具有多個子線圈的用于感應式充電的初級單元的制作方法
本發明涉及一種用于運輸工具的感應式充電的設備。
背景技術：
帶有電驅動裝置的運輸工具典型地具有電池，在該電池中可以存儲用于使運輸工具的電機運行的電能。可以利用供電網絡中的電能給運輸工具的電池充電。出于該目的，將電池與供電網絡耦合，以便將供電網絡中的電能傳輸到運輸工具的電池中。該耦合可以有線地(經由充電線)和/或無線地(借助在充電站與運輸工具之間的感應耦合)實現。
用于自動地、無線地、感應式地給運輸工具的電池充電的方案在于，從運輸工具底部處的地面通過電磁感應經由底部空隙120將電能傳輸給電池。這在圖1中示例性地示出。圖1尤其示出一種具有用于電能的存儲器103(例如具有可充電的電池103)的運輸工具100。運輸工具100包括在運輸工具底部中的所謂的次級線圈，其中，該次級線圈通過未示出的阻抗匹配和整流器101與存儲器103相連接。次級線圈典型地是所謂的“無線能量傳輸”(wpt)運輸工具單元102的一部分。
wpt運輸工具單元102的次級線圈可以定位在初級線圈之上，其中，該初級線圈例如安置在車庫地面上。初級線圈典型地是所謂的wpt地面單元111的一部分。初級線圈與供電設備110(在本文件中也稱為充電單元110)相連接。該供電設備110可以包括在wpt地面單元111的初級線圈中產生ac(交變)電流的射頻發生器，由此感應出磁場。該磁場在本文件中也稱為電磁充電場。該電磁充電場可以具有預定義的充電場頻率范圍。該充電場頻率范圍(即運行頻率)可以處于80-90khz(尤其是處于85khz)的頻率范圍中。
在wpt地面單元111的初級線圈與wpt運輸工具單元102的次級線圈之間在底部空隙120上的磁耦合足夠時，通過磁場在次級線圈中感應出相應的電壓并且因此也感應出電流。在wpt運輸工具單元102的次級線圈中的感應電流通過整流器101整流并且存儲在存儲器103中(例如在電池中)。因此，電能可以無線地從供電設備110傳輸至運輸工具110的能量存儲器103。充電過程可以在運輸工具100中由充電控制器105(也稱為wpt控制器105)控制。出于該目的，該充電控制器105可以設置用于例如無線地與充電單元110(例如與壁箱(wallbox))或者與wpt地面單元111通信。
如今，不同的用于電運輸工具的感應式充電的系統正在發展中。在此，尤其是追求線圈的幾何輪廓的以及與其有聯系的場幾何形狀的不同設計(例如圓形的線圈、螺管線圈或者雙d線圈)。基于不同的幾何輪廓可能產生安裝在運輸工具100中的次級線圈與安裝在地面單元111中的初級線圈之間的不兼容性。由于這種不兼容性可能產生初級線圈與次級線圈之間的減少(或者甚至不存在)的耦合并且因此可能產生減少(或者甚至不存在)的能量傳輸。此外，在使用具有不同的線圈幾何形狀的線圈的情況下，對初級線圈和次級線圈的精確定位的要求進一步提高。
技術實現要素：
本文件致力于提供一種成本高效的初級線圈的技術任務，通過該初級線圈能夠實現提高與次級線圈的耦合程度和/或通過該初級線圈能夠實現降低對次級線圈的定位的要求。
該任務通過獨立權利要求來解決。此外，有利的實施方式在從屬權利要求中說明。
根據一方面說明一種用于產生電磁充電場的初級單元，以用于與次級線圈的感應耦合。所述初級單元可以是用于給運輸工具的能量存儲器感應式充電的充電站的wpt地面單元的一部分。也就是說，初級單元可以設置用于給運輸工具的電存儲單元感應式充電。
所述初級單元包括多件式的初級線圈，該初級線圈包括n個子線圈，其中n>2。所述n個子線圈在相應的第一端部上星形地相互耦合。所述n個子線圈可以包括或者可以是n個圓形的子線圈，其中，所述n個圓形的子線圈可以側向并排地布置在一個面中。
例如n可以等于3。則所述n個子線圈包括第一子線圈、第二子線圈和第三子線圈。第一子線圈可以布置在第二子線圈的第一側上，而第三子線圈可以布置在第二子線圈的第二側上，所述第二側與第二子線圈的第一側相對置。借助這種多件式的初級線圈能夠以高效的方式產生用于不同類型的次級線圈的充電場。此外能夠補償所述多件式的初級線圈與次級線圈之間的側向錯位。
在另一個例子中，n＝5。所述n個子線圈可以包括一個中央子線圈，該中央子線圈被其它四個子線圈包圍。通過這種多件式的初級線圈也能夠以高效的方式產生用于不同類型的次級線圈的充電場。此外能夠補償所述多件式的初級線圈與次級線圈之間的側向錯位和沿縱向方向的錯位。此外能夠補償初級線圈與次級線圈之間的相對轉動。
