CN105050851A - 电路配置和用于设计用于感应电能传输的系统的电路配置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于感应电能传输，尤其是将感应电能传输到车辆的系统的电路配置，其中，所述电路配置包括至少一个相位线，其中所述至少一个相位线具有发生电感和发生电容，其中选择所述相位线的所述发生电感和所述发生电容，使得相位线的谐振频率与预定操作频率(ω)匹配，其中所述发生电容由至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)提供，和/或所述发生电感由至少两个感应次电路(L1,L2)提供，其中在所述相位线内的所述至少两个感应次电路(L1,L2)和/或所述至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)配置成使得电势(V)沿着相位线的最大绝对值小于预定电势。本发明还涉及用于设计电路配置的方法、和包括所述电路配置的次级单元和初级单元。

Description

电路配置和用于设计用于感应电能传输的系统的电路配置的方法

技术领域

本发明涉及电路配置和用于设计用于感应电能传输的系统的电路配置的方法，特别是用于感应电能传输的系统的初级单元或者接收装置的电路配置，所述感应电能传输特别是到车辆的感应电能传输。另外，本发明涉及次级单元和初级单元。

背景技术

电动车辆，尤其是轨道约束车辆和/或公路汽车，可由通过感应电能传输传输的电能操作。这样的车辆包括可以是车辆的牵引系统或者一部分牵引系统的电路配置。另外，车辆可包括所谓的接收装置，适于接收交变电磁场并且通过电磁感应产生交变电流。这样的接收装置可包括或者可具有电路配置。另外，这样的车辆能包括整流器，适于将交流电(AC)转换成直流电(DC)。DC能用于为牵引用电池充电或者操作电机。整流器将接收装置提供的AC转换成DC。

可替代地，该电路配置可以是感应电能传输系统的初级单元的一部分，其中所述初级单元包括或者具有该电路配置。该感应电能传输通常使用产生交变电磁场的初级单元和包括用于接收所述电磁场的接收装置的次级单元进行。初级单元和次级单元例如每个包括一组三相绕组。初级单元的一组绕组可被安装在地上(初级绕组)，并且能由路边的电源转换器(WPC)供电。次级单元的一组绕组被安装在车辆上。例如，在有些运输车下面的有轨电车的情况下，第二组绕组可附接到车辆的下面。初级单元的该组绕组也能称为初级侧，其中次级单元的该组绕组也能称为次级侧。第一次级侧可以是高频变压器的一部分，将电能传输到车辆上。该传输可以在静态(当车辆不运动时)和动态(当车辆运动时)下进行。

第一或者第二组绕组可以是上述电路配置的一部分。初级单元和次级单元的绕组提供感应元件。

为了传输高电平，需要使用合适的电容，以补偿在预定操作频率，例如20kHz时电路配置的感应器的电抗。电感和(补偿)电容的结合形成了谐振电路。如果电感和电容的阻抗值被选择为使得谐振电路的本来的谐振频率等于操作频率，那么发生完美的阻抗取消。这样的谐振电路据说是可调谐的。

GB1216184.0(尚未公开)公开了一种电路配置，其中该电路配置包括阻抗和用于整流AC电压的至少一个整流器，其中电路配置的AC部分包括阻抗。整流器将电路配置的AC部分连接到DC部分。该电路配置还包括至少一个电流控制装置，用于控制AC部分中的电流流动。另外，由电感和电容提供阻抗，其中电容串联连接到电感。但是该文献仅公开了串联连接到单个感应元件的单个电容器。

GB1219724.0(尚未公开)公开了一种电路配置，其中该电路配置包括拾取配置和至少一个可变补偿配置，其中，所述可变补偿配置包括电容元件。该可变补偿配置还包括第一切换元件和第二切换元件。

在感应电能传输的系统的初级单元或者次级单元的相位线中，高电势电平能发生在电能传输期间。这些电势电平需要高的绝缘水平并且限制能用在所述相位线的设计中的部件的数量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于感应电能传输的系统的初级单元和/或次级单元的电路配置，以及设置所述电路配置的方法，通过该方法，沿着初级单元和/或次级单元的相位线的电势的最大绝对值在操作状态中下降，其中相位线的谐振频率和预定操作频率之间的差被最小化。本发明的另一目的是提供一种初级单元和次级单元，尤其是车辆的刺激单元，每个单元包括这样的电路配置。

本发明的基本思想是将所需的(补偿)电容和/或所需的电感沿着相位线分布到多个次电路，其中相位线包括所述次电路，还配置所述次电路，使得沿着相位线发生的电势的最大绝对值被限制到预定值。

提出了用于感应电能传输的系统的电路配置。该用于感应电能传输的系统特别是用于感应电能传输到车辆的系统。

本发明能被应用到任何路上车辆(包括，但不是优选地，仅临时在陆地上的任何车辆)，尤其是轨道约束的车辆，例如有轨车辆(例如有轨电车)，但是也被应用到道路汽车上，例如个人的(私人的)客车或者公共运输车辆(例如，包括也是轨道约束车辆的有轨巴士的公共车)。

提出的电路配置可以是次级单元或者接收装置的一部分，其中，接收装置被用于接收由初级单元产生的交变电磁场。另外，接收装置产生AC电压。

尤其是，接收装置可提供或者可以是变压器的次级单元的一部分，其中变压器被用于从例如线路侧初级单元传输电能到车辆。该线路侧初级单元例如可被安装在为车辆提供驱动表面的地上或者其中。该接收装置可被安装在车辆的底侧，例如面对驱动表面的一侧。

可替代的，提出的电路配置可以是用于感应电能传输的系统的初级侧的一部分，其中所述初级侧产生交变电磁场。

电路配置包括至少一个相位线。优选地，电路配置包括三个相位线。三个相位线能电配置成平行。能够将三个相位线连接成Δ或者星形连接。也可能的是，三个相位线彼此独立地设计。

