具有多个子线圈的用于感应式充电的初级单元的制作方法

本发明涉及一种用于运输工具的感应式充电的设备。

背景技术：

带有电驱动装置的运输工具典型地具有电池，在该电池中可以存储用于使运输工具的电机运行的电能。可以利用供电网络中的电能给运输工具的电池充电。出于该目的，将电池与供电网络耦合，以便将供电网络中的电能传输到运输工具的电池中。该耦合可以有线地(经由充电线)和/或无线地(借助在充电站与运输工具之间的感应耦合)实现。

用于自动地、无线地、感应式地给运输工具的电池充电的方案在于，从运输工具底部处的地面通过电磁感应经由底部空隙120将电能传输给电池。这在图1中示例性地示出。图1尤其示出一种具有用于电能的存储器103(例如具有可充电的电池103)的运输工具100。运输工具100包括在运输工具底部中的所谓的次级线圈，其中，该次级线圈通过未示出的阻抗匹配和整流器101与存储器103相连接。次级线圈典型地是所谓的“无线能量传输”(wpt)运输工具单元102的一部分。

wpt运输工具单元102的次级线圈可以定位在初级线圈之上，其中，该初级线圈例如安置在车库地面上。初级线圈典型地是所谓的wpt地面单元111的一部分。初级线圈与供电设备110(在本文件中也称为充电单元110)相连接。该供电设备110可以包括在wpt地面单元111的初级线圈中产生ac(交变)电流的射频发生器，由此感应出磁场。该磁场在本文件中也称为电磁充电场。该电磁充电场可以具有预定义的充电场频率范围。该充电场频率范围(即运行频率)可以处于80-90khz(尤其是处于85khz)的频率范围中。

在wpt地面单元111的初级线圈与wpt运输工具单元102的次级线圈之间在底部空隙120上的磁耦合足够时，通过磁场在次级线圈中感应出相应的电压并且因此也感应出电流。在wpt运输工具单元102的次级线圈中的感应电流通过整流器101整流并且存储在存储器103中(例如在电池中)。因此，电能可以无线地从供电设备110传输至运输工具110的能量存储器103。充电过程可以在运输工具100中由充电控制器105(也称为wpt控制器105)控制。出于该目的，该充电控制器105可以设置用于例如无线地与充电单元110(例如与壁箱(wallbox))或者与wpt地面单元111通信。

如今，不同的用于电运输工具的感应式充电的系统正在发展中。在此，尤其是追求线圈的几何轮廓的以及与其有联系的场几何形状的不同设计(例如圆形的线圈、螺管线圈或者双d线圈)。基于不同的几何轮廓可能产生安装在运输工具100中的次级线圈与安装在地面单元111中的初级线圈之间的不兼容性。由于这种不兼容性可能产生初级线圈与次级线圈之间的减少(或者甚至不存在)的耦合并且因此可能产生减少(或者甚至不存在)的能量传输。此外，在使用具有不同的线圈几何形状的线圈的情况下，对初级线圈和次级线圈的精确定位的要求进一步提高。

技术实现要素：

本文件致力于提供一种成本高效的初级线圈的技术任务，通过该初级线圈能够实现提高与次级线圈的耦合程度和/或通过该初级线圈能够实现降低对次级线圈的定位的要求。

该任务通过独立权利要求来解决。此外，有利的实施方式在从属权利要求中说明。

根据一方面说明一种用于产生电磁充电场的初级单元，以用于与次级线圈的感应耦合。所述初级单元可以是用于给运输工具的能量存储器感应式充电的充电站的wpt地面单元的一部分。也就是说，初级单元可以设置用于给运输工具的电存储单元感应式充电。

所述初级单元包括多件式的初级线圈，该初级线圈包括n个子线圈，其中n>2。所述n个子线圈在相应的第一端部上星形地相互耦合。所述n个子线圈可以包括或者可以是n个圆形的子线圈，其中，所述n个圆形的子线圈可以侧向并排地布置在一个面中。

例如n可以等于3。则所述n个子线圈包括第一子线圈、第二子线圈和第三子线圈。第一子线圈可以布置在第二子线圈的第一侧上，而第三子线圈可以布置在第二子线圈的第二侧上，所述第二侧与第二子线圈的第一侧相对置。借助这种多件式的初级线圈能够以高效的方式产生用于不同类型的次级线圈的充电场。此外能够补偿所述多件式的初级线圈与次级线圈之间的侧向错位。

