DE102012201547A1 - Device for wireless transmitting electrical power to electric appliance e.g. mobile telephone, of energy transmission system for vehicle, has determination unit that determines couple factor between inductances coupled with each other - Google Patents

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Abstract

The device comprises a first inductance (L1) that is attached to a voltage source (VS) and is inductively coupled with a second inductance (L2) arranged in an electric appliance. A determination unit determines a couple factor (k12) between inductances. An information output unit outputs the information over the couple factor. Independent claims are included for the following: (1) wireless energy transmission system; and (2) method for wireless transmission of electrical power.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die kabellose Übertragung elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung kabellose Batterieladesysteme mit einer Überwachung der Ladeeffizienz.The present invention relates to systems for the wireless transmission of electrical energy. In particular, the present invention relates to cordless battery charging systems having charge efficiency monitoring.

2. Stand der Technik2. 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, the result is 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 widespread application of wireless energy transmission 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 implantieren 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 implanting 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 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.

Für eine Steigerung der Effizienz kommt es weiterhin insbesondere darauf an, die relative Anordnung von Primär- und Sekundärspule zu optimieren, um einen möglichst hohen Koppelfaktor der induktiven Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule zu erreichen. Der Koppelfaktor zweiter 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. Eine bessere Kopplung bedeutet somit eine höhere Durchdringung des magnetischen Flusses. Den Grad der induktiven Kopplung drückt der Kopplungsfaktor k12 aus, definiert als: k12 = L12/√(L1·L2), (1) wobei L1 und L2 jeweils die Selbstinduktivitäten der Spulen L1 und L2 sind, und L12 die Gegeninduktivität der Spulen L1 und L2 darstellt. Der Koppelfaktor kann Werte zwischen 0 und 1 (0 und 100%) annehmen. 1 (100%) bedeutet vollständige Kopplung, d. h., dass der gesamte primärseitige magnetische Fluss die Empfängerspule durchdringt. 0 bedeutet das Fehlen induktiver Kupplung zwischen Primär- und Sekundärseite. Der Koppelfaktor hängt vor allem von geometrischen Größen ab, insbesondere dem Abstand, der relativen Größe und Form der Spulen, sowie ihrer gegenseitigen Ausrichtung (Winkel zwischen den Spulenachsen).In order to increase the efficiency, it is particularly important to optimize the relative arrangement of the primary and secondary coils in order to achieve the highest possible coupling factor of the inductive coupling between primary and secondary coil. The coupling factor of second inductors L 1 and L 2 takes account of the fact that only a part of the magnetic flux of the primary coil penetrates the region of the secondary coil in accordance with the distance between the transmitter coil and the receiver coil (primary coil and secondary coil) and thus contributes to power transmission. A better coupling thus means a higher penetration of the magnetic flux. The degree of inductive coupling is expressed by the coupling factor k 12 , defined as: k 12 = L 12 / √ (L 1 × L 2 ), (1) where L 1 and L 2 are respectively the self-inductances of the coils L 1 and L 2 , and L 12 represents the mutual inductance of the coils L 1 and L 2 . The coupling factor can take values between 0 and 1 (0 and 100%). 1 (100%) means complete coupling, that is, that the entire primary magnetic flux penetrates the receiver coil. 0 means the absence of inductive coupling between primary and secondary side. The coupling factor depends mainly on geometric sizes, in particular the distance, the relative size and shape of the coils, as well as their mutual alignment (angle between the coil axes).

Für ein effizientes kabelloses Laden (effiziente Energieübertragung) ist es deshalb wünschenswert, Ladegerät (Energiequelle) und zu ladendes Gerät (Energieempfänger) so zu justieren, dass ein möglichst hoher Koppelfaktor erreicht wird (d. h. insbesondere möglichst eine parallele Ausrichtung von primärer und sekundärer Induktivität ohne räumlichen Versatz zu erreichen). Dies kann jedoch problematisch sein, da die Anordnung und Lage der Spulen in den primär- und sekundärseitigen Geräten in der Regel von außen nicht erkennbar ist, bzw. sogar (z. B. bei Implantaten) innerhalb bestimmter Grenzen variabel ist.For efficient wireless charging (efficient energy transfer), it is therefore desirable to adjust the charger (energy source) and device to be charged (energy receiver) so that the highest possible coupling factor is achieved (ie in particular possible parallel alignment of primary and secondary inductance without spatial Offset). However, this can be problematic because the Arrangement and position of the coils in the primary and secondary devices is usually not visible from the outside, or even (eg for implants) is variable within certain limits.

Ein kabelloses Ladesystem, welches der erläuterten Problematik Rechnung trägt, ist in der US-Patentanmeldung US 2010/0156345 A1 dargestellt. Die Druckschrift beschreibt ein kabelloses Ladesystem, wobei sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite in der Nähe der jeweiligen Spulen Magnete angebracht sind. Die Spulen sind jeweils zusammen mit den Magneten innerhalb bestimmter Grenzen in den jeweiligen Geräten beweglich. Durch die gegenseitige Anziehung von Primär- und Sekundärmagneten werden die Primär- und Sekundärspule in eine zueinander benachbarte Position gezogen, und der räumliche Versatz wird verringert. Zusätzlich kann durch eine entsprechende Einschränkung der Beweglichkeit der Spulen in den Gehäusen erreicht werden, dass die Orientierung der Induktivität festgelegt bleibt, und somit ein möglichst geringer Winkelversatz entsteht.A wireless charging system, which takes into account the problem explained, is shown in the US patent application US 2010/0156345 A1. The document describes a wireless charging system, wherein magnets are mounted both on the primary side and on the secondary side in the vicinity of the respective coils. The coils are each movable together with the magnets within certain limits in the respective devices. By the mutual attraction of primary and secondary magnets, the primary and secondary coils are pulled into an adjacent position, and the spatial offset is reduced. In addition, it can be achieved by a corresponding restriction of the mobility of the coils in the housings that the orientation of the inductance remains fixed, and thus the smallest possible angular offset arises.

