DE102020113289A1

DE102020113289A1 - Contactless energy and / or data transmission

Info

Publication number: DE102020113289A1
Application number: DE102020113289.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Link; Jens Härtel; Benjamin Schmidt
Original assignee: LINK GmbH
Current assignee: LINK GmbH
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Ein Verfahren und System zur kontaktlosen Energie- und/oder Datenübertragung zwischen einem ersten ortsfesten Träger und einem gegenüber diesem schwenkbar oder verschiebbar angeordneten zweiten Träger, mit einer senderseitig im ersten oder zweiten Träger angeordneten Sendeeinheit und einer am anderen Träger empfangsseitig angeordneten Empfangseinheit, wobei die Sendeeinheit mit einem ersten Schwingkreis mit einer ersten Induktionsspule energieseitig verbunden ist und die Empfangseinheit mit einem zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Induktionsspule energieseitig verbunden ist, soll sich im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert zeigen. Dazu wird zumindest zeitweise zur Übertragung der Energie- und/oder Daten 1/n der Resonanzfrequenz verwendet wird, wobei n eine ungerade natürliche Zahl größer 1 darstellt.A method and system for contactless energy and / or data transmission between a first stationary carrier and a second carrier arranged pivotably or displaceably with respect to this, with a transmitter unit arranged in the first or second carrier on the transmitter side and a receiver unit arranged on the other carrier on the receiver side, the transmitter unit is connected to a first resonant circuit with a first induction coil on the energy side and the receiving unit is connected to a second resonant circuit with a second induction coil on the energy side, should be shown to be improved in terms of efficiency and electromagnetic compatibility. For this purpose, 1 / n of the resonance frequency is used at least temporarily to transmit the energy and / or data, where n represents an odd natural number greater than 1.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur kontaktlosen Energie- und/oder Datenübertragung zwischen einem ersten ortsfesten Träger und einem gegenüber diesem schwenkbar oder verschiebbar angeordneten zweiten Träger, mit einer senderseitig im ersten oder zweiten Träger angeordneten Sendeeinheit und einer am anderen Träger empfangsseitig angeordneten Empfangseinheit, wobei die Sendeeinheit mit einem ersten Schwingkreis mit einer ersten Induktionsspule energieseitig verbunden ist und die Empfangseinheit mit einem zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Induktionsspule energieseitig verbunden ist..The invention relates to a method and system for contactless energy and / or data transmission between a first stationary carrier and a second carrier arranged pivotably or displaceably with respect to this, with a transmitting unit arranged in the first or second carrier on the transmitter side and a receiving unit arranged on the other carrier, wherein the transmitting unit is connected to a first resonant circuit with a first induction coil on the energy side and the receiving unit is connected to a second resonant circuit with a second induction coil on the energy side.

Systeme mit einem ortsfesten ersten Träger und einem gegenüber diesem schwenkbar oder verschiebbar angeordneten zweiten Träger finden sich üblicherweise in Tür- oder Fensteranordnungen. Es ist üblich, dass in derartigen Bereichen elektronische Einheiten im Bereich des Tür- oder Fensterflügels vorgesehen sind. Eine solche elektronische Einheit kann beispielsweise eine motorisierte Schließvorrichtung sein, die als Teil eines Sicherheitssystems zeit- und/oder ferngesteuert ver- und entriegelt wird. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz elektronischer Einheiten im Bereich des Flügels von Türen oder Fenstern sind Anzeigen oder sonstige Mittel zur Kennzeichnung, die zur Information oder zur besseren Wahrnehmung beispielsweise von Fluchttüren dienen. Insbesondere Beleuchtungseinrichtungen werden aus den vorgenannten Gründen sowie zum Erzielen eines bestimmten optischen Erscheinungsbilds einer Tür oder eines Fensters zudem häufig im Bereich des Flügels eingesetzt. Der Anschluss solcher elektronischen Einheiten erfolgt in der Regel über eine Kabelverbindung. Die Energieversorgung für elektrische Verbraucher und eine etwaige Datenverbindung sind auf diese Weise dauerhaft gegeben.Systems with a stationary first carrier and a second carrier arranged pivotably or displaceably with respect to this are usually found in door or window arrangements. It is common for electronic units to be provided in such areas in the area of the door or window sash. Such an electronic unit can be, for example, a motorized locking device which, as part of a security system, is locked and unlocked by time and / or remote control. Another example of the use of electronic units in the area of the sash of doors or windows are displays or other means of identification, which are used for information or for better perception of escape doors, for example. In particular, lighting devices are often used in the area of the sash for the reasons mentioned above and to achieve a specific visual appearance of a door or window. Such electronic units are usually connected via a cable connection. The energy supply for electrical consumers and a possible data connection are permanently provided in this way.

Da in diesem Fall die Verbindung vom Rahmen zum Flügel häufig nur von der Bandseite aus erfolgen kann, Verbraucher jedoch häufig, wie im Fall einer motorisierten Schließvorrichtung, auch schlossseitig am Flügel angeordnet sind, ist die kabelgebundene Energieversorgung der Verbraucher in der Regel mit einem erhöhten Verlegeaufwand verbunden. Das Kabel wird dabei in einigen Fällen außen über den Flügel verlaufend verlegt. Ist eine solche Verlegeart aus optischen Gründen oder wegen der Gefahr einer einfachen Manipulierbarkeit aus sicherheitstechnischen Gründen nicht erwünscht, so kann das Kabel alternativ verdeckt innerhalb des Profils des Flügels verlegt werden, was einen weiter erhöhten Montageaufwand nach sich zieht.Since in this case the connection from the frame to the sash can often only be made from the hinge side, but consumers are often also located on the lock side of the sash, as in the case of a motorized locking device, the wired energy supply for the consumers usually involves an increased installation effort tied together. In some cases, the cable is laid on the outside of the wing. If such a type of laying is not desired for optical reasons or because of the risk of simple manipulation for safety reasons, the cable can alternatively be laid concealed within the profile of the wing, which results in further increased assembly costs.

