil of an inductive charging system.
  • the at least one conductor e.g., a strand of a plurality of individual wires
  • the coil unit includes an electrically conductive shield (e.g., a metal shield) that at least partially encloses the coil winding.
  • the screen can almost completely wind the coil
  • the screen can be arranged on the front side of the coil winding (the front side facing the transmission path of the inductive charging system). Furthermore, the screen may be disposed on the backside of the coil winding (with the backside of the
  • the screen can extend laterally between the front and the back, both on the inside and on the outside of the coil winding. As a result, the screen can form a shell around the coil winding.
  • the screen is designed to be a current and / or a
  • the screen can be designed such that the sum current in the screen, which completely circumscribes the coil axis along the winding direction, is zero. Nevertheless, currents in the winding direction can occur in different areas of the screen. However, these currents in the different areas cancel each other out on.
  • the screen is designed such that no current can flow completely through the screen around the coil axis (and thus the screen itself would form a coil winding).
  • the screen may comprise at least one electrically insulating break or separation point which interrupts the screen transversely to the winding direction.
  • the at least one interruption can be formed in each case by a gap, for example, which separates the screen along a surface or plane which extends, for example, perpendicular to the winding direction.
  • a screen may be constructed of a plurality of electrically conductive wires (eg, 5, 10, 20, 50, 100, 500, 1000, or more wires) that are each perpendicular to the winding direction and that are each electrically insulated from each other.
  • the wires can completely circulate the coil winding perpendicular to the winding direction.
  • a purely electrical shielding can be provided, since no (significant) shielding currents are induced by the magnetic field in a screen composed of wires extending perpendicular to the winding direction.
  • Flux density of the magnetic field can be reduced at the head of the coil winding, without the magnetic field at the other coil unit of the inductive
  • the requirements for the conductors used for the coil winding can be reduced.
  • individual wires with larger diameters may possibly be used.
  • the cost of a coil unit can be reduced.
  • the screen can be used for shielding electric fields, thus reducing requirements for EMC filters of the coil unit.
  • the use of a screen enables detection of a coil winding defect.
  • the shield typically has a first end on a first side of the break and a second end on a second side of the break. The two ends can be spatially separated by a gap.
  • the gap may be 2%, 1% or less of the range of the coil winding width.
  • the interruption may be such that power does not go directly over the
  • Interruption between the first end and the second end can flow.
  • the interruption may be such that current flowing on the first side of the interruption to the first end reverses its direction of flow at the first end and flows away again on the first side of the interruption from the first end.
  • a reversal of the flow direction of the flow within the screen can also take place at the second end. It can thus reliably avoid the coil axis circulating current.
  • the current flowing to the first end may be reversed in a reverse region at the first end into a current flowing away from the first end.
  • the coil winding may have a certain circumference, the range of circumference being e.g. the (possibly middle) length of the conductor corresponds to one turn of the coil winding.
  • the reverse area at one end of the screen may extend over 5% or less of the circumference of the scope.
  • the reverse region may comprise a plurality of electrically isolated reversing conductors in which the current flows from one to the first end
  • Flow direction is deflected in a direction away from the first end flow direction.
  • the reversing conductors can, for example, be punched out of the surface or out of the sheet metal of the screen.
  • a reversing conductor may comprise an input into which current flowing to the first end flows into the reversing conductor.
  • Reversing conductors include an output from which from the first end
  • a reversing conductor can then change its direction of extension between the input and the output by more than 90 ° (in particular by approximately 180 °). For example, a
  • the reversing conductors can be arranged next to one another, with two directly adjacent reversing conductors being electrically insulated from each other by an insulating region.
  • the plurality of Umloseleitem comprise an inner reversing conductor, which has the shortest length compared to the (in particular compared to all) other Umlopeleitem.
  • the plurality of reversing conductors may comprise an outer reversing conductor which has the longest length compared to the other reversing conductors (in particular in comparison to all).
  • first end of the screen and the second end of the screen may each comprise a reversal region in which the direction of flow of the stream reverses.
  • Reverse region of the second end lie on one another and by a
  • Isolation layer be electrically isolated from each other.
  • the reverse end of the first end and the reverse end of the second end such that the currents in the reverse regions on both sides of the Isolationsverschiebt have the same flow direction.
  • superposed reversal areas may extend along the coil axis or the mutually adjacent reversal areas may be bent, so that the mutually adjacent reversal areas extend at least partially parallel to the coil winding.
  • the shield may be grounded and / or grounded, in particular to facilitate or enhance electrical shielding and / or fault diagnosis.
  • the shield may include a plurality of shield layers that are electrically isolated from each other.
  • the screen layers can be substantially parallel to the front, the inside, the back and / or the outside of the
  • the magnetic field without a shield can be a magnetic field line with a
  • the screen may have a screen extending transversely to the winding direction, which extends at least partially around the coil winding.
  • the screen course represents a cross section of the screen transversely to the winding direction.
  • the screen course can have a smaller curvature above the coil winding or on the front side of the coil winding than the field profile.
  • the magnetic field without a shield can have a first maximum flux density in the immediate vicinity of the coil winding (in particular at the coil winding end) and at a certain distance from the coil winding (eg at the other coil unit of the inductive charging system), a second middle
  • the shield may be configured such that the magnetic field in the immediate vicinity of the coil winding has a reduced maximum flux density compared to the first maximum flux density, and in that the magnetic field has an average flux density at the determined distance that substantially corresponds to the second average flux density.
  • Provision of such a screen can in the context of a simulation one or more parameters of the screen (in particular a form or a
  • the coil unit may comprise electronics (e.g., an inverter or a rectifier) arranged to control the coil current for the inverter
  • electronics e.g., an inverter or a rectifier
  • Coil winding to provide (for example by means of an inverter) or rectify the coil current from the coil winding (for example by means of a
  • the electronics may include a shield electrically coupled to the shield.
  • a reliable electrical shielding of the entire coil unit can be effected.
  • the coil unit may include an isolation monitor configured to provide information regarding a contact resistance between the device
  • Transient resistance can then be reliably detected a defect of the coil winding (for example due to mechanical action).
  • the coil unit may comprise a spool core which is on one side
  • the screen can then have a different shape on the side facing the coil core side of the coil winding (ie on the back of the coil winding) than on the side facing away from the coil core of the coil winding (ie on the front side the coil winding).
  • an adaptation to the course of the field lines of the magnetic field can take place on the two sides of the coil winding.
  • the maximum magnetic flux density at the head of the coil winding can be further reduced.
  • an inductive charging system for charging an energy store.
  • the charging system includes a primary unit having a primary coil configured to generate a magnetic field for transmitting energy.
  • the charging system comprises a secondary unit with a secondary coil, which is set up in dependence on the
  • the primary unit and / or secondary unit may be used according to the method described in this
  • Document described coil unit be constructed.
  • a loading device is described
  • a road vehicle (particularly a passenger car or a truck or a bus) is described that includes the secondary unit described in this document.
  • Figure 1 exemplary components of an inductive charging system for charging the energy storage of a vehicle
  • FIGS. 2a to 2c show exemplary coils for an inductive charging system
  • FIG. 3 a shows exemplary field lines in the case of a coil winding without a screen
  • FIG. 3b shows exemplary field lines in the case of a coil winding with a screen
  • Figure 3c illustrates an exemplary magnetic field caused by the eddy currents of a screen
  • Figure 4a shows an exemplary screen in a plan view (of the
  • Figure 4b shows exemplary currents in the screen of a coil winding
  • FIG. 4c shows an exemplary reversal region of the screen of a coil winding
  • Figure 4d shows exemplary reverse regions of a screen
  • FIG. 5a shows an exemplary shield of a coil unit
  • FIG. 5b shows an exemplary device for detecting a coil defect
  • FIG. 2 a shows an exemplary primary coil 111 and an exemplary secondary coil 121, which each have a coil core 200, in particular a ferrite.
  • Spool cores 200 are each formed flat to the smallest possible
  • Extension of the primary unit 110 and the secondary unit 120 in the z-direction i.e., along the underfloor space 130 and along the magnetic
  • the primary coil 111 causes a magnetic field 250 (also referred to as charging field in this document), which causes a current for charging an energy store 103 in the secondary coil 121.
  • Fig. 2b shows a coil winding 210 (eg, the primary coil 111 or the secondary coil 121) in a side view.
  • the spool core 200 is typically arranged with respect to the transmission path of the inductive charging system on the back of the coil winding 210.
  • the coil winding 210 typically includes a plurality of turns of an electrically conductive conductor 211. In this case, the conductor 211 may be formed as a strand with a plurality of insulated individual wires.
  • the coil 111, 121 can be covered for underfloor clearance 130 and the transmission path out with a cover 220 from.
  • Fig. 2c shows a plan view of the coil winding 210 and the
  • Spool core 200 from the direction of the transmission path.
  • fuses 211 typically RF (radio frequency) fins having relatively small, mutually insulated individual wires are used to reduce the displacement effects, such as the skin effect. the internal proximity effect and the external proximity effect in combination.
  • RF radio frequency
  • single wires with diameters in the range of 0.05 to 0.1 mm are typically used. These diameters are significantly lower than would be required due to the skin effect with a penetration depth> 0.2 mm (for copper). If only the skin effect caused by the alternating current had to be considered, wire diameters of> 0.4 mm would be possible for the insulated individual wires.