Ein Nachteil des bekannten Ladesystems besteht in dem relativ komplizierten mechanischen Aufbau mit beweglichen Spulen und zusätzlichen Magneten. Weiterhin ist es für einen Benutzer nicht ohne weiteres erkennbar, ob bzw. in welcher relativen Positionierung von Primär- und Sekundärseite ein hoher Koppelfaktor und damit eine effiziente Energieübertragung erreicht werden.A disadvantage of the known charging system is the relatively complicated mechanical structure with movable coils and additional magnets. Furthermore, it is not readily apparent to a user whether or in which relative positioning of the primary and secondary sides a high coupling factor and thus efficient energy transmission are achieved.

Ein System einer induktiven Energieübertragung an einem implantieren medizinischen Gerät ist aus der US-Patentschrift US 7,774,069 B2 bekannt. Das Ladegerät verfügt über einen Indikator zum Anzeigen einer relativen Justierung (Alignment) von Primär- und Sekundärspule. Vorzugsweise erfolgt die Anzeige mit Hilfe eines Leuchtstreifens, dessen Länge als Indikator für die Effizienz der Energieübertragung dient. Ein längerer Lichtstreifen bedeutet eine höhere Effizienz der Energieübertragung, d. h. eine bessere Justierung (Anpassung der Lage und Ausrichtung) zwischen Primär- und Sekundärspule. Die Steuerung der Anzeige beruht auf einer Messung des im implantieren Gerät (insbesondere in dessen Batterie) erzeugten Sekundärstroms. Ein entsprechender Wert wird über ein Funksignal an das primärseitige Ladegerät übertragen, und zur Steuerung der Anzeige verarbeitet. Ein höherer gemessener Stromwert bedeutet hierbei eine höhere Effizienz, und damit eine geringere Dauer des Ladevorgangs.A system of inductive energy transfer to an implanted medical device is known from the US patent US 7,774,069 B2 known. The charger has an indicator to indicate relative alignment of the primary and secondary coils. The display preferably takes place with the aid of a luminous strip whose length serves as an indicator for the efficiency of the energy transfer. A longer light strip means a higher efficiency of energy transfer, ie a better adjustment (adjustment of the position and orientation) between primary and secondary coil. The control of the display is based on a measurement of the secondary current generated in the implanted device (in particular in its battery). A corresponding value is transmitted via a radio signal to the primary-side charger, and processed to control the display. A higher measured current value means a higher efficiency, and thus a shorter duration of the charging process.

Das beschriebene System ermöglicht zwar eine Überwachung der Effizienz des Ladevorgangs, erfordert aber einen relativ komplizierten Aufbau, bei dem insbesondere auf der Sekundärseite zusätzliche Komponenten, wie eine Einrichtung zur Strommessung und zur Übertragung eines Messergebnisses (über Funk) erforderlich sind. Darüber hinaus kann der gemessene Sekundärstrom in der Regel außer durch die Effizienz der induktiven Kopplung noch durch eine Reihe weiterer Faktoren beeinflusst werden, zum Beispiel vom Ladezustand eines sekundärseitigen Akkumulators.Although the described system makes it possible to monitor the efficiency of the charging process, it requires a relatively complicated construction, in which additional components, such as a device for measuring current and for transmitting a measurement result (via radio), are required, in particular on the secondary side. In addition, the measured secondary current can usually still be influenced by a number of other factors, for example the state of charge of a secondary-side accumulator, in addition to the efficiency of the inductive coupling.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung, bei der die Effizienz der Energieübertragung auf einfache und zuverlässige Weise festgestellt werden kann, um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen und sicherzustellen, sowie ein entsprechendes Verfahren bereit zu stellen.The present invention aims to overcome the drawbacks described above and to provide an improved wireless power transmission apparatus in which the efficiency of power transmission can be determined in a simple and reliable manner to achieve and ensure high energy efficiency, as well as a corresponding method to deliver.

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

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine erste Induktivität, eingerichtet zum Anschließen an eine Spannungsquelle und zum induktiven Koppeln mit einer in dem elektrischen Gerät angeordneten zweiten Induktivität. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Einrichtung zum Bestimmen eines Koppelfaktors zwischen der ersten Induktivität und einer induktiv mit der ersten Induktivität gekoppelten zweiten Induktivität.According to a first aspect of the present invention, there is provided an apparatus for wirelessly transmitting electrical energy to an electrical device by inductive coupling. The device comprises a first inductance, configured for connection to a voltage source and for inductive coupling to a second inductance arranged in the electrical device. The apparatus further comprises means for determining a coupling factor between the first inductor and a second inductor inductively coupled to the first inductor.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung von einer primärseitigen Induktivität zu einer sekundärseitigen Induktivität bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Bestimmens eines Koppelfaktors zwischen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität mit einer primärseitigen Bestimmungseinrichtung.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of wirelessly transmitting electrical energy by inductive coupling from a primary-side inductor to a secondary-side inductor. The method comprises the step of determining a coupling factor between the first inductance and the second inductance with a primary-side determination device.

Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, die Effizienz der induktiven Energieübertragung zwischen einer Primär- und einer Sekundärinduktivität durch primärseitige Bestimmung des Koppelfaktors zu ermitteln. Die Bestimmung beruht darauf, dass die maßgebliche äquivalente Impedanz des Primärkreises nur vom Koppelfaktor und als bekannt anzunehmenden Parametern des Sekundärkreises abhängt. Somit ist eine Bestimmung des Koppelfaktors ohne sekundärseitigen Hardware- und/oder Verarbeitungsaufwand zuverlässig und kostengünstig möglich.It is the particular approach of the present invention to determine the efficiency of the inductive energy transfer between a primary and a secondary inductance by determining the coupling factor on the primary side. The determination is based on the fact that the relevant equivalent impedance of the Primary circuit depends only on the coupling factor and known as the parameters of the secondary circuit. Thus, a determination of the coupling factor without secondary hardware and / or processing effort is reliable and inexpensive possible.