所述初級單元還包括n個半橋，所述n個半橋分別與所述n個子線圈的相應的第二端部耦合。在此，子線圈的第二端部與該子線圈的第一端部相對置。因此，每個子線圈與一個相應的半橋連接。半橋典型地設置用于將子線圈的第二端部交替地與第一電位(例如與地網)和與第二電位(例如與供電電壓或者與從網絡電壓中導出的直流電壓)耦合。通過子線圈的第二端部與不同電位的交替耦合，在該子線圈中能產生交變電流，通過該交變電流感應出電磁充電場。另一方面，半橋的開關也可以保持打開，以便抑制電流通過相應的子線圈。
所述初級單元還包括控制單元，該控制單元設置用于根據次級線圈來操控所述n個半橋。尤其是，該控制單元可以設置用于根據次級線圈的類型和/或根據次級線圈相對于所述多件式的初級線圈的位置來操控所述n個半橋。次級線圈的示例性類型是螺管類型、雙d類型和/或圓形類型。因此，通過所述初級單元能夠以高效的方式為多個不同類型的次級線圈產生充電場，通過該充電場在次級線圈中感應出充電電流。所述初級單元尤其是成本高效的，因為為每個線圈僅使用一個半橋。
所述初級單元還可以包括n個電容器。所述n個電容器可以分別與所述n個子線圈串聯地布置。一個電容器可以連同一個子線圈一起形成一個振蕩電路。該振蕩電路的諧振頻率可以等于由初級單元產生的充電場的充電頻率。
所述控制單元可以設置用于以彼此差模的方式運行所述n個半橋中的至少兩個半橋。因此，通過所述多件式的初級線圈的相應的至少兩個子線圈能夠引起交變電流。此外能夠引起所述至少兩個子線圈被電流沿相反的方向流過。備選地或補充地，所述控制單元可以設置用于以彼此共模的方式運行所述n個半橋中的至少兩個半橋。因此能夠引起，當電流流過相應的各子線圈時，該流過相應的各子線圈的電流具有相同的方向(即，從子線圈的第二端部至子線圈的第一端部或者反之)。備選地或補充地，所述控制單元可以設置用于使所述n個半橋中的至少一個半橋這樣運行，使得沒有電流流過相應的子線圈。因此，所述相應的子線圈不產生電磁充電場。
通過以差模的方式、以共模的方式運行半橋和/或通過禁用半橋，能夠以高效的方式產生不同幾何形狀的充電場。因此，所述初級單元能夠與不同類型的次級線圈和/或與不同的錯位情況適配。
所述控制單元可以設置用于利用如下充電頻率運行所述n個半橋中的至少兩個半橋，其中，所述充電頻率等于電磁充電場的頻率。尤其是可以利用所述充電頻率以差模的方式運行所述至少兩個半橋，以便通過相應的子線圈產生具有所述充電頻率的交變電流。為了以差模的方式的運行，如果第二半橋的“高側”開關是關閉的，則第一半橋的“低側”開關可以是關閉的(于是第一半橋的“高側”開關和第二半橋的“低側”開關是打開的)。此外，如果第二半橋的“低側”開關是關閉的，則第一半橋的“高側”開關可以是關閉的(于是第一半橋的“低側”開關和第二半橋的“高側”開關是打開的)。
所述控制單元可以設置用于確定次級線圈類型(例如次級線圈的類型在充電通信的范疇內可以從運輸工具通信至充電站)。此外，所述控制單元可以設置用于根據所確定的次級線圈類型來確定用于所述n個半橋的預定義的運行數據。所述預定義的運行數據可以存儲在存儲單元中(例如在充電站的存儲單元中)。所述預定義的運行數據可以以特征曲線的形式和/或以表格的形式存儲。尤其是可以為不同類型的次級線圈存儲不同的預定義的運行數據。然后，所述控制單元可以設置用于根據所述預定義的運行數據來操控所述n個半橋。因此能夠以高效的方式將初級單元的運行與次級線圈的類型適配。
所述控制單元還可以設置用于確定次級線圈相對于所述多件式的初級線圈的位置。在此，所述位置可以包括次級線圈與所述多件式的初級線圈之間的側向錯位。所述相對位置例如可以通過對圖像數據的評價來確定。出于該目的，初級單元必要時可以包括相機，該相機設置用于采集關于次級線圈的圖像數據。所述預定義的運行數據于是也可以根據所確定的位置來確定。因此能夠以高效的方式將初級單元的運行與不同的錯位情況適配。
根據另一方面說明一種用于運輸工具的充電站，其中，所述充電站包括在本文件中說明的初級單元。
要注意的是，在本文件中說明的方法、設備和系統不僅可以單獨使用，而且可以與其它的在本文件中說明的方法、設備和系統相結合地使用。此外，在本文件中說明的方法、設備和系統的所有方面能夠以多種方式相互結合。尤其是，權利要求的特征能夠以多種方式相互結合。
