本发明涉及一种用于将电能输送给至少一个用电器、例如蓄电池的设备，所述设备包含：用于输送电能的至少一个输送器装置，所述至少一个输送器装置具有至少一个第一线圈和至少一个第一电容器，以用于在输送器装置上产生谐振电路；用于接收由输送器装置输送的能量的至少一个接收器装置，所述至少一个接收器装置具有至少一个第二线圈和至少一个第二电容器，以用于在接收器装置上产生谐振电路，其中，接收器装置能与用电器连接以形成电连接；变压器，用于在接收器装置上的谐振电路与用电器之间进行阻抗匹配；以及电源、特别是交流电压源，所述电源用于向在输送器装置上的谐振电路供应电能。
背景技术：
将电能从输送器无线输送给、例如以感应传输的形式输送给接收器长久以来便已知。然而，根据现有技术的用于无线能量输送的设备的问题在于在输送方面的相对高的能量损耗，从而在输送方面无法实现高效率或至少足够的效率。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种设备，利用该设备可以实现高效的无线能量输送。
所述目的通过根据独立权利要求1的用于输送电能的设备来实现。根据本发明的设备的其他有利的实施方案在从属权利要求2至8中进行说明。
在此，所述目的通过一种用于将电能输送给至少一个用电器、例如蓄电池的设备，所述设备包含：用于输送电能的至少一个输送器装置，所述至少一个输送器装置具有至少一个第一线圈和至少一个第一电容器，以用于在输送器装置上产生谐振电路；用于接收由输送器装置输送的能量的至少一个接收器装置，所述至少一个接收器装置具有至少一个第二线圈和至少一个第二电容器，以用于在接收器装置上产生谐振电路，其中，接收器装置能与用电器连接以形成电连接；变压器，用于在接收器装置上的谐振电路与用电器之间进行阻抗匹配；以及电源、特别是交流电压源，所述电源用于向在输送器装置上的谐振电路供应电能。
根据本发明规定，输送器装置与接收器装置共同形成串联谐振电路，以用于将电能从输送器装置传输给接收器装置，使得在接收器装置中能够将由输送器装置提供的电能馈送给用电器。由此能够以高效的方式传输电能。
在此，用电器可以以负载、电阻器、存储装置、储能装置、转换器的形式构造，或者可以以能将所馈送的能量用于其功能的其他部件的形式构造。
本发明的原理在于，与两个谐振高效的谐振电路感应耦合，其中，向第一谐振电路馈送相应的高频能量，使得高频能量被传输给第二谐振电路，以便所述高频能量可供用电器使用。由于第一谐振电路是高度谐振的，因此处于该谐振电路中的电能经过许多个振荡周期仅相对缓慢地减少。然而，如果这两个谐振电路相对于彼此不超过预定距离，则电能会被第二谐振电路吸收。
电源、尤其是可以构造为交流电压源的电源可以包括功率放大器。功率放大器本身用作用于在输送器装置上的谐振电路的频率的时钟发生器。在此，功率放大器被构造成，使得针对在输送器装置上的谐振电路产生低阻抗能量源或高阻抗能量源。
然而，也可以将电源本身构造为功率放大器，以便用作用于在输送器装置上的谐振电路的频率的时钟发生器。
变压器也可以称为匹配变压器。
谐振电路也可以称为共振电路。
根据本发明的另一有利实施方案可以规定：输送器装置的第一线圈与第一电容器彼此并联连接，以用于在输送器装置上产生并联谐振电路。在此，接收器装置的第二线圈和第二电容器可以彼此串联连接，以便在接收器装置上产生串联谐振电路。由此，可以在输送器装置上产生高电压值和低电流值。这种布置方式在用于为输送器装置供电的高阻抗能量源中是特别有利的。
根据另外的有利实施方案可以有利的是，接收器装置的第二线圈和第二电容器可以彼此并联连接，以用于在接收器装置上产生并联谐振电路。在此，在接收器装置上的并联谐振电路具有高阻抗。在此，输送器装置的第一线圈和第一电容器可以彼此串联地布置，以便在输送器装置上产生串联谐振电路。由此，可以在变压器上产生第一绕组与第二绕组的更大比例。而且，可以在接收器装置上产生较高的电压值并且同时产生较低的电流值，并且由此可以减少在接收器装置的第二线圈上的能量损耗。
