本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的感应式功率传输单元。
背景技术：
近年来，感应式功率传输系统的发展急剧增加，绕组单元的整体结构及它们与可磁化材料的结合受到了极大的关注。感应式功率传输系统通常用于给车辆电池充电并且包括至少两个感应式功率传输单元：发射单元和接收单元，每个单元具有绕组单元以产生或接收用于通过磁感应传输功率的交变电磁场。为了在合理的时间内成功地给车辆电池充电，必须使用高幅度的功率传输。
另外，常常安装用于定位的天线元件，以分别补充感应式功率传输系统或感应式功率传输单元的功能。这些天线元件用于在感应式充电系统的辅助操作期间使发射单元之上的接收单元对准。在发射或接收单元中布置发射天线元件，而在发射或接收单元中的另一个中布置一个或两个以上接收天线元件。为了使在发射单元之上的接收单元对准，发射天线元件将电磁天线信号发射到上环境中，然后由接收天线元件接收天线信号。由控制单元分析接收到的天线信号并且计算发电单元和接收单元的相对位置。
在大多数情况下，这种天线依靠无线电波或微波来发射和接收信息，因此，在与用于功率传输的感应式充电系统类似的波长范围内操作。
wo2011/127455a2描述了一种与车辆相关联的无线功率天线的无线充电和无线功率对准。
wo2014/023595a2公开了一种车辆和一种感应充电单元，其中，感应充电单元包括初级线圈，车辆包括次级线圈。此外，在充电位置中，次级线圈相对于初级线圈位于优选的空间位置范围内，其结果是，为了设置充电位置，系统借助于利用三角测量法进行的电磁距离和角度测量来确定描述次级线圈相对于初级线圈的随时间的空间位置的定位。系统借助于定位和充电位置来检测至少一个局部驱动方向，可以沿着所述局部驱动方向接近充电位置的定位。
多个文献公开了感应式功率传输单元的通信天线，其包括初级单元或次级单元。然而，这些通信天线被设计为单独的元件。
这些天线的安装费用昂贵并且需要附加的空间，这种空间在许多感应式充电系统环境中不能获得。
因此，本发明的目的是以较低的成本提供至少一个附加的天线元件并且优选仅需少量的附加的空间来安装附加的天线元件。
此外，与感应式充电系统的功率传输的幅度相比，天线元件所使用的信号的幅度是小的。因此，在许多情况下，天线元件的尺寸比用于功率传输的绕组的尺寸小得多，并且不是为在功率传输操作期间感应出的如此高的电压或电流值而设计的。在功率传输操作期间，这种天线元件可能会受到损坏，甚至可能被破坏。
因此，本发明的另一个目的是防止在功率传输操作期间损坏天线元件。
技术实现要素：
这些目的通过具有一种独立权利要求的特征的感应式功率传输单元来解决。进一步优选的实施例在从属权利要求中描述。
感应式功率传输单元具有用于感应式功率传输的绕组单元、用于引导和疏导感应式功率传输单元内的磁通的磁通引导装置以及用于产生或接收天线信号的天线元件，所述天线信号优选是定位天线信号，以允许感应式功率传输单元与第二感应式功率传输单元对准。根据本发明，天线元件随磁通引导装置布置，用于在辅助操作期间产生或接收天线信号。磁通引导装置允许可由天线元件使用更高的磁通密度，因此，本用于功率传输的磁通引导装置也可以在感应式充电系统的辅助操作期间有利地使用。这使得天线元件可以设计成更小且更紧凑的尺寸。此外，根据本发明，布置了补偿元件，使得补偿元件在功率传输操作期间补偿天线元件中的感应电压和/或感应电流。例如，补偿可以通过让补偿绕组产生具有与由天线元件产生的电压的振幅相反的振幅的电压来实现。优选地，天线元件和补偿元件是电串联布置的，但是在元件中感应出的电压和电流具有180°的相角，使得在功率传输操作期间电压和电流相互抵消。这可以通过将天线元件和补偿元件以电相反的方向连接来实现。所述串联布置的另一个优点是，电路是不需要主动控制的无源电路，例如开关或控制单元。在功率传输操作期间执行辅助操作是可能的。
