DE102012216417A1

DE102012216417A1 - Device i.e. charger, for wireless transmission of electrical power to electric appliance e.g. mobile phone, has inductotors connected with load circuit and voltage source, and another inductors arranged in electric appliance

Info

Publication number: DE102012216417A1
Application number: DE201210216417
Authority: DE
Inventors: Farid Yousif
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20

Abstract

The device has a first inductors (L1) attached to an alternating voltage source (10). A second inductor (L2) is connected with a load circuit and the voltage source, where the first and second inductors are inductively coupled with each other. A third inductors (L3) is arranged in an electric appliance. A capacitor (C1) is electrically connected with the second inductors. Another capacitor (C2) is electrically connected with the first inductors. Individual voltage sources provide time variable voltages with variable adjustable frequency. An independent claim is also included for a wireless energy transmission system.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die kabellose Übertragung elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung kabellose Batterieladesysteme mit induktiver Kopplung. The present invention relates to systems for the wireless transmission of electrical energy. In particular, the present invention relates to wireless battery charging systems with inductive coupling.

2. Stand der Technik 2. State of the art

Das physikalische Prinzip der elektromagnetischen Induktion ermöglicht es, Energie von einem ersten Objekt (Primärseite) zu einem zweiten Objekt (Sekundärseite) zu übertragen. Hierbei wird die Energie von einer ersten Induktivität (Spule) auf der Primärseite zu einer zweiten Induktivität (Spule) auf der Sekundärseite übertragen. Wenn die Primärspule von einem zeitlich veränderlichen elektrischen Strom durchflossen wird, so entsteht ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld, welches wiederum in einer in hinreichender Nähe befindlichen Sekundärspule einen elektrischen Strom induziert, wodurch die Energieübertragung realisiert wird. Mit anderen Worten spricht man davon, dass die Primärspule und die Sekundärspule miteinander induktiv gekoppelt sind. Eine besonders verbreitete Anwendung der kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion ist das kabellose Laden (wegen des Funktionsprinzips auch als induktives Laden bezeichnet) eines Energiespeichers, wie z. B. einer Batterie oder eines Akkumulators eines elektrischen Geräts. Ein zum induktiven Laden eingerichtetes elektrisches Gerät verfügt über eine Induktivität, die als Sekundärspule mit einer in einem Ladegerät angeordneten Primärspule induktiv koppelt. The physical principle of electromagnetic induction makes it possible to transfer energy from a first object (primary side) to a second object (secondary side). In this case, the energy is transferred from a first inductance (coil) on the primary side to a second inductance (coil) on the secondary side. If the primary coil is traversed by a time-varying electric current, then a time-varying electromagnetic field, which in turn induces an electric current in a sufficiently close secondary coil, whereby the energy transfer is realized. In other words, it is said that the primary coil and the secondary coil are inductively coupled to each other. A particularly common application of wireless energy transfer by means of electromagnetic induction is the wireless charging (because of the principle of operation also called inductive charging) of an energy storage such. B. a battery or a rechargeable battery of an electrical device. An electrical device designed for inductive charging has an inductance which, as a secondary coil, inductively couples with a primary coil arranged in a charger.

Das induktive Laden bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, vom Laden kleiner transportabler elektrischer Geräte, wie Handys oder elektrische Zahnbürsten, bis hin zu Anwendungen im Bereich von Elektromobilität (Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb). Ein weiterer Anwendungsbereich betrifft die Medizintechnik, wobei Batterien in implantierten Geräten, wie z. B. Herzschrittmachern oder Insulinpumpen kabellos geladen werden. Inductive charging offers a wide range of applications, from charging small portable electrical devices, such as cell phones or electric toothbrushes, to electromobility applications (electric vehicles). Another area of application relates to medical technology, with batteries in implanted devices such. B. pacemakers or insulin pumps are charged wirelessly.

Den Vorteilen des kabellosen Ladens gegenüber der Energieübertragung mittels elektrischen Stroms durch einen Leiter, wie einfacher mechanischer Aufbau, Nutzbarkeit in Feuchträumen wegen des Fehlens elektrischer Ströme zwischen den Geräten, oder in Situationen, wie bei implantierten Geräten, wo keine mechanische Verbindung möglich ist, stehen als Nachteile eine niedrigere Effizienz des Ladens und höhere resistive Verluste (Wärmeentwicklung) gegenüber. Das Problem der erhöhten Erwärmung kann durch die Erhöhung der Frequenz des Primärstroms reduziert werden. The advantages of wireless charging over energy transfer by means of electrical current through a conductor, such as simple mechanical design, usability in wet rooms due to the lack of electrical currents between the devices, or situations such as implanted devices where mechanical connection is not possible, are considered Disadvantages compared to a lower efficiency of charging and higher resistive losses (heat generation). The problem of increased heating can be reduced by increasing the frequency of the primary current.

Eine Steigerung der Effizienz kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die relative Anordnung von Primär- und Sekundärspule optimiert wird, um einen möglichst hohen Koppelfaktor der induktiven Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule zu erreichen. Der Koppelfaktor zweier Induktivitäten L₁ und L₂ trägt der Tatsache Rechnung, dass entsprechend dem Abstand zwischen Übertragerspule und Empfängerspule (Primärspule und Sekundärspule) nur ein Teil des magnetischen Flusses der Primärspule den Bereich der Sekundärspule durchdringt und somit zur Leistungsübertragung beiträgt. An increase in efficiency can be achieved inter alia by optimizing the relative arrangement of the primary and secondary coils in order to achieve the highest possible coupling factor of the inductive coupling between the primary and secondary coils. The coupling factor of two inductors L ₁ and L ₂ takes into account the fact that according to the distance between the transmitter coil and the receiver coil (primary coil and secondary coil) only a portion of the magnetic flux of the primary coil penetrates the region of the secondary coil and thus contributes to power transmission.

Es wurden deshalb kabellose Lade- bzw. Energieübertragungssysteme entwickelt, die mehrere Primärspulen verwenden. Insbesondere werden die Primärspulen als Spulenfeld (array) angeordnet, wobei die Spulen gleichzeitig (parallel oder seriell) angesteuert werden können. Auch ist es möglich, mehrere Primärspulen selektiv so anzusteuern, dass eine am stärksten induktiv mit der Sekundärseite gekoppelte Spule angesteuert wird. Therefore, wireless charging systems have been developed that use multiple primary coils. In particular, the primary coils are arranged as a coil field (array), wherein the coils can be controlled simultaneously (in parallel or in series). It is also possible to selectively control a plurality of primary coils in such a way that a coil inductively coupled to the secondary side is driven in the most inductive manner.