至少一个相位线具有发生电感。发生电感指相位线的所有感应元件产生的电感。相位线能包括至少一个感应元件，例如，用于产生或者接收交变电磁场。感应元件例如可以是绕组结构，例如为线圈。

另外，至少一个相位线具有发生电容。发生电容指相位线的所有电容元件产生的电容。因此，至少一个相位线能包括至少一个电容元件。至少一个电容元件可以是配置在相位线内的补偿电容元件，以调节相位线提供的谐振电路，使得它的谐振频率与所需操作频率匹配。在本发明的上下文中，术语“调节”可意味着所需谐振频率点被设置。

相位线的发生电感和发生电容被选择成使得相位线的谐振频率与预定操作频率匹配。在当前实施例中，操作频率可在从20kHz到300kHz的范围内选择。但是，这不排除选择更高或者更低的操作频率。操作频率可根据感应电能传输系统要传输的所需(最大)电能选择。要被传输的所需电能可以例如被选择为达到500kW。所述电能可对应于在次级单元的输出处提供的电能，例如被提供到次级侧电池的电能。

预定操作频率可例如为20kHz。术语“匹配”包括预定操作频率和谐振频率之间的差小于预定阈值的情况。优选地，相位线的谐振频率等于预定操作频率。

因此，相位线的发生电感和发生电容能选择为使得相位线被调节到操作频率。

根据本发明，发生电容由至少两个电容次电路提供。电容次电路指一个或者多个电容元件的电路配置，优选为一个或者多个电容器的电路配置。如果电容器次电路包括多于一个的电容元件，那么这些电容元件能串联或者并联连接。但是，可能的是，电容次电路仅包括一个电容元件，例如一个电容器。发生电容由至少两个电容次电路提供的特征包括发生电容部分地由至少两个电容次电路提供的情况。至少两个电容次电路彼此独立地，特别是作为单独的次电路或者元件，被设计和/或配置。这意味着，例如至少一个其它的电元件电配置在两个电容次电路之间，或者，两个电容次电路被至少一个其它的电元件连接。

但是，发生电容也能部分地由相位线的其它电元件的电容提供。

可替代地，或者另外地，发生电感由至少两个感应次电路提供。感应次电路指包括一个或者多个感应元件，例如为绕组结构，特别为线圈的电路配置。优选地，感应次电路包括一个绕组结构，例如，一个线圈。如在至少两个电容次电路的情况下，发生电感也能部分地由相位线的其它电元件的电感提供。至少两个感应次电路彼此独立地，特别是作为单独的次电路或者元件被设计和/或配置。例如，这意味着至少一个其它的电元件电配置在两个感应次电路之间，或者，两个感应次电路由至少一个其它的电元件连接。

这意味着，如果相位线包括至少两个电容次电路，那么相位线能包括一个或者多个感应次电路。同样，如果相位线包括至少两个感应次电路，那么相位线能包括一个或者多个电容次电路。

在所述相位线内的至少两个感应次电路和/或至少两个电容次电路被配置成，使得电势沿着相位线的最大绝对值小于预定电势。术语“电势”指对应于参考电平，尤其是接地电平的电势。这意味着在每一节段中或者在相位线的每个点处，电势的绝对值小于预定电势。换句话说，至少两个感应次电路和/或至少两个电容次电路能沿着相位线分布，使得电势沿着相位线的最大绝对值小于预定电势。这又意味着之前提到的发生电容和/或发生电感在至少两个电容和/或感应次电路之间分布，因而沿着相位线分布。

在相位线中，提出的电容次电路和/或提出的感应次电路能串联连接。

特别地，在相位线内的至少两个感应次电路和/或至少两个电容次电路能被配置成如果预定最大相电流在预定操作频率下流动通过有效电感，那么使得电势沿着相位线的最大绝对值小于跨越有效感应元件的压降的绝对值。有效感应元件的电感等于相位线的发生电感，例如相位线的所有感应元件的电感的总和。

特别地，该配置可设置成使得沿着相位线可获得的电势的最大绝对值小于跨越有效感应元件的压降的绝对值的预定百分比，例如75％,50％或者25％。

该有效感应元件可以是相位线的等效电路的一部分，其中该等效电路由串联连接的单个有效感应元件和单个有效电容元件提供，其中有效电容元件的电容等于发生电容。因此，预定电势可以是在包括一个感应元件和一个电容元件并且具有同样的发生电感和同样的发生电容的等效的LC串联电路内的最大电势。

在该公开文件中，电流值和电压值指相应的交变电流或者电压的有效值或者RMS值(均方根值)。

提出的电路配置有利地提供了沿着相位线以及因而跨越配置在相位线内的电元件或者在电元件内的较低电势。这又减少了用于元件的绝缘要求。这又允许减少所需的构建空间和成本。另外，较高的电能传输是可能的。此外，通过使用多个感应和/或电容次电路，提供了调节相位线和达到的谐振点的大的自由度。

另一主要优势是允许用于调节相位线提供的谐振电路的精细公差。

另一优势是延长了部件的寿命，尤其是电容元件的寿命。

在一个优选的实施例中，感应次电路和电容次电路在相位线的至少一个节段中交替配置。换句话说，感应次电路和电容次电路沿着相位线的至少一个节段交替地分布。

每个感应次电路和每个电容次电路能被分配第一和第二端，其中流动通过第一端的电流等于流动通过各个次电路的第二端的电流。

替换装置是，第一感应次电路的第二端电连接到电容次电路的第一端，其中所述电容次电路的第二端连接到第二感应次电路的第一端等。在这种情况下，第一感应次电路能例如相对于相电流的预定方向提供相位线的第一元件。

等效地，第一电容次电路的第二端可电连接到感应次电路的第一端，其中，所述感应次电路的第二端连接到第二电容次电路的第一端。在这种情况下，第一电容次电路能提供相位线的第一电元件。