感应式功率传输单元可以是初级单元或者可以是次级单元。初级单元产生交变磁场，而次级单元接收交变磁场以感应地产生电压和/或电流以供利用，例如给车辆电池充电。在本文件中，通常只涉及初级单元和次级单元中的一个。另一个初级单元或次级单元被称为另一个功率传输单元。初级单元通常是固定的，而接收单元则布置在车辆处。借助于升降装置或移动装置可以将初级单元和/或次级单元相对于它们所处的地点可移动地布置。可以构建具有一个以上初级单元或一个以上次级单元的系统。为了产生或接收磁场的目的，每个感应式功率传输单元包括至少一个产生或接收用于功率传输的交变磁场的绕组单元。绕组单元可以具有不同的形状，例如圆形、椭圆形、矩形、8字形、重叠形状或这些形状的组合。可以在感应式功率传输单元中安装一个以上特别具有不同相位的绕组单元。为了提高功率传输并且在功率传输操作期间引导磁通，磁通引导装置被布置成紧邻绕组单元。此外，磁通引导装置可优选地布置在绕组单元的背离另一个功率传输单元的那一侧上，优选地与绕组单元堆叠，并且在绕组单元后面的小空间内束化和引导磁通。另外，屏蔽材料可以布置在磁通引导装置的背离另一个感应式功率传输单元的那一侧上。屏蔽材料可以是感应式充电单元的壳体的一部分。天线元件和补偿元件中的每个可以至少部分地布置在绕组单元与屏蔽材料之间。在单极绕组单元的情况下，补偿绕组可以通过以反串联连接天线元件由绕组单元实现。
在一个优选的实施例中，天线元件卷绕在磁通引导装置上，用于在辅助操作期间产生或接收天线信号。天线元件的这种布置使得天线元件能够使用先前安装的磁通引导装置。天线信号由磁通引导装置放大。天线信号也由磁通引导装置引导和定向。优选地，天线元件是小环天线，其设计用以产生或接收具有作为天线元件的特征尺寸的更大波长的天线信号。
在进一步的优选的实施例中，天线元件沿第一绕组方向卷绕在磁通引导元件上，补偿天线元件绕着磁通引导装置沿第二绕组方向卷绕在磁通引导装置上。另外，第一绕组方向和第二绕组方向是绕着磁通引导装置的相反方向，使得补偿天线元件在功率传输操作期间补偿天线元件中的感应电压和感应电流。进一步有利地是，天线元件和补偿元件的相反方向的布置允许实现易于安装并且较少的空间要求的实施例，同时在天线元件和补偿元件的公共电路中产生抵消电压和电流。
在一个替代性的优选的实施例中，天线元件沿第一绕组方向卷绕在磁通引导装置上，其中，补偿元件绕着磁通引导装置沿第二绕组方向卷绕在磁通引导装置上，其中，第一绕组方向和第二绕组方向是绕着磁通引导装置的相同方向，其中，天线元件和补偿元件以这样的方式电连接，使得补偿天线元件在功率传输操作期间补偿天线元件中的感应电压和/或感应电流。所述配置非常类似于具有相反方向的配置，但需要将天线元件的正极端子电连接到补偿元件的正极端子。它取决于感应式功率传输单元的几何形状，以决定所述两种配置中的哪一种更有利。有利地是，具有相反的电极性的天线元件和补偿元件的布置还允许实现易于安装并且较少的空间要求的实施例，同时在天线元件和补偿元件的公共电路中产生抵消电压和电流。