在另一个例子中，n＝5。所述n个子线圈可以包括一个中央子线圈，该中央子线圈被其它四个子线圈包围。通过这种多件式的初级线圈也能够以高效的方式产生用于不同类型的次级线圈的充电场。此外能够补偿所述多件式的初级线圈与次级线圈之间的侧向错位和沿纵向方向的错位。此外能够补偿初级线圈与次级线圈之间的相对转动。

所述初级单元还包括n个半桥，所述n个半桥分别与所述n个子线圈的相应的第二端部耦合。在此，子线圈的第二端部与该子线圈的第一端部相对置。因此，每个子线圈与一个相应的半桥连接。半桥典型地设置用于将子线圈的第二端部交替地与第一电位(例如与地网)和与第二电位(例如与供电电压或者与从网络电压中导出的直流电压)耦合。通过子线圈的第二端部与不同电位的交替耦合，在该子线圈中能产生交变电流，通过该交变电流感应出电磁充电场。另一方面，半桥的开关也可以保持打开，以便抑制电流通过相应的子线圈。

所述初级单元还包括控制单元，该控制单元设置用于根据次级线圈来操控所述n个半桥。尤其是，该控制单元可以设置用于根据次级线圈的类型和/或根据次级线圈相对于所述多件式的初级线圈的位置来操控所述n个半桥。次级线圈的示例性类型是螺管类型、双d类型和/或圆形类型。因此，通过所述初级单元能够以高效的方式为多个不同类型的次级线圈产生充电场，通过该充电场在次级线圈中感应出充电电流。所述初级单元尤其是成本高效的，因为为每个线圈仅使用一个半桥。

所述初级单元还可以包括n个电容器。所述n个电容器可以分别与所述n个子线圈串联地布置。一个电容器可以连同一个子线圈一起形成一个振荡电路。该振荡电路的谐振频率可以等于由初级单元产生的充电场的充电频率。

所述控制单元可以设置用于以彼此差模的方式运行所述n个半桥中的至少两个半桥。因此，通过所述多件式的初级线圈的相应的至少两个子线圈能够引起交变电流。此外能够引起所述至少两个子线圈被电流沿相反的方向流过。备选地或补充地，所述控制单元可以设置用于以彼此共模的方式运行所述n个半桥中的至少两个半桥。因此能够引起，当电流流过相应的各子线圈时，该流过相应的各子线圈的电流具有相同的方向(即，从子线圈的第二端部至子线圈的第一端部或者反之)。备选地或补充地，所述控制单元可以设置用于使所述n个半桥中的至少一个半桥这样运行，使得没有电流流过相应的子线圈。因此，所述相应的子线圈不产生电磁充电场。

通过以差模的方式、以共模的方式运行半桥和/或通过禁用半桥，能够以高效的方式产生不同几何形状的充电场。因此，所述初级单元能够与不同类型的次级线圈和/或与不同的错位情况适配。

所述控制单元可以设置用于利用如下充电频率运行所述n个半桥中的至少两个半桥，其中，所述充电频率等于电磁充电场的频率。尤其是可以利用所述充电频率以差模的方式运行所述至少两个半桥，以便通过相应的子线圈产生具有所述充电频率的交变电流。为了以差模的方式的运行，如果第二半桥的“高侧”开关是关闭的，则第一半桥的“低侧”开关可以是关闭的(于是第一半桥的“高侧”开关和第二半桥的“低侧”开关是打开的)。此外，如果第二半桥的“低侧”开关是关闭的，则第一半桥的“高侧”开关可以是关闭的(于是第一半桥的“低侧”开关和第二半桥的“高侧”开关是打开的)。

所述控制单元可以设置用于确定次级线圈类型(例如次级线圈的类型在充电通信的范畴内可以从运输工具通信至充电站)。此外，所述控制单元可以设置用于根据所确定的次级线圈类型来确定用于所述n个半桥的预定义的运行数据。所述预定义的运行数据可以存储在存储单元中(例如在充电站的存储单元中)。所述预定义的运行数据可以以特征曲线的形式和/或以表格的形式存储。尤其是可以为不同类型的次级线圈存储不同的预定义的运行数据。然后，所述控制单元可以设置用于根据所述预定义的运行数据来操控所述n个半桥。因此能够以高效的方式将初级单元的运行与次级线圈的类型适配。

所述控制单元还可以设置用于确定次级线圈相对于所述多件式的初级线圈的位置。在此，所述位置可以包括次级线圈与所述多件式的初级线圈之间的侧向错位。所述相对位置例如可以通过对图像数据的评价来确定。出于该目的，初级单元必要时可以包括相机，该相机设置用于采集关于次级线圈的图像数据。所述预定义的运行数据于是也可以根据所确定的位置来确定。因此能够以高效的方式将初级单元的运行与不同的错位情况适配。