Feldförmige Anordnungen von Primärspulen sind zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/137996 beschrieben. Eine Übertragungsvorrichtung mit selektiv ansteuerbaren Primärspulen beschreibt zum Beispiel die US-Patentanmeldung US 2010/0259217 A1 . Field-shaped arrangements of primary coils are, for example, in the international patent application WO 2008/137996 described. A transmission device with selectively controllable primary coils describes, for example, the US patent application US 2010/0259217 A1 ,

Derartige Ladesysteme sind generell weniger empfindlich gegenüber der genauen Positionierung der Sekundärspulen, wo je nach Positionierung wenigstens eine oder ein Teil der vorhandenen Primärspulen eine effiziente Kopplung ermöglicht, und für die Leistungsübertragung genutzt werden kann. Auch ermöglichen Energieübertragungssysteme mit Primärspulenfeldern die gleichzeitige Energieübertragung an mehrere Sekundärspulen, insbesondere mehrere sekundärseitige elektrische Geräte. Such charging systems are generally less sensitive to the exact positioning of the secondary coils, where depending on the positioning at least one or a portion of the existing primary coils allows efficient coupling, and can be used for power transmission. Also, energy transfer systems with primary coil fields enable the simultaneous transfer of energy to a plurality of secondary coils, in particular a plurality of secondary-side electrical devices.

Ein Nachteil feldförmiger Primärspulenanordnungen (arrays) besteht in der hohen Zahl der Spulen im Array, wodurch Größenausdehnung und Kosten des Systems erhöht werden, sowie eine relativ komplexe Steuerschaltung erforderlich wird. A disadvantage of field arrays is the large number of coils in the array, which increases the size and cost of the system, and requires a relatively complex control circuit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung bereitzustellen, bei der eine hohe Effizienz der Energieübertragung auf besonders einfache und kostengünstige Weise erreicht werden kann. The present invention aims to overcome the drawbacks described above and to provide an improved wireless power transmission apparatus in which a high efficiency of power transmission can be achieved in a particularly simple and cost-effective manner.

Dies wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht. This is achieved with the features of the independent claims.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung bereitgestellt. Die Einrichtung umfasst eine erste Induktivität, eingerichtet zum Anschließen an eine Spannungsquelle und eine zweite Induktivität, welche elektrisch weder mit einer Spannungsquelle noch mit einem Lastkreis verbunden ist. Die erste und die zweite Induktivität sind jeweils zum induktiven Koppeln sowohl untereinander als auch mit einer in einem elektrischen Gerät angeordneten dritten Induktivität eingerichtet. According to one aspect of the present invention, a device for wireless transmission of electrical energy to an electrical device by means of inductive coupling is provided. The device comprises a first inductance, configured for connection to a voltage source and a second inductance, which is electrically connected neither to a voltage source nor to a load circuit. The first and the second inductance are each arranged for inductive coupling both with one another and with a third inductance arranged in an electrical device.

Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, die Effizienz einer Energieübertragung mittels induktiver Kopplung dadurch zu erhöhen, dass man zwischen Primär- und Sekundärspule eine weitere Induktivität vorsieht, die elektrisch weder mit der Primär- noch mit der Sekundärseite verbunden ist. Eine solche Zwischenspule führt zu einem schmalbandigeren Resonanzverhalten, wodurch die Effizienz der Energieübertragung verbessert wird. It is the particular approach of the present invention to increase the efficiency of energy transfer by inductive coupling by providing a further inductance between the primary and secondary coils which is electrically connected to neither the primary nor the secondary side. Such an intermediate coil leads to a narrowband resonance behavior, whereby the efficiency of the energy transfer is improved.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Induktivität (Zwischenspule) elektrisch mit einem Kondensator verbunden. Vorzugsweise ist auch die erste Induktivität elektrisch mit einem Kondensator verbunden. Weiter vorzugsweise ist die Kapazität wenigstens eines der Kondensatoren variabel einstellbar. Mit Hilfe derartiger Kondensatoren kann das Resonanzverhalten der Energieübertragung beeinflusst und ggf. durch Änderung der Kapazitäten variiert werden. According to a preferred embodiment, the second inductor (intermediate coil) is electrically connected to a capacitor. Preferably, the first inductance is also electrically connected to a capacitor. Further preferably, the capacity of at least one of the capacitors is variably adjustable. With the help of such capacitors, the resonance behavior of the energy transfer can be influenced and possibly varied by changing the capacity.

Vorzugsweise kann die dritte Induktivität, das heißt die Spule des Energie empfangenden elektrischen Geräts in verschiedene Positionen bewegt werden. Dadurch kann eine Anordnung erreicht werden, die eine optimale induktive Kopplung ermöglicht. Preferably, the third inductance, that is, the coil of the power-receiving electrical appliance can be moved to different positions. As a result, an arrangement can be achieved which allows optimum inductive coupling.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie eine Mehrzahl erster Induktivitäten (Primärspulen), die jeweils an verschiedene Spannungsquellen angeschlossen werden. Entsprechend der Mehrzahl von Primärspulen ist weiterhin vorzugsweise eine Mehrzahl zweiter Induktivitäten (Zwischenspulen) vorgesehen. Dies ermöglicht eine Energieübertragung auf die Sekundärseite mit Hilfe derjenigen Spulenanordnung, die die höchste Effizienz gewährleistet. According to a preferred embodiment, the means for wireless transmission of electrical energy comprises a plurality of first inductances (primary coils), which are each connected to different voltage sources. According to the plurality of primary coils further preferably a plurality of second inductances (intermediate coils) is provided. This allows energy transfer to the secondary side by means of that coil arrangement which ensures the highest efficiency.

Weiter vorzugsweise stellen die unterschiedlichen Spannungsquellen zeitlich variable Spannungen mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen bereit. Bei den zeitlich variablen Spannungen handelt es sich vorzugsweise um Wechselspannung. Wie bekannt, beruht der Vorgang der elektromagnetischen Induktion auf der zeitlichen Änderung eines Stromflusses durch einen Induktor, und ein daraus resultierendes zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dies wird vorzugsweise durch Wechselstrom, weiter vorzugsweise durch hochfrequenten Wechselstrom erreicht. Alternativ kann auch eine Gleichspannungsquelle verwendet werden, deren Strom in einen zeitlich variablen Strom umgewandelt wird. Neben einem Wechselrichter kann dies zum Beispiel ein Zerhacker sein, der einen pulsierenden Gleichstrom bereitstellt. Auch die Verwendung von Mischstrom ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Durch die Verwendung verschiedener Frequenzen und sich daraus ergebender unterschiedlicher Resonanzkurven, kann eine Anpassung der Effizienz an verschiedene sekundärseitige elektrische Geräte erfolgen. Further preferably, the different voltage sources provide time-varying voltages, each with different frequencies. The time-varying voltages are preferably alternating voltage. As is known, the process of electromagnetic induction is based on the temporal change of a current flow through an inductor, and a resulting time-varying magnetic field. This is preferably achieved by alternating current, more preferably by high-frequency alternating current. Alternatively, a DC voltage source can be used, whose current is converted into a time-variable current. In addition to an inverter, this can be, for example, a chopper that provides a pulsating direct current. The use of mixed flow is possible in the context of the present invention. By using different frequencies and resulting different resonance curves, the efficiency can be adapted to different secondary-side electrical devices.