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

Vorzugsweise stellt die Spannungsquelle eine Wechselspannung bereits. Wie bekannt, beruht der Vorgang der elektromagnetischen Induktion auf der zeitlichen Änderung eines Stromflusses durch einen Induktor, und einen daraus resultierendem zeitlich veränderlichen 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 z. B. ein Zerhacker sein, der einen pulsierenden Gleichstrom bereitstellt. Auch die Verwendung von Mischstrom ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.The voltage source preferably already provides an 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 z. B. may be a chopper that provides a pulsating DC. The use of mixed flow is possible in the context of the present invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Informationsausgabeeinrichtung zum Ausgeben einer Information über den Koppelfaktor. Hierbei handelt es sich vorzugweise um eine Anzeigeeinrichtung, die den von der Vorrichtung ermittelten Koppelfaktor optisch anzeigt. Dies kann z. B. in Form eines Zahlenwertes (Absolutwert von 0 bis 1 oder Prozentwert von 0 bis 100%) sein, der auf einem Display mittels LED- oder LCD-Technologie angezeigt wird. Alternativ ist auch eine geometrische Darstellung, z. B. in Form eines Balken- oder Kreisdiagramms möglich. Die dargestellte Information über den Koppelfaktor kann sich auch auf eine einfache, grobstufige Informationsdarstellung beschränken, z. B. gute, schlechte oder mittlere Kopplungsstärke. Dies kann alternativ auch durch eine einfache Anzeige in Form von Lichtsignalen, z. B. unterschiedlicher Farbe oder unterschiedlicher Helligkeit geschehen. Weiter alternativ ist auch eine akustische Signalausgabe, bei der z. B. eine Lautstärke oder eine Tonhöhe eines akustischen Signals als ein ungefähres Maß für den ermittelten Koppelfaktor verwendet wird, im Rahmen der Erfindung möglich. Schließlich kann zur Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit eine optische mit einer akustischen Anzeige verbunden werden, in dem z. B., ergänzend zu einer numerischen Anzeige eines ermittelten Wertes des Koppelfaktors zusätzlich ein akustisches Signal ertönt, wenn während eines Justierungsvorgangs oder durch andere äußere Einflüsse der Koppelfaktor einen bestimmten vorgegebenen Wert über- und/oder unterschreitet.According to a preferred embodiment, the device further comprises an information output device for outputting information about the coupling factor. This is preferably a display device which displays optically the coupling factor determined by the device. This can be z. B. in the form of a numerical value (absolute value of 0 to 1 or percentage of 0 to 100%), which is displayed on a display using LED or LCD technology. Alternatively, a geometric representation, for. B. in the form of a bar or pie chart possible. The illustrated information about the coupling factor can also be limited to a simple, coarse-grained information presentation, z. B. good, poor or medium coupling strength. This can alternatively also by a simple display in the form of light signals, eg. B. different color or different brightness happen. Next alternatively, an acoustic signal output, in the z. B. a volume or a pitch of an acoustic signal is used as an approximate measure of the determined coupling factor, in the invention possible. Finally, an optical can be connected to an acoustic display to increase the ease of use, in which z. B., in addition to a numerical display of a determined value of the coupling factor additionally sounds an acoustic signal when during an adjustment process or by other external influences of the coupling factor exceeds and / or falls below a certain predetermined value.

Vorzugsweise ermittelt die Einrichtung zum Bestimmen eines Koppelfaktors den Koppelfaktor, indem sie einen Strom bestimmt, der bei gegebener Spannung von der Spannungsquelle durch die primärseitige Induktivität fließt. Gemäß der vorliegenden Erfindung findet also eine Messung ausschließlich auf der Primärseite statt.Preferably, the means for determining a coupling factor determines the coupling factor by determining a current which flows at a given voltage from the voltage source through the primary-side inductance. Thus, according to the present invention, a measurement takes place exclusively on the primary side.

Weiter vorzugsweise wird der primärseitige Strom mit einer Einrichtung bestimmt, die eine weitere primärseitige Induktivität (dritte Induktivität) umfasst, die in Reihe mit der ersten Induktivität geschaltet ist, aber so angeordnet ist, dass sie nicht an die Sekundärinduktivität des elektrischen Geräts koppelt. Weiter vorzugsweise wird der Strom durch Messen eines Spannungsabfalls über die dritte Induktivität mit ihrer bekannten Impedanz ermittelt. Ebenfalls vorzugweise verfügt die dritte Induktivität über einen wesentlich kleineren Induktivitätswert als die erste Induktivität.More preferably, the primary-side current is determined by a device comprising a further primary-side inductance (third inductance), which is connected in series with the first inductance, but arranged so that it does not couple to the secondary inductance of the electrical device. More preferably, the current is determined by measuring a voltage drop across the third inductor with its known impedance. Also preferably, the third inductor has a much smaller inductance value than the first inductor.

Die dritte Induktivität ist dabei vorzugsweise um mehrere Größenordnungen kleiner als die erste Induktivität, zum Beispiel zwei Größenordnungen, entsprechend einem Faktor von etwa 1/100. Hierdurch ist der Serienwiderstand gering, und die dritte Induktivität ist näherungsweise ein verlustloser elektrischer Sensor. Da bei der induktiven Energieübertragung Primär- und Sekundärinduktivitäten in der Regel in der gleichen Größenordnung liegen (zum Beispiel im Verhältnis 2:1 oder 1,5:1), ist der Betrag zu der zusätzlichen dritten Induktivität somit auch klein gegen denjenigen der zweiten Induktivität auf der Sekundärseite.The third inductance is preferably smaller by several orders of magnitude than the first inductance, for example two orders of magnitude, corresponding to a factor of about 1/100. As a result, the series resistance is low, and the third inductance is approximately a lossless electrical sensor. Since in inductive energy transmission primary and secondary inductances are generally of the same order of magnitude (for example in the ratio 2: 1 or 1.5: 1), the amount to the additional third inductance is thus also small compared to that of the second inductance the secondary side.

Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion bereitgestellt. Das System umfasst eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das System umfasst weiterhin ein elektrisches Gerät. Das elektrische Gerät umfasst eine zweite Induktivität, eingerichtet zum induktiven Koppeln mit der ersten Induktivität in der Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie. Das elektrische Gerät umfasst weiterhin einen mit der zweiten 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 first aspect of the invention. The system further includes an electrical device. The electrical device includes a second inductor configured for inductive coupling with the first inductor in the apparatus for wireless transmission of electrical energy. The electrical device further comprises a load circuit electrically connected to the second inductance.

Vorzugsweise weist der Lastkreis hierbei eine Speichereinrichtung für elektrische Energie auf, womit die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie als Ladegerät dient. Bei der Speichereinrichtung 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").

Alternativ kann die vorliegende Erfindung auch benutzt werden, um einem elektrischen Gerät drahtlos Energie zuzuführen, die unmittelbar für den Betrieb des Geräts benötigt wird, ohne dass eine Zwischenspeicherung erfolgt.Alternatively, the present invention may also be used to wirelessly supply energy to an electrical device that is needed immediately for the operation of the device without caching.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrischen Gerät um ein portables elektrisches Gerät, wie z. B. 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 ZEICHNUNGENBRIEF 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:

1 eine Darstellung eines kabellosen Energieübertragungssystems mit Koppelfaktoranzeige gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, 1 FIG. 4 is an illustration of a wireless power transmission system having a coupling factor indicator according to an embodiment of the present invention; FIG.

2 eine schematische Darstellung der Bedeutung der geometrischen Anordnung zweier induktiv gekoppelten Spulen für die Effizienz der Energieübertragung zeigt, 2 shows a schematic representation of the meaning of the geometric arrangement of two inductively coupled coils for the efficiency of energy transfer,

3 ein Beispiel für eine Kalibrierungskurve einer Koppelfaktoranzeige gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und 3 an example of a calibration curve of a coupling factor display according to an embodiment of the present invention, and

4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. 4 a flowchart of a method according to the invention represents.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung mittels Induktion, insbesondere ein Ladegerät, zur Verfügung, das eine einfache Justierung für einen maximalen Energietransfer, also hohe Ladeffizienz, auf kostengünstige und einfache Weise ermöglicht. Da keine zusätzlichen Anforderungen für die Bestimmung der Ladeeffizienz auf der Sekundärseite, also dem zu ladendem Gerät, benötigt werden, kann mit dem verbesserten induktiven Ladegerät gemäß der vorliegenden Erfindung ein herkömmliches, für kabelloses Laden eingerichtetes elektrisches Gerät geladen werden. Die vorliegende Erfindung ist somit auch zur Erhöhung der Effizienz des Ladevorgangs bereits vorhandener elektrischer Geräte anwendbar.The present invention provides a device for wireless energy transmission by induction, in particular a charger, which enables simple adjustment for maximum energy transfer, ie high charging efficiency, in a cost-effective and simple manner. Since no additional requirements for the determination of the charging efficiency on the secondary side, so the device to be charged, are needed, can be loaded with the improved inductive charger according to the present invention, a conventional, set up for wireless charging electrical device. The present invention is thus also applicable to increase the efficiency of the charging of existing electrical equipment.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

1 zeigt eine Vorrichtung zur kabellosen Energieübertragung (kabelloses Ladegerät), im Folgenden als Energieversorgungsgerät bezeichnet, mit einem Detektorkreis zur Bestimmung eines Koppelfaktors und ein induktiv gekoppeltes elektrisches Gerät, an welches elektrische Energie übertragen werden kann. Eine gestrichelte senkrechte Linie markiert die Grenze zwischen Energieversorgungsgerät und induktiv gekoppeltem Gerät. 1 shows a device for wireless power transmission (wireless charger), hereinafter referred to as power supply device, with a detector circuit for determining a coupling factor and an inductively coupled electrical device to which electrical energy can be transmitted. A dashed vertical line marks the boundary between the power supply and the inductively coupled device.

Das Energieversorgungsgerät umfasst eine erste Induktivität (Primärinduktivität) L1. Diese wird in einem Strom Is aus einer Spannungsquelle VS durchflossen. Wie weiter oben ausgeführt, muss die Spannungsquelle im Rahmen der Erfindung nicht Bestandteil des Energieversorgungsgeräts sein, sondern kann auch separat vorgesehen und über einen entsprechenden Anschluss mit dem Energieversorgungsgerät verbunden sein.The power supply device comprises a first inductance (primary inductance) L1. This is traversed in a current I s from a voltage source V S. As stated above, the voltage source in the invention must not be part of the power supply device, but can also be provided separately and connected via a corresponding connection to the power supply unit.

Das Energieversorgungsgerät umfasst weiterhin einen Koppelfaktorbestimmungskreis zur Bestimmung eines Koppelfaktors und damit zur Unterstützung bei der optimalen Justierung des Ladegeräts mit einem zu ladenden sekundären elektrischen Gerät. Der Koppelfaktorbestimmungskreis umfasst eine zusätzliche (dritte) Induktivität L3, die klein gegen die erste Induktivität, in Reihe mit der ersten Induktivität L1 verbunden und gegen Erde geschaltet ist. Die Induktivität L3 dient als Detektorspule (verlustarmer elektrischer Sensor). Der Koppelfaktorbestimmungskreis umfasst weiterhin ein Dämpfungsglied, einen Leistungsdetektor, einen Differenzverstärker und einen Koppelfaktorindikator (insbesondere: eine Anzeigeeinrichtung). The power supply device further comprises a coupling factor determination circuit for determining a coupling factor and thus to assist in optimally adjusting the charger with a secondary electrical device to be charged. The coupling factor determination circuit includes an additional (third) inductor L3, which is connected in small opposition to the first inductor, in series with the first inductor L1, and connected to ground. The inductance L3 serves as a detector coil (low-loss electrical sensor). The coupling factor determination circuit further comprises an attenuator, a power detector, a differential amplifier and a coupling factor indicator (in particular: a display device).

