用于通过空气隙向至少一个能量接收器进行与位置无关的能量传输的能量输送系统的制作方法

用于通过空气隙向至少一个能量接收器进行与位置无关的能量传输的能量输送系统


背景技术：

1.未来的工厂必须比如今的生产设施更灵活、更快、更高效且更可持续。为此，使用越来越多的移动智能机器人，这些移动智能机器人通常由电池来驱动。为了充电，通常必须将电池运行的机器人送到充电站中，从而中断工作任务的实施。但是，随之而来的不灵活性并不适用于在现代工业4.0中的应用。
2.在工业环境中已经公知一些实施类型的感应式能量传输，但是即使涉及无线能量传输，上述不灵活性也并未得到改善。
3.按照现有技术，通过高频交变电流或者通过驱动永磁体来产生交变磁场。为此，能量接收器必须位于交变磁场内，以便在交变磁场内可形成电场。因此，感应式能量传输、尤其是具有高功率（参见波现象和无线电技术）的感应式能量传输通常只能在近场中实现。因此，能量接收器在感应式能量传输期间通常应该保持静止。
4.此外，必须考虑在感应式能量传输期间的电磁兼容性（emv）。虽然公知以铁氧体板为形式的电磁屏蔽，但是这些电磁屏蔽尤其是在大面积或大体积应用的情况下成本高昂。因此，为了主磁通、即对于能量传输来说相关的磁通，应该将漏磁通显著减少到最低限度。也就是说，在初级侧产生的交变磁场应该尽可能被转换成在次级侧的电能。为了该目的，在一些已知的紧凑型能量传输系统中，初级和次级线圈施加或嵌入在铁氧体元件中以用于引导磁通。不幸的是，铁氧体一方面在机械上不是很稳健而且还在其制造方面昂贵。
5.此外，大多数的已知的感应式能量输送系统在其技术和或功能设计方面是静态的而且不是模块化的。这意味着：初级侧电磁场在其设计方面是固定的。由于一次性铺设在地面中的初级导体，所注入的电流只能影响电磁场的强度，但是无法影响其在空间中的位置。
6.为了更好地满足工业4.0的要求，感应式能量传输应该针对上述关于应用灵活性、emv保护、系统稳健性以及传输效率方面的限制进一步被改善。


技术实现要素：

7.基于此，这里描述了一种特别有利的用于通过空气隙向至少一个能量接收器进行与位置无关的能量传输的能量输送系统。有利的扩展方案在专利从属权利要求中说明。说明书、尤其是结合附图的说明书阐述了本发明并且说明了其它有利的实施变型方案。在专利权利要求书中单独提到的特征可以任意彼此组合和/或用说明书的特征来阐明/交换。
8.本技术相对于已知的现有技术的优点在于从能量输送系统到能量接收器的能量传输的很大程度上的自动化。此外，在不牺牲系统稳健性的情况下将漏磁通显著减少到最低限度并且使与能量传输相关的磁通显著增强。因此，能量在总体上并且与现有技术相比更高效地被传输。
9.这里描述了一种能量输送系统，该能量输送系统由用于经由空气隙向至少一个能量接收器进行与位置无关的能量传输的能量输送设备组成，其中这些能量输送设备并排地布置，分别具有第一线圈和第二线圈，其中相应的能量输送设备的第一线圈和第二线圈布
置在相关的能量输送设备的表面下方的平面内并且被取向为使得第一线圈的轴向方向平行于该表面地取向并且第二线圈的轴向方向垂直于该表面地取向；由此形成电磁场，该电磁场从能量输送设备的表面出发向上延伸。
10.所描述的能量输送系统基于海尔贝克（halbach）装置（海尔贝克阵列）的应用并且用于向至少一个能量接收器的感应式能量传输，该至少一个能量接收器例如可以是电池运行的移动机器人。
11.该能量输送系统由多个能量输送设备组成，这些能量输送设备并排地布置并且可以集成在地面中或者这些能量输送设备可以形成地面。这样，能量接收器可以像在地面处那样定位在能量输送设备的表面处，以用于能量吸收。
12.能量输送设备的数目不限于特定数目，并且可以根据场合和需要以及在考虑emv的情况下被增加或减少。例如可以在工业环境中将多个能量输送设备接线成一个连贯的能量输送系统，该能量输送系统代表移动系统、机器或车辆的充电路段。这种充电路段尤其是有利于移动的能量接收器，诸如将货物从一个地点也远距离地运输到另一个地点的运输机器。这样，运输机器可以根据它的充电状态和它的当前位置前往离它最近的能量输送设备。以这种方式，实现了相对于能量接收器的“与位置无关的能量传输”。
13.此外，接线在一起的能量输送设备能单个控制，使得单个能量输送设备只有在需要时才被接通。也就是说，只有当能量接收器位于能量输送设备的表面上时，才将所涉及到的能量输送设备接通。这样，可以避免不必要的能量损失。当然，该能量输送系统也可以良好地被用于向不能移动的能量接收器的静态能量传输。
14.为了进行能量传输，所描述的能量输送系统将海尔贝克阵列的应用与法拉第感应的应用相结合。
15.海尔贝克阵列是一种公知的永磁体配置，该永磁体配置能够实现：磁通在该配置的其中一侧几乎被消除，但是在另一侧增加。