附圖說明
此外，借助實施例更詳細地說明本發明。其中：
圖1示出感應式充電系統的示例性的構件；
圖2a示出示例性的線圈幾何形狀以及對應的場幾何形狀；
圖2b示出用于產生電磁充電場的示例性布置結構；
圖3示出用于與不同類型的次級線圈耦合的一般性初級線圈的一種示例性結構；
圖4示出用于產生不同類型的電磁充電場的一般性初級線圈的示例性操控；
圖5示出一般性初級線圈的另一示例性結構。
具體實施方式
如開頭所闡述的那樣，本文件致力于提供一種用于充電站110、111的wpt地面單元111，以便能夠實現給具有不同的線圈幾何形狀的運輸工具110感應式充電。
圖2a示出示例性的初級線圈243和相應的次級線圈242以及電磁充電場241的所屬曲線。尤其是，圖2a示出螺管線圈(線圈類型210)、雙d線圈(線圈類型220)和圓形線圈(線圈類型230)的使用。基于電磁充電場241的不同幾何形狀而產生在不同的線圈類型210、220、230之間的不兼容性。例如，通過螺管或雙d初級線圈243在圓形次級線圈242中不能感應出電流。類似地，通過圓形初級線圈243在螺管或雙d次級線圈242中不能感應出電流。
因此，在公共的充電位置上必須提供不同的初級線圈，以便能夠實現給具有不同的線圈類型210、220、230的運輸工具100感應式充電。因此實質上提高了公共的充電位置的成本。
圖2b示出用于產生不同的線圈類型210、220、230的電磁充電場241的示例性操控電路211、221、231。所述操控電路211、221、231分別包括兩個半橋，所述兩個半橋以差模方式運行，以便通過相應的初級線圈243產生具有充電頻率的交變電流。此外，所述操控電路211、221、231包括電容器c用于與相應的初級線圈243配合作用地提供振蕩電路。如從圖2b可見的那樣，用于線圈類型210(螺管)的操控電路211可以與用于線圈類型230(圓形)的操控電路231相同。
圖3示出一種示例性的多件式的一般性初級線圈300。該一般性初級線圈300包括并排布置的多個圓形線圈312、322、332。初級線圈300的線圈312、322、332可以稱為子線圈。所述多個圓形線圈312、322、332星形地布置，即，各圓形線圈230在一個中央的星形接點上相互耦合。
圖3還示出所述一般性初級線圈300的一種示例性的操控電路301。該操控電路301包括用于所述一般性初級線圈300的各個圓形線圈312、322、332的半橋311、321、331。因此，對于每個圓形線圈312、322、332而言，一個端部與所述中央的星形接點連接，而另一個端部與指定的(dedizierten)的半橋311、321、331連接。為了提供一個振蕩電路，操控電路301的每個支路可以包括至少一個電容器c。各個子線圈可以這樣與電容器c接線，使得由此產生的振蕩電路分別具有相同的諧振頻率。振蕩電路可以經由半橋311、321和331的開關以由控制單元350預定的運行頻率運行。
通過合適地操控半橋311、321、331能夠產生不同幾何形狀的電磁充電場。圖3示出控制單元350，該控制單元設置用于操控半橋311、321、331(即，尤其是半橋311、321、331的開關)，以便產生電磁充電場。控制單元350尤其是設置用于根據布置在初級線圈300上方的次級線圈242的類型210、220、230來操控所述多件式的初級線圈300的半橋311、321、331，以便產生在次級線圈242中感應出充電電流的充電場。
在圖4中闡明不同地操控半橋311、321、331以便產生具有不同幾何形狀的充電場。第一半橋311和第三半橋331可以以彼此共模的方式并且以與第二半橋321差模的方式運行。在此，第一半橋311與第一圓形線圈312耦合，第二半橋321與第二圓形線圈322耦合并且第三半橋331與第三圓形線圈332耦合。如在圖3(左側)中示出的那樣，第二線圈322在位置方面
備選地，第一半橋311和第三半橋331可以以彼此差模的方式運行。為此可以使用第二半橋321用于保持第二線圈322持續無電流(例如通過使第二半橋321的兩個開關保持打開)。通過這樣的運行能夠產生電磁充電場410。如從圖4可見的那樣，通過該電磁充電場410能夠在雙d次級線圈242或螺管次級線圈242內感應出充電電流。