  • the coils 111, 121 of an inductive filament system typically can not be shielded and therefore act as an "emission element" for electromagnetic fields.
  • no electrical fields can be attenuated via the electrically conductive shielding on the coils 111, 121. Therefore, expensive EMC filters in the electronics 113, 123 of a coil unit 110, 120 are typically used to disturb frequencies
  • Possible sources of interference frequencies are the electronic circuits in the electronics 113, 123 of a coil unit 110, 120 and / or other disturbances, which are coupled via the supply lines to the electronics 113, 123 in the inductive charging system.
  • a defect can typically not be detected on a coil 111, 121, in particular on a coil winding 210, in particular since no insulation damage to a (grounded) housing can be detected.
  • FIG. 3a shows an exemplary profile of the field lines 350 of a magnetic field 250 around the conductor 211 of a coil winding 210.
  • the field lines 350 cross the different turns of the conductor 211.
  • FIG. 3b shows an exemplary, interrupted screen 300, which surrounds the coil winding 210.
  • the shield 300 may almost completely enclose the coil winding 210.
  • the screen 300 may form a nearly closed envelope around the coil winding 210.
  • the screen 300 has an interruption 301 at at least one location, so that a flow of current within the screen 300 in the winding direction 331 is prevented.
  • the winding direction 331 extends around the coil axis 332 of
  • a screen 300 allows a magnetic field 250 to still exist outside the screen 300, but the field lines 350 of the magnetic field 250 in the immediate vicinity of the screen 300 (both inside and outside the screen 300) parallel to the surface of the screen Umbrella 300 run.
  • the field lines 350 of the magnetic field 250 may not cause the fan 211 to cross.
  • the maximums of the magnetic flux density can be reduced so that the cost of the fins 21 1 can be reduced.
  • FIG. 3c illustrates the (vortex) streams 311, 312 effected in the screen 300.
  • the currents 311, 312 flow in different directions at different locations of the screen 300.
  • the reversal of the flow direction of the flow 311, 312 is effected by the interruption 301 of the screen 300.
  • a compensating magnetic field 351 is effected, which overlaps with the magnetic field 250 of the coil winding 210, so that an effective magnetic field with the field lines 350 shown in Fig. 3b results.
  • FIG. 4a shows a coil winding 210 with a screen 300.
  • the screen 300 encloses the coil winding 210 almost completely. In this case, however, the screen 300 has an interruption 301 at at least one point, through which a current flow along the winding direction 331 is interrupted.
  • Interrupt 301 to flow to the second side of the interruption 302.
  • the electrical interruption 301 thus prevents a closed flyback loop along the winding direction 311.
  • a reversal of the flow direction of the flow 311, 312 takes place.
  • Fig. 4b illustrates the "unfolded” or "unwound” screen 300 with the interruption 301.
  • the screen 300 encloses both the front and the back of the coil winding 210.
  • the screen 300 thus has a front side 302 and a back side 303 shown side by side in FIG. 4b (the areas of the inside and outside shields 300 of the coil winding 210 were respectively proportionally assigned to the front side 302 and the back side 303 of the screen 300).
  • Front side 302 of the screen 300 as shown in Fig. 3c, two segments 321, 322 on.
  • the back side 303 of the screen likewise points in the same way
  • each segment 321, 322, 323, 324 there is a current flow in the first flow direction (represented by a dot in FIG. 3 c) and in the opposite second flow direction (represented by a cross in FIG. 3 c).
  • the reversal of the flow direction of the flow 311, 312 within a segment 321, 322, 323, 324 takes place in each case at the interruption
  • 4c shows a reversal area 304 of the backside 303 of a screen 300.
  • the end 307 of the screen 300 before the interruption 301 is divided into individual reversing conductors 305 which guide the stream 312, 311 in the reversal of the flow direction.
  • the reversing conductors 305 are interleaved such that an inner first reversing conductor 305 is surrounded by a longer second reversing conductor 305, which in turn is bypassing a longer third inverting conductor 305, etc., until an outer reversing conductor 305 surrounds all other reversing conductors 305.
  • the outer reversing conductor 305 adjoins the interruption 301.
  • the distance to the interruption 301 increases continuously from the outer reversing conductor 305 to the inner one first reversing conductor 305.
  • both the rear side 303 and the front side 302 each have two such arrangements of reversing conductors 305.
  • a result of such an arrangement of the reversing conductors 305 is a
  • the two ends 307 of the screen 300 at the interruption 301 can, as shown in FIG. 4d, lie on one another and be insulated from one another by an insulating layer 308.
  • the two ends 307 can be perpendicular to the coil winding 210 parallel to the coil axis 332 (as shown on the left side of Fig. 4d).
  • the overlying, electrically isolated ends 307 may be bent toward the coil winding 210 to reduce the footprint of the shield 300 at the break 301 (as shown on the right side of FIG. 4d).
  • punches can thus be made at the point of separation or the interruption 301, so that individual reversing conductors or reverse wires 305 are formed, which lead the different "current paths" to the corresponding return current path.
  • the reversing conductors 305 can be bent up so that the reversing conductors 305 of the two ends 307 of the shield 300 can be electrically isolated from each other at the interruption 301.
  • the screen 300 can thus be pushed together with an insulating layer 308.
  • Reverse conductors 305 of the two ends 307 then lie directly, electrically insulated against one another, when the reversing conductors 305 of the two ends 307 are produced (in particular punched), each with mirrored symmetry. Since the current flows in opposite reverse conductors 305 of the two ends 307 of the screen 300 at the break 301 are opposite and equal, the symmetrical current flow is assisted and the associated magnetic fields compensate each other locally.
  • the reversing conductors 305 upstanding from the shield 300 may be bent over one or in pairs on different sides to maintain a flat configuration of the coil winding 210.
  • the coil winding 210 of a primary coil 111 and / or a secondary coil 121 can thus be wrapped with a suitably designed, electrically conductive (in particular metallic) screen 300, this screen 300 being interrupted along the winding direction 331 at at least one point and thus not along a closed turn the winding direction 331 of the coil winding 210 forms.
  • the screen 300 can be designed such that a reduced and homogeneous magnetic field 250 results in the region of the coil winding 210.
  • the screen 300 can be designed such that in the screen 300, the smallest possible current densities occur, which are distributed over a large area in order to reduce ohmic losses.
  • the shape and / or the thickness of the screen 300 and / or the distance of the screen 300 to the coil winding 210 can be adjusted so that the lowest possible current densities and thus losses in the screen 300 occur. This can e.g. be achieved by using the largest possible radii. Furthermore, this can be achieved in that the screen 300 runs as parallel as possible to the original field profile of the field lines 350.
  • the screen 300 may be grounded at at least one location so that the screen 300 may be used as a shield against the emission of electric fields.
  • 5a shows a grounded screen 300.
  • Fig. 5a shows a shield 502 for the electronics 113, 123 of a coil unit (for example, a primary unit 110 or a secondary unit 120) as well as a
  • Shielding of a coil unit 110, 120 are provided.
  • a screen 300 can have a plurality of screen planes or screen layers, which are electrically insulated from one another. Each of the shield layers can enclose the coil winding 210.
  • a screen 300 may thus be constructed of a plurality of isolated layers in order to reduce the ohmic screen losses.
  • a screen 300 having a relatively small overall thickness can be used to reduce screen losses.
  • the thickness of the screen 300 may be 1%, 0.5% or less of the circumference of the coil winding 210.
  • Winding direction 331) can be designed such that the "current reversal" is supported.
  • the ends 307 of the screen 300 at the break 301 may be subdivided into individual reversing conductors 305 to effect a reversal of the flow direction of the stream 311, 312 at the break 301.
  • the ideal current flow in the screen 301 can thus be affected only insignificantly by the separation point or the interruption 301.
  • an isolation monitor 510 between the coil winding 210 and the surrounding screen 300 may be used to detect damage to the insulation of the coil winding 210.
  • an insulation monitor 510 can measure the resistance between a coil 111, 121 and ground (eg via series resistors 511). One caused by a defect electrically conductive contact between the coil 111, 121 and the (grounded) screen 300 can then be detected by the isolation monitor 510.
  • Isolation error can be detected.
  • a coil 111, 121 typically has a coil core 200 on one side of the coil winding 210.
  • the shape of the screen 300 may be optimized with respect to the unidirectional spool core 200.
  • the bend radius of the screen 300 may be reduced at locations with relatively high current densities.
  • the shape of the one or more outer screen layers can be adapted.
  • the maximum magnetic flux density, in particular at the edge of a coil winding 210 can be reduced. This reduces the proximity effect in these areas of the coil winding 210. As a consequence, a larger cross section of the individual wires or wires in the strand 211 of the coil winding 210 can be used with unchanged losses. Furthermore, the distribution of the individual wires of a strand 211 can be simplified, since the described measures of the field profile of the field lines 350 in the region of the coil winding 210 has a higher uniformity. Alternatively, with the same cross section of the individual wires, the losses of a coil unit 110, 120 can be reduced. It can thus be an optimization in terms of cost and
  • this screen 300 can be used to suppress electric fields. This is particularly advantageous for damping disturbances of the inductive charging system by other consumers (eg by the drive electronics of a vehicle 100). The interference of other consumers can pass through the secondary electronics 123 through the
  • Imprint secondary coil 121 This can also be done with an inactive inductive charging system while driving a vehicle 100.