关于在预定方向上的电流流动，能假定如果电流流动通过感应次电路，那么电势会增加。这意味着，在感应次电路的第二端处的电势会高于在次电路的第一端处的电势。相反的是，如果电流流动通过电容次电路，那么电势会减少。这意味着，电容次电路的第一端的电势高于所述电容次电路的第二端的电势。但是，这指的是电流流动的共同的方向，其中电流从第一到第二端流动通过每个次电路。如下文给出的解释，为了说明的目的，仅惯常地进行跨越感应次电路的电压增加和跨越电容次电路的电压下降。可替代地，能假定跨越感应次电路的电压减少和跨越电容次电路的电压增加。

通过交替地配置次电路，由感应次电路或者感应元件提供的电势的增加至少部分地由电容次电路提供的电势的减少补偿。因此，这样的构造有利地提供了电势沿着相位线的最大绝对值的绝对值的相对简单的最小化。

在一个替代的实施例中，在相位线的至少一个节段中，两个感应次电路框住两个电容次电路。在该实施例中，两个电容次电路串联连接。换句话说，第一感应次电路的第二端连接到第一电容次电路的第一端，其中，第一电容次电路的第二端连接到第二电容次电路的第一端。第二电容次电路的第二端连接到第二感应次电路的第一端。

可替代地，在相位线中的至少一个节段中，两个电容次电路框住两个感应次电路。在这种情况下，两个感应次电路串联连接。换句话说，第一电容次电路的第二端连接到第一感应次电路的第一端，其中，所述第一感应次电路的第二端连接到第二感应次电路的第一端。所述第二感应次电路的第二端连接到第二电容次电路的第一端。

这有利地允许分布跨越串联连接的多个电容或者感应次电路的电压，这又降低了跨越电容或者感应次电路的每个的压降。

在另一实施例中，电容次电路被设计为使得预定的相电流小于或等于所述电容次电路的最大可容许电流。相电流表示在相位线的操作期间，例如，如果产生或接收电磁功率场，那么流动通过包括所述一个或者多个感应次电路和/或一个或者多个所述电容次电路的相位线的预定电流。

最大可容许电流根据电容次电路的至少一个电容元件(例如电容器)的布置和/或电特性确定。电容元件将具有一定的预定电特性，如横跨电容元件的最大可容许压降，或流过电容元件的最大可容许电流。这些电特性可以是随频率而定的。根据所选择的电容元件和其电配置(例如，电容元件的串联和/或并联连接)，通过电容次电路的最大可容许电流可以被确定。例如，如果所述电容次电路的所有电容元件被串联连接，那么所述电容次电路的最大可容许电流将是串联连接的电容元件的可容许电流的最小值。

此外或可替代地，电容次电路被设计为使得由预定相电流产生的次电路电压小于或等于最大可容许次电路电压。在当前条件下的情况下，最大可容许次电路电压可以根据所述电容次电路的至少一个电容元件的布置和/或电特性来确定。次电路电压例如跨越次电路的上述第一和第二端或跨越次电路的一个电容元件。

在一般情况下，每个电容和/或感应次电路的设计，尤其是相应次电路中的电容或感应元件和其电配置的选择将依赖于预定相电流进行。

这有利地允许提供次电路，其能够承受预定相电流和/或由预定相电流所产生的电压。由预定相电流所产生的电压可以表示跨越次电路的电压，如跨越每个次电路的第一和第二端的电压。

在另一实施例中，电容元件的数量和/或每个电容元件的电特性被选择，使得能被供到所有电容元件的配置的发生无功功率高于或者优选地等于能供到相位线的总的无功功率。相位线的总的无功功率是预定或者所需的值。

换句话说，所有电容次电路的电容元件的数量和/或电容元件的电特性必须提供的无功功率吸收能力高于或者等于相位线要求的总的无功功率吸收能力。电容元件的电特性能例如是电容元件的电容。这意味着，用于总的相位线的电容元件的数量和/或它们的电容可以被确定，因而对于每个次电路而言是没有必要的。电容元件在不同的次电路上的分布可在另一设计步骤中进行。

在另一实施例中，电容元件的数量和/或至少一个电容元件的电特性和/或所述至少一个电容元件的电配置被选择为，特别是，如果相位线在操作频率下操作并且预定相电流流动通过相位线时，使得通过至少一个电容元件的最大电流小于通过至少一个电容元件的最大可容许电流的预定百分比。在本文中，至少一个电容元件的配置涉及相对于或者连接到相位线或者对应的次电路的其它电元件的电配置。

这意味着，对应的电容元件不是在它的最大可容许电流下操作。这有利地减少了产生的热并且延长了电容元件的寿命。

此外或者可替代地，特别是，如果相位线在操作频率下操作并且预定相电流流动通过相位线，那么供到至少一个电容元件的最大无功功率小于被供到至少一个电容元件的最大可容许无功功率的预定百分比。

可替代地或者此外，特别是，如果相位线在操作频率下操作并且预定相电流流动通过相位线，那么跨越至少一个电容元件的最大电压小于跨越至少一个电容元件的最大可容许电压的预定百分比。

优选地，根据上述标准选择每个电容元件的电特性和/或每个电容元件的电配置。这意味着，上述限制电流、无功功率和/或电压对于相位线的所有电容元件或者对于一个电容次电路的所有电容元件都能保持。

根据选择的电容元件的类型，最大可容许电流、无功功率和/或电压可为预定值。特别是，所述值可由制造商提供。

所有的限定有利地允许以较少的产生热操作电容元件，因而提供了更长寿命的每个电容元件。

还提出了设计用于感应电能传输，尤其是电能传输到车辆的系统的接收装置的电路配置的方法。该方法包括如下步骤：

-确定至少一个相位线的发生电感和发生电容，使得相位线的谐振频率等于预定操作频率。在该步骤，发生电感可为在相位线内的预定的或者存在的感应元件，例如为绕组结构，特别为用于产生或者接收交变电磁场的绕组结构的发生电感。

