能量输送设备和能量输送方法与流程

本发明涉及一种用于无接触地输送电能量的能量输送设备和一种相应的能量输送方法。

背景技术：

下面主要参考便携式电子设备、例如移动电话或平板电脑的充电来描述本发明。但是，本发明绝对不局限于该应用，并且可以到处被使用在应输送电能量的地方，例如在对电动车辆充电时。

电子设备、诸如移动电话通常拥有电池，所述电池为设备的运行提供必要的电能量。如果电池是空的，则必须对所述电池充电。

通常利用有线的充电设备，其中通过线缆将所述充电设备与电子设备连接并且所述充电设备提供用于对电池充电的充电电压。因为线缆是不实用的，所以也越来越多地使用无线的、尤其是感应式的充电方法。

在感应式的充电方法情况下，将用于对电池充电的电能量从发送线圈、也为初级侧输送至接收线圈、也为次级侧。在分别在初级侧上使用一个线圈和在次级侧上使用一个线圈的情况下，必须将这些线圈相互精确地定位。因此自由的定位是不可能的。

为了能够实现自由的定位，可以在初级侧和/或在次级侧使用多个线圈并且将具有最大耦合因子的线圈对用于能量输送。

在此要注意的是，位于所述线圈之间的金属物件可能发热。

因此，可以使用金属对象识别系统，所述金属对象识别系统识别金属对象并且当已经识别到这样的对象时阻止充电。

技术实现要素：

本发明公开一种具有专利权利要求1的特征的能量输送设备和具有专利权利要求7的特征的能量输送方法。

与此相应地规定：

一种用于无接触地输送电能量的能量输送设备，所述能量输送设备具有多个发送线圈和多个接收线圈并且具有控制设备，所述控制设备被构造用于，在能量输送模式中顺序地操控所述发送线圈中的预给定的数目个发送线圈。

此外规定：

一种用于无接触地输送电能量的能量输送方法，所述能量输送方法具有：提供多个发送线圈和多个接收线圈，以及在能量输送模式中顺序地操控所述发送线圈中的预给定的数目个发送线圈。

发明优点

根据本发明的能量输送设备例如可以被用于对移动设备、诸如移动电话或平板电脑等等进行充电。但是，能量输送设备也可以例如被用于对车辆等等进行感应式充电。

在能量输送设备情况下，布置在初级侧或例如供电电网或插座的能量源的侧上的那些线圈被理解为发送线圈。在能量输送设备情况下，接收线圈表示布置在接收器的侧、即次级侧上的那些线圈。因此，发送线圈例如以电磁场的形式发送电能量。接收线圈接收所述电能量并且将所述电能量转发给相应的设备。

当在能量输送模式中进行操控时，控制设备例如可以给发送线圈加载交变电流或交变电压，使得所述交变电流或交变电压形成所期望的电磁场。在接收侧，各个接收线圈例如可以与整流器耦合，使得经整流的电流或经整流的电压可供使用，所述电流或电压可以在接收器中例如被用于对电池充电。

多个发送线圈和多个接收线圈在发送侧和接收侧上分别构成所谓的多线圈（multi-coil）线圈系统。这样的系统能够实现发送线圈相对于接收线圈的自由定位。因此，根据发送器多线圈线圈系统相对于接收器多线圈线圈系统的位置，形成不同的线圈对。

在已知的系统情况下，在准持续运行中操控单个线圈对、即具有最大耦合因子的线圈对。各个线圈因此在通常数秒的持续时间上以满功率被运行。如果金属物件位于所述线圈之间，则金属物件可能如在上面已经阐述的那样发热。

而在本发明情况下，不在准持续运行中操控各个线圈。相反地，选择多个线圈对，并且顺序地、即交替地或相继地操控所述多个线圈对。因此，仅仅在短的时段上操控每个单个线圈，但是总计来看，持久地在发送线圈和接收线圈之间输送电能量。