Eine alternative Form ist dabei die kontaktlose Übertragung mittels Induktionsspulen, wie sie auch aus der EP 3 059 359 A1 vorgeschlagen wird. Dabei werden sowohl rahmenseitig als auch flügelseitig Induktionsspulen verwendet die in elektro-magnetischen Kontakt treten. Ein Energiespeicher oder ein elektrisches Endgerät auf der Empfängerseite wird dabei mittels der Induktionsladung über die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises mit den Induktionsspulen und angeschlossenen Kondensatoren geladen. Derartige Systeme weisen allerdings häufig einen schlechten Wirkungsgrad auf und erfüllen nicht immer die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit.An alternative form is the contactless transmission by means of induction coils, as it is also from the EP 3 059 359 A1 is suggested. Induction coils that come into electromagnetic contact are used on both the frame side and the sash side. An energy store or an electrical terminal on the receiver side is charged by means of the induction charge via the resonance frequency of an oscillating circuit with the induction coils and connected capacitors. Such systems, however, often have poor efficiency and do not always meet the requirements for electromagnetic compatibility.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und ein System zur kontaktlosen Energie- und/oder Datenübertragung anzugeben, welches sich im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert zeigt.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a system for contactless energy and / or data transmission, which is shown to be improved in terms of efficiency and electromagnetic compatibility.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved according to the invention with the features of the characterizing part of claims 1 and 7. Advantageous further refinements are the subject of the subclaims.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Erhöhung des Wirkungsgrades, also ein Energieverlust bei der Übertragung, dann erreicht werden kann, wenn man auf die Übertragung bei Resonanzfrequenz weitestgehend verzichtet und bei niedriger Frequenz überträgt. Dabei haben sich insbesondere 1/n der Resonanzfrequenz, wobei n eine natürliche, ungerade Zahl größer 1 ist, insbesondere 1/3 der Resonanzfrequenz, als besonders geeignet erwiesen. Die Resonanzfrequenz bezieht sich dabei auf den ersten Schwingkreis bzw. aus dem Zusammenwirken beider Schwingkreise, sofern diese in Kontakt stehen. Durch die geringere Übertragungsfrequenz ergeben sich auch Vorteile bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, wodurch sogar die Möglichkeit gegeben ist, bei weiterer Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit größere Induktionsspulen zu verwenden.The invention is based on the idea that an increase in efficiency, that is to say a loss of energy during transmission, can be achieved if transmission at resonance frequency is largely dispensed with and transmission is carried out at a lower frequency. In particular, 1 / n of the resonance frequency, where n is a natural, odd number greater than 1, in particular 1/3 of the resonance frequency, have proven to be particularly suitable. The resonance frequency relates to the first resonant circuit or from the interaction of both resonant circuits, provided they are in contact. The lower transmission frequency also results in advantages in terms of electromagnetic compatibility, which even makes it possible to use larger induction coils while maintaining electromagnetic compatibility.

Um auch Lastspitzen auf Seiten der Empfängereinheit bzw. des daran angeschlossenen Endgerätes ausgleichen zu können, ist das System so ausgelegt, dass die Übertragungssteuerung bei Bedarf die Übertragungsfrequenz erhöhen kann, sodass dann beispielsweise sogar mit der Resonanzfrequenz übertragen werden kann. Derartige Lastspitzen können insbesondere dann auftauchen, wenn ein Motor des Endgerätes startet oder zusätzliche Teilsysteme zugeschaltet werden. In Alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung kann auch ein zusätzlicher Energiespeicher in der Empfangseinheit vorgesehen oder an dieser angeschlossen sein. Aus diesem Energiespeicher, insbesondere in Form eines Superkondensators, kann dann bei Bedarf die Lastspitze bedient werden, während das System weiter in einem ersten Betriebsmodus mit einer niedrigen Übertragungsfrequenz, bevorzugt 1/3 der Resonanzfrequenz, betrieben wird. Erst beim Fehlen eines Energiespeichers, unterschreiten eines festgelegten Spannungspegels oder auf gezielte Anfrage der Empfangseinheit kann dann die Übertragungssteuerung in einen zweiten Betriebszustand mit einer höheren Übertragungsfrequenz, bevorzugt der Resonanzfrequenz, wechseln. Ein solcher Wechsel des Betriebsmodus kann auch automatisch dann erfolgen, wenn die Empfangseinheit untypisch lange Energiebedarf signalisiert. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn gewisse Ladungswerte externer Energiespeicher auf der Empfängerseite nicht oder nicht mehr so schnell wie üblich erreicht werden. Hierbei kann das System also schon vorher erkennen, dass ein erhöhter Energiebedarf besteht bevor dieser explizit angefragt wird oder bevor die externen Energiespeicher auf der Empfängerseite leer sind oder eine Mindestladung unterschreiten. Das System wird somit weitgehend im ersten Betriebsmodus, also mit niedriger Übertragungsfrequenz, hohem Wirkungsgrad und hoher elektromagnetische Verträglichkeit betrieben und nur in Einzelfällen und für eine begrenzte, kurze Zeit, nämlich dann, wenn die auf Empfängerseite gespeicherte Energie für eine Lastspitze nicht ausreicht, auf eine höhere Übertragungsfrequenz gewechselt.In order to also be able to compensate for load peaks on the part of the receiver unit or the terminal device connected to it, the system is designed so that the transmission control can increase the transmission frequency if necessary, so that transmission can even be carried out at the resonance frequency, for example. Such load peaks can occur in particular when a motor of the terminal starts or additional subsystems are switched on. In an alternative or additional embodiment, an additional energy store can also be provided in the receiving unit or connected to it. From this energy store, in particular in the form of a supercapacitor, the peak load can then be served if necessary, while the system continues in a first operating mode with a low transmission frequency, preferably 1/3 of the resonance frequency, is operated. Only in the absence of an energy storage device, if the voltage level falls below a specified level or if the receiving unit specifically requests it, can the transmission control switch to a second operating state with a higher transmission frequency, preferably the resonance frequency. Such a change in the operating mode can also take place automatically when the receiving unit signals an unusually long energy requirement. This can be the case, for example, when certain charge values of external energy storage devices on the receiver side are not reached or can no longer be reached as quickly as usual. The system can therefore recognize in advance that there is an increased energy requirement before this is explicitly requested or before the external energy storage device on the receiving end is empty or falls below a minimum charge. The system is thus largely operated in the first operating mode, i.e. with a low transmission frequency, high efficiency and high electromagnetic compatibility and only in individual cases and for a limited, short time, namely when the energy stored on the receiver side is not sufficient for a load peak, to a Changed higher transmission frequency.