16.替代永磁体，海尔贝克阵列现象这里通过布置在特定系统中的线圈的适当的接线和激活来被实现。这样形成交变磁场，该交变磁场与表面对齐并且几乎不进入地面。由此，漏磁通显著被减少到最低限度并且与能量传输相关的磁通显著增加，由此也提高了能量传输效率。
17.通过使用线圈，通过操控电流不仅可以改变磁场的强度而且可以改变磁通的方向，永磁体无法做到这一点，原因在于永磁体只产生恒定磁场。
18.该能量输送系统的线圈基本上类似于海尔贝克阵列的配置地布置，其中每个能量输送设备都具有第一线圈和第二线圈，而且其中第一和第二线圈分别布置为使得第一线圈的轴向方向平行于该能量输送设备的表面地取向并且第二线圈的轴向方向垂直于该能量输送设备的表面地取向。如果多个能量输送设备并排地布置并且在相应的线圈上施加具有适当的流经方向的电流，则这些线圈的磁化方向可以在并排地布置的能量输送设备的纵轴线的方向上相对于彼此分别倾斜90
°
。由此，在磁场的导向器朝着其方向倾斜的一侧的磁场线靠得更近，这引起了磁通密度的增加。在相对的一侧，磁场线与在不受干扰的磁体中相比不那么紧，因而磁场减弱或者完全消失。以这种方式形成交变磁场，该交变磁场与表面对齐并且几乎不进入地面。
19.在一个优选的实施方式中，这些能量输送设备模块化地被实施。术语“模块化”在
这种情况下是指这些能量输送设备的功能。每个能量输送设备都能功能上相同并且能相互替换。通过减少或增加能量输送设备的数目来不使整个系统（能量输送系统）的正常运行受损。
20.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备分段地被实施。术语“分段”是指这些能量输送设备或者相关的第一和第二线圈的几何形状。相应的能量输送设备的几何形状单独地由曲线和直线组成，以使（该能量输送系统的）整个能量传输路径适配。与此相对应地，第一和第二线圈同样由曲线和直线组成。
21.由于这些能量输送设备的模块化的和分段的结构，该能量输送系统可以根据需要和场合在没有大的花费的情况下被拆卸或组装。尤其是在这种情况下有利的是：当有能量输送设备损坏时，所涉及到的能量输送设备可以被更换，而不必更换整个系统中的所有能量输送设备。根据场合和需要，整个能量传输路段也可以通过改变能量输送设备的数目来被缩短或扩展。
22.在另一优选的实施方式中，该能量输送系统至少由三个能量输送设备组成。
23.为了形成完整的海尔贝克阵列，必须存在至少三个并排地布置的能量输送设备。因而，该能量输送系统至少由三个能量输送设备组成。即使在能量输送系统具有超过三个能量输送设备的情况下，也是各三个并排地布置的能量输送设备成组地被接通和关断。
24.在另一实施方式中，这些能量输送设备分别包括能量供应装置，其中该能量供应装置被连接到能量分配系统上。为此，每个能量输送设备都包括自己的能量供应装置，该能量供应装置与中央能量分配系统连接。
25.该能量分配系统例如可以以dc汇流排的形式来被实施。当然，利用适当的整流器也可以将能量供应装置连接到ac供电网上。
26.能量供应装置的最重要的模块是馈电和切换单元，该馈电和切换单元至少具有开关、无功功率补偿和测量设备。这些开关以时间上适合的方式和方法来被闭合和断开，使得串联的第一和第二线圈在相反的方向上被交替流经。这样形成交变磁场。切换过程的正确顺序基于由至少一个测量设备所检测到的电特性。这里，例如可以实现快速的电压和电流测量。根据切换频率来进行测量值采样。
27.为了无功功率补偿，至少一个电容器与第一线圈和第二线圈串联。在这种情况下，也可设想的是根据应用条件的并行补偿或混合补偿。
28.在另一优选的实施方式中，各三个并排地布置的能量输送设备成组地被接通和关断，其中能量输送设备的线圈的流经方向与相应的相邻的能量输送设备的线圈的流经方向相反。“流经”在本技术中仅涉及相应的能量输送设备的线圈。
29.为了形成完整的海尔贝克阵列，必须对应地接通和关断至少三个并排地布置的能量输送设备。为此，例如将三个能量输送设备彼此组合并且分别以相同的方向流经第一能量输送设备和第三能量输送设备，以及以与第一或第三能量输送设备相反的方向流经第二能量输送设备。因此，磁场在一侧被削弱或消除。为此，需要这三个能量输送设备的切换过程彼此同步地被实施。
30.此外，在能量输送系统具有超过三个能量输送设备的情况下，各三个能量输送设备成组地被接通和关断。如果例如两个相邻的组（也就是说六个并排地布置的能量输送设备）同时被接通和关断，则能量输送设备的流经方向在广义上总是与该能量输送设备的相
邻的能量输送设备的流经方向相反。
31.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备分别具有保护装置。为了能够保护该能量输送系统，每个能量输送设备都具有自己的保护装置。由此，例如可以识别以涡流为形式的不容许的能量传输并且将所涉及到的能量输送设备切断。不符合期望的涡流由位于电磁场中的金属异物引起。因而，在初级或次级侧线圈系统中探测到金属异物的存在。