根据另外的实施方案可以有利的是，不仅第一线圈而且第二线圈均包含铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯具有105ωm至106ωm的电阻率以及50至500、特别是125的磁导率。由此，能够以高效的型式和方式在接收器装置上产生谐振电路，从而可以将大量能量从输送器装置输送给接收器装置。
此外，铁氧体磁芯也可以至少部分地包含镍锌合金(nizn)。由此，可以以高效的型式和方式在接收器装置上产生谐振电路，从而可以将大量能量从输送器装置输送给接收器装置。
此外，根据另外的实施方案，所述铁氧体磁芯u形地构造并且具有2至10cm2、特别是5.65cm2的有效横截面面积，从而在将电能从输送器装置传输给接收器装置期间在3w至1000w、特别是200w的输入功率下能实现10至100w/cm2、特别是35w/cm2的功率密度。由此，可以以高效的型式和方式在接收器装置上产生谐振电路，从而可以将大量能量从输送器装置输送给接收器装置。
根据另外的实施方案可以有利的是，在所述输送器装置上的谐振电路的频率位于2至30mhz之间、特别是位于6.765至6.795mhz之间、例如是6.78mhz。由此，可以以高效的型式和方式在接收器装置上产生谐振电路，从而可以将大量能量从输送器装置输送给接收器装置。
根据另外的实施方案，为了对在输送器装置上的谐振电路中的谐振频率和/或在接收器装置上的谐振电路中的谐振频率进行调谐，在输送器装置中和/或在接收器装置中可以包含可变电容器、例如微调电容器。替代地，在输送器装置中和/或在接收器装置中代替于微调电容器还可以包含用于对谐振频率进行调谐的适宜地起作用的电子电路。
根据另外的实施方案可以有利的是，接收器装置包含变压器，以用于通过阻抗匹配来提高效率以及还用于在接收器装置上的谐振电路与用电器之间进行解耦。替代地，变压器也可以被构造为集成变压器。
根据本发明的另外的有利的实施方案，变压器可以作为附加绕组被随附地集成在接收器装置上的谐振电路上。
根据本发明的另外的有利的实施方案，第一线圈和/或第二线圈的铁氧体磁芯也可以被构造成各种各样的形状。通过铁氧体磁芯的不同形状，将根据本发明的设备装入壳体中可以适配于特定的几何规定并且尤其是可以适配于可能的空间不足。
附图说明
在附图中，相同的和相同类型的部件由相同的附图标记来标示。
图1示出了根据本发明的依据第一实施方案的示意性电路图，其中，输送器装置包括串联谐振电路，并且接收器装置包括串联谐振电路，其中，具有中心抽头的变压器与整流器连接作为双脉冲中心抽头整流器；
图2示出了根据本发明的依据第二实施方案的示意性电路图，其中，输送器装置包括并联谐振电路，并且接收器装置包括串联谐振电路，其中，具有中心抽头的变压器与整流器连接作为双脉冲中心抽头整流器；
图3示出了根据本发明的依据第三实施方案的示意性电路图，其中，输送器装置包括串联谐振电路，并且接收器装置包括并联谐振电路，其中，具有中心抽头的变压器与整流器连接作为双脉冲中心抽头整流器；
图4示出了根据本发明的依据第四实施方案的示意性电路图，其中，输送器装置包括并联谐振电路，并且接收器装置包括并联谐振电路，其中，具有中心抽头的变压器与整流器连接作为双脉冲中心抽头整流器；
图5示出了根据本发明的依据第五实施方案的示意性电路图，其中，输送器装置包括串联谐振电路，并且接收器装置包括串联谐振电路，其中，在接收器装置中设置了具有桥式整流器且没有中心抽头的变压器；
图6示出了根据本发明的依据第六实施方案的示意性电路图，其中，包含桥式整流器并且包含接收器装置的线圈中的变压器；
图7示出了根据本发明的依据第七实施方案的示意性电路图，其中，包含双脉冲中心抽头整流器和集成变压器；
图8示出了根据本发明的依据第八实施方案的示意性电路图，其中，包含以电阻器形式的负载；
图9示出了采用第一实施方案的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；
图10示出了采用第二实施方案的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；