Wie bereits erwähnt, erfolgt der Wechsel des Betriebsmodus in bevorzugter Ausführung aufgrund von Systemparametern, die gemessen werden, wie beispielsweise eine Unterschreitung eines festgelegten Spannungspegels. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass ein Wechsel des Betriebsmodus von der Empfangs- oder Sendeeinheit initiiert wird, beispielsweise dann, wenn das System erkennt, dass demnächst eine Lastspitze kommt. Dies könnte beispielsweise durch hinterlegte Routinen oder erlernte, charakteristische Betriebsabläufe geschehen.As already mentioned, in a preferred embodiment the change of the operating mode takes place on the basis of system parameters that are measured, such as, for example, the voltage level falling below a specified level. As an alternative or in addition, however, it is also possible that a change in the operating mode is initiated by the receiving or transmitting unit, for example when the system detects that a load peak is coming soon. This could be done, for example, through stored routines or learned, characteristic operating processes.

Um die Resonanzfrequenz zu bestimmen und eine Konfiguration des Systems vorzunehmen, wird der erste Schwingkreis in besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit einer einzelnen 0-1-Flanke angesprochen und somit eine Sprungantwort erzeugt. Mittels dieser Sprungantwort kann die Eigenfrequenz des Systems erkannt werden, da diese nicht nur von der Sendeeinheit anhängig ist, sondern auch von der Wechselwirkung mit der Induktionsspule der Empfängereinheit. Bis zu einem gewissen Grad können durch diese Konfiguration auch Fremdobjekte erkannt werden, deren Anwesenheit eine Energie- und Datenübertragung aus Sicherheitsgründen verbietet.In order to determine the resonance frequency and to configure the system, the first resonant circuit is addressed in a particularly advantageous embodiment with a single 0-1 edge and a step response is thus generated. The natural frequency of the system can be recognized by means of this step response, since this is not only dependent on the transmitter unit, but also on the interaction with the induction coil of the receiver unit. To a certain extent, this configuration can also detect foreign objects whose presence prohibits energy and data transmission for security reasons.

Eine derartige Konfiguration des Systems und Bestimmung der Resonanzfrequenz wird vorteilhafterweise im Rahmen der Initialisierung, also der ersten Kontaktphase, und dann in regelmäßigen Abständen zur Nachführung der passenden Übertragungsfrequenz durchgeführt.Such a configuration of the system and determination of the resonance frequency is advantageously carried out in the context of the initialization, that is to say the first contact phase, and then at regular intervals to track the appropriate transmission frequency.

Um einerseits eine Energieübertragung erst dann zu initialisieren, wenn die passende Empfängereinheit in Reichweite ist, andererseits aber auch zu prüfen, ob die Empfängereinheit berechtigt ist, Energie von der Sendereinheit zu empfangen, ist in bevorzugter Ausführung eine Detektionseinheit vorgesehen. Diese Detektionseinheit setzt sich bevorzugt aus einer Empfangsschnittstelle in der Sendeeinheit und einer Sendeschnittstelle in der Empfangseinheit zusammen.In a preferred embodiment, a detection unit is provided in order to initialize an energy transfer only when the appropriate receiver unit is within range, but also to check whether the receiver unit is authorized to receive energy from the transmitter unit. This detection unit is preferably composed of a receiving interface in the transmitting unit and a transmitting interface in the receiving unit.