Das sekundärseitige elektrische Gerät (zu ladende Gerät), im Folgenden als Energieempfänger bezeichnet, umfasst eine zweite Induktivität (Sekundärinduktivität) L2 und eine Last, gekennzeichnet durch einen Widerstand RL. Die Induktivitäten L1 und L2 koppeln induktiv mit einem Kopplungsfaktor k12. Hierbei stellt T das Windungszahlverhältnis der primärseitigen zur sekundärseitigen Induktivität dar. Ein in der sekundärseitigen Induktivität induzierter Strom IL wird dem Lastkreis RL zugeführt. Insbesondere umfasst der Lastkreis RL eine aufladbare Batterie (Akkumulator), in der Zeichnung durch die Ladespannung VL dargestellt.The secondary-side electrical device (device to be charged), hereinafter referred to as energy receiver, comprises a second inductance (secondary inductance) L2 and a load, characterized by a resistor R L. The inductors L1 and L2 inductively couple with a coupling factor k 12 . In this case, T represents the turns ratio of the primary-side to the secondary-side inductance. A current I L induced in the secondary-side inductance is supplied to the load circuit R L. In particular, the load circuit R L comprises a rechargeable battery (rechargeable battery), represented in the drawing by the charging voltage V L.

Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache Justierung (gegenseitige Anordnung) der induktiv gekoppelten Spulen L1 und L2, ohne dass zusätzliche Anforderungen an die Ausgestaltung der Energieempfänger gestellt werden. Es sind keine zusätzlichen Komponenten (weder Magnete zur Bewegung der Spulen mittels Magnetkraft, noch Detektoren zur Messung elektrischer Größen wie eines Sekundärstroms) in dem Energieempfänger (auch als RX-Seite bezeichnet) erforderlich, um die Justierung zu unterstützen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Energieempfänger kleine, tragbare Geräte, wie Mobiltelefone, persönliche digitale Assistenten (PDA) oder Digitalkameras oder aber medizinische Implantate sind.Thus, the present invention allows a simple adjustment (mutual arrangement) of the inductively coupled coils L1 and L2, without additional requirements are placed on the design of the energy receiver. No additional components (neither magnets for moving the coils by magnetic force nor detectors for measuring electrical quantities such as a secondary current) are required in the energy receiver (also referred to as RX side) to aid in adjustment. This is particularly advantageous when the power receivers are small, portable devices such as cell phones, personal digital assistants (PDA) or digital cameras or medical implants.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind alle für die Unterstützung der Justierung erforderlichen Einrichtungen primärseitig (auf der Übertrager- oder Energieversorgungsseite) vorgesehen. Mit anderen Worten, unterstützt die Ausgestaltung des Energieversorgungsgeräts die optimale Kopplung mit einem beliebigen Energieempfänger. Weiter ist keine zusätzliche Kommunikation, etwa über Funk, zwischen der Primär- und der Sekundärseite erforderlich, um die Justierung oder Leistungssteuerung auf der Übertragerseite (auch als TX-Seite bezeichnet) zu ermöglichen, erforderlich.According to the present invention, all the facilities required to support the adjustment are provided on the primary side (on the transmitter or power supply side). In other words, the design of the power supply device supports the optimal coupling with any power receiver. Further, no additional communication, such as over radio, between the primary and the secondary side is required to allow the adjustment or power control on the transmitter side (also referred to as the TX side) required.

Das Herzstück des Koppelfaktorbestimmungskreises ist die Detektorspule L3. Es besteht keine direkte magnetische Kopplung zwischen der Spule L2 auf der Sekundärseite und der Detektorspule L3. Der Koppelfaktorbestimmungskreis, im Folgenden auch als Detektorkreis bezeichnet, misst einen Spannungsabfall VD über die Detektorspule L3. Die Spannung VD ändert sich, wenn sich der Strom IS bei konstanter Quellenspannung VS ändert. Die Änderung des Quellenstroms IS ist im Wesentlichen einer Funktion des Koppelfaktors k12, der den Einfluss der Impedanz der Sekundärseite auf die Primärseite widerspiegelt.The heart of the coupling factor determination circuit is the detector coil L3. There is no direct magnetic coupling between the coil L2 on the secondary side and the detector coil L3. The coupling factor determination circuit, also referred to below as the detector circuit, measures a voltage drop V D across the detector coil L3. The voltage V D changes when the current I S changes at a constant source voltage V S. The change in the source current I S is essentially a function of the coupling factor k 12 , which reflects the influence of the impedance of the secondary side to the primary side.