  • the described sheathing of the secondary coil 121 can then take other measures, e.g. EMC filters and / or defeat devices replaced or at least reduced.
  • EMC filters and / or defeat devices replaced or at least reduced.
  • the emission of high frequency electrical noise fields e.g. be generated by the rectifier electronics of the secondary unit 120.
  • the impedance of the wrapped coil 111, 121 is reduced.
  • the screen 300 may be formed such that the magnetic flux is reduced in the immediate vicinity of the coil winding 210, but remains substantially unchanged at a further distance (in particular at the respective other coil 111, 121). This has the positive effect that the inductance of the considered coil 111, 121 is reduced more than the coupled inductance (coupling factor).
  • a given power can be transmitted with a reduced primary coil current. This leads to reduced reactive power and thus to reduced demands on the electronics 113, 123 and to the coils 111, 121 of a coil unit 110, 120.
  • the described measures make it possible to detect damage to a coil 111, 121 in an efficient and reliable manner, since damaging the coil 111, 121 with high probability via the screen 300 causes damage to the insulation resistance.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Es wird eine Spuleneinheit (110, 120) für ein induktives Ladesystem beschrieben. Die Spuleneinheit (110, 120) umfasst eine Spulenwicklung (210), die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Spulenstrom ein Magnetfeld (250) zu erzeugen, oder die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Magnetfeld (250) einen Spulenstrom zu erzeugen. Die Spulenwicklung (210) umfasst einen Leiter (211), der in einer Wickelrichtung (331) um eine Spulenachse (332) der Spulenwicklung (210) verläuft. Außerdem umfasst die Spuleneinheit (110, 120) einen elektrisch leitenden Schirm (300), der die Spulenwicklung (210) zumindest teilweise umschließt. Dabei ist der Schirm (300) ausgebildet, einen Strom (311, 312) innerhalb des Schirms (300), der die Spulenachse (332) entlang der Wickelrichtung (331) umläuft, zu unterbinden.

Description

Spuleneinheit für ein induktives Ladesystem
Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit, insbesondere eine Primäreinheit und/oder eine Sekundäreinheit, für ein induktives Ladesystem.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie (d.h. über einen elektrischen Energiespeicher), in der elektrische Energie zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem
Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem
Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 103 für elektrische
Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Sekundärspule 121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule 121 über einen Gleichrichter mit dem Speicher 103 für elektrische Energie verbunden ist. Der Gleichrichter ist Teil einer S ekundärelektronik 123. Die Sekundärspule 121 und die S ekundärelektronik 123 sind typischerweise über zumindest eine
(W echselstrom-) Leitung 122 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden zusammen eine sogenannte„Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 120 bzw. S ekundär einheit 120. Die Sekundärspule 121 der S ekundär einheit 120 kann über einer Primärspule 111 positioniert werden, wobei die Primärspule 111 z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule 111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT -Bodeneinheit 110 bzw. Primäreinheit 110. Die Primärspule 111 ist über eine (W echselstrom-) Leitung 112 mit einer Primärelektronik 113 und weiter mit einer
Stromversorgung verbunden. Die Primärel ektronik 113 kann einen Radio- Frequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Altemating Current) Strom in der Primärspule 111 der WPT -Bodeneinheit 110 erzeugt, wodurch ein Magnetfeld (insbesondere ein magnetisches Ladefeld) induziert wird. Das magnetische Ladefeld kann eine Frequenz aus einem vordefinierten Ladefeld- Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeldfrequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80-90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.
Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule 111 der
Primäreinheit 110 und Sekundärspule 121 der S ekundäreinheit 120 (d.h. bei einem ausreichend hohen Kopplungsfaktor bzw. Kopplungsgrad) über die
Unterbodenfreiheit 130 wird durch das Magnetfeld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule 121 induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule 121 der S ekundäreinheit 120 wird durch den
Gleichrichter der S ekundärelektronik 123 gleichgerichtet und im Energiespeicher
103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von einer Stromversorgung zum Energiespeicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der
Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade- Steuergerät der
S ekundärelektronik 123 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos (etwa über WLAN), mit der Primäreinheit 110 zu kommunizieren.
Die Spule 111, 121 einer Spuleneinheit 110, 120, insbesondere einer
Primäreinheit 110 bzw. einer S ekundäreinheit 120, ist typischerweise relativ hohen magnetischen Flussdichten ausgesetzt. Als Folge daraus werden
typischerweise für eine Spule 111, 121 Litzen mit relativ dünnen Einzeldrähten verwendet, was zu relativ hohen Kosten führt. Des Weiteren werden durch eine Spule 111, 121 elektromagnetische Felder erzeugt, die andere Komponenten eines Fahrzeugs 100 beeinträchtigen können. Ferner können Defekte an einer Spule 111, 121 typischerweise nicht zuverlässig erkannt werden.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine kosteneffiziente Spuleneinheit für ein induktives Ladesystem bereitzustellen, die eine reduzierte Beeinflussung von benachbarten (elektrischen und/oder elektronischen) Komponenten aufweist und/oder die eine zuverlässige Erkennung von Defekten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem
unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer T eilungsanmeldung oder einer N achanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können. Gemäß einem Aspekt wird eine Spuleneinheit (z.B. eine Primäreinheit oder eine S ekundäreinh eit) für ein induktives Ladesystem beschrieben. Das induktive Ladesystem kann dafür ausgebildet sein, den Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines
Straßenkraftfahrzeugs, zu laden. Die Spuleneinheit umfasst eine Spulenwicklung, die eingerichtet ist, in
Abhängigkeit von einem Spulenstrom ein Magnetfeld zu erzeugen (im Falle einer Primäreinheit), oder die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Magnetfeld einen Spulenstrom zu erzeugen (im Falle einer S ekundär einheit) . Dabei umfasst die Spulenwicklung zumindest einen Leiter, der in einer Wickelrichtung um eine Spulenachse der Spulenwicklung verläuft. Die Spulenwicklung kann z.B. eine Zirkularspule oder eine Doppel D Spule bilden. Die Spulenachse kann sich entlang einer Übertragungsstrecke der Energieübertragung von der Primärspule zu der Sekundärspule eines induktiven Ladesystems erstrecken. Der zumindest eine Leiter (z.B. eine Litze aus einer Vielzahl von Einzeldrähten) kann mehrmals in Wickelrichtung um die Spulenachse gewickelt sein.
Außerdem umfasst die Spuleneinheit einen elektrisch leitenden Schirm (z.B. einen Schirm aus Metall), der die Spulenwicklung zumindest teilweise umschließt. Insbesondere kann der Schirm die Spulenwicklung nahezu vollständig
umschließen. Dabei kann der Schirm auf der Vorderseite der Spulenwicklung angeordnet sein (wobei die Vorderseite der Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems zugewandt ist). Des Weiteren kann der Schirm auf der Rückseite der Spulenwicklung angeordnet sein (wobei die Rückseite von der
Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems abgewandt ist). Lemer kann der Schirm seitlich zwischen der Vorderseite und der Rückseite verlaufen, sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite der Spulenwicklung. Lolglich kann der Schirm eine Hülle um die Spulenwicklung bilden. Dabei ist der Schirm jedoch ausgebildet, einen Strom und/oder einen
geschlossenen Strompfad innerhalb des Schirms, der die Spulenachse entlang der Wickelrichtung umläuft, zu unterbinden. Insbesondere kann der Schirm derart ausgebildet sein, dass der Summenstrom im Schirm, der die Spulenachse entlang der Wickelrichtung vollständig umläuft, null ist. Dabei können dennoch in unterschiedlichen Bereichen des Schirms Ströme in Wickelrichtung auftreten. Diese Ströme in den unterschiedlichen Bereichen heben sich jedoch in Summe auf. Mit anderen Worten, der Schirm ist derart ausgebildet, dass kein Strom vollständig um die Spulenachse herum durch den Schirm fließen kann (und somit der Schirm selbst eine Spulenwicklung bilden würde). Insbesondere kann der Schirm zumindest eine elektrisch isolierende Unterbrechung bzw. Trennstelle umfassen, die den Schirm quer zu der Wickelrichtung unterbricht. Die zumindest eine Unterbrechung kann dabei z.B. jeweils durch einen Spalt gebildet werden, der den Schirm entlang einer Fläche bzw. Ebene, die z.B. senkrecht zu der Wickelrichtung verläuft, auftrennt. Beispielsweise kann ein Schirm aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Drähten aufgebaut sein (z.B. 5, 10, 20, 50, 100, 500, 1000 oder mehr Drähte), die jeweils senkrecht zur Wickelrichtung verlaufen und die jeweils gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Drähte können dabei jeweils die Spulenwicklung senkrecht zur Wickelrichtung vollständig umlaufen. So kann eine rein elektrische Schirmung bereitgestellt werden, da durch das Magnetfeld in einem, aus senkrecht zur Wickelrichtung verlaufenden Drähten zusammengesetzten, Schirm keine (signifikanten) Schirmströme induziert werden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Drähten kann ein besonders
energieeffizienter Schirm bereitgestellt werden.