Zwar kann, wie oben bereits erläutert, die Empfangseinheit vereinzelt bereits aufgrund der Sprungantwort erkannt werden, doch ist dies unter Umständen und gerade, wenn es um Sicherheitsfragen geht, nicht ausreichend, da die Geschwindigkeit, mit der die Gegenstelle erkannt wird, von der Zykluszeit abhängt, in welcher die Sprungantwort erzeugt und ausgewertet wird. Gegebenenfalls muss die Sprungantwort auch mehrfach wiederholt werden, um das Ergebnis zu validieren. Dies wirkt sich negativ auf die Geschwindigkeit aus, mit der das System in Bereitschaft versetzt werden kann.As already explained above, the receiving unit can occasionally be recognized based on the step response, but this may not be sufficient, especially when it comes to security issues, since the speed at which the remote station is recognized depends on the cycle time in which the step response is generated and evaluated. If necessary, the step response must also be repeated several times in order to validate the result. This has a negative impact on the speed at which the system can be brought to standby.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer solchen Detektionseinheit wäre beispielsweise in Form eines RFID-Detektors als Empfänger und RFID-Tags als Sender. Ein solches System kann kontinuierlich die Anwesenheit des Tags prüfen und so unmittelbar Bereitschaft anzeigen. Als weitere Option könnte die Empfangseinheit mit einem Magneten versehen werden, den ein Hall-Sensor in der Sendeeinheit erkennt. Der Vorteil von RFID gegenüber dem Hall-Sensor wäre hier, dass eine spezifische ID gesendet werden könnte, wodurch die Gegenstelle eindeutig identifiziert werden kann. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines RDIF-Tags ist, dass dieser indirekt auch den Energiebedarf übermitteln kann. Dies könnte so realisiert werden, dass die Hauptschaltung die Antenne des RFID-Tags kurzschließt, solange der Energiebedarf gedeckt ist. Der RFID-Detektor würde somit keinen Abnehmer mehr erkennen und die Übertragung stoppen. Erst wenn der RFID-Tag wieder sendet und der Detektor eine Gegenstelle erkennt, würde die Sendeeinheit mit der Energie- und/oder Datenübertragung wieder starten.An advantageous embodiment of such a detection unit would, for example, be in the form of an RFID detector as a receiver and RFID tags as a transmitter. Such a system can continuously check the presence of the tag and thus immediately indicate readiness. As a further option, the receiving unit could be provided with a magnet that is recognized by a Hall sensor in the transmitting unit. The advantage of RFID compared to the Hall sensor would be that a specific ID could be sent, whereby the remote station can be clearly identified. Another advantage of using an RDIF tag is that it can also indirectly transmit the energy requirement. This could be implemented in such a way that the main circuit short-circuits the antenna of the RFID tag as long as the energy requirement is met. The RFID detector would no longer recognize a recipient and would stop the transmission. Only when the RFID tag sends again and the detector detects a remote station would the transmission unit start again with the energy and / or data transmission.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass in der Sendeeinheit ein einfacher zusätzlicher Schwingkreis verwendet wird, der mit einer von seiner Eigenfrequenz abweichenden Erregerfrequenz angeregt wird. Die Empfangseinheit wird dabei ebenfalls mit einem schlichten LC-Schwingkreis versehen. Das System ist in vorteilhafter Ausgestaltung dabei so ausgelegt, dass die Annäherung der Empfangseinheit den Schwingkreis der Sendeeinheit so verstimmt, dass sich seine Eigenfrequenz der festen Erregerfrequenz nähert. Dabei wird die Amplitude des Schwingkreises in der Sendeeinheit überwacht. Steigt die Amplitude ist die Empfangseinheit da, fällt sie, fehlt es an der entsprechenden Empfangseinheit und die Übertragungssteuerung kann entsprechend angesteuert werden. Dieses System mit einem weiteren Schwingkreis ermöglicht sowohl die schnelle Erkennung der Empfangseinheit als auch die Möglichkeit durch Manipulation des LC-Schwingkreises der Anzeige des Energiebedarfs. Diese Ausgestaltung der Detektionseinheit über einen zusätzlichen, kleinen Schwingkreis hat dabei den besonderen Vorteil, dass auf Seiten der Empfangseinheit kaum Energie aufgewendet werden muss. Für diesen Einsatzzweck werden ansonsten nämlich häufig optische Signale, Funknachrichten oder ähnliches verwendet, die vergleichsweise viel Energie verbrauchen oder aktiv Antworten per Lastsprung auf die Energieübertragung aufmodulieren. Letzteres beeinträchtigt die Effizienz der Energieübertragung und ist bei großen Pausen zwischen den Energieanforderungen ungeeignet einen plötzlichen Bedarf anzuzeigen.Alternatively or in addition, it is also possible that a simple additional oscillating circuit is used in the transmission unit, which is excited with an excitation frequency that deviates from its natural frequency. The receiving unit is also provided with a simple LC resonant circuit. In an advantageous embodiment, the system is designed in such a way that the approach of the receiving unit detunes the resonant circuit of the transmitting unit in such a way that its natural frequency equals approaches a fixed excitation frequency. The amplitude of the oscillating circuit is monitored in the transmitter unit. If the amplitude increases, the receiving unit is there; if it falls, the corresponding receiving unit is missing and the transmission control can be activated accordingly. This system with an additional oscillating circuit enables both the rapid detection of the receiving unit and the possibility of displaying the energy requirement by manipulating the LC oscillating circuit. This configuration of the detection unit using an additional, small oscillating circuit has the particular advantage that hardly any energy has to be used on the part of the receiving unit. For this purpose, optical signals, radio messages or the like are otherwise often used, which consume a comparatively large amount of energy or actively modulate responses to the energy transmission via load changes. The latter affects the efficiency of the energy transmission and is unsuitable to indicate a sudden demand in the event of long breaks between energy requests.

Es ist weiterhin vorgesehen durch Austausch von Daten zu prüfen, ob die gesendete Energiemenge auch beim Empfänger angekommen ist, um so einerseits die Funktion des Systems zu prüfen, andererseits aber auch eine Fremdabzweigung der Energie festzustellen.It is also provided to check by exchanging data whether the amount of energy sent has also reached the receiver, in order to check the function of the system on the one hand and to determine whether the energy has been diverted from outside on the other.

Das System ist darüber hinaus mit einer Anzahl von konventionellen Ein- und Ausgängen zum Signalaustausch mit Sensoren und Aktoren, sowie deren Versorgung ausgelegt. Weiterhin kann es über ein Interfacemodul erweitert werden, um entweder zusätzliche konventionelle Ein- und Ausgänge oder Busschnittstellen zur Verfügung zu stellen. Für die Buskommunikation sind vorteilhaft zwei Umsetzungen vorgesehen. Zum einen können die Nachrichten ohne Verständnis von deren Inhalt zwischen senderseitigem Interfacemodul und empfängerseitigem Interfacemodul durchgereicht werden. Zum anderen ist es aber auch möglich den Inhalt der Nachrichten in eine interne Datenstruktur zu übersetzen, diese zu übermitteln und auf der Gegenseite wieder in eine Nachricht des gleichen oder eines anderen Bussystems zu übersetzen, womit die Erfindung als Gateway funktionieren würde.The system is also designed with a number of conventional inputs and outputs for exchanging signals with sensors and actuators, as well as their supply. It can also be expanded using an interface module to provide either additional conventional inputs and outputs or bus interfaces. Two implementations are advantageously provided for bus communication. On the one hand, the messages can be passed through between the sender-side interface module and the receiver-side interface module without understanding their content. On the other hand, it is also possible to translate the content of the messages into an internal data structure, to transmit them and to translate them back into a message from the same or a different bus system on the other side, whereby the invention would function as a gateway.

Neben der Übertragung der Daten und Signale über die Induktionsspulen, können die Signale und Daten auch verschlüsselt oder unverschlüsselt über eine separate Kommunikationsschnittstelle übertragen werden.In addition to the transmission of data and signals via the induction coils, the signals and data can also be transmitted encrypted or unencrypted via a separate communication interface.