32.保护装置基本上包括a/d转换器和逻辑模块。a/d转换器用于对外部传感器、诸如测力计或温度传感器进行数字化。逻辑模块基于外部和内部传感器数据（电流和电压测量）以及能量接收器的位置数据和标识数据来执行异物识别。
33.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备分别包括用于检测至少一个能量接收器的识别装置。为了标识该至少一个能量接收器并且确定该至少一个能量接收器在充电路段上的位置，每个能量输送设备都具有自己的识别装置。
34.该识别装置的功能结构类似于保护装置地被实施。此外，该识别装置拥有自己的外部传感器，这些外部传感器允许该识别装置对该至少一个能量接收器进行标识和定位。
35.为了识别该至少一个能量接收器，可以实现例如借助于rfid的基于无线电的方法或者借助于图像处理的光学方法。
36.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备分别具有控制装置，该控制装置与相关的能量输送设备的能量装置、保护装置和识别装置连接。
37.每个能量输送设备都具有用于完全操控相关的能量输送设备的控制装置，其中该控制装置以传导数据的方式并且以能量方式与位于同一能量输送设备中的能量供应装置、保护装置和识别装置连接。
38.该控制装置分为六个相关的功能模块。这是a/d转换器、测量值处理、存储器、切换逻辑、电源和通信。
39.通过与运行电压的能量连接，电源模块不仅给控制装置的各个功能模块供电而且给保护装置和识别装置供电。
40.通信模块作为“数据枢纽”通过能量供应装置、保护装置以及识别装置的以传导数据的方式的连接来向该控制装置提供所有测量到的和被计算出的值。
41.在a/d转换器中，在能量供应装置中通过测量设备所检测到的模拟电压和电流测量值被数字化并且被传输给测量值处理以进行进一步处理。测量值处理将所限定的电压和电流测量值暂存在存储器中并且可以在需要时重新调用这些电压和电流测量值并且向通信提供这些电压和电流测量值。a/d转换器不仅向测量值处理而且向切换逻辑提供所测量到的电压和电流值。这里，基于测量值和其它环境条件、例如该至少一个能量接收器的位置和方位或者外部切换指令的存在，根据适当的方法来规定在能量供应装置中的开关的正确的切换配置和切换时长。
42.在另一优选的实施方式中，相应的能量输送设备的控制装置与其相邻的能量输送设备的控制装置以传导数据的方式环形串联。
43.通过该环形串联，例如可以将数据帧经由相邻的能量输送设备从一个控制装置以递归的方式发送到另一个控制装置。原则上，诸如星形或树结构那样的其它数据总线结构也是可能的。此外，能量输送设备的数据供应不依赖于某个、专有的数据协议，而是也可以通过已经存在的工业现场总线系统、诸如profinet或sercos iii来实现。
44.环形数据结构的优点在于：在有能量输送设备失灵时，通信在此处被中断并且可以轻松地探测到该失灵。由于数据总线的物理环形结构，仍然能够实现对下游的能量输送设备的数据供应。这借助于向前或向后运行的数据报文来实现。
45.随着该能量输送系统的运行，相应的能量输送设备的控制装置在限定的时间之后获得上游的控制装置的数据报文。如果该报文在限定的时间窗内失灵，则上游的sme被标记成受干扰。数据报文现在在其运行方向上被切换并且经过环直到失灵点。在该失灵点处再次进行运行方向切换。数据报文的结构适合于实现在每个单个的sme中的切换过程的快速通信和同步。
46.这一点是必要的，以便能够无缝地并且在不产生朝着地面的方向定向的磁场的情况下实现能量传输、尤其是到移动的能量接收器上的能量传输。以在充电路段中失灵的能量输送设备为例，示出了可以如何在失灵点处“切断”能量传输：三个相邻的并且准备好运行的能量输送设备仅直至失灵的能量输送设备为止形成完整的海尔贝克阵列。经由该数据报文向下游的并且准备好运行的能量输送设备通知可移动的能量接收器所处的位置。如果能量接收器到达容许的充电位置，则下一个完整的海尔贝克阵列开始在该能量接收器上的能量传输。
47.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备的至少一个控制装置与中央控制设备以传导数据的方式连接。
48.在工业环境中，通常设置上级中央控制设备，该上级中央控制设备用于与其它下级控制系统的通信。这里，作为选项，中央控制设备例如可以与这些能量输送设备的控制装置以传导数据的方式连接，使得该中央控制设备可以通过该环形串联经由与该中央控制设备连接的控制装置以递归的方式与所有串联的控制装置进行双向通信。这样，也能够经由该中央控制设备来获得能量接收器（例如电池运行的车辆）的位置和充电状态。