根据本发明，该方法还包括如下步骤：

-由至少两个电容次电路提供发生电容，和/或，由至少两个感应次电路提供发生电感，

-将至少两个感应次电路和/或至少两个电容次电路配置在相位线内，使得电势沿着相位线的最大绝对值小于预定电势。

特别地，如果相位线或者等效电路在预定频率下操作并且预定相电流流动通过相位线或者等效电路，那么电势的最大绝对值小于仅包括串联连接的单个感应元件和单个电容元件的相位线的等效电路的电势的最大绝对值。

这有利地允许减少沿着相位线的最大电势，这又导致了对于相位线的元件的更小的绝缘需求。

在另一实施例中，一个或者多个感应次电路和一个或者多个电容次电路交替配置在相位线的至少一个节段中。

在一个替代实施例中，一个或者多个感应次电路和一个或者多个电容次电路配置成，使得在相位线的至少一个节段中，两个感应次电路框住两个电容次电路，或者使得两个电容次电路框住两个感应次电路。

当然，这使得能够在相位线的一个节段中提供交替配置的感应和电容次电路，其中，相位线的另一节段中，感应次电路框住电容次电路，或者，反之亦然。

在另一实施例中，该方法包括如下步骤：

-确定相位线内的预定数量的感应次电路的电感。

该电感等于相位线的发生电感。

下一步骤是确定发生电容。因此，可根据相位线的预定的或者给定的发生电感、选择的操作频率和(如果适用)发生电阻选择发生电容。

在下一步骤中，确定电容次电路的数量，其中该数量大于一。这意味着，选择至少两个电容次电路以整合到相位线中。

在下一步骤中，电容次电路被设计，使得提供发生电容，并且预定相电流小于或者等于电容次电路的最大可容许电流，其中，该最大可容许电流根据电容次电路的至少一个电容元件的配置和/或电特性被确定。可替代地或者此外，设计电容次电路，使得由预定相电流产生的次电路电压小于或者等于最大可容许次电路电压。

在最后一步，电容次电路被配置在相位线内，使得电势沿着相位线的最大绝对值小于预定电势。

因此，在设计了对应的电容次电路之后，进行电容次电路沿着相位线的配置。设计电容次电路意味着，选择一个或者多个电容次电路的电容元件，例如电容器的配置和/或电特性。这又有利地允许具有多个电容和/或感应次电路的相位线的快速且耐用的设计。

在另一实施例中，如果至少一个电容次电路没有被设计为使得预定相电流小于或者等于电容次电路的最大可容许电流和/或使得由预定相电流产生的次电路电压小于或者等于最大可容许次电路电压，或者，如果电容次电路没有在相位线中被配置为使得电势沿着相位线的最大绝对值小于预定电势，那么电容次电路的数量就增加，特别增加一个。因此，提出了反复的步骤，其中，电容次电路的数量增加，直到所有的设计需求，即，关于每个次电路的设计的需求和次电路的配置的需求被满足。这有利地允许实现具有满足所述需求的最小数量的次电路的设计。

在一个优选的实施例中，电容次电路的电容元件选自一组预定的电容元件。该组预定的电容元件例如指具有不同电特性的一组电容器，例如不同的最大可容许电流、不同的最大可容许电压和不同的电容。例如，能够设计仅具有一种类型的电容元件(例如具有预定电特性的一个电容器)的电容次电路。

这有利地允许将设计步骤限制到一定数量得优选电容元件。

在另一实施例中，每个相位线的电容元件的总数量和/或至少一个，优选每个电容元件的电特性被选择为使得能供到所有电容元件的配置的发生无功功率高于或者等于能供到相位线的总无功功率。该步骤可在设计电容次电路之前或者之后进行。在这种情况下，如之前的说明，在相位线内的所有电容元件的数量可被确定，并且不是必然的是在一个电容次电路内的电容元件的数量。能供到所有电容元件的配置的发生无功功率可表示由该配置能吸收的最大无功功率。

可替代地或者此外，选择每个相位线的电容元件的总数量和/或至少一个电容元件，优选每个电容元件的电特性，使得相位线的谐振频率和所需操作频率之间的差小于预定阈值。能够在不同分布构造的相位线中选择电容元件的数量和/或电特性，有利地提供了采用高精度调节所需的调节点的机会。这意味着，相位线的谐振频率可精确地被调整。使用的电容元件越多，能够调节的所需谐振频率越精细。这些组合的多样性是巨大的，这为调节提供了总电容的非常小幅度的公差。

优选地，总电容会成比例地或者等同地分布到相位线的每个电容元件。

在另一实施例中，选择电容元件的数量和/或至少一个电容元件的电特性和/或至少一个电容元件的配置，使得通过至少一个电容元件的最大电流小于通过至少一个电容元件的最大可容许电流的预定百分比。可替代地或者此外，被供到至少一个电容元件的最大无功功率小于被供到所述至少一个电容元件的最大可容许无功功率的预定百分比。另外，可替代地或者此外，跨越至少一个电容元件的最大电压小于跨越至少一个电容元件的最大可容许电压的预定百分比。

在相位线在预定操作频率下或者谐振频率下操作的情况下，所提及的标准尤其有效。

上述百分比可以是在50％-90％的范围内，尤其是在50％-70％的范围内。

优选地，每个电容元件的电特性和/或每个电容元件的电配置根据上述标准选择。

这有利地允许设置相位线，或者，尤其是设置一个或者每个电容次电路，使得热分布最小化并且寿命延长。

在另一实施例中，每个电容次电路的电容相同。这意味着，发生电容在电容次电路中相等地分布。这有利地允许非常简单的设计相位线，因为只有一种类型的电容次电路必须被整体构造和分布到相位线上。