图11示出了采用第三实施方案的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；
图12示出了采用第四实施方案的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；
图13示出了采用第五实施方案的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；
图14示出了采用第六实施方案的、具有第一绕组布置方式的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯；并且
图15示出了采用第六实施方案的、具有第二绕组布置方式的第一和/或第二线圈的铁氧体磁芯。
具体实施方式
图1至图8示出了根据本发明的依据不同实施方案的用于将电能从输送器装置2传输到接收器装置3的设备1的示意性电路图。
在此，根据本发明的设备1主要包含输送器装置2和接收器装置3。
输送器装置2用于吸收电能，并且还用于将电能传输或输送给接收器装置3。为了供应电能，输送器装置2与电源连接。电能的供应以交流电源的形式实现。能量源未在附图中示出。
接收器装置3又用于接收所输送的电能、对其进行处理或加工，以及用于将其转发给用电器4。在此，用电器4例如可以被构造为具有集成整流器的蓄电池。整流器用于将在接收器装置3上生成的交流电压转换为直流电压。
然而，在此也可以将用电器4仅构造为电阻器。构造为蓄电池的用电器4可以可选地并且以重复松脱的方式与接收器装置3连接，以便被供应电流或者利用电能对蓄电池充电。根据该实施方案，根据本发明的设备1用作用于被构造为蓄电池的用电器4的充电设备。
图1示出了根据本发明的设备1的第一实施方式的示意性电路图。如上文已经提及的，设备1在此主要包含输送器装置2和接收器装置3。
输送器装置2包括第一线圈5和第一电容器6。在此，第一线圈5和第一电容器6彼此串联连接，使得形成第一谐振电路。与此相应地，第一谐振电路是串联谐振电路。该第一谐振电路也称为输送器谐振电路。此外，输送器装置2可以包含第一微调电容器7，该第一微调电容器用于调整输送器装置2中的电容或谐振频率。第一微调电容器7也可以称为可变电容器。
依据根据本发明的设备1的第一实施方案的接收器装置3包含第二线圈8和第二电容器9。在此，第二线圈8和第二电容器9彼此串联连接，使得形成第二谐振电路。与此相应地，第二谐振电路是串联谐振电路。该第二谐振电路也被称为接收器谐振电路。此外，接收器装置3可以包含第二微调电容器10，该第二微调电容器用于调整接收器装置3中的电容或谐振频率。第二微调电容器10也可以称为可变电容器。
此外，根据第一实施方案的设备1包含整流器11，该整流器用于将在接收器装置3上生成的交流电压转换成直流电压。根据第一实施方案，整流器11被构造为双脉冲中心抽头整流器。整流器11包含双脉冲中心抽头连接件12、包含第一二极管13和第二二极管14。双脉冲中心抽头连接件12用于产生更高的效率。根据替代实施方案，代替具有双脉冲中心抽头连接件12的整流器11，也可以仅使用整流器11、两个二极管。替代地，也可以使用任何其他合适类型的整流器。
此外，根据本发明的设备1的第一实施方案包含变压器15，该变压器与接收器装置3连接。变压器15用于匹配电压，并且根据图中所示的实施方案主要包含圆形铁氧体磁芯16。在变压器15的铁氧体磁芯16上，第一绕组n1定位在一侧，而第二绕组n2定位在第二侧。在此，第一绕组n1具有第一绕线数，第二绕组n2具有第二绕线数。第一绕组n1比第二绕组n2包含更高数量的线圈。
图2示出了根据本发明的依据第二实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第二实施方案的设备1基本上相应于图1中的根据第一实施方案的设备1。根据第二实施方案的设备1与根据第一实施方案的设备1的不同之处在于：输送器装置2的第一线圈5与第一电容器6彼此并联连接，从而产生并联谐振电路。根据本发明的设备1的依据第二实施方案的接收器装置3还包括彼此串联地(即以串联的方式)连接的第二线圈8和第二电容器9，从而形成串联谐振电路。