Weiter vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zur kabellosen Energieübertragung eine Steuereinheit, die die Effizienz der induktiven Kopplung der einzelnen Spannungsquellen mit der sekundärseitigen Induktivität anhand der übertragenen Leistung überwacht und eine nicht optimal gekoppelte Spannungsquelle automatisch abschaltet. Da hierdurch ein zusätzlicher, nicht effizienter Weg der Energieübertragung vermieden wird, wird der Wirkungsgrad weiter erhöht. Further preferably, the device according to the invention for wireless energy transmission comprises a control unit which monitors the efficiency of the inductive coupling of the individual voltage sources with the secondary-side inductance based on the transmitted power and automatically switches off a not optimally coupled voltage source. Since this avoids an additional, non-efficient way of energy transfer, the efficiency is further increased.

Vorzugsweise sind die verwendeten Spannungsquellen so eingerichtet, dass die Frequenz der von ihnen bereitgestellten Spannungen variabel einstellbar ist. Hierdurch kann das Resonanzverhalten zum Beispiel an unterschiedliche sekundärseitige Spulen bzw. Lastkreise angepasst werden. Preferably, the voltage sources used are set up so that the frequency of the voltages provided by them is variably adjustable. As a result, the resonance behavior can be adapted, for example, to different secondary-side coils or load circuits.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie weiterhin wenigstens eine mit der ersten Induktivität (primärseitigen Induktivität) verbundene Spannungsquelle. Alternativ umfasst die Vorrichtung nicht selbst eine Spannungsquelle, sondern einen Anschluss, wie zum Beispiel in Form einer Steckverbindung, an eine externe Spannungsquelle bzw. ein externes Netz. According to a preferred embodiment, the apparatus for wireless transmission of electrical energy further comprises at least one voltage source connected to the first inductance (primary-side inductance). Alternatively, the device does not itself comprise a voltage source, but rather a connection, for example in the form of a plug connection, to an external voltage source or an external network.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, gleichzeitig Energie mittels induktiver Kopplung an eine Mehrzahl sekundärseitiger Geräte zu übertragen. Weiter vorzugsweise ist eine Leistungssteuereinheit vorgesehen, die die Anzahl der induktiv an die Einrichtung gekoppelten dritten Induktivitäten erfasst, und die eingespeiste Leistung reduziert, wenn weniger dritte Induktivitäten (sekundärseitige Geräte) als eine maximal mögliche Anzahl erfasst wird. Hierdurch kann die bereitgestellte Energie an die angeforderte Leistung angepasst werden. Preferably, the device according to the invention is set up to simultaneously transmit energy by means of inductive coupling to a plurality of secondary-side devices. Further preferably, a power control unit is provided which detects the number of third inductors inductively coupled to the device, and reduces the injected power when fewer third inductances (secondary side devices) than a maximum possible number are detected. In this way, the energy provided can be adapted to the requested performance.

Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion bereitgestellt. Das System umfasst eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung gemäß dem oben genannten Aspekt der Erfindung. Das System umfasst weiterhin ein elektrisches Gerät. Das elektrische Gerät umfasst eine dritte Induktivität, eingerichtet zum induktiven Koppeln mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Induktivität in der Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie und einen mit der dritten Induktivität elektrisch verbundenen Lastkreis. According to a further particular aspect of the present invention, a system for wireless energy transmission by means of electromagnetic induction is provided. The system comprises a device for the wireless transmission of electrical energy to an electrical device by means of inductive coupling according to the above-mentioned aspect of the invention. The system further includes an electrical device. The electrical device comprises a third inductor configured for inductive coupling with at least one first and one second inductance in the apparatus for wireless transmission of electrical energy and a load circuit electrically connected to the third inductor.

Vorzugsweise weist der Lastkreis hierbei eine Speichereinrichtung für elektrische Energie auf, womit die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie als Ladegerät dient. Bei der Speichervorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Akkumulatoreinrichtung („aufladbare Batterie“). Preferably, the load circuit in this case has a storage device for electrical energy, with which the device for wireless transmission of electrical energy serves as a charger. The storage device is preferably an accumulator device ("rechargeable battery").

Weiter vorzugsweise umfasst das System eine Abschalteinrichtung zum automatischen Abschalten einer Spannungsquelle, wenn die Energiespeicher aller induktiv mit der Spannungsquelle verbundenen Lastkreise voll geladen sind. Further preferably, the system includes a shutdown device for automatically switching off a voltage source when the energy storage of all inductively connected to the voltage source load circuits are fully charged.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrischen Gerät um ein portables elektrisches Gerät, wie zum Beispiel ein Handy, ein tragbarer Computer, eine Digitalkamera oder ein anderes elektronisches Gerät. Alternativ ist die vorliegende Erfindung einsetzbar für eine Energieübertragung an bzw. Ladung von ortsfesten Geräten mit Hilfe einer portablen Ladestation, oder für ein Aufladen medizinischer Geräte, insbesondere im Körper implantierte medizinische Geräte. Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung betrifft das kabellose Aufladen von Akkumulatoren für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, wie Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Preferably, the electrical device is a portable electrical device, such as a cell phone, a portable computer, a digital camera, or other electronic device. Alternatively, the present invention can be used for energy transfer to or charging of stationary devices by means of a portable charging station, or for charging medical devices, in particular medical devices implanted in the body. A further field of application of the present invention relates to the wireless charging of accumulators for vehicles with electric drive, such as electric vehicles or hybrid vehicles.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Further features and advantages of the present invention are the subject of dependent claims.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in der detaillierten Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei: Additional features and advantages of the present invention will be set forth below in the detailed description and illustrated in the accompanying drawings, in which:

1A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einer Zwischenspule sowie den dazugehörigen induktiven Koppelfaktoren ist, 1A is a schematic representation of a coil assembly having a primary coil, a secondary coil and an intermediate coil and the associated inductive coupling factors,

1B ein Schaltschema entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 1B Fig. 3 shows a circuit diagram according to an embodiment of the present invention,

1C das Resultat einer Simulation der Stärke der Leistungsübertragung entsprechend dem Schema der 1B darstellt, 1C the result of a simulation of the power transmission power according to the scheme of 1B represents,

2 einen Vergleich des Frequenzgangs der Energieübertragung bei einem herkömmlichen induktiven Energieübertragungssystem und bei einem induktiven Energieübertragungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 FIG. 2 shows a comparison of the frequency response of the energy transmission in a conventional inductive power transmission system and in an inductive power transmission system according to an embodiment of the present invention, FIG.