组合或替代性地提出了另一个优选的实施例，其中，天线元件在磁通引导装置的第一位置处卷绕在磁通引导装置上，并且补偿元件在磁通引导装置的远离第一位置的第二位置处卷绕在磁通引导装置上，其中，在功率传输操作期间，在第一位置处通过磁通引导装置的磁通的值低于在第二位置处通过磁通引导装置的磁通的值。根据感应式功率传输单元的种类和磁通引导装置的布置，流经磁通引导装置的磁通在不同位置处不同。例如，在具有两个磁极的实施例中，磁通在第一极处进入感应式功率传输单元中、由磁通引导装置引导并且在第二极处离开感应式功率传输单元。在感应式功率传输单元是对称设计的前提下，在第一极与第二极之间的磁通引导装置的中间的第一位置处的磁通密度最高。由于磁通密度在中间位置处和接近两极中的任一极的外部位置处不同，天线元件和补偿元件可以有利地以非对称的方式设计——这是一种不同的方式——从而给予更大的设计选择自由，因此，方便地允许适合于感应式功率传输单元的每一种设计的适合的设计。
此外，提供了感应式功率传输单元的进一步优选的实施例，其中，天线元件的匝数大于补偿元件的匝数。上面，说明了定位天线元件和补偿元件的优点。在这种情况下，可以以使得补偿元件具有较少的匝数的方式设计天线元件和补偿元件。因此，补偿元件可以布置在小得多的空间中。也可以使用一个以上补偿元件，其中，补偿元件中的每一个补偿元件比天线元件具有的匝数少。匝数比可以取决于天线元件和补偿元件的磁通密度的反比。在选择匝数比时，还需要考虑补偿元件和天线元件的几何形状。优选地，比例是天线元件的30匝比补偿元件的10匝。因此，在这种情况下，即如果天线元件和补偿元件具有相同横截面并且都卷绕在磁通引导装置上，则磁通密度比为3：1，即补偿绕组位置处的磁通密度是天线元件位置处的磁通密度的三倍。天线元件的匝数与补偿绕组的匝数的比例的优选范围为10：1至1：1。
在另一个优选的实施例中，天线元件和补偿元件被布置成使得由天线元件接收或发射的天线信号的幅值大于由补偿元件接收的天线信号的幅值。这有利地允许实现在辅助操作期间几乎没有补偿的配置，从而使天线操作期间的损失最小化。这可以例如通过使用不同的匝数、通过使用磁芯(例如感应式功率传输单元的磁通引导装置)来放大由天线元件产生的磁通、或者通过将天线元件和补偿元件以彼此相互垂直的取向布置来实现。
在感应式功率传输单元的另一个有利的布置中，补偿元件具有磁轴，并且布置成使它的磁轴垂直于天线信号的磁通密度矢量的方向。磁轴被定义为线圈的绕组的环所围绕的线圈芯轴或线圈轴。通过以这种方式布置补偿元件，它将不会接收天线信号或仅接收一小部分天线信号，因此，不会像天线元件那样被激励。因此，补偿元件有利地在产生或接收天线信号中不起作用或仅起很小的作用。在这点上，补偿元件可以以更简单的方式设计，例如用电绝缘层将这种印刷电路板或印刷电子电路粘合到铁素体中的一个上。
此外，在另一个优选的实施例中，天线元件和补偿元件分别具有磁轴并且布置成使它们的磁轴是彼此垂直的。在天线元件是产生天线元件的情况下，所产生的天线信号不受补偿天线的影响或仅最小地受补偿天线的影响，因为补偿元件的磁轴也是垂直于磁通密度方向矢量布置的。在天线元件是接收天线元件的情况下，补偿元件可以用作第二天线元件，其允许在功率传输的方向上检测或分析天线信号。因此，它可以检测初级单元和次级单元是否在z方向上对准。例如，suv和跑车具有不同的离地间隙，因此有必要考虑感应式功率传输系统的不同气隙。在另一个示例中，间隙可以通过升降装置进行调整，在这种情况下，z方向距离的检测也可能有助于检测。
在另一个实施例中，传感器天线元件是发射天线元件。
在进一步的实施例中，传感器天线元件是接收天线元件。