图3示出了根据本发明的依据第三实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第三实施方案的设备1基本上分别相应于根据图1中的第一实施方案和根据图2中的第二实施方案的设备1。根据第三实施方案的设备1与根据第一实施方案或第二实施方案的设备1的不同之处在于：输送器装置2的第一线圈5和第一电容器6彼此串联地(即以串联的方式)连接，从而产生串联谐振电路。根据本发明的设备1的依据第三实施方案的接收器装置3还包含彼此并联连接的第二线圈8和第二电容器9，从而形成并联谐振电路。
图4示出了根据本发明的依据第四实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第四实施方案的设备1基本上相应于根据图1至图3中相应地示出的第一、第二或第三实施方案的设备1。根据第四实施方案的设备1与根据第一、第二或第三实施方案的设备1的不同之处在于：输送器装置2的第一线圈5和第一电容器6彼此并联连接，从而产生了并联谐振电路。根据本发明的设备1的依据第二实施方案的接收器装置3也包含彼此并联连接的第二线圈8和第二电容器9，从而形成了并联谐振电路。
图5示出了根据本发明的依据第五实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第五实施方案的设备1基本上相应于根据图3中所示出的第三实施方案的设备1。与根据第三实施方案的设备1相比，根据第五实施方案的接收器装置3上的整流器11被构造为桥式整流器的形式，而不是双脉冲中心抽头整流器的形式。在这里，在变压器15上不包含中心抽头。
图6示出了根据本发明的依据第六实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第六实施方案的设备1基本上相应于根据图1中所示出的第一实施方案的设备1。与根据第一实施方案的设备1相比，在根据第六实施方案的设备1中的接收器装置3包含不具有单独的或自身的铁氧体磁芯的变压器15。如可从图6得出那样，接收器装置3的第二线圈8的铁氧体磁芯20用作变压器15的铁氧体磁芯。通过省去用于变压器15的单独的铁氧体磁芯可以节省空间和成本。此外，第六实施方案的设备1的整流器11以桥式整流器的形式构造。
图7示出了根据本发明的依据第七实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第七实施方案的设备1基本上相应于根据图6中所示出的第六实施方案的设备1。与根据第六实施方案的设备1相比，根据第七实施方案的接收器装置3的整流器11被构造为双脉冲中心抽头整流器，而不是桥式整流器。
图8示出了根据本发明的依据第八实施方案的设备1的示意性电路图。在此，根据第八实施方案的设备1基本上相应于根据图1中所示出的第一实施方案的设备1。与根据第一实施方案的设备1相比，在根据第八实施方案的设备1中，连接在接收器装置3上的是用电器4而不是整流器11。在根据第八实施方案的设备1中，用电器4以电阻器的形式构造。
在根据第一至第八实施方案的设备1中，输送器装置2包含第一微调电容器7，而接收器装置3包含第二微调电容器10。然而，也可以仅输送器装置2包含第一微调电容器7，而接收器装置3不包含微调电容器。此外，也可以仅接收器装置3包含微调电容器10，而输送器装置2不包含微调电容器。而且，输送器装置2和接收器装置3也可以均不包含微调电容器。
此外，根据第一至第七实施方案的用电器4可以包含电容器17。在此，电容器17可以被构造为陶瓷电容器或电解电容器(elko)。
然而，根据替代的实施方案，用电器4也可以包含两个电容器。在此，这两个电容器之一被构造为陶瓷电容器，而它们中的另一个电容器被构造为电解电容器(elko)。这两个电容器用于对高频进行平滑处理，并且用作缓冲器以补偿可能的电流波动。
用于构建线圈和变压器的线材必须是hf适用的(即适用于高频)。为此，应选择具有适当性能和使用目的的相应合适的利兹线或其他合适的材料。