但是因为总是通过其他线圈对并且从而在不同的位置处输送电能量，所以当金属对象位于线圈对中的一个之间时，金属对象仅仅轻微地发热。

因此，本发明能够实现能量输送设备，而不提供金属对象识别，并且同时允许发送线圈相对于接收线圈的自由定位。

有利的实施方式和改进方案由从属权利要求以及由参考图的描述得出。

在一种实施方式中，所述控制设备可以被构造用于，在标识模式中，对于所述发送线圈中的每一个分别标识与各个接收线圈的耦合因子，并且从具有最大耦合因子的由发送线圈和接收线圈组成的线圈对出发根据所述耦合因子选择在所述能量输送模式中被操控的发送线圈。因此，不是选择任意的线圈对用于能量输送。相反地，选择具有最大耦合因子的那些线圈对用于能量输送，由此使能量输送的效率最大化。

在一种实施方式中，所述控制设备可以被构造用于在顺序地操控发送线圈时分别接着操控与最后被操控的发送线圈具有最大间隔的该发送线圈。在此，例如在每个周期中操控所有所选择的发送线圈恰好一次，并且然后重复该周期。在此从以上提及的间隔确定以下顺序，其中以所述顺序操控发送线圈。如果金属物件应该位于所述线圈之间，则确保：局部地在尽可能远地隔开的部位处对所述金属物件加热。通过在发送线圈之间切换、即顺序地操控，因此在该物件中仅仅产生少量的热。

当然，也可以在操控各个发送线圈时选择不同的顺序。例如，可以使发送线圈之间的平均间隔最大化。为此，例如可以研究用于操控发送线圈的每种可能的顺序。

在一种实施方式中，所述控制设备可以被构造用于，在顺序地操控发送线圈时，在小于1秒、尤其小于500毫秒、小于250毫秒或小于100毫秒的时长内操控所述发送线圈中的每一个。金属对象（如果存在的话）越长时间地遭受发送线圈之一的电磁场，则所述金属对象越强烈地发热。因此，每个单个线圈的操控的持续时间除了线圈中的电流之外还影响在金属对象中局部地经由（über）发送线圈产生的热量。通过所提到的时段，可以根据应用来选择：控制设备如何快速地在这些线圈之间进行切换。

附加地或可替代地，计算装置也可以基于相继地被操控的线圈的间隔来动态地确定持续时间，其中如果间隔更大，则持续时间变得更大。

在另一附加的或可替代的实施方式中，可以预给定以下电流的最大数值：以所述电流运行各个发送线圈。持续时间和该电流的最大数值于是可以基于到可能位于相应的发送线圈上方的金属对象中的最大能量输入的极限值来选择。

在相同的电流时，在具有高的耦合因子的线圈情况下相比于在具有低的耦合因子的线圈情况下输送更多的电能量到次级侧上。运行各个发送线圈所利用的电流因此可以例如对于每个发送线圈根据其耦合因子如此被最大化，使得不超过最大能量输入的极限值。同样，可以改变用于操控各个发送线圈的持续时间，使得到金属对象中的平均能量输入不超过预给定的极限值。

在一种实施方式中，能量输送设备可以具有交变电流源或交变电压源和转换开关，所述交变电流源或交变电压源被构造用于产生交变电流或交变电压用于操控所述发送线圈，所述转换开关被构造用于，将交变电流源或交变电压源可控地与所述线圈之一电耦合。所述控制设备可以被构造用于操控所述转换开关，以便分别操控所述发送线圈之一。因此，借助一个源可以操控多个发送线圈。例如也可以存在两个源或者转换开关可以将交变电流源或交变电压源同时与发送线圈中的两个发送线圈耦合。如果多于两个发送线圈可供使用，则例如也可以同时使用两个线圈来输送电能量。在使用两个线圈对之前例如也可以检查：相应的线圈对之间的间隔是否足够大（大于预给定的阈值）。