Durch die Bereitstellung eines Schirms kann die maximale magnetische
Flussdichte des Magnetfelds an dem Leiter der Spulenwicklung reduziert werden, ohne das Magnetfeld an der jeweils anderen Spuleneinheit des induktiven
Ladesystems wesentlich zu beeinflussen. Folglich können die Anforderungen an den für die Spulenwicklung verwendeten Leiter reduziert werden. Insbesondere können ggf. Einzeldrähte mit größeren Durchmessern verwendet werden. Somit können die Kosten einer Spuleneinheit reduziert werden. Des Weiteren kann der Schirm zur Schirmung von elektrischen Feldern verwendet werden, so dass Anforderungen an EMV Filter der Spuleneinheit reduziert werden. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Schirms die Erkennung eines Defekts der Spulenwicklung. Der Schirm weist typischerweise ein erstes Ende auf einer ersten Seite der Unterbrechung und ein zweites Ende auf einer zweiten Seite der Unterbrechung auf. Die beiden Enden können durch einen Spalt räumlich voneinander getrennt sein. Der Spalt kann z.B. 2%, 1% oder weniger des W indungsumfangs der Spulenwicklung breit sein.
Die Unterbrechung kann derart sein, dass Strom nicht direkt über die
Unterbrechung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende fließen kann. Des Weiteren kann die Unterbrechung derart sein, dass Strom, der auf der ersten Seite der Unterbrechung auf das erste Ende zufließt, an dem ersten Ende seine Flussrichtung umkehrt und wieder auf der ersten Seite der Unterbrechung von dem ersten Ende wegfließt. In entsprechender Weise kann auch am zweiten Ende eine Umkehr der Flussrichtung des Stroms innerhalb des Schirms erfolgen. Es kann somit zuverlässig ein die Spulenachse umlaufender Strom vermieden werden.
Der auf das erste Ende zufließende Strom kann in einem Umkehrbereich am ersten Ende in einen von dem ersten Ende wegfließenden Strom umgekehrt werden. Die Spulenwicklung kann einen bestimmten W indungsumfang aufweisen, wobei der W indungsumfang z.B. der (ggf. mittleren) Länge des Leiters einer Windung der Spulenwicklung entspricht. Der Umkehrbereich an einem Ende des Schirms kann sich über 5% oder weniger des W indungsumfangs erstrecken. Der Umkehrbereich kann eine Vielzahl von elektrisch isolierten Umkehrleitem umfassen, in denen der Strom von einer auf das erste Ende zufließenden
Flussrichtung in eine von dem ersten Ende wegfließenden Flussrichtung umgelenkt wird. Die Umkehrleiter können z.B. aus der Fläche bzw. aus dem Blech des Schirms herausgestanzt werden. Dabei kann ein Umkehrleiter einen Eingang umfassen, in den auf das erste Ende zufließender Strom in den Umkehrleiter fließt. Des Weiteren kann ein
Umkehrleiter einen Ausgang umfassen, aus dem von dem ersten Ende
wegfließender Strom aus dem Umkehrleiter fließt. Ein Umkehrleiter kann dann zwischen dem Eingang und dem Ausgang seine Erstreckungsrichtung um mehr als 90° (insbesondere um ca. 180°) verändern. Beispielsweise kann ein
Umkehrleiter zwischen dem Eingang und dem Ausgang U- oder halbkreis-förmig verlaufen. Der Strom in dem Schirm kann somit durch die Umkehrleiter umgelenkt werden.
Die Umkehrleiter können nebeneinander angeordnet sein, wobei jeweils zwei direkt benachbarte Umkehrleiter durch einen Isolationsbereich voneinander elektrisch isoliert sind. Dabei kann die Vielzahl von Umkehrleitem einen inneren Umkehrleiter umfassen, der im Vergleich zu den (insbesondere im Vergleich zu allen) anderen Umkehrleitem die kürzeste Länge aufweist. Des Weiteren kann die Vielzahl von Umkehrleitem einen äußeren Umkehrleiter umfassen, der im Vergleich zu den (insbesondere im Vergleich zu allen) anderen Umkehrleitem die längste Länge aufweist. Durch die Bereitstellung von einzelnen Umkehrleitem kann der Stromfluss im Umkehrbereich möglichst gleichmäßig verteilt werden. Insbesondere kann so vermieden werden, dass am ersten Ende des Schirms relativ hohe Stromdichten und relativ hohe ohmsche Verluste auftreten. Das zweite Ende des Schirms kann in entsprechender Weise eine Vielzahl von Umkehrleitem aufweisen.
Folglich können das erste Ende des Schirms und das zweite Ende des Schirms jeweils einen Umkehrbereich umfassen, in dem sich die Flussrichtung des Stroms umkehrt. Dabei können der Umkehrbereich des ersten Endes und der
Umkehrbereich des zweiten Endes aufeinanderliegen und durch eine
Isolationsschicht voneinander elektrisch isoliert sein. Insbesondere können der Umkehrbereich des ersten Endes und der Umkehrbereich des zweiten Endes derart aufeinanderliegen, dass die Ströme in den Umkehrbereichen auf beiden Seiten der Isolationsschiebt die gleiche Flussrichtung aufweisen. Die
aufeinanderliegenden Umkehrbereiche können sich dabei entlang der Spulenachse erstrecken oder die aufeinanderliegenden Umkehrbereiche können gebogen sein, so dass sich die aufeinanderliegenden Umkehrbereiche zumindest bereichsweise parallel zu der Spulenwicklung erstrecken. Durch das Aufeinanderlegen der Umkehrbereiche können die Stromdichten an den Enden des Schirms weiter reduziert werden. Der Schirm kann geerdet und/oder mit Masse gekoppelt sein, insbesondere um eine elektrische Abschirmung und/oder eine Fehlerdiagnose zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
Der Schirm kann mehrere Schirmlagen umfassen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die Schirm lagen können dabei im Wesentlichen parallel zu der Vorderseite, der Innenseite, der Rückseite und/oder der Außenseite der
Spulenwicklung verlaufen. Durch die Bereitstellung von mehreren (relativ dünnen) Schirmlagen können die Schirmverluste weiter reduziert werden. Das Magnetfeld ohne Schirm kann eine magnetische Feldlinie mit einem
Feldverlauf quer zu der Wickelrichtung aufweisen, der zumindest teilweise um die Spulenwicklung verläuft. In entsprechender Weise kann der Schirm einen Schirm verlauf quer zu der Wickelrichtung aufweisen, der zumindest teilweise um die Spulenwicklung verläuft. Der Schirmverlauf stellt dabei einen Querschnitt des Schirms quer zu der Wickelrichtung dar. Der Schirmverlauf kann oberhalb der Spulenwicklung bzw. auf der Vorderseite der Spulenwicklung eine geringere Krümmung aufweisen als der Feldverlauf. So kann eine Reduzierung der maximalen Flussdichte an dem Felder der Spulen wicklung bewirkt werden. Das Magnetfeld ohne Schirm kann in unmittelbarer Nähe zu der Spulenwicklung (insbesondere am Feiter der Spulenwicklung) eine erste maximale Flussdichte und in einem bestimmten Abstand von der Spulen wicklung (z.B. an der jeweils anderen Spuleneinheit des induktiven Ladesystems) eine zweite mittlere
Flussdichte aufweisen. Der Schirm kann derart ausgebildet sein, dass das Magnetfeld in unmittelbarer Nähe zu der Spulenwicklung eine gegenüber der ersten maximalen Flussdichte reduzierte maximale Flussdichte aufweist, und dass das Magnetfeld in dem bestimmten Abstand eine mittlere Flussdichte aufweist, die im Wesentlichen der zweiten mittleren Flussdichte entspricht. Zur
Bereitstellung eines derartigen Schirms können im Rahmen einer Simulation ein oder mehrere Parameter des Schirms (insbesondere eine Form bzw. ein
Querschnitt des Schirms, ein Material des Schirms und/oder eine Dicke des Schirms) angepasst werden.
Die Spuleneinheit kann Elektronik (z.B. mit einem Wechselrichter oder mit einem Gleichrichter) umfassen, die eingerichtet ist, den Spulenstrom für die
Spulenwicklung bereitzustellen (z.B. mittels eines Wechselrichters) oder den Spulenstrom aus der Spulenwicklung gleichzurichten (z.B. mittels eines
Gleichrichters). Die Elektronik kann eine Schirmung umfassen, die mit dem Schirm elektrisch leitend gekoppelt ist. So kann eine zuverlässige elektrische Abschirmung der gesamten Spuleneinheit bewirkt werden.
Die Spuleneinheit kann einen Isolationswächter umfassen, der eingerichtet ist, Information in Bezug auf einen Übergangswiderstand zwischen der
Spulenwicklung und dem Schirm zu erfassen. Auf Basis des
Übergangswiderstands kann dann zuverlässig ein Defekt der Spulenwicklung (z.B. infolge einer mechanischen Einwirkung) detektiert werden.
Die Spuleneinheit kann einen Spulenkern umfassen, der an einer Seite
(insbesondere an der Rückseite) der Spulenwicklung angeordnet ist. Der Schirm kann dann auf der dem Spulenkern zugewandten Seite der Spulenwicklung (d.h. auf der Rückseite der Spulenwicklung) eine andere Form aufweisen als auf der dem Spulenkern abgewandten Seite der Spulenwicklung (d.h. auf der Vorderseite der Spulenwicklung) . Insbesondere kann eine Anpassung an den Verlauf der Feldlinien des Magnetfelds auf den beiden Seiten der Spulenwicklung erfolgen.