根据另一方面说明一种用于运输工具的充电站，其中，所述充电站包括在本文件中说明的初级单元。

要注意的是，在本文件中说明的方法、设备和系统不仅可以单独使用，而且可以与其它的在本文件中说明的方法、设备和系统相结合地使用。此外，在本文件中说明的方法、设备和系统的所有方面能够以多种方式相互结合。尤其是，权利要求的特征能够以多种方式相互结合。

附图说明

此外，借助实施例更详细地说明本发明。其中：

图1示出感应式充电系统的示例性的构件；

图2a示出示例性的线圈几何形状以及对应的场几何形状；

图2b示出用于产生电磁充电场的示例性布置结构；

图3示出用于与不同类型的次级线圈耦合的一般性初级线圈的一种示例性结构；

图4示出用于产生不同类型的电磁充电场的一般性初级线圈的示例性操控；

图5示出一般性初级线圈的另一示例性结构。

具体实施方式

如开头所阐述的那样，本文件致力于提供一种用于充电站110、111的wpt地面单元111，以便能够实现给具有不同的线圈几何形状的运输工具110感应式充电。

图2a示出示例性的初级线圈243和相应的次级线圈242以及电磁充电场241的所属曲线。尤其是，图2a示出螺管线圈(线圈类型210)、双d线圈(线圈类型220)和圆形线圈(线圈类型230)的使用。基于电磁充电场241的不同几何形状而产生在不同的线圈类型210、220、230之间的不兼容性。例如，通过螺管或双d初级线圈243在圆形次级线圈242中不能感应出电流。类似地，通过圆形初级线圈243在螺管或双d次级线圈242中不能感应出电流。

因此，在公共的充电位置上必须提供不同的初级线圈，以便能够实现给具有不同的线圈类型210、220、230的运输工具100感应式充电。因此实质上提高了公共的充电位置的成本。

图2b示出用于产生不同的线圈类型210、220、230的电磁充电场241的示例性操控电路211、221、231。所述操控电路211、221、231分别包括两个半桥，所述两个半桥以差模方式运行，以便通过相应的初级线圈243产生具有充电频率的交变电流。此外，所述操控电路211、221、231包括电容器c用于与相应的初级线圈243配合作用地提供振荡电路。如从图2b可见的那样，用于线圈类型210(螺管)的操控电路211可以与用于线圈类型230(圆形)的操控电路231相同。

图3示出一种示例性的多件式的一般性初级线圈300。该一般性初级线圈300包括并排布置的多个圆形线圈312、322、332。初级线圈300的线圈312、322、332可以称为子线圈。所述多个圆形线圈312、322、332星形地布置，即，各圆形线圈230在一个中央的星形接点上相互耦合。

图3还示出所述一般性初级线圈300的一种示例性的操控电路301。该操控电路301包括用于所述一般性初级线圈300的各个圆形线圈312、322、332的半桥311、321、331。因此，对于每个圆形线圈312、322、332而言，一个端部与所述中央的星形接点连接，而另一个端部与指定的(dedizierten)的半桥311、321、331连接。为了提供一个振荡电路，操控电路301的每个支路可以包括至少一个电容器c。各个子线圈可以这样与电容器c接线，使得由此产生的振荡电路分别具有相同的谐振频率。振荡电路可以经由半桥311、321和331的开关以由控制单元350预定的运行频率运行。

通过合适地操控半桥311、321、331能够产生不同几何形状的电磁充电场。图3示出控制单元350，该控制单元设置用于操控半桥311、321、331(即，尤其是半桥311、321、331的开关)，以便产生电磁充电场。控制单元350尤其是设置用于根据布置在初级线圈300上方的次级线圈242的类型210、220、230来操控所述多件式的初级线圈300的半桥311、321、331，以便产生在次级线圈242中感应出充电电流的充电场。

在图4中阐明不同地操控半桥311、321、331以便产生具有不同几何形状的充电场。第一半桥311和第三半桥331可以以彼此共模的方式并且以与第二半桥321差模的方式运行。在此，第一半桥311与第一圆形线圈312耦合，第二半桥321与第二圆形线圈322耦合并且第三半桥331与第三圆形线圈332耦合。如在图3(左侧)中示出的那样，第二线圈322在位置方面布置在第一线圈312与第三线圈332之间。通过上述对半桥311、321、331的操控能够产生电磁充电场430。如从图4可见的那样，通过该电磁充电场430能够在圆形次级线圈242内感应出充电电流。