Das Gesamtsystem aus den induktiv gekoppelten Spulen L1 und L2 mit dem angeschlossenen sekundärseitigen Lastkreis kann nämlich mittels einer äquivalenten Impedanz des Gesamtsystems (in der Figur durch den ausgezogenen Pfeil mit der Bezeichnung Zin dargestellt) modelliert werden. Wenn die gekoppelten Spulen L1 und L2 gemäß dem Modell des nicht idealen Transformators mit endlichen Spulen modelliert werden, so beträgt die äquivalente Systemimpedanz Zin

Figure 00090001
hierbei ist T das Windungsverhältnis, j ist die imaginäre Einheit, RL der Widerstand des Lastkreises, und ω die Kreisfrequenz (2πf mit der Frequenz f). Die Größen L1, L2 und L3 stellen die jeweiligen Selbstinduktivitäten der entsprechenden Spulen dar, k12 ist der Koppelfaktor, der von den Selbstinduktivitäten und der Gegeninduktivität L12 entsprechend Gleichung (1) abhängt. Wie man sieht, hängt die Impedanz Zin neben primärseitigen Parametern von Parametern des sekundärseitigen elektrischen Geräts ab, insbesondere T (bei gegebener Primärwicklung abhängig von der sekundärseitigen Windungszahl), L2 und RL. Diese Parameter sind jedoch vom aktuellen Betriebszustand unabhängig und können für ein gegebenes elektrisches Gerät als bekannt vorausgesetzt werden. Die einzige Unbekannte ist somit der Koppelfaktor k12.Namely, the entire system of the inductively coupled coils L1 and L2 with the secondary side load circuit connected can be modeled by means of an equivalent impedance of the entire system (represented by the solid arrow labeled Z in the figure). When the coupled coils L1 and L2 are modeled according to the model of the non-ideal transformer with finite coils, the equivalent system impedance is Z in
Figure 00090001
where T is the turns ratio, j is the imaginary unit, R L is the resistance of the load circuit, and ω is the angular frequency (2πf with frequency f). The quantities L1, L2 and L3 represent the respective self-inductances of the respective coils, k 12 is the coupling factor, which depends on the self-inductances and the mutual inductance L 12 according to equation (1). As you can see, the impedance Z depends in addition to primary parameters of parameters of the secondary-side electrical device, in particular T (for a given primary winding depending on the secondary-side number of turns), L 2 and R L. However, these parameters are independent of the current operating state and may be assumed to be known for a given electrical device. The only unknown is thus the coupling factor k 12 .

Die gegenseitige Anordnung der Spulen L1 und L2 (insbesondere ihr Abstand und ihre relative Achsenausrichtung) beeinflussen die Gegeninduktivität L12 und damit den Koppelfaktor k12. Somit ändert sich die äquivalente Impedanz Zin, und damit die Spannung VD. Der Spannungsabfall VD über Induktor L3 ist gegeben durch

Figure 00090002
The mutual arrangement of the coils L1 and L2 (in particular their distance and their relative axis alignment) influence the mutual inductance L 12 and thus the coupling factor k 12 . Thus, the equivalent impedance Z in , and thus the voltage V D, changes . The voltage drop V D via inductor L3 is given by
Figure 00090002

Durch Messung der Spannung VD kann also die Impedanz Zin und somit nach Gleichung (2) der Koppelfaktor k12 bestimmt werden.By measuring the voltage V D , therefore, the impedance Z in and thus according to equation (2) of the coupling factor k 12 can be determined.

Der detektierte Spannungsabfall VD über die Detektorspule L3 wird zur Anzeige der Kopplungsstärke zwischen den Spulen L1 und L2 weiterverarbeitet. Insbesondere wird der Spannungspegel VD zunächst in einem Dämpfungsglied gedämpft, um an das Eingangsspannungsniveau des Leistungsdetektors angepasst zu werden. Der Leistungsdetektor wird vorzugweise z. B. basierend auf einer Schottky-Diode, gefolgt von einem Tiefpassfilter, realisiert und kann somit kostengünstig bereitgestellt werden. Die am Ausgang des Detektors ermittelte Spannung wird mit dem Differenzverstärker verstärkt und skaliert, und einem Anzeigegerät zugeführt (im gezeigten Beispiel vorzugsweise ein LED- oder LCD-Display). Auf dem Display wird eine entsprechende Anzeige des Koppelfaktors, und damit der Energieübertragungseffizienz dargestellt, z. B. als Zahl zwischen 0 und 1, in Prozent oder in graphischer Form.The detected voltage drop V D across the detector coil L3 is further processed to display the coupling strength between the coils L1 and L2. In particular, the voltage level V D is first attenuated in an attenuator to match the input voltage level of the power detector. The power detector is preferably z. B. based on a Schottky diode, followed by a low-pass filter, realized and can thus be provided inexpensively. The voltage determined at the output of the detector is amplified and scaled by the differential amplifier, and fed to a display device (in the example shown, preferably an LED or LCD display). On the display, a corresponding display of the coupling factor, and thus the energy transfer efficiency is shown, for. As a number between 0 and 1, in percent or in graphical form.

2 ist eine Darstellung des Einflusses einer Verschiebung (eines räumlichen Versatzes) der Sekundärspule L2 gegenüber der Primärspule L1. In der Darstellung der 2 ist der Koppelfaktor k12 umso größer, je geringer der räumliche Versatz beider Spulen ist. Während in 2(a) nur ein relativ geringer Koppelfaktor realisiert werden kann, steigt dieser in 2(b), und erreicht ein Maximum in 2(c) wenn kein räumlicher Versatz zwischen den Spulenzentren besteht. Im Fall der 2(c) durchsetzen die meisten Flusslinien der Spule L1 den Bereich der Spule L2. Für eine hocheffiziente Energieübertragung ist es somit wünschenswert, der in 2(c) dargestellten Situation möglichst nahe zu kommen. Hierbei unterstützt die vorliegende Erfindung, in dem sie es über die Anzeigeeinrichtung ermöglicht, das ein Benutzer während des Justiervorgangs den Zustand optimaler Justierung erkennt, obwohl die genaue Position und Ausrichtung der Spulen weder bekannt noch von außen erkennbar sind. 2 FIG. 12 is an illustration of the influence of a displacement (a spatial displacement) of the secondary coil L2 with respect to the primary coil L1. In the presentation of the 2 is the coupling factor k 12, the greater the smaller the spatial offset of both coils. While in 2 (a) only a relatively low coupling factor can be realized, this increases in 2 B) , and reaches a maximum in 2 (c) if there is no spatial offset between the coil centers. In the case of 2 (c) Most of the flux lines of the coil L1 pass through the region of the coil L2. For a highly efficient energy transfer it is thus desirable to use the in 2 (c) as close as possible to the situation. Hereby, the present invention, by allowing the user to know the state of optimal alignment during the adjustment operation, although the exact position and orientation of the coils are neither known nor recognizable from the outside, supports it via the display device.