3A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung bei denen eine Sekundärspule mit jeweils zwei Primär- und Zwischenspulen koppelt, ist, 3A a schematic representation of a coil arrangement in which couples a secondary coil with two primary and intermediate coils, is

3B ein Schema einer Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 3B FIG. 3 shows a schematic of a circuit according to another embodiment of the present invention; FIG.

3C das Resultat einer Simulation der Stärke der Energieübertragung von zwei Spannungsquellen in einer Anordnung gemäß dem Schema der 3B darstellt, 3C the result of a simulation of the strength of the energy transfer from two voltage sources in an arrangement according to the scheme of 3B represents,

4A eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung mit jeweils zwei Primär- und Zwischenspulen sowie zwei Sekundärspulen ist, 4A is a schematic representation of a coil arrangement with two primary and intermediate coils and two secondary coils,

4B ein Schaltschema gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, bei der zwei verschiedene Spannungsquellen zur Energieübertragung an zwei Lastkreise eingesetzt werden, 4B FIG. 3 shows a circuit diagram according to a further embodiment of the present invention, in which two different voltage sources are used for energy transmission to two load circuits, FIG.

4C das Resultat einer Simulation für die Stärke der Energieübertragung in einer Anordnung gemäß 4B darstellt, und 4C the result of a simulation for the strength of the energy transfer in an arrangement according to 4B represents, and

5 eine schematische Darstellung eines Systems zur kabellosen Energieübertragung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 5 a schematic representation of a system for wireless energy transmission according to another embodiment of the present invention shows.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung mittels Induktion, insbesondere ein Ladegerät, zur Verfügung, welche eine hohe Ladeeffizienz auf kostengünstige und einfache Weise ermöglicht, und keine hohen Anforderungen bezüglich einer exakten Justierung der (in einem sekundärseitigen elektrischen Gerät eingebauten) Sekundärspulen (Empfangsspulen) stellt. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine gute Energieübertragung über einen größeren Bereich einer Oberfläche des Energieübertragungsgeräts. Dies wird mittels der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass durch den Einsatz zusätzlicher Zwischenspulen die Energieübertragung im Bereich einer schmalbandigen Resonanz erfolgt. Ein Energieübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere auch für ein Ladesystem zum gleichzeitigen Laden von Energiespeichern (Batterien) mehrerer elektrischer Geräte anwendbar. The present invention provides an apparatus for wireless energy transmission by induction, in particular a charger, which enables a high charging efficiency in a cost-effective and simple manner, and no high requirements for an exact adjustment of the installed (in a secondary-side electrical device) secondary coils (receiving coils ). In particular, the invention enables good energy transfer over a larger area of a surface of the energy transfer device. This is achieved by means of the present invention achieved that the use of additional intermediate coils, the energy transfer is in the range of a narrow-band resonance. An energy transmission system according to the present invention is particularly applicable to a charging system for simultaneously charging energy stores (batteries) of a plurality of electrical appliances.

Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem umfasst eine Mehrzahl induktiv gekoppelter Resonatoren (L-C-Resonanzkreise), die die Energieübertragung bei einer bestimmten Resonanzfrequenz maximieren. Dadurch erfolgt die Energieübertragung selektiv in einem Bereich mit einer bestimmten Bandbreite um die Resonanzfrequenz herum. Die Resonanzfrequenz eines jeden Resonators ist allgemein gegeben durch

wobei L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators sind, die den Resonanzkreis bilden. The energy transfer system according to the invention comprises a plurality of inductively coupled resonators (LC resonant circuits), which maximize the energy transfer at a certain resonant frequency. As a result, the energy transfer selectively occurs in an area having a certain bandwidth around the resonance frequency. The resonant frequency of each resonator is generally given by

where L is the inductance of the coil and C is the capacitance of the capacitor forming the resonant circuit.

Für den Koppelfaktor k₁₂ zweier induktiv gekoppelter Resonatoren 1 und 2 mit den Resonanzfrequenzen f₁ und f₂ gilt:

For the coupling factor k _{12 of} two inductively coupled

resonators

1 and 2 with the resonance frequencies f ₁ and f _{2, the} following applies:

In diese Formel (2) geht indirekt auch die Geometrie der Anordnung mit ein. Bei gekoppelten Spulen kann der Einfluss der Gegeninduktivitäten auf eine Modifikation der Selbstinduktivitäten umgerechnet werden. Somit ergeben sich die in Formel (2) eingehenden Frequenzen f₁ und f₂ aus Formel (1), wobei der jeweils in Formel (1) einzusetzende Wert der Induktivität nicht die reine Selbstinduktion der entsprechenden Spule ist sondern den Einfluss der Gegeninduktivität und damit der geometrischen Anordnung der Spulen zueinander widerspiegelt. In jedem Falle ist die Kopplungsstärke umso größer, je stärker die Magnetfelder der gekoppelten Induktivitäten einander durchdringen. Weiterhin spielt die relative Orientierung eine Rolle, wobei wiederum die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Spulen zu berücksichtigen ist. In this formula ( 2 ) is also indirectly the geometry of the arrangement with a. In coupled coils, the influence of the mutual inductances can be converted to a modification of the self-inductances. Thus, the frequencies f ₁ and f ₂ in formula (2) result from formula (1), wherein the value of the inductance to be used in each case in formula (1) is not the pure self-induction of the corresponding coil but the influence of the mutual inductance and thus of the geometric arrangement of the coils reflects each other. In any case, the stronger the magnetic field of the coupled inductances penetrate each other, the greater the coupling strength. Furthermore, the relative orientation plays a role, again taking into account the geometric configuration of the individual coils.

Im einfachsten Fall verwendet die vorliegende Erfindung ein induktives Koppeln zwischen drei Spulen, wie dies schematisch in 1A dargestellt ist. 1A zeigt schematisch eine Primärspule (L₁), eine Zwischenspule (auch als Resonanzspule bezeichnet, L₂) und eine Sekundärspule (L₃). Die Koppelfaktoren eines jeden Paares von Spulen werden entsprechend mit k₁₂, k₁₃ und k₂₃ bezeichnet, wobei die Indizes den jeweiligen Indizes der gekoppelten Spulen entsprechen. Gemäß der Theorie der induktiven elektromagnetischen Kopplung führt der Einsatz der Zwischenspulen zu einem schmalbandigeren Resonanzverhalten und somit zu einer Erhöhung der Effizienz der Energieübertragung wenn eine Arbeitsfrequenz der Wechselspannungsquelle geeignet gewählt wird. In the simplest case, the present invention uses inductive coupling between three coils, as shown schematically in FIG 1A is shown. 1A schematically shows a primary coil (L ₁ ), an intermediate coil (also referred to as resonance coil, L ₂ ) and a secondary coil (L ₃ ). The coupling factors of each pair of coils are respectively denoted by k ₁₂ , k ₁₃ and k ₂₃ , the indices corresponding to the respective indexes of the coupled coils. According to the theory of inductive electromagnetic coupling, the use of the intermediate coils leads to a narrowband resonance behavior and thus to an increase in the efficiency of the energy transmission when an operating frequency of the AC voltage source is suitably selected.