备选地，第一半桥311和第三半桥331可以以彼此差模的方式运行。为此可以使用第二半桥321用于保持第二线圈322持续无电流(例如通过使第二半桥321的两个开关保持打开)。通过这样的运行能够产生电磁充电场410。如从图4可见的那样，通过该电磁充电场410能够在双d次级线圈242或螺管次级线圈242内感应出充电电流。

因此可以通过使用三个基本线圈312、322、332并且通过使用三个半桥311、321、331来提供一个多件式的初级线圈300，通过该初级线圈能够产生用于不同几何形状的次级线圈242的不同几何形状的电磁充电场410、430。一般性初级线圈300的在图3中示出的结构和对应的操控301是成本高效的，因为相比于使用不同类型210、220、230的单独的初级线圈243，尤其是用于操控线圈的半桥311、321、331的数量能够减少(例如减半)。

因此提出将初级线圈300分成多个(例如3个)子线圈312、322、332。通过巧妙地操控所有子线圈312、322、332能够以高效的方式激励不同的次级线圈拓扑结构210、220、230。用于产生电磁充电场410、430的激励电流在此分布于各个线圈支路(即，分布于各个子线圈312、322、332)。总之，为了产生充电场410、430需要与在“简单线圈”的情况下相同的操控功率(ansteuerleistung)。因此，在该初级单元中出现与在单件式的初级线圈的情况下大约相同的损耗。因此，一般性初级线圈300相对于指定的不同类型210、220、230的初级线圈243不具有增加的损耗。

要注意的是，子线圈312、322、332被相位相同的电流(撇开可能不同的符号)流过。因此，在多件式的初级线圈300的支路中的电流不是三相电流。

初级线圈300可以用于补偿wpt地面单元111与wpt运输工具单元102之间的错位。尤其是可以根据次级线圈242相对于初级线圈300的位置来操控初级线圈300的各个子线圈312、322、332。例如，在(可能仅仅)位于第一子线圈312上方的圆形次级线圈242中，第一半桥311和第二半桥321可以以彼此差模的方式运行，而第三半桥311使第三子线圈322保持无电流。因此，即使在wpt地面单元111与wpt运输工具单元102之间存在错位时还能确保足够的耦合。

为了确定半桥311、321、331的针对不同的错位情况和/或针对不同的线圈类型210、220、230的开关顺序，可以使用为每种线圈类型210、220、230预定义的特性曲线，从而根据相应的(侧向的)错位定义半桥311、321、331的开关顺序(s1、s2、s3)。为了进一步的优化，特性曲线也可以与初级线圈300和次级线圈242之间的竖直距离有关。

子线圈312、322、332可以分别具有相同的电感和形状，即，初级线圈300可以构成为对称的。然而也可能有意义的是使用不同地成形的子线圈(如在图5中示出的那样)。图5示出包括五个星形地布置的子线圈512的初级线圈500。每个所述子线圈512可以通过一个指定的半桥511来操控。通过在图5中示出的多件式的初级线圈500，也能够在转动的次级线圈242中感应出充电电流。此外，除了与不同的线圈类型210、220、230适配之外也能够实现对次级线圈242在两个水平维度中的位移进行匹配。即使在初级线圈500中也能够实现经由特性曲线(x,y,z)来控制半桥511的开关顺序s1、s2、s3、s4、s5，其中，x对应于初级线圈500与次级线圈242之间的侧向错位，y对应于初级线圈500与次级线圈242之间的沿纵向方向的错位，并且z对应于初级线圈500与次级线圈242之间的竖直距离。子线圈512的几何形状可以这样匹配(必要时优化)，使得能够在预定义的公差范围内操作不同类型210、220、230的次级线圈242。这可以借助数值优化问题来实现。

在该文档中说明了一般性初级线圈300、500，通过所述一般性初级线圈能够在不同类型210、220、230的次级线圈242中感应出充电电流。此外，通过不同地操控所说明的初级线圈300、500的子线圈，能够在将wpt运输工具单元102相对于wpt地面单元111定位时实现扩大的公差。多件式的初级线圈300、500的操控能够以成本高效的方式通过指定的半桥来实现。尤其是，通过使用一种多件式的初级线圈300、500而不需要不同线圈和操控电路的重复执行。

本发明不限于所示的实施例。尤其要注意的是，说明书和附图应该仅仅阐明所提出的方法、设备和系统的原理。