还提出了次级单元，其中，该次级单元包括根据之前说明的实施例之一的电路配置。该次级单元可以是车辆的一部分。因此，也说明了包括根据之前说明的实施例之一的电路配置的车辆。该次级单元也能包括整流器，用于整流由次级单元的电路配置提供的AC电压。

还提出了初级单元，其中，该初级单元包括根据之前说明的实施例之一的电路配置。

附图说明

将参照附图说明本发明。附图示出了：

图1a是相位线的等效电路的示意电路图，

图1b是沿着图1a中所示的等效电路的电势过程，

图2a是根据本发明在第一实施例中的相位线的电路图，

图2b是沿着图2a中所示的电路图的电势过程，

图3a是具有多个感应次电路的相位线的电路图，

图3b是图3a所示的电路图的电势过程，

图4a是具有多个感应次电路的相位线的电路图，

图4b是沿着图4a所示的电路图的电势过程，

图5a是根据本发明在第二实施例中的相位线的电路图，

图5b是沿着图5a中所示的电路图的电势过程，

图6a是根据本发明在第三实施例中的相位线的电路图，

图6b是沿着图6a中所示的电路图的电势过程，

图7a是根据本发明在第四实施例中的相位线的电路图，

图7b是沿着图7a中所示的电路图的电势过程，

图8a是根据本发明在第五实施例中的相位线的电路图，

图8b是沿着图8a中所示的电路图的电势过程，

图9a是根据本发明在第六实施例中的相位线的电路图，以及

图9b是沿着图9a中所示的电路图的电势过程。

具体实施方式

图1a示出了提出的电路配置的相位线的等效电路。该等效电路包括串联连接的感应元件L和电容元件C。感应元件L的电感等于相位线的发生电感，具体等于相位线内的所有感应元件的发生电感。相应地，电容元件C的电容等于相位线的发生电容，具体等于相位线内的所有电容元件的发生电容。

也示出了沿着该等效电路的三个区段S1,S2,S3。区段S1表示包括感应元件L的第一端T1_L的区段。区段S2表示包括感应元件L的第二端T2_L和电容元件C的第一端T1_C的区段。区段S3表示包括电容元件C的第二端T2_C的区段。

示出了流动通过相位线的预定相电流Ip，电流方向定位成从感应元件L的第一端T1_L(相位线的输入端)朝向电容元件C的第二端T2_C(相位线的输出端)。

图1b示出了沿着相位线，具体沿着不同的区段S1,S2,S3的电势过程，假设相电流Ip以例如20kHz的给定操作频率流动通过相位线。假定预定相电流Ip具有1A或者100A的RMS值。在区段S1(参见图1a)，相位线的电势V会处于参考值，例如0Vrms。但是，电势V(相对于所述参考值)在区段S2会增加到+Vmax的值，其中，+Vmax可等于感应元件L的电感和操作频率ω的乘积。然后，电势V在区段S3会再次降低到0Vrms。

如果相位线被操作处于谐振频率，具体地如果电容元件C的电容等于1和感应元件L的电感和操作频率ω的乘积的比率，那么该示出的电势过程就保持。

从图1b可看出，最大电势+Vmax决定图1a所示的电路配置的元件所需的绝缘水平。

根据惯例，在该示例中并且用于下面的示例中，电容元件提供电压减少，感应元件提供电压增加。但是，也可能使用惯例，其中电容元件提供电压增加，感应元件提供电压减少。另外，在该示例中以及在下面的示例中的电势V的所有值都是关于真实电势的有效值或者RMS值。但是，真实电势是波动的。

在下面的附图中，所有电容次电路的发生电容等于电容元件C的电容。另外，所有感应次电路的发生电感等于电容元件L的电感。这又意味着在图2a,3a,4a,5a,6a,7a,8a,9a中示出的相位线具有例如等于所需的操作频率的所需的谐振频率。另外，电势V的值指的是同一范围。

图2a示出了根据本发明的第一实施例的电路配置。该电路配置包括第一感应次电路L1和第二感应次电路L2和第一电容次电路C1。第一感应次电路L1的第一端T1_L1提供相位线的输入端。第一感应次电路L1的第二端T2_L1串联地电连接到第一电容次电路C1的第一端T1_C1。第一电容次电路C1的第二端T2_C1串联地电连接到第二感应次电路L2的第一端T1_L2。第二感应次电路L2的第二端T2_L2提供相位线的输出端。

示出为感应次电路L1,L2包括仅一个绕组结构，例如，线圈。所述第一电容次电路C1由例如电容器提供。

在预定操作频率ω下，预定相电流Ip示出为流动通过相位线，电流方向从第一感应元件L1的第一端T1_L1朝向第二感应元件L2的第二端T2_L2定向。

图2b示出了如果相电流Ip在给定操作频率ω下流动通过相位线时沿着相位线的次电路L1,C1,L2的电势过程。电势V在第一感应次电路L1的第一端T1_L1处是零。通过第一感应次电路L1，电势V增加到例如Vmax/2的值。该电势在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处获得。通过第一电容次电路C1，电势V减少到例如–Vmax/2的值。该电势在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处获得。通过第二感应次电路L2，电势V再次增加到零。从图2b可以看出，电势V沿着图2a所示的相位线的最大绝对值是+Vmax/2，不是如在图1a所示的相位线的情况下的Vmax。

每个感应次电路L1,L2的电感和第一电容次电路C1的电容必须被选择，使得图2a中所示的串联连接件的谐振频率与预定操作频率匹配。

图3a示出了具有两个感应次电路和一个电容次电路的相位线的电路图。与图2a所示的电路图相比，该第一和第二感应次电路L1,L2直接串联连接，其中第一电容次电路C1串联连接到串联连接的两个感应次电路L1,L2上。