Ein entsprechendes Schaltschema ist in 1B dargestellt. Hierbei wird die Übertragerspule L₁ mit der Wechselspannungsquelle 10 über einen Kondensator C₁ verbunden. L₂ fungiert als Zwischenspule, welche elektrisch weder mit der Primär- noch mit der Sekundärseite verbunden ist. Zwischen der Spule L₂ und Erde ist zusätzlich der Kondensator C₂ geschaltet. Von der Empfangsspule L₃ wird die Energie zu der Last 15 übertragen. Auch in diesem Schaltkreis ist zusätzlich ein Kondensator C₃ geschaltet. Ein jeder der gezeigten L-C-Schaltkreise bildet somit einen Resonator (Resonanzkreis). Wie aus den weiter unten diskutierten Simulationen ersichtlich ist, erfüllt die Mehrzahl miteinander gekoppelter L-C-Resonatoren insbesondere die Funktion eines Bandpassfilters. A corresponding circuit diagram is in 1B shown. In this case, the transformer coil L ₁ with the AC voltage source 10 connected via a capacitor C ₁ . L ₂ acts as an intermediate coil, which is electrically connected to neither the primary nor the secondary side. Between the coil L ₂ and earth, the capacitor C ₂ is additionally connected. From the receiving coil L ₃ , the energy becomes the load 15 transfer. Also in this circuit, a capacitor C ₃ is additionally connected. Each of the LC circuits shown thus forms a resonator (resonant circuit). As can be seen from the simulations discussed below, the plurality of LC resonators coupled together in particular fulfill the function of a bandpass filter.

Die Werte der Koppelfaktoren k₁₂, k₂₃ und k₁₃ sind wie erwähnt insbesondere eine Funktion der Positionen einer jeden Spule relativ zu den anderen Spulen. Für vorbestimmte Positionen der Spulen L₁ und L₂ kann durch eine Bewegung der Spule L₃ die Bedingung für eine effiziente Energieübertragung mit kleinen Koppelfaktoren erreicht werden. Zum Einstellen eines resonanten Koppelns der Spulen werden die in dem Schaltschema der 1B gezeigten Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ verwendet. The values of the coupling factors k ₁₂ , k ₂₃ and k ₁₃ are, as mentioned, in particular a function of the positions of each coil relative to the other coils. For predetermined positions of the coils L ₁ and L ₂ can be achieved by a movement of the coil L _3, the condition for efficient energy transfer with small coupling factors. For setting a resonant coupling of the coils are in the circuit diagram of 1B shown capacities C ₁ , C ₂ and C ₃ used.

Das Ergebnis einer Simulation der Leistungsübertragung ist in 1C gezeigt. In dem Diagramm der 1C wird der Betrag der Transmission von der Quelle 10 zur Last 15 über der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms in Kilohertz (kHz) aufgetragen. Der gewählte Parameter „Transmission“ ist hierbei definiert als das Verhältnis The result of a simulation of power transmission is in 1C shown. In the diagram of 1C will be the amount of transmission from the source 10 to the load 15 applied over the frequency of the injected alternating current in kilohertz (kHz). The selected parameter "Transmission" is defined as the ratio

Transmission = (an den Lastkreis übertragenen Energie)/(von der Quelle bereitgestellte Energie) Für die Simulation werden in diesem Beispiel Koppelfaktoren von k₁₂ = 0,27, k₂₃ = 0,39 und k₁₃ = 0 angenommen. Transmission = (energy transferred to the load circuit) / (energy provided by the source) In this example, coupling factors of k ₁₂ = 0.27, k ₂₃ = 0.39 and k ₁₃ = 0 are assumed for the simulation.

Wie aus 1C zu erkennen ist, kommt es zu einer effizienten Übertragung in einem schmalbandigen Bereich, im gezeigten Beispiel um 110 kHz. How out 1C can be seen, it comes to an efficient transmission in a narrow band range, in the example shown by 110 kHz.

Allgemein gesagt, führt die Hinzufügung einer Zwischenspule, auch als Resonanzspule bezeichnet (im vorstehenden Beispiel die Spule L₂) zu einem verbesserten Resonanzverhalten bereits bei schwachen Koppelfaktoren. Dies führt dazu, dass eine effiziente Energieübertragung bereits bei kleineren Kopplungsstärken erfolgt als ohne Zwischenspule. Da eine hohe Kopplungsstärke nicht mehr erforderlich ist, sind erfindungsgemäß die Anforderungen an die Positionierung der Sekundärspule gegenüber herkömmlichen Geräten weniger streng. Dies wird im Folgenden anhand beispielhafter Simulationsergebnisse näher erläutert. Generally speaking, the addition of an intermediate coil, also referred to as a resonance coil (in the above example the coil L ₂ ) leads to an improved resonance behavior even with weak coupling factors. This leads to an efficient energy transfer already at smaller ones Coupling strengths occur as without intermediate coil. Since a high coupling strength is no longer required, the requirements for the positioning of the secondary coil over conventional devices are less stringent. This will be explained in more detail below with reference to exemplary simulation results.

Für verlustlose Resonatoren zeigt eine Berechnung der Koppelfaktoren mit der Theorie gekoppelter Matrizen (ähnlich den Verfahren für die Berechnung von auf gekoppelten Resonatoren basierenden Bandpassfiltern), dass zum Beispiel bei Annahme einer Resonanzfrequenz (Mittenfrequenz) von 100kHz eine Bandbreite von 27% der Resonanzfrequenz wie folgt erreicht werden kann:

1.) Bei zwei gekoppelten Resonatoren (Stand der Technik): bei k₁₂ = 0,4523
2.) Bei drei gekoppelten Resonatoren (erfindungsgemäß): bei k₁₂ = k₁₃ = 0,281 (unter der weiteren Annahme, dass es keine direkte Kopplung des ersten mit dem dritten Resonator gibt, also k₁₃ = 0 gilt.

For lossless resonators, a calculation of the coupling factors with the theory of coupled matrices (similar to the methods for the calculation of coupled resonator based bandpass filters) shows that for example assuming a resonant frequency (center frequency) of 100kHz, a bandwidth of 27% of the resonant frequency is achieved as follows can be:

1.) For two coupled resonators (prior art): at k ₁₂ = 0.4523
2.) For three coupled resonators (according to the invention): at k ₁₂ = k ₁₃ = 0.281 (under the further assumption that there is no direct coupling of the first and the third resonator, ie k ₁₃ = 0.