在一个优选的实施例中，磁通引导装置具有在1与500000之间的磁导率μr、特别是在1000与50000之间的磁导率μr、甚至更优选地是在5000与20000之间的磁导率μr。磁通引导装置可以是增强、引导或束化天线信号的磁通和功率传输的任何材料。优选地，所述材料是诸如铁、铁合金或铁素体的磁性材料。
附图说明
根据本发明的感应式功率传输单元的进一步的特征和优点来自下面描述的示例性实施例。
下面将参照附图更详细地描述和说明根据本发明的感应式功率传输单元的三个优选的实施例。
图1示出了具有补偿元件的感应式功率传输单元的第一实施例，
图2示出了第一实施例的补偿电路的电路图，
图3示出了具有补偿元件的感应式功率传输单元的第二实施例，
图4示出了第二实施例的补偿电路的电路图，
图5示出了具有补偿元件的感应式功率传输单元的第三实施例，
图6a示出了第三实施例的详细视图，
图6b示出了第三实施例的详细视图的自上而下的视图。
具体实施方式
图1和2示出了根据本发明的感应式功率传输单元2、3的第一实施例。感应式功率传输单元2、3是功率传输系统1的一部分，并且可以是感应式充电系统1的初级单元2或次级单元3。
如图1所示，感应式功率传输单元2、3均包括用于产生或接收交变磁场的绕组单元4、5和磁通引导装置6。由于两个功率传输单元2、3之间的相似性，在下面的段落中主要描述了次级单元3。可以看出，绕组单元5由两个绞合线环、左环和右环组成。磁通引导装置6由多个烧结的铁素体块组成。铁素体块6中的两个布置在绕组单元5的环中的一个内，而第三铁素体块6充当磁通引导桥，以在从左极到右极的功率传输操作期间引导磁通。所示的磁通引导装置6仅是在垂直于图面的方向上的多行磁通引导装置中的一行。绕组单元4、5和磁通引导装置6的其它配置是可能的，例如圆形或单环绕组配置。功率传输的方向40由箭头粗略地描绘。
此外，天线元件10卷绕在右铁素体块6上，天线元件10具有第一磁轴11并且沿第一方向卷绕在铁素体块上。补偿绕组20沿与第一方向相反的第二方向卷绕在左铁素体块6上。补偿绕组20还具有第二磁轴21。在图2中示出了天线元件10和补偿元件20的电路。
天线元件10和补偿元件20串联连接，但在功率传输操作期间，以180°的相位角将电压和电流感应到电路中。由于天线元件10和补偿元件20以其它方式对称地布置，因此感应电压和电流具有相同的幅度但相反的符号的振幅。因此，所产生的电压和电流具有足够低到不损坏天线元件10和补偿元件20的电路的幅度。即使是系统的未对准，即初级单元2和次级单元3的未对准，也不会产生重大影响。所产生的电压和电流的幅度仍将足够低，以防止在功率传输操作期间造成损坏。
在感应式功率传输系统1的辅助操作期间，初级单元2的天线元件10和次级单元3的天线元件10可以用于相互通信。在图1中，初级单元2的天线元件10是接收天线，而次级单元3的天线元件10是发射天线。一般来说，通信的方向也可以颠倒的或双向的。可能需要对天线布置结构进行小的调整。
当次级单元3的天线元件10被激励时，它产生通过由右铁素体块6提供的磁芯的磁场。同时，由于天线元件10和补偿元件20的串联连接，补偿元件20也被激励。因此，产生对称磁场，即天线信号50。天线信号50将与初级单元2的天线元件10耦合。
图1所示的实施例不限于对称配置，而是也可以应用非对称配置，只要天线信号仍然足够强且补偿质量足以降低天线元件和补偿元件中感应出的电压和电流的幅度即可。
在图3中示出了本发明的第二实施例。初级单元2和次级单元3的布置是相似的，因此，描述被简化为它们的差别。