3 zeigt ein simuliertes Beispiel für die Abhängigkeit einer Ansteuerspannung der Anzeigevorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1. Die Simulation berücksichtigt die transformatorischen Verluste und die Induktivitäten von Primär- und Sekundärspule. Durch eine entsprechende Kalibrierung der Anzeige kann eine direkte Angabe des Koppelfaktors zwischen Minimal- und Maximalwert erfolgen. 3 shows a simulated example of the dependence of a drive voltage of the display device according to the embodiment of 1 , The simulation takes into account the transformer losses and the inductances of the primary and secondary coils. By a corresponding calibration of the display, a direct indication of the coupling factor between minimum and maximum value can be made.

4 ist ein Diagramm eines Verfahrens zur Bestimmung des Koppelfaktors bei der induktiven Energieübertragung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Schritt S10 erfolgt eine Messung des Primärstroms IS. Dies erfolgt vorzugsweise über die Messung des Spannungsabfalls VD über eine Detektorspule L3 bei vorgegebener Eingangsspannung VS. 4 FIG. 12 is a diagram of a method for determining the coupling factor in inductive power transmission according to an embodiment of the present invention. FIG. In step S10, a measurement of the primary current I S takes place . This is preferably done via the measurement of the voltage drop V D via a detector coil L3 at a given input voltage V S.

Im nachfolgenden Schritt S20 wird mit Hilfe der Schaltung des Detektorkreises eine einem bestimmten Wert des Koppelfaktors k12 eineindeutig zuzuordnende Spannung ausgegeben und damit der Koppelfaktor bestimmt.In the following step S20, a voltage unique to a specific value of the coupling factor k 12 is output with the aid of the circuit of the detector circuit, and thus the coupling factor is determined.

Im nachfolgenden Schritt S30 erfolgt durch entsprechende Kalibrierung die Anzeige des Koppelfaktors auf einem Anzeigegerät.In the following step S30, the display of the coupling factor on a display device is carried out by appropriate calibration.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache und zuverlässige Unterstützung eines Justiervorgangs bei elektromagnetischer Energieübertragung mittels Induktion mit einer einfachen primärseitigen Detektorschaltung, und mit vertretbarem Hardwareaufwand. Sekundärseitig ist keinerlei zusätzliche Hardware oder Software erforderlich. Insbesondere ist beidseitig keine Unterstützung durch beweglich mit Hilfe von Magneten gestaltete Spulen erforderlich. Dies bedeutet gegenüber dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowohl eine Gewichtsreduzierung, als auch Eliminierung unerwünschter Einflüsse der elektromagnetischen Wechselwirkung zur Energieübertragung durch die Magnetfelder.The present invention enables a simple and reliable support of an electromagnetic energy transfer adjustment process by induction with a simple primary-side detector circuit, and with reasonable hardware expense. Secondary, no additional hardware or software is required. In particular, there is no need for support on both sides by coils designed to be movable with the aid of magnets. This means over the prior art known solutions both a weight reduction, as well as elimination of unwanted influences of the electromagnetic interaction for energy transmission through the magnetic fields.

Die Koppelfaktorbestimmungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, den Koppelfaktor k12 zwischen Primär- und Sekundärspulen mit guter Genauigkeit anzuzeigen und kann somit für die Steuerung einer effizienten Energieübertragung verwendet werden. Durch eine entsprechende Rekalibrierung des Anzeigegeräts zur Berücksichtigung des Einflusses sekundärseitiger elektrischer Parameter auf die äquivalente Gesamtimpedanz Zin ist die vorliegende Erfindung für unterschiedliche an ein- und dasselbe Energieversorgungsgerät anzukoppelnde Sekundärspulen (verschiedene elektrische Geräte) leicht anpassbar. Somit können mit einem Ladegerät auch verschiedene elektrische Geräte geladen werden.The coupling factor determining device according to the present invention is capable of indicating the coupling factor k 12 between primary and secondary coils with good accuracy, and thus can be used for the control of efficient power transmission. By appropriately recalibrating the display device to take account of the influence of secondary-side electrical parameters on the equivalent total impedance Z in , the present invention is easily adaptable to different secondary coils (various electrical devices) to be coupled to one and the same power supply device. Thus, with a charger and various electrical devices can be charged.

Weiterhin ist der elektronische Aufwand gegenüber im Stand der Technik bekannten Lösungen mit stetiger Überwachung des Laststroms deutlich verringert. Eine Lösung mit sekundärseitiger Stromüberwachung benötigt zudem entsprechende primärseitige Verarbeitungseinrichtungen für das von der Sekundärseite zurückgesendete Signal (z. B. mittels Mikroprozessoren), um aus dem sekundärseitigen Strom die Energieübertragungseffizienz abzuschätzen. Furthermore, the electronic complexity compared to known in the prior art solutions with continuous monitoring of the load current is significantly reduced. A solution with secondary-side current monitoring also requires corresponding primary-side processing devices for the signal sent back from the secondary side (eg by means of microprocessors) in order to estimate the energy transfer efficiency from the secondary-side current.