Dies zeigt bereits, dass die Hinzufügung des Resonators mit dem Zwischenkreis die gleiche Effizienz beim Energietransfer (gleiche Bandbreite) bereits bei deutlich geringeren Kopplungsstärken erreicht. Mit anderen Worten führt die Hinzufügung eines zusätzlichen Resonators dazu, dass die Anforderungen hinsichtlich der Stärke der Kopplung reduziert werden. Da die Kopplungsstärken wie bereits ausgeführt wesentlich von der relativen Positionierung der Spulen zueinander abhängen, führt dies automatisch zu einer Reduktion der Anforderungen an die Justierung. This already shows that the addition of the resonator with the intermediate circuit achieves the same energy transfer efficiency (same bandwidth) even with significantly lower coupling strengths. In other words, the addition of an additional resonator reduces the requirements for the strength of the coupling. Since the coupling strengths, as already explained, depend essentially on the relative positioning of the coils relative to one another, this automatically leads to a reduction in the requirements for the adjustment.

Eine allgemeinere Simulation ist in 2 dargestellt. Diese zeigt, wie die Bandbreite erfindungsgemäß reduziert werden kann und dadurch eine effiziente Energieübertragung bei gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Koppelstärken erreicht werden kann. In 2 wird der herkömmliche Fall (zwei gekoppelte Spulen: „Transmission 1“ – durchgezogene Kurve) und Ausführungsform der Erfindung nach 1B (drei gekoppelte Spulen: „Transmission 2“ – gestrichelte Kurve) einander gegenübergestellt. Im ersten Fall beträgt der Kopplungsfaktor k₁₂ = 0,5 zwischen den beiden Spulen. Im zweiten Fall werden Kopplungsstärken von k₁₂ = 0,27 zwischen der ersten(L₁) und der zweiten (L₂) Spule, k₂₃ = 0,39 zwischen der zweiten (L₂) und der dritten (L₃) Spule und k₁₃ zwischen der ersten und der dritten Spule angenommen. Wie man beim Vergleich der dargestellten Frequenzgänge sieht, ist überhaupt nur im Falle dreier gekoppelter Spulen (Transmission 2) ein deutlich ausgeprägtes Resonanzverhalten zu erkennen. Dagegen zeigt der herkömmliche Fall mit nur zwei gekoppelten Spulen (Transmission 1) einen breitbandigen Frequenzgang mit nur schwach ausgeprägtem Maximum. Es ist deutlich erkennbar, dass die Transmission im Resonanzfall deutlich höher wird als im Vergleichsfall. A more general simulation is in 2 shown. This shows how the bandwidth according to the invention can be reduced and thereby an efficient energy transfer can be achieved with respect to the prior art reduced coupling strengths. In 2 the conventional case (two coupled coils: "Transmission 1" - solid curve) and embodiment of the invention after 1B (three coupled coils: "Transmission 2" dashed curve) juxtaposed. In the first case, the coupling factor k ₁₂ = 0.5 between the two coils. In the second case coupling strengths of k ₁₂ = 0.27 between the first (L ₁ ) and the second (L ₂ ) coil, k ₂₃ = 0.39 between the second (L ₂ ) and the third (L ₃ ) coil and k _{13 is} assumed between the first and the third coil. As can be seen when comparing the illustrated frequency responses, a pronounced resonance behavior can only be recognized in the case of three coupled coils (transmission 2). In contrast, the conventional case with only two coupled coils (Transmission 1) shows a broadband frequency response with only a weak peak. It can be clearly seen that the transmission in the case of resonance is significantly higher than in the comparison case.

Eine Erweiterung auf fünf gekoppelte Spulen ist schematisch in 3B dargestellt. Hierbei entsprechen die Spulen L₁, L₂ und L₃ den entsprechenden Spulen in 3A. L₆ stellt eine zusätzliche Primär- und L₅ eine zusätzliche Zwischenspule dar. Beide Paare von Primär- und Sekundärspulen dienen der induktiven Energieübertragung an eine mit einem Lastkreis verbundene Spule L₃. An extension to five coupled coils is shown schematically in 3B shown. Here, the coils L ₁ , L ₂ and L ₃ correspond to the corresponding coils in 3A , L ₆ represents an additional primary and L ₅ an additional intermediate coil. Both pairs of primary and secondary coils are used for inductive energy transmission to a connected to a load circuit coil L _3rd

Ein entsprechendes Schaltschema ist in der 3B gezeigt. Hierbei sind L₁ und L₆ mit den Wechselstromquellen 10 und 20 verbunden. Die beiden Wechselstromquellen haben unterschiedliche Frequenzen, die zudem vorzugsweise variabel einstellbar sind, um eine maximale Leistungsübertragung an die Last 15 zu erreichen. A corresponding circuit diagram is in the 3B shown. Here are L ₁ and L ₆ with the AC sources 10 and 20 connected. The two AC sources have different frequencies, which are also preferably variably adjustable to a maximum power transfer to the load 15 to reach.

Zwischen jeweils zwei Spulen findet wieder induktive Kopplung mit entsprechenden Kopplungsstärken k_ij (i und j die Nummer der ersten und der zweiten Spule) statt. Die Empfängerspule L₃ kann in x- oder y-Richtung bewegt werden, wodurch eine ausreichende induktive Kopplung zur Übertragung von Leistung zu der Last 15 von entweder der Spannungsquelle 10 oder der Spannungsquelle 20 oder beiden Spannungsquellen erreicht werden kann. Inductive coupling with respective coupling strengths k _ij (i and j the number of the first and the second coil) takes place again between every two coils. The receiver coil L ₃ can be moved in the x or y direction, providing sufficient inductive coupling to transmit power to the load 15 from either the voltage source 10 or the voltage source 20 or both voltage sources can be achieved.