在一种实施方式中，可以基于在相应的发送线圈与所述接收线圈之一之间的耦合因子的极限值来动态地确定所述预给定的数目。因此，顺序地操控其耦合因子超过预给定的极限值的那些所有线圈对。替代固定数目例如2、3、4、5、6个或更多个发送线圈，因此动态地确定：使用多少个发送线圈。如果例如存在10个发送线圈和10个接收线圈，并且所述发送线圈和接收线圈分别成对地直接上下重叠地放置，即具有高的耦合因子，则也可以使用所有10个线圈对用于能量输送。

当然，也可以预给定最小数目个线圈对，所述线圈对至少被用于能量输送。例如可以预给定：总是必须使用至少两个线圈对用于能量输送，即使所述线圈对的耦合因子低于极限值。

对于没有发现具有足够耦合因子（预给定的最小耦合因子）的两个线圈的情况，例如可以表明，必须使接收线圈相对于发送线圈重新定位。

在一种实施方式中，所述控制设备可以被构造用于，在发送侧或初级侧对于各个发送线圈确定耦合因子，其方式是，所述控制设备相继地以预给定的电流、尤其交变电流给发送线圈中的每一个供给能量并且在接收线圈的每一个处测量所得到的电流。在测量耦合因子时的电流尤其可以比在能量输送时的电流更小。耦合因子在此不必精确地被确定。相反地，定性地确定耦合因子就足够了。因此，确定在哪些接收线圈处分别测量最大的电流就足够了。如果发送和接收线圈是相同的，即所述发送和接收线圈尤其具有相同的电感，则仍然可以将耦合因子近似地作为接收线圈中的电流与发送线圈中的电流的比例来计算。在发送和接收线圈的电感不同的情况下，在计算时同样可以考虑不同的电感。

在一种实施方式中，所述控制设备可以被构造用于在发送侧或初级侧对于各个发送线圈确定耦合因子，其方式是，所述控制设备在开路的接收线圈情况下和在短接的接收线圈情况下测量发送线圈的电感。为此，控制设备可以在接收侧或次级侧具有开关设备，所述开关设备被构造用于，单独地或同时地断开接收线圈，即使所述接收线圈的接触部不与其他元件耦合，以及短接接收线圈。耦合因子于是可以作为1减相应发送线圈的电感（短路/开路）的比例的方根来确定。电感在此例如可以分别基于具有已知电容的振荡回路的谐振频率的测量来确定。

在一种实施方式中，所述控制设备可以具有两个单独的计算装置，例如控制器。计算装置中的一个在此例如可以布置在初级侧上并且计算装置中的一个可以布置在次级侧上。所述计算装置可以例如通过无线通信接口相互处于通信连接中。因此，次级侧的计算装置例如可以通知初级侧的计算装置：在哪个接收线圈处以及在哪个时刻已经测得最大的电流和/或所测量的电流有多大。此外，初级侧的计算装置例如可以通知次级侧的计算装置：何时以及所述接收线圈中的哪些应该被断开或短接以及通过哪些线圈对最终执行能量输送。

上面的构型和改进方案只要有意义就可以任意地相互组合。本发明的其他可能的构型、改进方案和实现也包括本发明的先前或在下面关于实施例描述的特征的未明确提到的组合。在此，本领域技术人员尤其是也会将各单方面作为改善或补充添加至本发明的相应基本形式上。

附图说明

随后根据在附图的示意图中说明的实施例进一步阐述本发明。在此，

图1示出根据本发明的能量输送设备的一种实施方式的框图；

图2示出根据本发明的能量输送设备的另一实施方式的框图；

图3示出根据本发明的能量输送方法的一种实施方式的流程图；以及

图4示出用于阐明根据本发明的能量输送设备的一种实施方式的发送线圈的操控的图表。

在所有图中，相同的或功能相同的元件和设备（只要不另外说明）配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出一种能量输送设备1，所述能量输送设备用于无接触地输送电能量，例如用于对电子设备中的电池充电。