如图3b所示，如果相电流Ip(参见图3a)在给定操作频率ω下流动通过相位线，那么电势V越过第一感应次电路L1增加到例如Vmax/2的值。该电势V在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处获得。通过第二感应次电路L2，电势V又增加例如Vmax/2的值到Vmax的值。该电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处获得。然后，电势V越过第一电容次电路C1减少到零值。因此，电势V沿着相位线的最大绝对值等于Vmax，因而，如果同一相电流Ip在给定操作频率ω下流动通过相位线，那么它不小于电势V沿着图1a所示的等效电路的相位线的最大绝对值。假定感应次电路L1,L2的电感相等。另外，电容次电路C1,C2的电容相等。当然，也可能电感和/或电容采用不同的值。

图4a示出了具有两个感应次电路和一个电容次电路的另一实施例的电路图。该电路图包括串联连接的第一电容次电路C1、第一感应次电路L1和第二感应次电路L2。与图2a所示的电路配置相比，串联连接的两个感应次电路L1,L2串联连接到第一电容次电路C1，其中，第一感应次电路L1的第二端T2_L1被连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。

图4b示出了如果相电流Ip(参见图4a)在给定操作频率ω下流动通过相位线，那么电势V沿着图4a所示的电路图的次电路C1,L1,L2的电势过程。通过第一电容次电路C1，电势V减小到-Vmax的值。通过第一感应次电路L1，电势V增加到-Vmax/2的值。该电势V在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处获得。通过第二感应次电路L2，相位线的电势V增加到零值。该电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处获得。

从图4b可以看出，如果同样的相电流Ip在给定操作频率ω下流动通过相位线，那么电势V的最大绝对值不小于电势沿着图1a所示的相位线的最大绝对值。

图5a示出了根据本发明的第二实施例的电路图。该相位线包括串联连接的第一感应次电路L1，第一电容次电路C1，第二电容次电路C2和第二感应次电路L2。在该实施例中，串联连接的两个电容次电路C1,C2被第一感应次电路L1和第二感应次电路L2框住。这意味着，第一电容次电路C1的第一端T1_C1被连接到第一感应次电路L1的第二端T2_L1。第二电容次电路C2的第一端T1_C2被连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。第二感应次电路L2的第一端T1_L2被连接到第二电容次电路C2的第二端T2_C2。

选择电容次电路C1,C2的电容，使得串联连接的电容次电路C1,C2与图2a所示的第一电容次电路提供相同的电容。特别地，每个电容次电路C1,C2的电容能被选择为与图2a所示的第一电容次电路C1的电容的两倍高。因此，串联连接的电容次电路C1,C2与图2a所示的单个电容次电路C1具有相同的电容。

图5b示出了如果相电流Ip(参见Fig.5a)在给定的操作频率ω下流动通过相位线时沿着相位线的次电路L1,C1,C2,L2的电势过程。如果相电流Ip流动通过图5a所示的相位线，那么电势V从在第一感应次电路L1的第一端T1_L1处的零值增加到在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处的Vmax/2值。然后，电势V在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处下降到零值。然后，电势V在第二电容次电路C2的第二端T2_C2处下降到-Vmax/2的值。然后，电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处增加到零值。

因此，电势V沿着相位线的最大绝对值是Vmax/2，该值小于图1a所示的等效电路在同样的操作条件下(例如为当同样的相电流Ip在给定的操作频率ω下流动通过相位线时)的电势V的最大绝对值。

图6a示出了根据本发明的第三实施例中相位线的电路图。该相位线包括串联连接的第一电容次电路C1、第一感应次电路L1、第二电容次电路C2和第二感应次电路L2。次电路C1,L1,C2,L2以交替的顺序配置。这意味着第一感应次电路L1的第一端T1_L1连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。第二电容次电路C2的第一端T1_C2连接到第一感应次电路的第二端T2_L1。第二感应次电路L2的第一端T1_L2连接到第二电容次电路C2的第二端T2_C2。

每个电容次电路C1,C2的电容被选择为图2a所示的电容次电路C1的电容的两倍高。因此，在图6a所示的相位线的谐振频率等于图2a所示的相位线的谐振频率。

图6b示出了沿着图6a所示的相位线的次电路C1,L1,C2,L2的电势过程。如果预定相电流Ip(参见图6a)在预定操作频率ω下从第一电容次电路C1的第一端T1_C1到第二感应次电路L2的第二端T2_L2流动通过相位线，那么电势V会在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处下降到-Vmax/2的值。然后，电势V会在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处增加到零值。然后，电势V会在第二电容次电路C2的第二端T2_C2处下降到-Vmax/2值。然后，电势V会在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处增加到零值。

从图6b可看出，电势V的最大绝对值是Vmax/2，因此小于图1a所示的相位线的电势V的最大绝对值。

图7a示出了根据本发明的第四实施例中相位线的电路图。该相位线包括串联连接的第一电容次电路C1、第一感应次电路L1、第二电容次电路C2和第二感应次电路L2。感应和电容次电路L1，C1，L2，C2以交替的顺序配置。这意味着第一电容次电路C1的第一端T1_C1连接到第一感应次电路L1的第二端T2_L1。另外，第二感应次电路L2的第一端T1_L2连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。另外，第二电容次电路C2的第一端T1_C2连接到第二感应次电路L2的第二端T2_L2。

每个电容次电路C1,C2的电容被选择为图2a所示的电容次电路C1的电容的两倍高。当然，也能够选择电容的任何组合，其提供的发生电容等于图2a所示的电容次电路C1的电容。但是，具有相等电容的电容次电路C1,C2的组合是分布电势V的最佳选择。因此，在图7a所示的相位线的谐振频率等于图2a所示的相位线的谐振频率。