Die Auswahl hängt hierbei zum Beispiel von der Zeit ab, die benötigt wird, um eine aufladbare Batterie zu laden. Dafür kann das System die Höhe der übertragenen Leistung überprüfen und entscheiden, welche Energiequelle optimal gekoppelt ist, sowie mit Hilfe einer Steuereinheit ggf. die andere Energiequelle abschalten. Die Benutzung zweier unterschiedlicher Frequenzen für die Spannungsquelle optimiert die Übertragung für jeden Übertragungsweg und minimiert die Wechselwirkung zwischen den beiden Quellen, indem zwischen den beiden schmalbandigen Resonanzbereichen der jeweiligen Resonanzkurven eine Lücke entsprechend der Frequenzdifferenz entsteht. Dies ist in 3C dargestellt, die die Übertragungsstärke von der ersten Energiequelle zur Last (Transmission 1, durchgezogen) sowie von der zweiten Energiequelle zur Last (Transmission 2, gestrichelt) darstellt. Wie aus der Zeichnung zu sehen ist, zeigen beide Kurven schmalbandige Resonanz in unterschiedlichen Frequenzbereichen (im vorliegenden Fall um 120 kHz und um 175 kHz), zwischen denen ein Versatz von ca. 55 kHz entsprechend der Frequenzdifferenz besteht. Im vorstehenden Beispiel betragen k₁₂ = 0,28, k₂₃ = 0,368, k₆₅ = 0,2, k₅₃ = 0,318. Alle anderen Koppelfaktoren sind vernachlässigbar klein und werden deshalb in der vorstehenden Simulation zu Null angenommen. The choice here depends, for example, on the time required to charge a rechargeable battery. For this, the system can check the level of the transmitted power and decide which power source is optimally coupled, and if necessary switch off the other energy source with the aid of a control unit. The use of two different frequencies for the voltage source optimizes the transmission for each transmission path and minimizes the interaction between the two sources by creating a gap corresponding to the frequency difference between the two narrow-band resonance regions of the respective resonance curves. This is in 3C representing the transmission strength from the first energy source to the load (transmission 1, solid) and from the second energy source to the load (transmission 2, dashed) represents. As can be seen from the drawing, both curves show narrow-band resonance in different frequency ranges (in the present case around 120 kHz and around 175 kHz), between which there is an offset of approximately 55 kHz corresponding to the frequency difference. In the above example, k ₁₂ = 0.28, k ₂₃ = 0.368, k ₆₅ = 0.2, k ₅₃ = 0.318. All other coupling factors are negligibly small and are therefore assumed to be zero in the above simulation.

Die vorliegende Erfindung gestattet es weiterhin, Energie an mehr als ein sekundärseitiges Gerät gleichzeitig zu übertragen. Ein Fall mit zwei Sekundärspulen ist in 4A gezeigt. Spannungsquellen stellen Energie an die sekundärseitigen Lastkreise über Resonanzkopplung bei zwei verschiedenen Frequenzen bereit. Die Primärspulen L₁ und L₆ sind so angeordnet, dass die induktive Kopplung zwischen ihnen sehr gering ist. Dies minimiert die Wechselwirkung zusätzlich zu dem Einsatz verschiedener Frequenzen. Die zwei Lastspulen (Sekundärspulen L₃ und L₄) können innerhalb eines vorgegebenen Bereichs einer für das Laden vorgesehenen Fläche an beliebiger Position angeordnet werden, wobei sie induktiv an die Quellen koppeln und eine effiziente Leistungsübertragung an die Lastkreise ermöglichen. The present invention further allows for simultaneous transmission of power to more than one secondary-side device. A case with two secondary coils is in 4A shown. Voltage sources provide energy to the secondary load circuits via resonant coupling at two different frequencies. The primary coils L ₁ and L ₆ are arranged so that the inductive coupling between them is very small. This minimizes the interaction in addition to the use of different frequencies. The two load coils (secondary coils L ₃ and L ₄ ) may be placed in any position within a predetermined area of a loading area, inductively coupling to the sources and providing efficient power transfer to the load circuits.

4B zeigt einen äquivalenten Schaltkreis der gekoppelten Spulen. Die Schaltung der Spulen L₁, L₂, L₃, L₅ und L₆ entspricht derjenigen in 4B. Spule L₄ ist die Sekundärspule eines zweiten, von dem Lastkreis mit der Spule L₃ unabhängigen Lastkreises (in der Regel eines zweiten elektrischen Gerätes, an welches ebenfalls Energie zu übertragen ist). Spule L₄ ist über die Kapazität C₄ mit der Last 35 in derselben Weise verbunden, wie die Sekundärspule L₃ über die Kapazität C₃ mit der Last 15. 4B shows an equivalent circuit of the coupled coils. The circuit of the coils L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₅ and L ₆ corresponds to that in 4B , Coil L ₄ is the secondary coil of a second, from the load circuit with the coil L ₃ independent load circuit (usually a second electrical device, to which also energy is to be transmitted). Coil L ₄ is above the capacitance C ₄ with the load 35 connected in the same way as the secondary coil L ₃ via the capacitance C ₃ with the load 15 ,

Simulationsergebnisse sind in 4C dargestellt. Dabei zeigen die durchgezogene Kurve (Transmission 1) die Resonanzkurve der Energieübertragung von Quelle 1 (10) zu Last 1 (15) und die gestrichelte Kurve (Transmission 2) die Energieübertragung von Quelle 2 (20) zu Last 2 (35). Die Koppelfaktoren wurden für die Simulation wie folgt angenommen: k₁₂ = 0,27, k₂₃ = 0,4, k₆₅ = 0,27, k₅₄ = 0,32. Alle nicht genannten Koppelfaktoren werden wieder vernachlässigbar klein angenommen. Wie dabei zu sehen ist, findet effiziente Energieübertragung in zwei verschiedenen schmalbandigen Frequenzbereichen statt. Simulation results are in 4C shown. The solid curve (Transmission 1) shows the resonance curve of the energy transfer from Source 1 ( 10 ) to load 1 ( 15 ) and the dashed curve (Transmission 2) the energy transfer from source 2 ( 20 ) to load 2 ( 35 ). The coupling factors were assumed for the simulation as follows: k ₁₂ = 0.27, k ₂₃ = 0.4, k ₆₅ = 0.27, k ₅₄ = 0.32. All not mentioned coupling factors are again assumed to be negligibly small. As can be seen, efficient energy transfer takes place in two different narrow-band frequency ranges.

Die Verwendung zweier Quellen und zweier Gruppen gekoppelter Resonatoren mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen erlaubt eine unabhängige Energieübertragung an verschiedene Lastkreise und eine adäquate Leistungssteuerung. Dies wird durch die durch Reduktion der Bandbreite erreicht, so dass ein jeweiliger Übertragungskanal (erste Quelle 10 über erste Resonatorgruppe zum ersten Lastkreis 15 bzw. zweite Quelle 20 über zweite Resonatorgruppe zum zweiten Lastkreis 35) praktisch nicht mit dem jeweiligen „Nachbarkanal“ wechselwirkt. The use of two sources and two sets of coupled resonators with two different resonant frequencies allows independent energy transfer to different load circuits and adequate power control. This is achieved by reducing the bandwidth so that a respective transmission channel (first source 10 via the first resonator group to the first load circuit 15 or second source 20 via the second resonator group to the second load circuit 35 ) practically does not interact with the respective "adjacent channel".

In den vorstehenden Beispielen wurden jeweils drei Spulen (eine Primär-, eine Zwischen- und eine Sekundärspule) für jeden Übertragungsweg gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Insbesondere können weitere Zwischenspulen hinzugefügt werden, und so angeordnet werden dass eine optimale Kopplungskonfiguration für eine konstante Energieübertragung gewährleistet wird. In the above examples, three coils (one primary, one intermediate and one secondary coil) were shown for each transmission path. However, the present invention is not limited to such a configuration. In particular, further intermediate coils may be added and arranged so as to ensure an optimal coupling configuration for a constant energy transfer.