So kann die maximale magnetische Flussdichte an dem Leiter der Spulen wicklung weiter reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein induktives Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers beschrieben. Das Ladesystem umfasst eine Primäreinheit mit einer Primärspule, die eingerichtet ist, ein Magnetfeld zur Übertragung von Energie zu erzeugen. Außerdem umfasst das Ladesystem eine Sekundär einheit mit einer Sekundärspule, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem
Magnetfeld einen Strom zum Laden des Energiespeichers zu erzeugen. Die Primäreinheit und/oder die S ekundäreinheit können gemäß der in diesem
Dokument beschrieben Spuleneinheit aufgebaut sein. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ladevorrichtung beschrieben
(insbesondere zum Laden des Energiespeichers eines Lahrzeugs), die die in diesem Dokument beschriebene Primäreinheit umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene S ekundäreinheit umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems zum Laden des Energiespeichers eines Fahrzeugs;
Figuren 2a bis 2c beispielhafte Spulen für ein induktives Ladesystem;
Figur 3a beispielhafte Feldlinien bei einer Spulenwicklung ohne Schirm;
Figur 3b beispielhafte Feldlinien bei einer Spulenwicklung mit Schirm;
Figur 3c ein beispielhaftes magnetisches Feld, das von den Wirbelströmen eines Schirms bewirkt wird;
Figur 4a einen beispielhaften Schirm in einer Draufsicht (von der
Übertragungsstrecke) auf eine Spulenwicklung;
Figur 4b beispielhafte Ströme in dem Schirm einer Spulenwicklung;
Figur 4c einen beispielhaften Umkehrbereich des Schirms einer Spulenwicklung; Figur 4d beispielhafte Umkehrbereiche eines Schirms;
Figur 5a eine beispielhafte Schirmung einer Spuleneinheit; und
Figur 5b eine beispielhafte Vorrichtung zur Erkennung eines Spulendefekts
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der
Bereitstellung einer kosteneffizienten Primäreinheit 110 und/oder Sekundär einheit 120 für ein induktives Ladesystem, durch die eine Beeinträchtigung von benachbarten (elektrischen und/oder elektronischen) Komponenten eines
Fahrzeugs 100 reduziert werden können. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 2a eine beispielhafte Primärspule 111 und eine beispielhafte Sekundärspule 121, die jeweils einen Spulenkern 200, insbesondere ein Ferrit, aufweisen. Die
Spulenkerne 200 sind jeweils flach ausgebildet, um eine möglichst geringe
Ausdehnung der Primäreinheit 110 bzw. der Sekundäreinheit 120 in z-Richtung (d.h. entlang der Unterbodenfreiheit 130 bzw. entlang der magnetischen
Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems) zu ermöglichen. Durch die Primärspule 111 wird ein Magnetfeld 250 (in diesem Dokument auch als Ladefeld bezeichnet) bewirkt, das in der Sekundärspule 121 einen Strom zum Laden eines Energiespeichers 103 bewirkt. Fig. 2b zeigt eine Spulen wicklung 210 (z.B. der Primärspule 111 oder der Sekundärspule 121) in einer Seitenansicht. Der Spulenkern 200 ist typischerweise in Bezug auf die Übertragungsstrecke des induktiven Ladesystems auf der Rückseite der Spulenwicklung 210 angeordnet. Die Spulenwicklung 210 weist typischerweise eine Vielzahl von Windungen eines elektrisch leitenden Leiters 211 auf. Dabei kann der Leiter 211 als Litze mit einer Vielzahl von isolierten Einzeldrähten ausgebildet sein. Die Spule 111, 121 kann zur Unterbodenfreiheit 130 bzw. zur Übertragungsstrecke hin mit einer Abdeckung 220 ab gedeckt werden. Fig. 2c zeigt eine Draufsicht der Spulenwicklung 210 und des
Spulenkerns 200 aus Richtung der Übertragungsstrecke.
Aufgrund der lokal auftretenden, relativ hohen Flussdichten des Magnetfelds 250 innerhalb des Feiters 211 der Spulenwicklung 210, werden als Feiter 211 typischerweise HF (Hochfrequenz) -Fitzen mit relativ kleinen, untereinander isolierten Einzeldrähten verwendet, um die V erdrängungseffekte, wie den Skin- Effekt, den inneren Proximity-Effekt und den äußeren Proximity-Effekt in Kombination, zu berücksichtigen. Bei einer Übertragungsffequenz von 85kHz werden typischerweise Einzeldrähte mit Durchmessern im Bereich zwischen 0,05 und 0,1 mm verwendet. Diese Durchmesser sind deutlich geringer als dies aufgrund des Skin-Effekts mit einer Eindringtiefe >0,2mm (bei Kupfer) erforderlich wäre. Wenn nur der durch den Wechselstrom bewirkte Skin-Effekt berücksichtigt werden müsste, wären somit Drahtdurchmesser von >0,4mm für die isolierten Einzeldrähte möglich.
Aufgrund der relativ hohen Flussdichten und dem dadurch bewirkten Proximity- Effekt sind jedoch Einzeldrähte mit l0-mal kleineren Durchmessern erforderlich. Um einen Leiter 211 mit einem bestimmten Querschnitt zu erzeugen, werden aufgrund der relativ hohen Flussdichten somit typischerweise ca. lOO-mal mehr Einzeldrähte verwendet, als dies aufgrund des Skin-Effekts erforderlich wäre. Die Kosten der Einzeldrähte einer HF-Litze steigen typischerweise mit sinkendem Querschnitt. Darüber hinaus steigt die Anzahl der erforderlichen Einzeldrähte für einen gegebenen Querschnitt bzw. für eine gegebene Stromdichte. Folglich führen die relativ hohen Flussdichten zu relativ hohen Kosten für den Feiter 211 und die Spulenwicklung 210 einer Spuleneinheit 110, 120.
Des Weiteren können die Spulen 111, 121 eines induktiven Fadesystems typischerweise nicht geschirmt werden und wirken daher als„Emissions- Element“ für elektromagnetische Felder. Insbesondere können an den Spulen 111, 121 keine elektrischen Felder über eine elektrisch leitende Schirmung gedämpft werden. Daher werden typischerweise aufwändige EMV-Filter in der Elektronik 113, 123 einer Spuleneinheit 110, 120 verwendet, um Störfrequenzen
zurückzuhalten. Mögliche Quellen für Störfrequenzen sind die elektronischen Schaltungen in der Elektronik 113, 123 einer Spuleneinheit 110, 120 und/oder anderweitige Störungen, die über die Zuleitungen zur Elektronik 113, 123 in das induktive Ladesystem eingekoppelt werden.
Ferner kann typischerweise an einer Spule 111, 121, insbesondere an einer Spulenwicklung 210, kein Defekt detektiert werden, insbesondere da keine Isolationsverletzung zu einem (geerdeten) Gehäuse feststellbar ist.
Fig. 3a zeigt einen beispielhaften Verlauf der Feldlinien 350 eines Magnetfelds 250 um den Leiter 211 einer Spulenwicklung 210. Wie aus Fig. 3a ersichtlich, kreuzen die Feldlinien 350 die unterschiedlichen Windungen des Leiters 211. Des Weiteren zeigt Fig. 3b einen beispielhaften, unterbrochenen Schirm 300, der die Spulenwicklung 210 umgibt. Der Schirm 300 kann die Spulenwicklung 210 nahezu vollständig umschließen. Insbesondere kann der Schirm 300 eine nahezu geschlossene Hülle um die Spulenwicklung 210 bilden. Andererseits weist der Schirm 300 an zumindest einer Stelle eine Unterbrechung 301 auf, so dass ein Stromfluss innerhalb des Schirms 300 in Wickelrichtung 331 unterbunden wird. Die Wickelrichtung 331 verläuft dabei um die Spulenachse 332 der
Spulenwicklung 210 herum. Ein derartiger Schirm 300 ermöglicht, dass weiterhin ein Magnetfeld 250 außerhalb des Schirms 300 existiert, dass aber die Feldlinien 350 des Magnetfelds 250 in unmittelbarer Nähe des Schirms 300 (sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite des Schirms 300) parallel zu der Oberfläche des Schirms 300 verlaufen. So kann, je nach Form des Schirms 300 bewirkt werden, dass die Feldlinien 350 des Magnetfelds 250 nicht den Feiter 211 kreuzen. Des Weiteren können so die Maxima der magnetischen Flussdichte reduziert werden, so dass die Kosten der Feiter 21 1 reduziert werden können.
Fig. 3c veranschaulicht die (Wirbel-) Ströme 311, 312, die in dem Schirm 300 bewirkt werden. Die Ströme 311, 312 fließen an unterschiedlichen Stellen des Schirms 300 in unterschiedliche Richtungen. Insbesondere kann der Strom 312 an den Seiten der Vorderseite bzw. der Rückseite der Spulenwicklung 210 in eine erste Richtung und der Strom 311 in einem Zentralbereich der Vorderseite bzw. der Rückseite der Spulen wicklung 210 in eine entgegengesetzte zweite Richtung fließen. Die Umkehr der Flussrichtung des Stroms, 311, 312 wird dabei durch die Unterbrechung 301 des Schirms 300 bewirkt. Durch die Ströme 311, 312 im Schirm 300 wird ein kompensierendes Magnetfeld 351 bewirkt, das sich mit dem Magnetfeld 250 der Spulenwicklung 210 überlagert, so dass sich ein effektives Magnetfeld mit den in Fig. 3b dargestellten Feldlinien 350 ergibt.