Nachteilig an der Verwendung von flachen Induktionsspulen ist, dass der Wirkungsgrad mit dem Abstand sehr schnell abfällt, was wiederum über sehr große Spulen kompensiert werden muss. In der hier bevorzugten typischen Tür- oder Fensteranordnung ist dies in der Regel nicht problemlos umsetzbar, da dafür der Platz nicht vorhanden ist. In bevorzugter Ausgestaltung werden daher Induktionsspulen mit einem U- oder E-förmigen Kern verwendet. Diese können einerseits platzsparender eingebaut werden und können über einen größeren Abstand übertragen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Querschnitt der Schenkel des U- oder E-förmigen Kerns oval bzw. in eine Ausprägungsrichtung verlängert ausgeführt, um einen Versatz zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger auszugleichen. Dabei kann die Orientierung des Ovals bzw. die Ausprägungsrichtung an den typischen Einsatzzweck angepasst werden. Ist beispielsweise mit einem Versatz in vertikaler Richtung zu rechnen, so ist auch die längere Achse des Ovals bzw. die Ausprägungsrichtung in vertikaler Richtung ausgebildet.The disadvantage of using flat induction coils is that the efficiency drops very quickly with increasing distance, which in turn has to be compensated for using very large coils. In the typical door or window arrangement preferred here, this cannot usually be implemented without any problems, since there is not enough space for it. In a preferred embodiment, induction coils with a U- or E-shaped core are therefore used. On the one hand, these can be installed in a space-saving manner and can be transmitted over a greater distance. In a particularly preferred embodiment, the cross-section of the legs of the U- or E-shaped core is oval or elongated in a direction of expression in order to compensate for an offset between the first carrier and the second carrier. The orientation of the oval or the direction of expression can be adapted to the typical application. If, for example, an offset in the vertical direction is to be expected, the longer axis of the oval or the direction of expression is also formed in the vertical direction.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen somit insbesondere darin, dass durch die Übertragung bei niedrigeren Frequenzen, insbesondere unterhalb der Resonanzfrequenz ein höherer Wirkungsgrad und eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit erreicht werden. Dabei ermöglicht die Übertragung bei niedrigen Frequenzen erst, dass flexibel auch auf einzelne Lastspitzen reagiert werden kann und diese ausgeglichen werden können, indem auf höhere Frequenzen bis zur Resonanzfrequenz gewechselt wird. Insbesondere die Verwendung von mehreren Betriebsmodi ermöglicht dem System sich optimal an die Energieanforderungen der Endgeräte anzupassen. So können eine Mehrzahl an verschiedenen Betriebsmodi ausgewählt bzw. eingestellt werden, die jeweils mit einer eigenen Übertragungsfrequenz, bevorzugt ein Vielfaches von 1/n der Resonanzfrequenz ist, wobei n eine ungerade natürliche Zahl ist, übertragen.The advantages achieved with the invention therefore consist in particular in the fact that the transmission at lower frequencies, in particular below the resonance frequency, results in a higher degree of efficiency and better electromagnetic compatibility. The transmission at low frequencies makes it possible to react flexibly to individual load peaks and to compensate for these by changing to higher frequencies up to the resonance frequency. In particular, the use of several operating modes enables the system to optimally adapt to the energy requirements of the end devices. Thus, a plurality of different operating modes can be selected or set, each of which is transmitted with its own transmission frequency, preferably a multiple of 1 / n of the resonance frequency, where n is an odd natural number.

Anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, ist die Erfindung mit weiteren Einzelheiten erläutert.Based on the in the 1 illustrated embodiment, the invention is explained in further details.

Das System 1 nach der 1 umfasst eine Sendeeinheit 2 zum Übertragen von Energie und Daten an eine Empfangseinheit 4. Die Sendeeinheit 2 ist dabei in einem ersten Träger 6 angeordnet und die Empfangseinheit 4 in einem zweiten Träger 8. Der erste Träger 6 ist im Ausführungsbeispiel nach 1 ein ortsfester Rahmen einer Tür oder eines Fensters, wohingegen der zweite Träger 8 ein gegenüber dem ersten Träger 6 schwenkbarer oder verschiebbarer Fenster- oder Türflügel ist.The system 1 after 1 includes a transmitter unit 2 for transmitting energy and data to a receiving unit 4th . The transmitter unit 2 is in a first carrier 6th arranged and the receiving unit 4th in a second carrier 8th . The first carrier 6th is in the embodiment according to 1 a stationary frame of a door or a window, whereas the second carrier 8th one across from the first carrier 6th pivoting or sliding window or door sash is.

Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist die kontaktlose Energieübertragung von der Datenübertragung getrennt. Es wird daher zunächst der Energiefluss beschrieben. Die Sendeeinheit 2 wird von einer externen und nicht dargestellten Energiequelle gespeist (Energiefluss 101), sie kann aber auch ein eigenes Netzteil umfassen. In der Sendeeinheit 2 ist dazu ein Energiespeicher 10 vorgesehen, der als Zwischenpuffer ausgebildet sein kann. Von diesem Energiespieler 10 wird die Übertragungssteuerung 12 mit Energie versorgt (Energiefluss 102). Es ist aber natürlich auch möglich, dass die Übertragungssteuerung 12 direkt von der externen Energiequelle mit Energie versorgt wird. Die Übertragungssteuerung 12 dient dazu einen ersten und senderseitig angeordneten Induktionsspule 14 mit Strom zu versorgen (Energiefluss 103). Dazu ist die Übertragungssteuerung 12 ausgebildet entsprechend der ihr zur Verfügung gestellten Informationen zu entscheiden, wann und mit welcher Frequenz die erste Induktionsspule 14 angesteuert wird. Dabei ist insbesondere der Wechsel in verschiedene Betriebsmodi vorgesehen. Diese Betriebsmodi unterscheiden sich dabei durch die Frequenz, mit der die erste Induktionsspule 14 angesteuert wird und somit durch die Übertragungsfrequenz der Sendeeinheit. Die Übertragungssteuerung 12 ist dabei gezielt dazu ausgebildet in einem ersten Betriebsmodus nur 1/3 der Resonanzfrequenz als Übertragungsfrequenz zu nutzen. Dies ist der für den Betrieb übliche und zeitlich am meisten genutzte Betriebsmodus des Systems 1. Um einzelne Lastspitzen auszugleichen kann die Übertragungssteuerung 12 aber auch in einen zweiten Betriebsmodus wechseln, indem die Übertragungsfrequenz der Resonanzfrequenz des Systems 1 entspricht. Je nach Einsatzzweck kann die Übertragungssteuerung 12 auch weitere Betriebsmodi aufweisen, in denen mit anderen Frequenzen gesendet wird.In the embodiment according to 1 the contactless energy transfer is separated from the data transfer. The flow of energy is therefore described first. The transmitter unit 2 is fed by an external energy source (not shown) (energy flow 101), but it can also include its own power supply unit. In the transmitter unit 2 is also an energy store 10 provided, which can be designed as an intermediate buffer. From this energy player 10 becomes the transmission control 12th supplied with energy (energy flow 102). But it is of course also possible that the transmission control 12th is supplied with energy directly from the external energy source. The transmission control 12th a first induction coil arranged on the transmitter side is used for this purpose 14th to be supplied with electricity (energy flow 103). This is the transmission control 12th trained according to the information made available to it to decide when and with what frequency the first induction coil 14th is controlled. In particular, the change to different operating modes is provided. These operating modes differ in the frequency with which the first induction coil 14th is controlled and thus by the transmission frequency of the transmitter unit. The transmission control 12th is specifically designed to use only 1/3 of the resonance frequency as the transmission frequency in a first operating mode. This is the usual and most frequently used operating mode of the system 1 . In order to compensate for individual load peaks, the transmission control 12th but also switch to a second operating mode by changing the transmission frequency to the resonance frequency of the system 1 is equivalent to. Depending on the application, the transmission control 12th also have other operating modes in which other frequencies are used for transmission.

Empfängerseitig ist im zweiten Träger 8 eine zweite Induktionsspule 16 angeordnet, der die von der ersten Induktionsspule 14 ausgesandten elektromagnetischen Felder aufnimmt und wiederum in Strom umwandelt. Auch wenn nicht gesondert dargestellt, ist es neben der Übertragung von Energie über die Induktionsspulen 14, 16 auch möglich Daten oder Signale über diese zu übertragen. Die Energie wird an einen Eingangskreis 18 weitergeleitet (Energiefluss 104) und von dort in einem zweiten, optionalen Energiespeicher 20 gespeichert (Energiefluss 105). Dieser optionale zweite Energiespeicher 20 versorgt eine später noch zu beschreibende Detektionseinheit 44. Vom zweiten Energiespeicher 20 oder falls dieser nicht vorgesehen ist direkt vom Eingangskreis 18 wird der Strom dem Energiemanagement 22 der Empfangseinheit 4 zugeführt (Energiefluss 106). Das Energiemanagement 22 entscheidet nach vorgegeben Regeln und auf Basis der ihm zur Verfügung gestellten Systemdaten, ob die Energie direkt dem über den Lastenausgang 24 angeschlossenen und nicht dargestellten Endgerät (Energiefluss 107, 108) zugeführt wird oder aber ob die Energie zunächst in einem externen Energiespeicher 26 im zweiten Träger 8 gespeichert wird (Energiefluss 109). Dies hängt davon ab, ob das Endgerät gerade Energie benötigt oder nicht bzw. wieviel Energie benötigt wird. Das Endgerät kann bei Bedarf auch wieder über das Energiemanagement 22 aus dem externen Energiespeicher 26 mit Energie versorgt werden, um Lastspitzen auszugleichen, ohne dass die Übertragungssteuerung 12 in einen anderen Betriebsmodus schalten muss. Der externe Energiespeicher 26 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Superkondensator oder als Gruppe von Superkondensatoren ausgebildet.The receiver is in the second carrier 8th a second induction coil 16 arranged by the first induction coil 14th absorbs emitted electromagnetic fields and converts them into electricity. Even if not shown separately, it is in addition to the transmission of energy via the induction coils 14th , 16 also possible to transmit data or signals via this. The energy is sent to an input circuit 18th forwarded (energy flow 104) and from there in a second, optional energy store 20th stored (energy flow 105). This optional second energy storage 20th supplies a detection unit to be described later 44 . From the second energy store 20th or if this is not provided, directly from the input circuit 18th the electricity becomes the energy management 22nd the receiving unit 4th supplied (energy flow 106). The energy management 22nd decides according to specified rules and on the basis of the system data made available to it whether the energy is to be supplied directly via the load output 24 connected and not shown terminal (energy flow 107, 108) is supplied or whether the energy is initially in an external energy store 26th in the second carrier 8th is stored (energy flow 109). This depends on whether the end device is currently in need of energy or not, or how much energy is required. If necessary, the end device can also use the energy management 22nd from the external energy storage 26th be supplied with energy to balance load peaks without the transmission control 12th must switch to another operating mode. The external energy storage 26th is designed in the present embodiment as a supercapacitor or as a group of supercapacitors.