5 zeigt ein kabelloses Leistungsübertragungssystem, welches zwei Spannungsquellen, verbunden mit zwei Primärspulen (Rechteckspulen 410 und 460) verwendet, um Energie an bis zu vier in Lastkreisen befindliche Sekundärspulen 1 bis 4 zweier verschiedener Frequenzen zu übertragen. Die Übertragung erfolgt wieder mit den Zwischenspulen 420 und 450. Hierbei kann das Leistungsniveau jeweils für zwei Lastkreise simultan geändert werden, und jede Energiequelle wird abgeschaltet, sobald die Energieübertragung an die angeschlossenen Lastkreise vollständig erfolgt ist (zum Beispiel wenn eine zu ladende Batterie voll geladen ist). Das Leistungsniveau kann reduziert werden, wenn zum Beispiel nur eine Last angeschlossen ist (in dem in 5 gezeigten Beispiel also zwei der vier Ladeplätze frei bleiben), womit eine effiziente und schnelle Übertragung gewährleistet ist. Zu diesem Zweck dient die in 5 gezeigte Ansteuereinheit 400. Solche Systeme mit mehreren Energiequellen reduzieren die Anforderungen an die Positionierung der Lastkreise (Sekundärspulen) weiter und garantieren eine effiziente Energieübertragung (insbesondere einen schnellen Ladevorgang) auf einem größeren Flächenbereich. 5 shows a wireless power transmission system, which two voltage sources connected to two primary coils (rectangular coils 410 and 460 ) is used to transfer energy to up to four secondary coils 1 to 4 of two different frequencies located in load circuits. The transmission takes place again with the intermediate coils 420 and 450 , In this case, the power level can be changed simultaneously for two load circuits, and each power source is turned off when the power transmission to the connected load circuits is completed (for example, when a battery to be charged is fully charged). The power level can be reduced if, for example, only one load is connected (in the in 5 example shown so two of the four loading bays remain free), whereby an efficient and fast transmission is guaranteed. For this purpose, the in 5 shown drive unit 400 , Such systems with multiple energy sources further reduce the requirements for the positioning of the load circuits (secondary coils) and guarantee an efficient energy transfer (especially a fast charging process) over a larger surface area.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung, bei dem zwischen Primär- und Sekundärspule mindestens eine zusätzliche Zwischenspule zur Verbesserung der Resonanzeigenschaften der Übertragung vorgesehen ist. Zur vollen Ausnutzung der verbesserten Resonanzeigenschaft können weiterhin mehrere Energiequellen vorgesehen sein, welche durch unterschiedliche Frequenzen gespeist werden. Weiterhin ist es möglich, mehrere Energieempfänger in einem entsprechenden induktiven Kopplungsbereich zu positionieren und an diese gleichzeitig Energie zu übertragen. In summary, the present invention relates to a device for the wireless transmission of electrical energy to an electrical device by means of inductive coupling, wherein between the primary and secondary coil at least one additional intermediate coil for improving the resonance characteristics of the transmission is provided. In order to make full use of the improved resonance characteristic, it is furthermore possible to provide a plurality of energy sources which are fed by different frequencies. Furthermore, it is possible to position a plurality of energy receivers in a corresponding inductive coupling region and to transmit energy to them at the same time.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/137996 [0007]
US 2010/0259217 A1 [0007]

Claims

Device for the wireless transmission of electrical energy to an electrical device by means of inductive coupling, comprising: a first inductor (L ₁ ) adapted for connection to a voltage source ( 10 ), and a second inductance (L ₂ ), which is electrically connected neither to a voltage source nor to a load circuit, wherein the first and the second inductance respectively for inductive coupling both with each other and with a arranged in an electrical device third inductance (L ₃ ) are set up.

Device according to claim 1, further comprising an inductor with the second (L ₂₎ electrically connected to the capacitor (C _2).

Device according to claim 1 or 2, further comprising a with the first inductance (L ₁₎ electrically connected to the capacitor (C _1).

Device according to claim 2 or 3, wherein at least one of the capacitors (C _{1 '} C ₂ ) is arranged for variable adjustment of the capacitance.

Device according to one of claims 1 to 4, arranged for the movable arrangement of the third inductance (L ₃ ) of the electrical device, is transmitted to the energy.

Device according to one of claims 1 to 5, comprising a plurality of first inductors (L ₁ , L ₆ , 410 . 460 ), each for connection to another of a plurality of voltage sources ( 10 . 20 ), and

a plurality of second inductors (L ₂ , L ₅ , 420 . 450 ), which are electrically connected neither to a voltage source nor to a load circuit.

Apparatus according to claim 6, wherein said plurality of voltage sources ( 10 . 20 ) is adapted to provide temporally variable voltages, the voltage from different sources ( 10 . 20 ) provided voltages each have different frequencies.

Device according to claim 6 or 7, further comprising a control unit ( 400 ), which determines the efficiency of the inductive coupling of the individual voltage sources ( 10 . 20 ) is monitored with the third inductance (L ₃ ) based on the transmitted power and automatically shuts off a not optimally coupled voltage source.

Device according to one of claims 1 to 8, wherein at least one voltage source ( 10 . 20 ) is arranged to provide time-variable voltages with variably adjustable frequency.

Device according to one of claims 1 to 9, further comprising at least one of a first inductance (L ₁ , L ₆ , 410 . 460 ) connected voltage source.

Device according to one of claims 1 to 10, adapted for the simultaneous transmission of energy by means of inductive coupling to a plurality of third inductors (L ₃ , L ₄ , 1, 2, 3, 4) arranged in electrical devices.

Apparatus according to claim 11, further comprising a power control unit ( 400 ) for detecting the number of third inductors inductively coupled to the device (L ₃ , L ₄ , 1, 2, 3, 4) and reducing the supplied power, if fewer third inductors (L ₃ , L ₄ , 1, 2, 3, 4) are recorded as the maximum possible number.

An electromagnetic induction wireless energy transmission system comprising an apparatus for wirelessly transmitting electrical energy to an inductive coupling electrical device as claimed in any one of claims 1 to 12, and at least one electrical device, the electrical device comprising: a third inductor (L ₃ , L ₄ , 1, 2, 3, 4) arranged for inductive coupling with at least one first (L ₁ , L ₆ , 410 . 460 ) and a second (L ₂ , L ₅ , 420 . 450 ) Inductance in the apparatus for wireless transmission of electrical energy, and a with the third inductance (L ₃ , L ₄ , 1, 2, 3, 4) electrically connected load circuit ( 15 . 35 ).

System according to claim 13, wherein the load circuit ( 15 . 35 ) contains an electric energy storage device, and the electric power wireless transmission device serves as a charger for the electric energy storage device.

The system of claim 14, further comprising a shutdown device ( 400 ) for automatically switching off a voltage source ( 10 . 20 ), if the energy storage of all inductively with the voltage source ( 10 . 20 ) connected load circuits ( 15 . 35 ) are fully charged.