如在附图中所阐明的那样，第一线圈5包含铁氧体磁芯18，所述铁氧体磁芯包括电阻率为105ωm至106ωm以及磁导率为125的镍锌(nizn)。然而，根据进一步的实施方式，磁导率也可以在50至500之间、或者特别是在80至200之间。
如在附图中所阐明的那样，第二线圈8还包含铁氧体磁芯20，所述铁氧体磁芯同样包括电阻率为105ωm至106ωm以及磁导率为125的镍锌(nizn)。
第一线圈5的铁氧体磁芯18和第二线圈8的铁氧体磁芯20被构造成u形形状，并且具有5.65cm2的横截面面积，从而在传输电能期间在200w的输入功率下实现了35w/cm2的功率密度。
如图9至图15所示出的那样，第一线圈5的铁氧体磁芯18和第二线圈8的铁氧体磁芯20可以以不同形状构造。在此，在根据本发明的设备1中，第一线圈5的铁氧体磁芯18和第二线圈8的铁氧体磁芯20总是相对于彼此布置，使得对应的铁氧体磁芯18、20的场辐射是相对于彼此定向的。
在图9中，在此，根据第一实施方案的第一线圈5和/或第二线圈8的铁氧体磁芯18、20被构造成u形。用于线圈绕组的导线30卷绕在相应的铁氧体磁芯18、20上。
图10示出了根据第二实施方案的铁氧体磁芯18、20。在此，根据第二实施方案的铁氧体磁芯18、20主要包含基部连接板41、在基部连接板41的相应的端部41a和41b上从该基部连接板垂直于基部连接板41延伸出的第一连接板42和第二连接板43。此外，在第一连接板42与第二连接板43之间，第三连接板44垂直于基部连接板41延伸。第一连接板42、第二连接板43和第三连接板44在相同的方向a上延伸。第三连接板44具有圆形横截面。第二连接板42和第三连接板43具有矩形横截面。
图11示出了根据第三实施方案的铁氧体磁芯18、20。根据第三实施方案的铁氧体磁芯18、20具有弯曲的形状，并且在此被构造成比在第一实施方案中直得多。
图12示出了根据第四实施方案的铁氧体磁芯18、20。在此，根据第四实施方案的铁氧体磁芯18、20主要包含基部连接板51，在基部连接板51的对应端部51a和51b上从该基部连接板垂直于基部连接板51在方向a上延伸出的第一连接板52和第二连接板53。第一连接板52和第二连接板53具有圆形横截面。
图13示出了根据第五实施方案的铁氧体磁芯18、20。在此，根据第五实施方案的铁氧体磁芯18、20主要包括基部连接板61，在基部连接板61的对应端部61a和61b上从该基部连接板垂直于基部连接板61在方向a上延伸出的第一连接板62和第二连接板63。第一连接板62和第二连接板63具有矩形横截面。
图14示出了根据第六实施方案的铁氧体磁芯18、20。在此，根据第六实施方案的铁氧体磁芯18、20包含基板71，该基板在中心m处具有柱形凸出部72。在基板71的第一端部71a上定位有第一弧形凸出部73，而在基板71的第二端部71b上定位有第二弧形凸出部74。在此，第一凸出部73和第二凸出部74这样地布置在基板71上，使得这两个弧形凸出部73、74的相应凹的表面是朝向彼此定向。在这两个弧形凸出部73、74之间，在基板71上定位有柱形凸出部。这三个凸出部72、73、74均从基板71沿同一方向a延伸。如在图14中可见，用于线圈绕组的导线30根据第一绕组布置方式卷绕在中心m处的柱形凸出部上。
图15示出了根据第六实施方案的铁氧体磁芯18、20。用于线圈绕组的导线30根据第二绕组布置方式螺旋形地布置在基板71上。
通常，围绕铁氧体磁芯18、20或在铁氧体磁芯上的各种绕组布置方式都是可能的。在此，用于线圈绕组的导线30可以布置在仅一个平面中或者替代地布置在多个平面中，即多层导线30相叠。在此，也可以将绕组的单层布置划分成多个组，以便例如减小寄生绕组电容。
如可从图1至图8得出那样，在输送器装置2的第一线圈5与接收器装置3的第二线圈8之间延伸有距离d。距离d约为40mm。
在此，输送器装置2上的交流电压源pin用作为用于输送器装置2上的谐振电路的频率的时钟发生器。可选地，能量源pin可以包括功率放大器80，或者可以与功率放大器80连接。交流电压源(其也可以被称为电源、电流源或电压源)未被示出，并且在图中仅由pin指示。