Fig. 4a zeigt eine Spulenwicklung 210 mit einem Schirm 300. Der Schirm 300 umschließt dabei die Spulenwicklung 210 nahezu vollständig. Dabei weist der Schirm 300 jedoch an zumindest einer Stelle eine Unterbrechung 301 auf, durch die ein Stromfluss entlang der Wickelrichtung 331 unterbrochen wird.
Insbesondere kann kein Strom 311, 312 direkt von der ersten Seite der
Unterbrechung 301 auf die zweite Seite der Unterbrechung 302 fließen. Durch die elektrische Unterbrechung 301 wird somit eine geschlossene Feiterschleife entlang der Wickelrichtung 311 vermieden. Als Folge der Unterbrechung 301 erfolgt an der Unterbrechung 301 eine Umkehr der Flussrichtung des Stroms 311, 312.
Fig. 4b veranschaulicht den„aufgeklappten“ bzw.„abgewickelten“ Schirm 300 mit der Unterbrechung 301. Wie in Fig. 3b dargestellte, umschließt der Schirm 300 sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite der Spulenwicklung 210. Der Schirm 300 weist somit eine Vorderseite 302 und eine Rückseite 303 auf, die in Fig. 4b nebeneinander dargestellt sind (die Bereiche des Schirms 300 für die Innenseite und die Außenseite der Spulenwicklung 210 wurden jeweils anteilig der Vorderseite 302 und der Rückseite 303 des Schirms 300 zugeordnet). Die
Vorderseite 302 des Schirms 300 weist, wie in Fig. 3c dargestellt, zwei Segmente 321, 322 auf. In entsprechender Weise weist auch die Rückseite 303 des Schirms
300 zwei Segmente 323, 324 auf. In jedem Segment 321, 322, 323, 324 erfolgt jeweils ein Stromfluss in die erste Flussrichtung (dargestellt in Fig. 3c durch einen Punkt) und in die entgegengesetzte zweite Flussrichtung (dargestellt in Fig. 3c durch ein Kreuz). Die Umkehr der Flussrichtung des Stroms 311, 312 innerhalb eines Segments 321, 322, 323, 324 erfolgt dabei jeweils an der Unterbrechung
301 des Schirms 300. Im Umkehrbereich 304 an der Unterbrechung 301 des Schirms 300 können relativ hohe Stromdichten auftreten, die wiederum zu relativ hohen ohmschen Verlusten führen können. Fig. 4c zeigt einen Umkehrbereich 304 der Rückseite 303 eines Schirms 300. Das Ende 307 des Schirms 300 vor der Unterbrechung 301 ist dabei in einzelne Umkehrleiter 305 aufgeteilt, die den Strom 312, 311 bei der Umkehr der Flussrichtung führen. Dabei sind die Umkehrleiter 305 derart ineinander verschachtelt, dass ein innenliegender erster Umkehrleiter 305 von einem längeren zweiten Umkehrleiter 305 umgeben ist, der wiederum von einem längeren dritten Umkehrleiter 305 umgehen ist, usw. bis ein äußerer Umkehrleiter 305 alle anderen Umkehrleiter 305 umgibt. Der äußere Umkehrleiter 305 grenzt dabei an die Unterbrechung 301 an. Der Abstand zur Unterbrechung 301 steigt kontinuierlich von dem äußeren Umkehrleiter 305 bis zu dem innenliegenden ersten Umkehrleiter 305 an. Wie aus den Figuren 4c und 4b ersichtlich, weisen sowohl die Rückseite 303 als auch die Vorderseite 302 jeweils zwei derartige Anordnungen von Umkehrleitem 305 auf. Als Folge einer derartigen Anordnung der Umkehrleiter 305 erfolgt eine
Aufteilung des Stroms 311, 312 im Umkehrbereich 304 auf unterschiedliche Umkehrleiter 305, so dass die maximale Stromdichte an den Enden 307 des Schirms 300 nahe der Unterbrechung 301 reduziert werden kann. Die beiden Enden 307 des Schirms 300 an der Unterbrechung 301 können, wie in Fig. 4d dargestellt, aufeinanderliegen und durch eine Isolationsschicht 308 voneinander elektrisch isoliert sein. Dabei können die beiden Enden 307 senkrecht auf der Spulenwicklung 210 parallel zu der Spulenachse 332 stehen (wie auf der linken Seite von Fig. 4d dargestellt). Alternativ können die aufeinanderliegenden, elektrisch isolierten Enden 307 zu der Spulenwicklung 210 hin gebogen werden, um den Platzbedarf des Schirms 300 an der Unterbrechung 301 zu reduzieren (wie auf der rechten Seite von Fig. 4d dargestellt).
Am Ende 307 der Schirmung 300 können somit an der Trennstelle bzw. der Unterbrechung 301 Einstanzungen vorgenommen werden, so dass einzelne Umkehrleiter bzw. Umkehrdrähte 305 entstehen, die die unterschiedlichen „Strompfade“ zu dem entsprechenden rückleitenden Strompfad führen. Die Umkehrleiter 305 können hochgebogen werden, so dass die Umkehrleiter 305 der beiden Enden 307 der Schirmung 300 an der Unterbrechung 301 elektrisch isoliert aufeinander angeordnet werden können. Der Schirm 300 kann somit mit einer Isolationsschicht 308 zusammengeschoben werden. Die stromführenden
Umkehrleiter 305 der beiden Enden 307 liegen dann unmittelbar, elektrisch isoliert aneinander, wenn die Umkehrleiter 305 der beiden Enden 307 mit jeweils gespiegelter Symmetrie hergestellt (insbesondere gestanzt) werden. Da die Stromflüsse in gegenüberliegenden Umkehrleitem 305 der beiden Enden 307 des Schirms 300 an der Unterbrechung 301 gegensinnig und gleich sind, wird der symmetrische Stromfluss unterstützt und die assoziierten Magnetfelder kompensieren sich lokal. Die gegenüber der Schirmung 300 aufstehenden Umkehrleiter 305 können auf eine oder jeweils paarweise auf unterschiedliche Seiten umgebogen werden, um einen flachen Aufbau der Spulenwicklung 210 beizubehalten.
Die Spulenwicklung 210 einer Primärspule 111 und/oder einer Sekundärspule 121 kann somit mit einem geeignet ausgelegten, elektrisch leitenden (insbesondere metallischen) Schirm 300 umwickelt werden, wobei dieser Schirm 300 längs der Wickelrichtung 331 an zumindest einer Stelle unterbrochen ist und somit keine geschlossene Windung entlang der Wickelrichtung 331 der Spulenwicklung 210 ausbildet. Der Schirm 300 kann dabei derart gestaltet werden, dass sich ein reduziertes und homogenes Magnetfeld 250 im Bereich der Spulenwicklung 210 ergibt. Des Weiteren kann der Schirm 300 derart ausgebildet sein, dass im Schirm 300 möglichst kleine Stromdichten auftreten, die flächig verteilt sind, um ohmsche Verluste zu reduzieren. Die Form und/oder die Dicke des Schirms 300 und/oder der Abstand des Schirms 300 zu der Spulenwicklung 210 können derart angepasst werden, dass möglichst geringe Stromdichten und damit Verluste im Schirm 300 auftreten. Dies kann z.B. durch die Verwendung von möglichst großen Radien erreicht werden. Des Weiteren kann dies dadurch erreicht werden, dass der Schirm 300 möglichst parallel zum ursprünglichen Feldverlauf der Feldlinien 350 verläuft.
Der Schirm 300 kann an zumindest einer Stelle geerdet werden, so dass der Schirm 300 als Abschirmung gegen die Emission von elektrischen Feldern verwendet werden kann. Fig. 5a zeigt einen geerdeten Schirm 300. Des Weiteren zeigt Fig. 5a eine Schirmung 502 für die Elektronik 113, 123 einer Spuleneinheit (z.B. einer Primäreinheit 110 bzw. einer S ekundär einheit 120) sowie eine
Schirmung 501 für eine Feitung 112, 122 zwischen einer Spule 111, 121 und der Elektronik 113, 123. Es kann somit in effizienter Weise eine vollständige
Schirmung einer Spuleneinheit 110, 120 bereitgestellt werden.
Durch einen doppel- oder mehrwandigen Schirm 300 kann der Strom 311, 312 zur Veränderung des Feldlinienverlaufs auf mehrere Schirmebenen bzw. Schirml agen verteilt werden, um die resultierenden ohmschen Schirmverluste zu reduzieren. Insbesondere kann ein Schirm 300 mehrere Schirmebenen bzw. Schirmschichten bzw. Schirmlagen aufweisen, die voneinander elektrisch isoliert sind. Jede der Schirmschichten kann dabei die Spulenwicklung 210 umschließen. Ein Schirm 300 kann somit aus mehreren isolierten Schichten bzw. Lagen aufgebaut sein, um die ohmschen Schirmverluste zu reduzieren.
Des Weiteren kann ein Schirm 300 mit einer relativ geringen Gesamtdicke verwendet werden, um die Schirmverluste zu reduzieren. Insbesondere kann die Dicke des Schirms 300 1%, 0.5% oder weniger des W indungsumfangs der Spulenwicklung 210 sein.