在第二实施例中，天线元件10仍然布置在第一位置13处的右铁素体块6处，而与第一实施例不同的是，在第二实施例中，补偿绕组20布置在第二位置23处的中间铁素体块6处。在感应式功率传输单元3的图之上示出了曲线图，在曲线图中，描绘了在功率传输操作期间感应式功率传输单元3的y延伸尺度之上，磁通引导装置6中的磁场强度b[t]的分布7。在所述分布7中，没有考虑到天线元件10和补偿元件20对磁场的反作用影响。此外，假定初级单元2和次级单元3是完全对准的。可以看出，磁场强度b[t]的最大振幅是在中间铁素体块6处。所述曲线的形状是感应式功率传输单元3的对称性的结果，并且可以随着感应式功率传输系统1的不同配置或感应式功率传输单元2、3相对彼此的对准而变化。补偿单元20的布置允许减少补偿天线元件10中感应出的电压和电流所需的匝数，因为在第二位置23处的中间铁素体块6内的磁通密度远远大于右铁素体块6或左铁素体块6中的磁通密度。
根据感应式功率传输单元3中的可用空间，可以将补偿绕组20布置在第二位置23中，所述第二位置23位于远离中心位置的中间铁素体块6上。补偿元件20的替代性的第二位置23b用虚线画出。由于在所述位置处，磁场强度b[t]的振幅仍然高于天线元件10的第一位置13处的。仍然可以将补偿元件20的匝数保持低于天线元件10的匝数来实现对在功率传输操作期间感应出的电压和电流的补偿。在图4中，示出了补偿元件20的匝数低于天线元件10的匝数。此外，在图4中示出了两个替代性的电路布置结构，它们的绕组方向不同。可以看出，在左边的电路中，绕组方向正如上面所解释的那样。在右边的电路中，补偿元件20的第二方向22与天线元件10的第一方向相同。然而，天线元件10和补偿元件20被电连接成使得被描绘为箭头的电压和电流具有相反的极性，因此相互抵消。
此外，可以将天线元件布置在替代性的外部第一位置13b处。在外部第一位置13b处，磁通密度小于原始第一位置13处的中心位置处的磁通密度。
在图5中示出了本发明的第三实施例。如现在将描述的那样，所述布置结构利用感应式功率传输单元3的单极。所使用的磁极位于右铁素体块6中。补偿绕组20几乎与绕组单元5的右环之间的极区一样大，因此，大多数磁通线在进入(或离开)右铁素体块6之前将穿过补偿绕组20的横截面。这将在补偿元件20中产生足够大的感应电压和电流，以补偿天线元件10中的感应电压和电流。第三实施例的电路未示出，但是所述电路类似于图2和图4中所示的电路。可以看出，补偿元件20的磁轴21与天线元件10的磁轴11正交布置。由于所述正交布置，并且由于天线元件10具有铁素体块6形式的磁芯，由天线元件10产生的天线信号50将比由补偿单元产生的任何信号强得多，因此，补偿元件20将不参与天线信号50发射。
可以在被隔离的铜箔上印刷铜绕组以产生补偿绕组20并将其粘合到铁素体块6上。天线元件10优选是卷绕在铁素体块6上的铜线圈，但也可以是印刷在铜箔上并通过多极插头将其连接的铜线圈。
在图6a和图6b中，详细示出了第三实施例的布置结构。在图6b中，以自上而下的视图示出了所述布置结构。可以看出，天线元件10是卷绕在铁素体块6上的圆柱形或螺旋形线圈。
附图标记列表
1感应式充电系统
2初级或发射单元
3次级或接收单元
4产生绕组单元
5接收绕组单元
6磁通引导装置
7磁通密度的振幅
10天线元件
11天线元件的磁轴
12天线元件的第一绕组方向
13第一位置
13b替代性的第一位置
20补偿元件
21补偿元件的磁轴
22补偿元件的第二绕组方向
23第二位置
23b替代性的第二位置
40功率传输的方向
50天线信号