Datenseitig umfasst die Sendeeinheit 2 eine zentrale Datenverarbeitung 28, die mit einer Kommunikationsschnittstelle 30 des zweiten Trägers signalseitig verbunden ist (bidirektionale Datenleitung 121). Ebenso ist die Datenverarbeitung 28 mit Singalaus- und eingängen 32 verbunden (bidirektionale Datenleitung 122), um weitere externe Datenquellen oder -empfänger anschließen zu können. Die Datenverarbeitung 28 ist dazu ausgelegt, die an sie übermittelten Daten zu bearbeiten, filtern und entsprechende Steuerbefehle oder vorgefertigte Informationspakete an die Übertragungssteuerung 12 zu senden (bidirektionale Datenleitung 123) oder aber für die Kommunikation mit der Empfangseinheit an eine senderseitig angeordnete Datenkommunikationsschnittstelle 34 zu senden (bidirektionale Datenleitung 124). Die senderseitig angeordnete Datenkommunikationsschnittstelle 34 umfasst eine Sende- und Empfangseinheit und ist dazu ausgelegt die Daten, die an die Empfangseinheit übermittelt werden oder auch von dieser empfangen werden bei Bedarf zu ver- und entschlüsseln. Die Kommunikation mit der empfängerseitig angeordneten Datenkommunikationsschnittstelle 36 erfolgt über drahtlose Kommunikation mit den üblichen und für die Datenstruktur und -sicherheit gewünschten Protokollen (bidirektionale Datenübertragung 125). Die empfängerseitig angeordnete Datenkommunikationsschnittstelle 36 ist wie die senderseitig angeordnete Datenkommunikationsschnittstelle 34 dazu ausgebildet Daten zu senden und empfangen, sowie die Daten gegebenenfalls zu ver- und entschlüsseln.On the data side, the transmission unit includes 2 central data processing 28 that with a communication interface 30th of the second carrier is connected on the signal side (bidirectional data line 121). Likewise is the data processing 28 connected to signal outputs and inputs 32 (bidirectional data line 122) in order to be able to connect further external data sources or receivers. The data processing 28 is designed to process and filter the data transmitted to it and to send corresponding control commands or ready-made information packages to the transmission control 12th to send (bidirectional data line 123) or for communication with the receiving unit to a data communication interface arranged on the transmitter side 34 to send (bidirectional data line 124). The data communication interface arranged on the transmitter side 34 comprises a transmitting and receiving unit and is designed to encrypt and decrypt the data that is transmitted to the receiving unit or that is also received by it, if necessary. Communication with the data communication interface arranged on the receiver side 36 takes place via wireless communication with the usual protocols desired for data structure and security (bidirectional data transmission 125). The data communication interface arranged on the receiver side 36 is like the data communication interface arranged on the transmitter side 34 designed to send and receive data and, if necessary, to encrypt and decrypt the data.

Auch die Empfangseinheit 4 umfasst eine zentrale Datenverarbeitung 38, die analog der zentralen Datenverarbeitung 28 der Sendeeinheit 2 eine signalseitige Verbindung mit einer im zweiten Träger 8 angeordnete Kommunikationsschnittstelle 40 und Signalaus- und eingängen 42 aufweist (bidirektionale Datenleitungen 126, 127). Die Datenverarbeitung 38 ist darüber hinaus ausgelegt, die übertragenen Daten von der empfängerseitig angeordneten Datenkommunikationsschnittstelle 36 zu empfangen oder Daten zur Übertragung an diese zu senden (bidirektionale Datenleitung 128). Die Datenverarbeitung 38 ist in der Lage die empfangenen Daten auszuwerten, zu filtern und zu verarbeiten und dann entsprechend die Daten oder aus den Daten abgeleitete Steuer- und Regelbefehle an die Kommunikationsschnittelle 40, die Signalaus- und eingänge 42, den Lastenausgang 24 (bidirektionale Datenleitung 129) oder aber auch das Energiemanagement 22 (bidirektionale Datenleitung 130) zu leiten.Also the receiving unit 4th includes central data processing 38 which is analogous to the central data processing 28 the transmitter unit 2 a signal-side connection with one in the second carrier 8th arranged communication interface 40 and signal outputs and inputs 42 (bidirectional data lines 126, 127). The data processing 38 is also designed to receive the transmitted data from the data communication interface arranged on the receiver side 36 to receive or to send data to this for transmission (bidirectional data line 128). The data processing 38 is able to evaluate, filter and process the received data and then transfer the data or control commands derived from the data to the communication interface 40 , the signal outputs and inputs 42, the load output 24 (bidirectional data line 129) or else also the energy management 22nd (bidirectional data line 130) to conduct.

Zur Erhöhung der Sicherheit und auch der Energieeffizienz der Übertragung umfasst das Ausführungsbeispiel nach 1 auch eine Detektionseinheit 44. Dieser Detektionseinheit 44 ist dabei ein RFID-Detektor 46 in der Sendeeinheit 2 und ein RFID-Tag 48 in der Empfangseinheit 4 zugeordnet. Ist der zweite Träger 8 in der Nähe des ersten Trägers 6, also im üblichen Anwendungsfall, ist die Tür oder das Fenster geschlossen und die Induktionsspulen 14, 16 somit in Reichweite zueinander, detektiert der RFID-Detektor 46 die Anwesenheit des RFID-Tags 48 (Datenübertragung 131). Dazu umfasst der RFID-Tag 48 eine Antenne. Mit dieser Anordnung kann nicht nur die Schließstellung des zweiten Trägers 8 überwacht werden, es ist auch möglich über die ID des RFID-Tags 48 sicher zu erkennen, dass auch nur die berechtigte Empfangseinheit 4 in der Nähe der Sendeeinheit 2 ist und keine Dritteinheiten. Die vom RFID-Detektor 46 ermittelten Daten vom RFID-Tag 48 werden nun geprüft und der Übertragungseinheit 12 zugeführt (Datenleitung 132). Die Übertragungseinheit 12 kann nun auf Basis der geprüften Daten eine Energie- und Datenübertragung initialisieren oder, falls keine zulässige Empfangseinheit in der Nähe ist, stoppen.In order to increase the security and also the energy efficiency of the transmission, the embodiment according to 1 also a detection unit 44 . This detection unit 44 is an RFID detector 46 in the transmitter unit 2 and an RFID tag 48 in the receiving unit 4th assigned. Is the second carrier 8th near the first carrier 6th , so in the usual application, the door or window is closed and the induction coils 14th , 16 thus within reach of each other, the RFID detector detects 46 the presence of the RFID tag 48 (Data transfer 131). This includes the RFID tag 48 an antenna. With this arrangement, not only can the closed position of the second carrier 8th can also be monitored using the ID of the RFID tag 48 sure to recognize that only the authorized receiving unit 4th near the transmitter unit 2 is and not a third party. The one from the RFID detector 46 determined data from the RFID tag 48 are now checked and the transmission unit 12th supplied (data line 132). The transmission unit 12th can now initialize energy and data transmission on the basis of the checked data or, if there is no authorized receiving unit in the vicinity, stop it.