Die Trennstelle bzw. die Unterbrechung 301 des Schirms (längs zur
Wickelrichtung 331) kann derart gestaltet werden, dass die„Stromumkehr“ unterstützt wird. Insbesondere können die Enden 307 des Schirms 300 an der Unterbrechung 301 in einzelne Umkehrleiter 305 unterteilt werden, um eine Umkehr der Flussrichtung des Stroms 311, 312 an der Unterbrechung 301 zu bewirken. Der ideale Stromfluss im Schirm 301 kann somit durch die Trennstelle bzw. die Unterbrechung 301 nur unwesentlich beeinträchtigt werden.
Bei Verwendung eines Schirms 300 kann eine Isolationsüberwachung 510 zwischen der Spulenwicklung 210 und dem umgebenden Schirm 300 dazu verwendet werden, Beschädigungen der Isolation der Spulenwicklung 210 zu detektieren. Dies ist beispielhaft in Fig. 5b dargestellt. Insbesondere kann ein Isolationswächter 510 den Widerstand zwischen einer Spule 111, 121 und Masse messen (z.B. über Vorwiderstände 511). Ein durch einen Defekt bewirkter elektrisch leitender Kontakt zwischen der Spule 111, 121 und dem (geerdeten) Schirm 300 kann dann durch den Isolationswächter 510 detektiert werden.
Insbesondere können Beschädigungen, z.B. durch Steinschlag am Unterboden oder durch Überfahrt der Primärspule 111, durch Erkennung eines
Isolationsfehlers detektiert werden.
Eine Spule 111, 121 weist typischerweise an einer Seite der Spulenwicklung 210 einen Spulenkern 200 auf. Die Form des Schirms 300 kann in Bezug auf den einseitig angebrachten Spulenkern 200 optimiert werden. Insbesondere kann der Biegeradius des Schirms 300 an Stellen mit relativ hohen Stromdichten reduziert werden. Bei mehrwandigen Schirmen 300 kann insbesondere die Form der ein oder mehreren äußeren Schirmlagen angepasst werden.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann die maximale magnetische Flussdichte insbesondere am Rand einer Spulenwicklung 210 reduziert werden. Dadurch wird der Proximity-Effekt in diesen Bereichen der Spulenwicklung 210 reduziert. Als Konsequenz daraus kann bei unveränderten Verlusten ein größerer Querschnitt der Einzeldrähte bzw. Drähte in der Litze 211 der Spulenwicklung 210 verwendet werden. Des Weiteren kann die Verteilung der Einzeldrähte einer Litze 211 vereinfacht werden, da durch die beschriebenen Maßnahmen der Feldverlauf der Feldlinien 350 im Bereich der Spulenwicklung 210 eine höhere Gleichmäßigkeit aufweist. Alternativ können bei gleichen Querschnitt der Einzeldrähte die Verluste einer Spuleneinheit 110, 120 reduziert werden. Es kann somit eine Optimierung in Bezug auf Kosten und
Energieverluste erfolgen.
Wenn eine Spule 111, 121 durch einen leitenden und geerdeten Schirm 300 umgeben wird, kann dieser Schirm 300 zur Unterdrückung von elektrischen Felder verwendet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft zur Dämpfung von Störungen des induktiven Ladesystems durch andere Verbraucher (z.B. durch die Antriebselektronik eines Fahrzeugs 100). Die Störungen anderer Verbraucher können sich dabei durch die S ekundärelektronik 123 hindurch auf die
Sekundärspule 121 aufprägen. Dies kann auch bei einem inaktiven induktiven Ladesystem während der Fahrt eines Fahrzeugs 100 erfolgen. Die beschriebene Ummantelung der Sekundärspule 121 kann dann andere Maßnahmen wie z.B. EMV-Filter und/oder Abschalteinrichtungen ersetzten oder zumindest reduzieren. Des Weiteren wird durch die Ummantelung der Sekundärspule 121 mit einem leitenden, geerdeten Schirm 300 die Emission von hochfrequenten elektrischen Störfeldem, die z.B. durch die Gleichrichterelektronik der S ekundär einh eit 120 erzeugt werden, reduziert.
Durch die Verwendung eines Schirms 300 wird die Impedanz der umwickelten Spule 111, 121 reduziert. Dabei kann der Schirm 300 derart ausgebildet sein, dass sich der magnetische Fluss in unmittelbarer Nähe der Spulenwicklung 210 reduziert, aber in weiterer Entfernung (insbesondere an der jeweils anderen Spule 111, 121) im Wesentlichen unverändert bleibt. Dies hat den positiven Effekt, dass sich die Induktivität der betrachteten Spule 111, 121 stärker reduziert, als die verkoppelte Induktivität (Koppelfaktor). So kann eine bestimmte Leistung mit einem reduzierten primären Spulenstrom übertragen werden. Dies führt zu reduzierten Blindleistungen und damit zu reduzierten Anforderungen an die Elektronik 113, 123 und an die Spulen 111, 121 einer Spuleneinheit 110, 120.
Des Weiteren ermöglichen es die beschriebenen Maßnahmen, in effizienter und zuverlässiger Weise eine Beschädigung einer Spule 111, 121 zu detektieren, da bei Beschädigung der Spule 111, 121 mit hoher W ahrscheinlichkeit über den Schirm 300 eine Verletzung des Isolationswiderstands bewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Spuleneinheit (110, 120) für ein induktives Ladesystem; wobei die
Spuleneinheit (110, 120) umfasst,
- eine Spulenwicklung (210), die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Spulenstrom ein Magnetfeld (250) zu erzeugen, oder die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Magnetfeld (250) einen Spulenstrom zu erzeugen; wobei die Spulenwicklung (210) einen Leiter (211) umfasst, der in einer Wickelrichtung (331) um eine Spulenachse (332) der Spulenwicklung (210) verläuft; und
- einen elektrisch leitenden Schirm (300), der die Spulenwicklung (210) zumindest teilweise umschließt; wobei der Schirm (300) ausgebildet ist, einen Strompfad innerhalb des Schirms (300), der die Spulenachse (332) entlang der Wickelrichtung (331) vollständig umläuft, zu unterbinden.
2) Spuleneinheit (110, 120) gemäß Anspruch 1, wobei der Schirm (300)
zumindest eine elektrisch isolierende Unterbrechung (301) umfasst, die den Schirm (300) quer zu der Wickelrichtung (331) unterbricht.
3) Spuleneinheit (110, 120) gemäß Anspruch 2, wobei
- der Schirm (300) ein erstes Ende (307) auf einer ersten Seite der
Unterbrechung (301) und ein zweites Ende (307) auf einer zweiten Seite der Unterbrechung (301) umfasst; und
- die Unterbrechung (301) derart ist, dass Strom (311, 312) nicht direkt über die Unterbrechung (301) zwischen dem ersten Ende (307) und dem zweiten Ende (307) fließen kann; und/oder
- die Unterbrechung (301) derart ist, dass auf der ersten Seite der
Unterbrechung (301) auf das erste Ende (307) zufließender Strom (312) an dem ersten Ende (307) seine Flussrichtung umkehrt und wieder auf der ersten Seite der Unterbrechung (301) von dem ersten Ende (307) wegfließt.
4) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei
- die Unterbrechung (301) derart ausgebildet ist, dass ein auf das erste Ende (307) zufließender Strom (312) in einem Umkehrbereich (304) am ersten Ende (307) in einen von dem ersten Ende (307) wegfließenden Strom (311) umgekehrt wird; und
- der Umkehrbereich (304) eine Vielzahl von elektrisch isolierten
Umkehrleitem (305) umfasst, in denen der Strom (312, 311) von einer auf das erste Ende (307) zufließenden Flussrichtung in eine von dem ersten Ende (307) wegfließenden Flussrichtung umgelenkt wird.
5) Spuleneinheit (110, 120) gemäß Anspruch 4, wobei
- ein Umkehrleiter (305) einen Eingang umfasst, in den auf das erste Ende (307) zufließender Strom (312) in den Umkehrleiter (305) fließt; und
- ein Umkehrleiter (305) einen Ausgang umfasst, aus dem von dem
ersten Ende (307) wegfließender Strom (312) aus dem Umkehrleiter (305) fließt; und
- ein Umkehrleiter (305) zwischen dem Eingang und dem Ausgang seine Erstreckungsrichtung um mehr als 90° verändert; und/oder
- ein Umkehrleiter (305) zwischen dem Eingang und dem Ausgang U- oder halbkreis-förmig verläuft. 6) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei
- die Umkehrleiter (305) nebeneinander angeordnet sind; und/oder
- die Vielzahl von Umkehrleitem (305) einen inneren Umkehrleiter (305) umfasst, der im Vergleich zu den anderen Umkehrleitem (305) die kürzeste Länge aufweist; und/oder - die Vielzahl von Umkehrleitem (305) einen äußeren Umkehrleiter (305) umfasst, der im Vergleich zu den anderen Umkehrleitem (305) die längste Länge aufweist; und/oder
- zwei direkt benachbarte Umkehrleiter (305) durch einen
Isolationsbereich voneinander elektrisch isoliert sind.
7) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die
Umkehrleiter (305) aus einer Fläche des Schirms (300) herausgestanzt wurden.
8) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei
- das erste Ende (307) des Schirms (300) und das zweite Ende (307) des Schirms (300) jeweils einen Umkehrbereich (304) umfassen, in dem sich eine Flussrichtung des Stroms (311, 312) umkehrt; und der Umkehrbereich (304) des ersten Endes (307) und der
Umkehrbereich (304) des zweiten Endes (307) aufeinanderliegen und durch eine Isolationsschicht (308) voneinander elektrisch isoliert sind.
9) Spuleneinheit (110, 120) gemäß Ansprach 8, wobei der Umkehrbereich (304) des ersten Endes (307) und der Umkehrbereich (304) des zweiten Endes (307) derart aufeinanderliegen, dass die Ströme (311, 312) in den Umkehrb ereichen (204) auf beiden Seiten der Isolationsschicht (308) die gleiche Flussrichtung aufweisen. 10) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei
- die aufeinanderliegenden Umkehrbereiche (304) sich entlang der Spulenachse (332) erstrecken; oder
- die aufeinanderliegenden Umkehrbereiche (304) gebogen sind, so dass sich die aufeinanderliegenden Umkehrb ereiche (304) zumindest bereichsweise parallel zu der Spulenwicklung (210) erstrecken. 11) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schirm (300) geerdet ist.
12) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schirm (300) mehrere Schirmlagen umfasst, die elektrisch voneinander isoliert sind.
13) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- das Magnetfeld (250) ohne Schirm (300) eine magnetische Feldlinie (350) mit einem Feldverlauf quer zu der Wickelrichtung (331) aufweist, der zumindest teilweise um die Spulenwicklung (210) verläuft;
- der Schirm (300) einen Schirmverlauf quer zu der Wickelrichtung (331) aufweist, der zumindest teilweise um die Spulenwicklung (210) verläuft; und
- der Schirmverlauf oberhalb der Spulenwicklung (210) eine geringere Krümmung aufweist als der Feldverlauf.
14) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Magnetfeld (250) ohne Schirm (300) in unmittelbarer Nähe zu der
Spulenwicklung (210) eine erste maximale Flussdichte und in einem bestimmten Abstand von der Spulenwicklung (210) eine zweite mittlere Flussdichte aufweist; und
- der Schirm (300) derart ausgebildet ist, dass das Magnetfeld (250) in unmittelbarer Nähe zu der Spulenwicklung (210) eine gegenüber der ersten maximalen Flussdichte reduzierte Flussdichte aufweist, und dass das Magnetfeld (250) in dem bestimmten Abstand eine Flussdichte aufweist, die im Wesentlichen der zweiten mittleren Flussdichte entspricht.
15) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Spuleneinheit (110, 120) Elektronik (113, 123) umfasst, die eingerichtet ist, den Spulenstrom für die Spulenwicklung (210) bereitzustellen oder den Spulenstrom (210) aus der Spulenwicklung (210) gleichzurichten; und
- die Elektronik (113, 123) eine Schirmung (501, 502) umfasst, die mit dem Schirm (300) elektrisch leitend gekoppelt ist.
16) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spuleneinheit (110, 120) einen Isolationswächter (510) umfasst, der eingerichtet ist, Information in Bezug auf einen Übergangswiderstand zwischen der Spulenwicklung (210) und dem Schirm (300) zu erfassen.
17) Spuleneinheit (110, 120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Spuleneinheit (110, 120) einen Spulenkern (200) umfasst, der an einer Seite der Spulenwicklung (210) angeordnet ist;
- der Schirm (300) auf der dem Spulenkern (200) zugewandten Seite der Spulenwicklung (210) eine andere Form aufweist als auf der dem Spulenkern (200) ab gewandten Seite der Spulenwicklung (210). 18) Induktives Ladesystem zum Laden eines Energiespeichers (103); wobei das
Ladesystem umfasst,
- eine Primäreinheit (110) mit einer Primärspule (111), die eingerichtet ist, ein Magnetfeld (250) zur Übertragung von Energie zu erzeugen;
- eine Sekundär einheit (120) mit einer Sekundärspule (121), die
eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Magnetfeld (250) einen
Strom zum Laden des Energiespeichers (103) zu erzeugen; wobei die Primäreinheit (110) und/oder die S ekundärein heit (120) gemäß der Spuleneinheit (110, 120) aus einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut sind.
PCT/EP2018/080930 2017-11-14 2018-11-12 Spuleneinheit für ein induktives ladesystem Ceased WO2019096737A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017220201.7 2017-11-14
DE102017220201.7A DE102017220201A1 (de) 2017-11-14 2017-11-14 Spuleneinheit für ein induktives Ladesystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019096737A1 true WO2019096737A1 (de) 2019-05-23

Family

ID=64316528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/080930 Ceased WO2019096737A1 (de) 2017-11-14 2018-11-12 Spuleneinheit für ein induktives ladesystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017220201A1 (de)
WO (1) WO2019096737A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022262455A1 (zh) * 2021-06-18 2022-12-22 Oppo广东移动通信有限公司 天线结构、电子组件及电子设备
WO2024179090A1 (zh) * 2023-03-02 2024-09-06 Oppo广东移动通信有限公司 电子设备及通信系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013061615A1 (ja) * 2011-10-28 2013-05-02 パナソニック株式会社 非接触電力伝送装置、並びにこれに用いる給電装置及び受電装置
WO2014147985A1 (ja) * 2013-03-21 2014-09-25 パナソニック株式会社 非接触充電装置
WO2014206661A1 (de) * 2013-06-28 2014-12-31 Siemens Aktiengesellschaft Induktive ladeeinrichtung, elektrofahrzeug, ladestation und verfahren zum induktiven laden
US20160315383A1 (en) * 2013-12-26 2016-10-27 Mitsubishi Electric Engineering Company, Limited Resonant type power transmission antenna device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9126491B2 (en) * 2009-12-17 2015-09-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Shield and vehicle incorporating the shield
CN103534771A (zh) * 2011-05-19 2014-01-22 丰田自动车株式会社 受电装置、送电装置以及电力传送系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013061615A1 (ja) * 2011-10-28 2013-05-02 パナソニック株式会社 非接触電力伝送装置、並びにこれに用いる給電装置及び受電装置
WO2014147985A1 (ja) * 2013-03-21 2014-09-25 パナソニック株式会社 非接触充電装置
WO2014206661A1 (de) * 2013-06-28 2014-12-31 Siemens Aktiengesellschaft Induktive ladeeinrichtung, elektrofahrzeug, ladestation und verfahren zum induktiven laden
US20160315383A1 (en) * 2013-12-26 2016-10-27 Mitsubishi Electric Engineering Company, Limited Resonant type power transmission antenna device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022262455A1 (zh) * 2021-06-18 2022-12-22 Oppo广东移动通信有限公司 天线结构、电子组件及电子设备
WO2024179090A1 (zh) * 2023-03-02 2024-09-06 Oppo广东移动通信有限公司 电子设备及通信系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017220201A1 (de) 2019-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69503705T2 (de) Methode zur Reduzierung der Verzerrung der Wellenform in einer elektrischen Einrichtung und Schaltung für eine elektrische Einrichtung
DE112013006284B4 (de) Sammelschiene, deren Verwendung, Sammelschienenmodul und Verfahren zum Herstellen einer Sammelschiene
DE112015006677B4 (de) Leitung mit Rauschfilter
EP2462596B1 (de) Stromkompensierte drossel und verfahren zur herstellung einer stromkompensierten drossel
EP3008474B1 (de) Stromsensoranordnung mit messspulen
DE10238321A1 (de) Leistungswandler
DE112016003274B4 (de) Abgeschirmte leitung
DE102016201258A1 (de) Elektrischer Spannungswandler mit mehreren Speicherdrosseln
DE102013200273A1 (de) Elektrische Last-Steuer-/Regelvorrichtung
DE102019130709A1 (de) Vorrichtung zum Filtern mindestens eines Signals
EP3207613A1 (de) Spulenanordnung zur induktiven energieübertragung, induktive energieübertragungsvorrichtung und verfahren zum herstellen einer spulenanordnung zur induktiven energieübertragung
EP3385125B1 (de) Kraftfahrzeug
WO2019096737A1 (de) Spuleneinheit für ein induktives ladesystem
DE112015006722T5 (de) Leitung mit rauschfilter
DE112015006679B4 (de) Leitung mit Rauschfilter
WO2018065451A1 (de) Spuleneinheit zum induktiven laden eines fahrzeuges
EP3323134B1 (de) Anordnung zur induktiven energieübertragung von einem primärleitersystem an ein eine sekundärwicklung aufweisendes fahrzeug
DE4410956C2 (de) Drosselspule für eine Schaltungsanordnung
DE102018209121A1 (de) Abschirmelement und Energieübertragungseinheit
EP4009338B1 (de) Transformator für ein schaltnetzteil
WO2012079861A1 (de) Vorrichtung zur induktiven übertragung elektrischer energie
WO2018091098A1 (de) Trenntransformator mit geringen unerwünschten resonanzen, energieübertrager mit trenntransformator und energieübertrager zur drahtlosen energieübertragung mit trenntransformator
DE102016223770A1 (de) Kabel, Verfahren zur Herstellung des Kabels und Energieversorgungssystem
DE102017218062A1 (de) Spule mit Spulenkern für ein induktives Ladesystem
DE102019109110B4 (de) Spulenkörper und Vorrichtung mit Spulenkörper

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18803617

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18803617

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1