因此可以通過使用三個基本線圈312、322、332并且通過使用三個半橋311、321、331來提供一個多件式的初級線圈300，通過該初級線圈能夠產生用于不同幾何形狀的次級線圈242的不同幾何形狀的電磁充電場410、430。一般性初級線圈300的在圖3中示出的結構和對應的操控301是成本高效的，因為相比于使用不同類型210、220、230的單獨的初級線圈243，尤其是用于操控線圈的半橋311、321、331的數量能夠減少(例如減半)。
因此提出將初級線圈300分成多個(例如3個)子線圈312、322、332。通過巧妙地操控所有子線圈312、322、332能夠以高效的方式激勵不同的次級線圈拓撲結構210、220、230。用于產生電磁充電場410、430的激勵電流在此分布于各個線圈支路(即，分布于各個子線圈312、322、332)。總之，為了產生充電場410、430需要與在“簡單線圈”的情況下相同的操控功率(ansteuerleistung)。因此，在該初級單元中出現與在單件式的初級線圈的情況下大約相同的損耗。因此，一般性初級線圈300相對于指定的不同類型210、220、230的初級線圈243不具有增加的損耗。
要注意的是，子線圈312、322、332被相位相同的電流(撇開可能不同的符號)流過。因此，在多件式的初級線圈300的支路中的電流不是三相電流。
初級線圈300可以用于補償wpt地面單元111與wpt運輸工具單元102之間的錯位。尤其是可以根據次級線圈242相對于初級線圈300的位置來操控初級線圈300的各個子線圈312、322、332。例如，在(可能僅僅)位于第一子線圈312上方的圓形次級線圈242中，第一半橋311和第二半橋321可以以彼此差模的方式運行，而第三半橋311使第三子線圈322保持無電流。因此，即使在wpt地面單元111與wpt運輸工具單元102之間存在錯位時還能確保足夠的耦合。
為了確定半橋311、321、331的針對不同的錯位情況和/或針對不同的線圈類型210、220、230的開關順序，可以使用為每種線圈類型210、220、230預定義的特性曲線，從而根據相應的(側向的)錯位定義半橋311、321、331的開關順序(s1、s2、s3)。為了進一步的優化，特性曲線也可以與初級線圈300和次級線圈242之間的豎直距離有關。
子線圈312、322、332可以分別具有相同的電感和形狀，即，初級線圈300可以構成為對稱的。然而也可能有意義的是使用不同地成形的子線圈(如在圖5中示出的那樣)。圖5示出包括五個星形地布置的子線圈512的初級線圈500。每個所述子線圈512可以通過一個指定的半橋511來操控。通過在圖5中示出的多件式的初級線圈500，也能夠在轉動的次級線圈242中感應出充電電流。此外，除了與不同的線圈類型210、220、230適配之外也能夠實現對次級線圈242在兩個水平維度中的位移進行匹配。即使在初級線圈500中也能夠實現經由特性曲線(x,y,z)來控制半橋511的開關順序s1、s2、s3、s4、s5，其中，x對應于初級線圈500與次級線圈242之間的側向錯位，y對應于初級線圈500與次級線圈242之間的沿縱向方向的錯位，并且z對應于初級線圈500與次級線圈242之間的豎直距離。子線圈512的幾何形狀可以這樣匹配(必要時優化)，使得能夠在預定義的公差范圍內操作不同類型210、220、230的次級線圈242。這可以借助數值優化問題來實現。
在該文檔中說明了一般性初級線圈300、500，通過所述一般性初級線圈能夠在不同類型210、220、230的次級線圈242中感應出充電電流。此外，通過不同地操控所說明的初級線圈300、500的子線圈，能夠在將wpt運輸工具單元102相對于wpt地面單元111定位時實現擴大的公差。多件式的初級線圈300、500的操控能夠以成本高效的方式通過指定的半橋來實現。尤其是，通過使用一種多件式的初級線圈300、500而不需要不同線圈和操控電路的重復執行。
本發明不限于所示的實施例。尤其要注意的是，說明書和附圖應該僅僅闡明所提出的方法、設備和系統的原理。
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