能量输送设备1在初级侧、即在发送侧具有15个发送线圈2、3。为概览起见，仅仅第一发送线圈和最后的发送线圈2、3配备有附图标记。发送线圈以发送线圈2、3的3x5矩阵、即3行和5列布置。不言而喻，该布置仅仅是示例性的。显然，可以根据应用来选择不同数目个发送线圈2、3或发送线圈2、3的不同布置。与发送线圈2、3的该布置类似地，15个接收线圈4、5在接收侧或在次级侧示出。在这里，为概览起见，也仅仅第一和第二接收线圈4、5配备有附图标记。

此外，示出控制设备6，所述控制设备与发送线圈2、3耦合，以便在能量输送模式中操控所述发送线圈或者给所述发送线圈加载交变电流或交变电压。但是，控制设备6不操控所有或随机选择的发送线圈2、3。相反地，控制设备6顺序地、即相继地操控预给定的数目个发送线圈2、3。这导致，在发送线圈2、3和接收线圈4、5之间持久地输送电功率。同时连续地改变以下位置：在所述位置处输送电能量。如果金属物件位于发送线圈2、3和接收线圈4、5之间，则因此仅仅局部地并且短时间地加热所述金属物件，直至操控下一发送线圈2、3为止。

尤其在移动设备、诸如智能电话的情况下可能发生：所述移动设备不精确地被定位在发送线圈2、3上方（über）并且因此发送线圈2、3和接收线圈4、5也不精确地上下重叠地放置。因此可能的是，发送线圈2、3和接收线圈4、5强地相互耦合，所述发送线圈和接收线圈在线圈的几何矩阵布置中不位于同一部位处。

为了尽可能高效地设计能量输送，在标识模式中，控制设备6可以对于发送线圈2、3中的每一个确定与接收线圈4、5之一的耦合因子。控制设备6于是可以使用具有最大耦合因子的发送线圈2、3用于能量输送。要使用的发送线圈2、3的数目在此例如可以是预给定的。例如在一个应用中可以预给定：应该使用具有四个最大耦合因子的四个发送线圈2、3用于能量输送。可替代地，可以单独地确定要使用的发送线圈2、3的数目。例如可以预给定：应该使用所有以下发送线圈2、3：所述发送线圈的耦合因子超过预给定的阈值。允许对实际的耦合因子进行定性陈述的每个参量也可以被当作耦合因子来看待。例如，当发送线圈2、3中的电流是已知的时，可以将在接收线圈4、5处测量的电流表示为耦合因子。

为了将在金属物件中的局部能量输入（energieeintrag）以及从而其加热保持得尽可能低，控制装置6可以在顺序地操控发送线圈2、3时分别接着操控与最后操控的发送线圈2、3具有最大间隔的该发送线圈2、3。不言而喻，如果多于两个发送线圈2、3可供能量输送使用，则这并不是指在彼此离得最远的两个发送线圈2、3之间来回跳跃。相反地，计算装置6可以确定用于操控发送线圈2、3的顺序，使得直接相继地被操控的发送线圈2、3尽可能远地隔开或者在相继地被操控的发送线圈2、3之间的平均间隔被最大化。控制设备6在此可以在例如小于1s或小于500ms、小于250ms或小于100ms的预给定的持续时间内操控发送线圈2、3中的每一个。

可替代地，计算装置6也可以基于相继地被操控的线圈的间隔动态地确定持续时间，其中如果间隔更大，则持续时间变得更大。

图2示出根据本发明的能量输送设备10，所述能量输送设备10基于能量输送设备1。除了15个发送线圈（其中的三个用11、12、13标出）和接收线圈14、15之外，能量输送设备10具有交变电流19和转换开关20。交变电流源19可以例如是换流器或逆变器。但是，交变电流源19例如也可以是变压器，该变压器将电网电压变换到所需要的电压上并且具有相应的电流调节器。

此外，控制设备16是分成两半的。在此，计算装置17布置在发送侧或初级侧。第二计算装置18布置在接收侧或次级侧。两个计算装置17和18可以无线地相互通信。为此，例如可以调制以下交变电流：利用所述交变电流操控发送线圈11、12、13。可替代地，可以设置单独的通信接口、例如nfc、蓝牙、wlan等等。