图7b示出了如果预定相电流Ip(参见图7a)在预定操作频率ω下从第一感应次电路L1的第一端T1_L1(相位线的输入端)到第二电容次电路C2的第二端T2_C2(相位线的输出端)流动时电势V的电势过程。电势V从在第一感应次电路L1的第一端T1_L1处的零值增加到在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处的Vmax/2的值。然后，电势V在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处减少到零值。然后，电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处再次增加到Vmax/2的值。然后，电势V在第二电容次电路C2的第二端T2_C2处减少到零值。

从图7b可看出，电势V的最大绝对值是Vmax/2，该值小于根据图1a所示的电路配置的相位线的电势V的最大绝对值。

图8a示出了根据本发明的第五实施例的相位线的电路图。该相位线包括串联连接的第一电容次电路C1，第一感应次电路L1，第二电容次电路C2和第二感应次电路L2。在该实施例中，串联连接的感应次电路L1,L2被第一电容次电路C1和第二电容次电路C2框住。这意味着，第一感应次电路L1的第一端T1_L1连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。第二感应次电路L2的第一端T1_L2被连接到第一感应次电路L1的第二端T2_L1。第二电容次电路C2的第一端T1_C2被连接到第二感应次电路L2的第二端T2_L2。第一电容次电路C1的第一端T1_C1提供相位线的输入端，并且第二电容次电路C2的第二端T2_C2提供相位线的输出端。也示出了从输入端流动到输出端的相电流Ip。

每个电容次电路C1,C2的电容被选择为与图2a所示的第一电容次电路C1的电容的两倍高。

在图8b中示出了如果相电流Ip(参见图8a)在给定的操作频率ω下流动通过相位线时沿着相位线的次电路C1,L1,L2,C2的电势V的电势过程。在第一电容次电路C1的第一端T1_C1处，电势V具有零值。电势V在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处下降到-Vmax/2的值。然后，电势V在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处增加到零值。然后，电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处再次增加到Vmax/2的值。最后，电势V在第二电容次电路C2的第二端T2_C2处减小到零值。

能看出，电势V的最大绝对值是Vmax/2，该值小于沿着图1a所示的相位线的电势V的最大绝对值。

图9a示出了根据本发明的第六实施例的相位线的电路图。该相位线包括串联连接的第一电容次电路C1，第一感应次电路L1，第二电容次电路C2，第二感应次电路L2，第三电容次电路C3，第二感应次电路L2和第四电容次电路C4。第一电容次电路C1的第一端T1_C1提供相位线的输入端。第一感应次电路L1的第一端T1_L1连接到第一电容次电路C1的第二端T2_C1。第二电容次电路C2的第一端T1_C2被连接到第一感应次电路L1的第二端T2_L1。第三电容次电路C3的第一端T1_C3连接到第二电容次电路C2的第二端T2_C2。第二感应次电路L2的第一端T1_L2被连接到第三电容次电路C3的第二端T2_C3。第四电容次电路C4的第一端T1_C4连接到第二感应次电路L2的第二端T2_L2。第四电容次电路C4的第二端T2_C4提供相位线的输出端。也示出了从相位线的输入端流动到输出端的预定相电流Ip。每个电容次电路C1,C2，C3,C4的电容每个被选择为与图1a所示的第一电容次电路C1的电容的四倍高。

在图9b中示出了如果相电流Ip(参见图9a)在给定的操作频率ω下流动通过相位线时沿着相位线的次电路C1,L1,C2,C3,L2,C4的电势V的电势过程。在第一电容次电路C1的第一端T1_C1处，电势V具有零值。它在第一电容次电路C1的第二端T2_C1处下降到-Vmax/4的值。然后，电势V在第一感应次电路L1的第二端T2_L1处增加到Vmax/4的值。然后，电势V在第二电容次电路C2的第二端T2_C2处下降到零值。然后，电势V在第三电容次电路C3的第二端T2_C3处下降到-Vmax/4的值。然后，电势V在第二感应次电路L2的第二端T2_L2处增加到Vmax/4的值。最后，电势V在第四电容次电路的第二端T2_C4处减小到零值。

从图9b能看出，电势V的最大绝对值是Vmax/4。该值再次小于图8a所示的电路配置的电势V的最大绝对值，并且小于图1a所示的电路配置的电势V的最大绝对值。

在图2a,5a,6a,7a,8a,9a所示的实施例中，次电路L1,L2,C1,C2,C3,C4被设置为使得每个次电路L1,L2,C1,…,C4经受预定相电流Ip。这意味着，由于相电流Ip和频率，跨越每个次电路L1,L2,C1,…,C4的压降，例如从各第一端到各第二端的压降小于每个电路L1,L2,C1,…,C4的最大可容许RMS电压。尤其从图9a能看出，电容次电路C1,…,C4越多，跨越每个电容次电路C1,…,C4的压降越低。另一方面，每个电容次电路C1,…,C4的电容的值在每次电容次电路的数量加倍(如果电容次电路串联连接)时被加倍。

另外，电容次电路C1,…,C4的数量能被选择，使得能被供入到相位线中的所需总无功功率小于可供入到电容次电路C1,…,C4的所有的无功功率的总和(如果电容次电路C1,…,C4被串联连接)。如果所有的电容次电路C1,…,C4具有相同的电容，那么电容次电路C1,…,C4的最小数量N可由下式给出

N＝ceil(QP/Qc)公式1

其中，Qp指可供到相位线的总的无功功率，并且Qc指可供到每个电容次电路C1,…,C4的无功功率。Ceil指使数量达到整数的操作。

总的无功功率Qp可以通过发生电感、操作频率ω和预定相电流Ip的平方值的乘积计算。

例如，操作频率可以被选择为20kHz。预定相电流可被设定为200A(rms)。如果相位线的总的电感被设定为400μH，那么相位线需要的谐振的总电容为158.31nF。这种构造在图1a所示的等效电路中产生了10kV的最大电势Vmax。使用根据本发明配置的5个电容次电路和4个感应次电路，沿着相位线的最大电势Vmax可下降到例如1.8kV。这显著地减少了安装需求。