Zusammenfassend, betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur induktiven Energieübertragung, insbesondere ein kabelloses Ladesystem mit einer einfachen und zuverlässigen Justierhilfe zur Erzielung einer hohen Übertragungseffizienz. Hierzu wird ein Koppelfaktor primärseitig bestimmt und in Echtzeit auf einem Display angezeigt.In summary, the present invention relates to a system for inductive power transmission, in particular a wireless charging system with a simple and reliable Justierhilfe to achieve a high transmission efficiency. For this purpose, a coupling factor is determined on the primary side and displayed in real time on a display.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7774069 B2 [0009] US 7774069 B2 [0009]

Claims (14)

Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung, umfassend: eine erste Induktivität (L1), eingerichtet zum Anschließen an eine Spannungsquelle (VS) und zum induktiven Koppeln mit einer in dem elektrischen Gerät angeordneten zweiten Induktivität (L2), gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen eines Koppelfaktors (k12) zwischen der ersten Induktivität (L1) und einer induktiv mit der ersten Induktivität (L1) gekoppelten zweiten Induktivität (L2).Device for the wireless transmission of electrical energy to an electrical device by means of inductive coupling, comprising: a first inductor (L1), adapted for connection to a voltage source (V S ) and for inductive coupling with a second inductance (L2) arranged in the electrical device, characterized by means for determining a coupling factor (k 12 ) between the first inductor (L1) and a second inductor (L2) inductively coupled to the first inductor (L1). Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine an die erste Induktivität (L1) angeschlossene Spannungsquelle (VS).The device of claim 1, further comprising a voltage source (V S ) connected to the first inductor (L1). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Informationsausgabeeinrichtung zum Ausgeben einer Information über den Koppelfaktor (k12).Apparatus according to claim 1 or 2, further comprising an information output means for outputting information about the coupling factor (k 12 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einrichtung zum Bestimmen eines Koppelfaktors (k12) eine Einrichtung zum Bestimmen eines Stroms (IS), der bei gegebener Spannung (VS) von der Spannungsquelle durch die erste Induktivität (L1) fließt.Apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the means for determining a coupling factor (k 12 ) comprises means for determining a current (I S ) flowing from the voltage source through the first inductance (L 1) at a given voltage (V S ) , Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Bestimmen eines Stroms eine dritte Induktivität (L3) umfasst, die in Reihe mit der ersten Induktivität (L1) geschaltet ist und nicht induktiv an eine zweite Induktivität (L2) des elektrischen Geräts gekoppelt ist.The apparatus of claim 4, wherein the means for determining a current comprises a third inductor (L3) connected in series with the first inductor (L1) and not inductively coupled to a second inductor (L2) of the electrical appliance. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Strom durch die erste Induktivität (L1) durch Messen einer Spannung (VD) über die dritte Induktivität (L3) bestimmt wird.The device of claim 5, wherein the current through the first inductor (L1) is determined by measuring a voltage (V D ) across the third inductor (L3). Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Größe der dritten Induktivität (L3) klein gegenüber der Größe der ersten Induktivität (L1) ist.Apparatus according to claim 5 or 6, wherein the size of the third inductor (L3) is small compared to the size of the first inductor (L1). System zur kabellosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion, umfassend eine Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie an ein elektrisches Gerät mittels induktiver Kopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und ein elektrisches Gerät, wobei das elektrische Gerät umfasst: eine zweite Induktivität (L2), eingerichtet zum induktiven Koppeln mit der ersten Induktivität (L1) in der Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie, und einen mit der zweiten Induktivität (L2) elektrisch verbundenen Lastkreis (RL).An electromagnetic induction wireless energy transmission system comprising an apparatus for wirelessly transmitting electrical power to an inductive coupling electrical device as claimed in any one of claims 1 to 7, and an electrical device, the electrical device comprising: a second inductor (L2) for inductive coupling with the first inductance (L1) in the device for wireless transmission of electrical energy, and a load circuit (R L ) electrically connected to the second inductance (L2). System nach Anspruch 8, wobei der Lastkreis (RL) eine Speichereinrichtung für elektrische Energie enthält, und die Vorrichtung zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie als Ladegerät für die Speichereinrichtung für elektrische Energie dient.A system according to claim 8, wherein said load circuit (R L ) includes an electrical energy storage means, and said electric power wireless transmission device serves as a charger for said electrical energy storage means. Verfahren zur kabellosen Übertragung elektrischer Energie mittels induktiver Kopplung von einer primärseitigen Induktivität (L1) zu einer sekundärseitigen Induktivität (L2), gekennzeichnet durch den Schritt (S20) des Bestimmens eines Koppelfaktors (k12) zwischen der ersten Induktivität (L1) und der zweiten Induktivität (L2) mit einer primärseitigen Bestimmungseinrichtung.Method for the wireless transmission of electrical energy by means of inductive coupling from a primary-side inductance (L1) to a secondary-side inductance (L2), characterized by the step (S20) of determining a coupling factor (k 12 ) between the first inductance (L1) and the second inductance (L2) with a primary-side determination device. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend den Schritt (S30) des Ausgebens einer Information über den Koppelfaktor (k12).The method of claim 10, further comprising the step (S30) of outputting information about the coupling factor (k 12 ). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Schritt (S20) des Bestimmens eines Koppelfaktors (k12) den Schritt (S10) des Bestimmens eines Stroms (IS) umfasst, der bei gegebener Spannung (VS) durch die erste Induktivität (L1) fließt.Method according to claim 10 or 11, wherein the step (S20) of determining a coupling factor (k 12 ) comprises the step (S10) of determining a current (I S ) which, for a given voltage (V S ), is passed through the first inductance (L1 ) flows. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bestimmens (S10) des Stroms den Schritt des Messens einer Spannung (VD) über eine dritte Induktivität (L3) umfasst, die in Reihe mit der ersten Induktivität (L1) geschaltet ist und nicht induktiv an die zweite Induktivität (L2) gekoppelt ist.The method of claim 12, wherein the step of determining (S10) the current comprises the step of measuring a voltage (V D ) across a third inductor (L3) connected in series with the first inductor (L1) rather than inductively the second inductance (L2) is coupled. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiterhin umfassend den Schritt des Speicherns übertragener Energie in einer sekundärseitigen Speichereinrichtung für elektrische Energie. The method of any one of claims 10 to 13, further comprising the step of storing transferred energy in a secondary-side electrical energy storage device.
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