为了将电能从输送器装置2传输给接收器装置3，于是将以交流电流形式的电能从频率为6.78mhz的交流电压源pin传导到第一线圈5中。第一线圈5和第一电容器6产生谐振电路，该谐振电路具有1.58μh的电感和349×10-12f的电容。
通过输送器装置2中的谐振电路高度谐振的方式，处于该谐振电路中的电能经过大量的周期仅相对缓慢地减少。通过输送器装置2相对于接收器装置3的根据本发明的布置方式，可以将电能的相对大的部分从输送器装置2上的谐振电路传输给在接收器装置3上的谐振电路。
通过特殊地构造输送器装置2的第一线圈5和接收器装置3的第二线圈8的方式，出现感应耦合。在这两个线圈5、8上的耦合电场是所谓的非辐射近场，其也可以称为消逝波。
由于线圈5、8之间的距离被选择成使得其在1/4波长的间隔之内，因此电能的大部分(即以仅低的损耗)从输送器装置2的第一线圈5输送给接收器装置3的第二线圈8。
借助相应地选择在变压器15上的匝数n1、n2之比，除了阻抗匹配之外，附加地还可以调整合适的电压大小，从而可以相应地向用电器供应电压。典型的输出电压范围在3vdc(直流电压)至500vdc(直流电压)之间。
1.一种用于将电能输送给至少一个用电器、例如蓄电池的设备(1)，所述设备包含：
-用于输送电能的至少一个输送器装置(2)，所述至少一个输送器装置具有至少一个第一线圈(5)和至少一个第一电容器(6)，以用于在输送器装置(2)上产生谐振电路；
-用于接收由输送器装置(2)输送的能量的至少一个接收器装置(3)，所述至少一个接收器装置具有至少一个第二线圈(8)和至少一个第二电容器(9)，以用于在接收器装置(3)上产生谐振电路，其中，接收器装置(3)能与用电器(4)连接以形成电连接；
-变压器(15)，用于在在接收器装置(3)上的谐振电路与用电器(4)之间进行阻抗匹配；以及
-电源(pin)、特别是交流电压源，所述电源用于向在输送器装置(2)上的谐振电路供应电能；
其特征在于，输送器装置(2)与接收器装置(3)共同形成串联谐振电路，以用于将电能从输送器装置(2)传输给接收器装置(3)，使得在接收器装置(3)中能够将由输送器装置(2)提供的电能馈送给用电器(4)。
2.按照权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述输送器装置(2)的第一线圈(5)和第一电容器(6)彼此并联连接，以用于在输送器装置(2)上产生并联谐振电路。
3.按照权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述接收器装置(3)的第二线圈(8)和第二电容器(9)彼此并联连接，以用于在接收器装置(3)上产生并联谐振电路。
4.按照权利要求1至3中至少一项所述的设备(1)，其特征在于，不仅第一线圈而且第二线圈(5、8)均包含铁氧体磁芯(18、20)，所述铁氧体磁芯具有105至106ωm的电阻率以及50至500、特别是125的磁导率。
5.按照权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，所述铁氧体磁芯(18、20)至少部分地包含镍锌合金(nizn)。
6.按照权利要求4或5所述的设备(1)，其特征在于，所述铁氧体磁芯(18、20)u形地构造并且具有2至10cm2、特别是5.65cm2的有效横截面面积，从而在将电能从输送器装置(2)传输给接收器装置(3)期间在3至1000w、特别是200w的输入功率下能实现10至100w/cm2、特别是35w/cm2的功率密度。
7.按照权利要求1至6中至少一项所述的设备(1)，其特征在于，在所述输送器装置(2)上的谐振电路的频率位于2至30mhz之间、特别是位于6.765至6.795mhz之间、例如是6.78mhz。
8.按照权利要求1至7中至少一项所述的设备(1)，其特征在于，在所述输送器装置(2)中和/或在所述接收器装置(3)中包含可变电容器(7、10)、例如微调电容器，以用于对谐振频率进行调谐。
技术总结