Die Detektionseinheit 44 umfasst weiter eine Steuereinheit 50, die dazu ausgebildet ist die Antenne des RFID-Tags 48 kurzzuschließen und so eine Übertragung an den RFID-Detektor 46 zu verhindern (Signalleitung 133). Dies wird insbesondere dann durchgeführt, wenn sie Steuereinheit 50 vom Energiemanagement 22 oder dem zweiten Energiespeicher 20 die Information erhält, dass die Endgeräte keine weitere Energie benötigen, beispielsweise weil der externe Speicher 26 ausreichend geladen ist (Signalleitung 134). Obwohl der zweite Träger 8 nahe dem ersten Träger 6 ist, wie beispielsweise im Rahmen einer Schließstellung einer Tür oder eines Fensters, erhält in diesem Falle der RFID-Detektor 46 kein Signal vom RFID-Tag 48, weshalb die Energie- und gegebenenfalls Datenübertragung gestoppt wird.The detection unit 44 further comprises a control unit 50 , which is designed for the antenna of the RFID tag 48 short-circuit and so a transmission to the RFID detector 46 to prevent (signal line 133). This is especially done when they control unit 50 from energy management 22nd or the second energy store 20th the information is received that the end devices do not require any further energy, for example because of the external memory 26th is sufficiently charged (signal line 134). Although the second carrier 8th near the first carrier 6th is, for example in the context of a closed position of a door or a window, receives in this case the RFID detector 46 no signal from the RFID tag 48 , which is why the energy and possibly data transmission is stopped.

Insgesamt ist das System 1 durch die Flexibilität der Übertragungsfrequenz und Steuerung der Energieübertragung nach Bedarf besonders energieeffizient und weist eine besonders hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf.Overall the system is 1 Due to the flexibility of the transmission frequency and control of the energy transmission as required, it is particularly energy-efficient and has a particularly high electromagnetic compatibility.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Systemsystem
22: SendeeinheitSending unit
44th: EmpfangseinheitReceiving unit
66th: erster Trägerfirst carrier
88th: zweiter Trägersecond carrier
1010: erster Energiespeicherfirst energy storage
1212th: ÜbertragungssteuerungTransmission control
1414th: erste Induktionsspulefirst induction coil
1616: zweite Induktionsspulesecond induction coil
1818th: EingangskreisInput circle
2020th: zweiter Energiespeichersecond energy storage
2222nd: EnergiemanagementEnergy management
2424: LastausgangLoad output
2626th: externer Energiespeicherexternal energy storage
2828: DatenverarbeitungData processing
3030th: KommunikationsschnittstelleCommunication interface
3232: Signalaus- und eingängeSignal outputs and inputs
3434: DatenkommunikationsschnittstelleData communication interface
3636: DatenkommunikationsschnittstelleData communication interface
3838: DatenverarbeitungData processing
4040: KommunikationsschnittstelleCommunication interface
4242: Signalaus- und eingängeSignal outputs and inputs
4444: DetektionseinheitDetection unit
4646: RFID-DetektorRFID detector
4848: RFID-TagRFID tag
5050: SteuereinheitControl unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3059359 A1 [0004]

Claims

Method for the contactless transmission of energy and / or data between a first stationary carrier (6) and a second carrier (8) arranged pivotably or displaceably with respect to this, with a first resonant circuit with an induction coil (6, 8) arranged on the transmitter side in the first or second carrier (6, 8). 14) and a second resonant circuit with an induction coil (16) arranged on the other carrier (6, 8) on the receiving side, characterized in that 1 / n of the resonance frequency is used at least temporarily to transmit the energy and / or data, where n is an odd one represents a natural number greater than 1.

Method for contactless energy and / or data transmission according to Claim 1 , characterized in that the transmission frequency can be changed between a first operating mode and a second operating mode by a transmission controller (12).

Method for contactless energy and / or data transmission according to Claim 2 , characterized in that the transmission frequency in the first operating mode is 1/3 of the resonance frequency and the transmission frequency in the second operating mode corresponds to the resonance frequency.

Method for contactless energy and / or data transmission according to one of the Claims 2 until 3 , characterized in that the transmission control (12) initiates a change in the operating mode on the basis of measured or transmitted system parameters.

Method for contactless energy and / or data transmission according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that, for the configuration of the system (1), a step response for determining the resonance frequency is queried from the first resonant circuit.

Method for contactless energy and / or data transmission according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the energy and / or data are only transmitted after the second carrier (2) has been recognized by a detection unit (44) on the first carrier (1) or vice versa.

System (1) for contactless energy and / or data transmission between a first stationary carrier (6) and a second carrier (8) arranged pivotably or displaceably with respect to this, with a transmitter unit ( 2) and a receiving unit (4) arranged on the other carrier on the receiving side, the transmitting unit being connected to a first resonant circuit with a first induction coil (14) on the energy side and the receiving unit (4) being connected to a second resonant circuit with a second induction coil (16) on the energy side is, characterized in that the transmission unit (2) has a transmission control (12) which is designed to set the transmission frequency for transmitting the energy and / or data through the first induction coil (14) to the second induction coil (16), among other things set to 1 / n of the resonance frequency, where n represents an odd natural number greater than 1.

System (1) for contactless energy and / or data transmission according to Claim 7 , characterized in that the transmission control (12) is further designed to switch between a first operating mode with a first transmission frequency and a second operating mode with a second transmission frequency if necessary.

System (1) for contactless energy and / or data transmission according to Claim 7 or 8th , characterized in that an oscillating circuit with the first induction coil (14) for determining the resonance frequency is provided in the transmission unit (2).

System (1) for contactless energy and / or data transmission according to one of the Claims 7 until 9 , characterized in that the transmitting unit (2) comprises a detection unit (44) for recognizing and / or identifying the receiving unit (4).