49.在另一优选的实施方式中，这些能量输送设备分别具有标志符。为了能够有针对性地操控能量输送设备，每个能量输送设备都载有唯一的并且持久的标志符（参见mac地址），该标志符要么最初在首次投入运行时被授予要么随着该能量输送设备的交付就已经存在。这样，能够将指令帧按照标志符发送给相对应的能量设备。
50.在另一优选的实施方式中，描述了一种用于通过空气隙从能量输送系统到至少一个能量接收器地进行与位置无关的能量传输的方法，该方法至少具有如下步骤：1) 检测该至少一个能量接收器；2) 当该至少一个能量接收器位于能量输送设备的表面上时将这些能量输送设备接通；而且3) 当该至少一个能量接收器不存在时将这些能量输送设备关断。
51.利用这种所描述的在应用所描述的能量输送系统的情况下的方法，在不产生朝着地面的方向定向的磁场的情况下也可以给可移动的能量接收器充电。
附图说明
52.随后依据附图来更详细地阐述该能量输送系统，该能量输送系统由用于经由空气隙向至少一个能量接收器进行与位置无关的能量传输的能量输送设备组成。应指出的是：这些附图只示出了优选的实施例，然而本公开这里并不限于这些优选的实施例。其中：
图1示出了能量输送设备的示意图；图2示出了第一线圈和第二线圈的一个实施方式的示意图；图3示出了第一线圈和第二线圈的第二实施方式的示意图；图4示出了能量输送系统的示意图；图5示出了能量供应装置的示意图；图6示出了控制装置的示意图；图7示出了保护装置的示意图；图8示出了识别装置的示意图。
具体实施方式
53.图1示出了能量输送设备22的示意图，该能量输送设备包括第一线圈1、第二线圈2、能量供应装置3、控制装置4、保护装置5和识别装置6。为了能量供应，第一线圈1和第二线圈2通过能量连接24与能量供应装置3连接，该能量供应装置与以dc汇流排7为形式的中央能量分配系统进行能量连接。
54.为了数据供应，能量供应装置3、保护装置5和识别装置6通过分别以传导数据的方式的连接25与控制装置4连接，该控制装置与数据总线8连接。此外，保护装置5和识别装置6通过分别并行的以传导数据的方式的连接25与第一线圈1以及第二线圈2单独地连接。
55.图2和图3示出了第一线圈1和第二线圈2的几何形状的两个不同的实施方式。为了比较，这些实施方式这里在一起被阐述。为了使整个能量传输路段适配，第一线圈1和第二线圈2的几何形状单独地由直线27和曲线26组成。
56.图2将第一线圈1和第二线圈2分别示出为矩形线圈，其中第一线圈1相对于表面水平地定向，而且第二线圈2相对于第一线圈被倾斜90
°
。
57.图3将第一线圈1示出为环形分段线圈，该环形分段线圈同样相对于表面水平地定向。第二线圈2被实施成空心圆柱形分段线圈并且相对于第一线圈被倾斜90
°
。
58.图4示出了能量输送系统23的示意图。能量输送设备22模块化地并且分段地被实施，并且并排地布置成能量输送系统23。原则上，能量输送设备22的数目不限于特定数目并且可以根据场合和需要以及在考虑emv的情况下被增加或减少。但是，为了形成完整的海尔贝克阵列29，必须有至少三个能量输送设备22并排地布置。
59.相应的能量输送设备22的能量供应装置3与dc汇流排7连接。相应的能量输送设备22的控制装置4通过数据总线8以传导数据的方式彼此串联；因此，这些控制装置可以经由它们相邻的装置以递归的方式彼此进行通信。
60.为了形成完整的海尔贝克阵列29，各三个并排地布置的能量输送设备22被接通和关断，使得形成从表面28出发向上延伸的磁场9。
61.图5示出了能量供应装置3的示意图，该能量供应装置与dc汇流排7连接。能量供应装置3主要由用于切换流经方向的四个开关10、用于无功功率补偿的电容器11、用于电压测量的电压测量设备12和用于电流测量的电流测量设备13组成。
62.这四个开关10基于测量值以时间上适合的方式和方法闭合和断开，使得串联的第一线圈1和第二线圈2交替地从左侧和右侧被流经。由此形成初级侧交变磁场。
63.图6示出了控制装置4的示意图，该控制装置主要包括通信模块14、电源模块15、切
换逻辑16、存储器17、a/d转换器18和测量值处理模块19。在a/d转换器18中，在能量供应装置3中通过测量设备12、13所检测到的模拟电压和电流测量值被数字化并且被传输给测量值处理模块19以进行进一步处理。测量值处理模块19将所限定的电压和电流值暂存在存储器17中并且可以在需要时重新调用这些电压和电流值并且向通信模块14提供这些电压和电流值。
64.a/d转换器18不仅向测量值处理模块19而且向切换逻辑16提供所测量到的电压和电流值。这里，基于测量值和其它环境条件、例如该至少一个能量接收器的位置和方位或者外部切换指令的存在，根据适当的方法来规定在能量供应装置3中的开关10的正确的切换配置和切换时长。
65.图7示出了用于异物探测（fod）的保护装置5的示意图，该保护装置主要包括a/d转换器18和fod逻辑20。a/d转换器18用于对外部fod传感器30、诸如测力计或温度传感器进行数字化。fod逻辑20基于外部fod传感器30的数据和内部传感器数据（例如电流和电压测量值）以及能量接收器的位置数据和标识数据来执行异物识别。
66.图8示出了用于标识和位置检测（ipe）的识别装置6的示意图。识别装置6的功能结构类似于保护装置5地被实施。a/d转换器18用于对外部ipe传感器31、诸如基于无线电或光学的传感器进行数字化。ipe逻辑21执行能量接收器的标识和位置检测。
67.附图标记清单1
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第一线圈2
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第二线圈3
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能量供应装置4
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控制装置5
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保护装置6
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识别装置7
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dc汇流排8
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数据总线9
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磁场10
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开关11
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电容器12
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电压测量装置13
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电流测量设备14
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通信模块15
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电压供应模块16
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切换逻辑17
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存储器18
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a/d转换器19
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测量值处理模块20
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fod逻辑21
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ipe逻辑22
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能量输送设备
23
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能量输送系统24
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能量连接25
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以传导数据的方式的连接26
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曲线27
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直线28
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表面29
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海尔贝克阵列30
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外部fod传感器31
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外部ipe传感器。