计算装置17操控转换开关20，使得分别给所期望的发送线圈11、12、13供应电能量、在这里即源19的交变电流。转换开关20仅仅示意性地与发送线圈11、12、13中的三个耦合。不言而喻，转换开关20被构造用于操控所有发送线圈11、12、13。此外，转换开关20也可以被构造用于同时操控多个发送线圈11、12、13。例如，在矩阵的角部处的四个发送线圈可以具有高的耦合因子。在这样的情况下，分别可以同时操控相对置的两个发送线圈。

计算装置17可以在发送侧或者初级侧对于各个发送线圈11、12、13例如确定耦合因子，其方式是，所述计算装置以预给定的电流、尤其交变电流对发送线圈11、12、13供给能量（bestromen）。同时，计算装置18可以在接收侧或次级侧分别测量各个接收线圈14、15中的电流并且将该信息输送给计算装置17。该计算装置17于是可以根据电流的数值（betrag）标识具有最大耦合的一个线圈对或多个线圈对。可替代地，计算装置18也可以仅仅输送关于针对相应发送线圈11、12、13的耦合因子的数值的信息。耦合因子可以如上面描述的那样例如基于次级侧电流测量来仅仅定性地被确定。这样的定性确定足以标识应该被用于能量输送的发送线圈11、12、13。在定性确定时，例如可以使用接收线圈14、15中的电流的数值作为比较参量。

可替代地，计算装置17可以在发送侧或者初级侧对于各个发送线圈11、12、13例如确定耦合因子，其方式是，所述计算装置17在开路的接收线圈14、15情况下和在短接的接收线圈14、15情况下测量发送线圈11、12、13的电感。为此，计算装置18可以在接收侧或次级侧具有开关设备，所述开关设备被构造用于单独地或同时地断开或短接接收线圈14、15。耦合因子于是可以作为1减相应发送线圈11、12、13的电感（短路/开路）的比例的方根来确定。计算装置17例如可以分别基于具有已知电容的振荡回路的谐振频率的测量来确定电感。

图3示出用于无接触地输送电能量的能量输送方法的流程图。

所述方法规定：提供sl多个发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32和多个接收线圈4、5、14、15。此外，在能量输送模式中顺序地操控s2所述发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32中的预给定的数目个发送线圈。

在操控发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32时可以产生交变电流或交变电压，并且周期性地或顺序地分别在发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32中的相应发送线圈处提供所述交变电流或交变电压。要操控的发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32的数目在此例如可以动态地基于相应的发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32与接收线圈之一之间的耦合因子的极限值来确定。

为了标识应该被用于能量输送的发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32，在标识模式中，可以对于发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32中的每一个分别标识其与接收线圈4、5、14、15之一的耦合因子。在能量输送模式中，于是可以从具有最大耦合因子的线圈出发根据所述耦合因子选择要操控的发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32。

如果在顺序地操控发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32时分别接着（alsnächstes）操控与最后操控的发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32具有最大间隔的该发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32，则可以使局部能量输入和从而金属物件的局部加热最小化。在顺序地操控发送线圈2、3、11、12、13、30、31、32时，可以分别在小于1秒、尤其小于500毫秒、小于250毫秒或小于100毫秒的时长内操控所述发送线圈。

图4示出用于阐明发送线圈30、31、32的操控的图表。发送线圈30、31、32以具有15个发送线圈的矩阵布置，如其在图1和2中也示出的那样。发送线圈30、31、32以虚线示出并且表示具有与相应的接收线圈的最大耦合因子的三个发送线圈30、31、32。

在该图表中除了发送线圈30、31、32还示出：如何操控各个发送线圈30、31、32。可以看出，分别同时操控发送线圈30、31、32中的仅一个。首先，操控发送线圈30，紧接着操控发送线圈31，并且最后操控发送线圈32。该次序在整个充电过程期间连续地被重复。

尽管上面已经根据优选的实施例描述了本发明，但本发明不局限于此，而是可以通过各式各样的方式和方法来修改。本发明尤其可以以多种多样的方式来改变或修改，而不偏离本发明的核心。