对于所有的示出的实施例，尤其是对于具有根据本发明的至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)和/或至少两个感应次电路(L1,L2,L3,L4)的配置或者分布的所有的相位线而言，在相位线在所需操作频率下操作的情况下，如果在相位线的输入端的电势V等于在相位线的输出端处的电势，或者与其不同，小于预定量，那么能核验相位线的所需特性。在这种情况下，实现了相位线到操作频率的所需调谐，即，相位线的谐振频率等于操作频率，或者比操作频率小预定量而不同。

尤其从图9a可示出，被分配到多个电容次电路上的发生电容越大，和/或被分配到多个感应次电路上的发生电感越大，那么所需的绝缘越低。

本发明的另一优势在于，根据本发明设计的相位线为各相位线的补偿提供了巨大的灵活性。因为具有多种可能的次电路分布和/或每个次电路的多种设计，所以能够选择分布和设计，使得相位线的所需谐振频率设置有预定精度。例如，对于沿着相位线串联连接的5个电容次电路，其中每个电容次电路包括并联或者串联连接的电容为1.3μF,1.8μF,3.0μF或者4.7μF的一个或者两个电容器，设计具有所需谐振频率的相位线的选择有42504种。优选地，电容次电路包括串联或者并联的两个电容器。

该灵活性有利地允许使得相位线的设计适应于计算电感或者偏离相位线的电感所需的精度。在计算电感和偏离电感之间的偏离可以是由于引起相位线的计算电感变化的外部因素。这样的外部因素包括：例如温度、标称的位移条件、磁层结构、缆线长度、车辆底盘的设计和/或材料。它们控制相位线的电容。

在一组不止一种的电容和/或感应次电路的配置或者分布满足提供相位线的所需谐振频率的范围的情况下，配置或者分布可选自其中电势V的最大绝对值是最小的或者其中跨越次电路下降的电压被同样分布的所述组。

Claims (17)

1.一种用于感应电能传输的系统的电路配置，尤其是感应电能传输到车辆的系统的电路配置，其中，所述电路配置包括至少一个相位线，其中所述至少一个相位线具有发生电感和发生电容，其中选择所述相位线的所述发生电感和所述发生电容，使得所述相位线的谐振频率与预定操作频率(ω)匹配，其特征在于：

所述发生电容由至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)提供，和/或所述发生电感由至少两个感应次电路(L1,L2)提供，其中在所述相位线内的所述至少两个感应次电路(L1,L2)和/或所述至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)配置成使得电势(V)沿着所述相位线的最大绝对值小于预定电势。

2.根据权利要求1所述的电路配置，其特征在于，所述感应次电路(L1,L2)和所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)在所述相位线的至少一个节段中交替配置。

3.根据权利要求1所述的电路配置，其特征在于，在所述相位线的至少一个节段中，两个感应次电路(L1,L2)框住两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)，或者，其中两个电容次电路(C1,C2)框住两个感应次电路(L1,L2)。

4.根据权利要求1至3之一所述的电路配置，其特征在于，电容次电路(C1,C2,C3,C4)被设计成使得预定相电流(Ip)小于或者等于电容次电路(C1,C2,C3,C4)的最大可容许电流，其中所述最大可容许电流根据所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)的至少一个电容元件的配置和/或电特性确定，和/或，其中电容次电路(C1,C2,C3,C4)被设计成使得由预定相电流(Ip)产生的次电路电压小于或者等于最大可容许次电路电压。

5.根据权利要求1至4之一所述的电路配置，其特征在于，选择每个相位线的电容元件的数量和/或每个电容元件的电特性，使得能供到所有电容元件的配置的发生无功功率高于或者等于能供到所述相位线的总的无功功率，和/或，使得所述相位线的谐振频率到所需操作频率之间的差小于预定阈值。

6.根据权利要求1至5之一所述的电路配置，其特征在于，选择电容元件的数量和/或至少一个电容元件的电特性和/或所述至少一个电容元件的配置，使得通过所述至少一个电容元件的最大电流小于通过所述至少一个电容元件的最大可容许电流的预定百分比，和/或，能供到所述至少一个电容元件的最大无功功率小于能供到所述至少一个电容元件的最大可容许无功功率的预定百分比，和/或，跨越所述至少一个电容元件的最大电压小于跨越所述至少一个电容元件的最大可容许电压的预定百分比。

7.一种设计用于感应电能传输的系统的接收装置的电路配置的方法，尤其是用于感应电能传输到车辆的系统的接收装置的电路配置的方法，包括如下步骤：

-确定至少一个相位线的发生电感和发生电容，使得所述相位线的谐振频率等于预定操作频率，

其特征在于

所述方法还包括如下步骤

-由至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)提供电容，和/或，由至少两个感应次电路(L1,L2)提供电感，

-将所述至少两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)和/或所述至少两个感应次电路(L1,L2)配置在所述相位线内，使得电势V沿着所述相位线的最大绝对值小于预定电势。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述感应次电路(L1,L2)和所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)交替配置在所述相位线的至少一个节段中。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述感应次电路(L1,L2)和所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)配置成在所述相位线的至少一个节段中使得两个感应次电路(L1,L2)框住两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)，或者，使得两个电容次电路(C1,C2,C3,C4)框住两个感应次电路(L1,L2)。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括下面顺序的步骤：

-确定在所述相位线内的预定数量的感应次电路(L1,L2)的电感，

-确定发生电容，

-限定电容次电路(C1,C2,C3,C4)的数量，其中所述数量大于一，

-设计所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)，使得提供所述发生电容，并且预定相电流(Ip)小于或者等于所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)的最大可容许电流，其中所述最大可容许电流根据电容次电路(C1,C2,C3,C4)的至少一个电容元件的配置和/或电特性确定，和/或，设计所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)，使得由所述预定相电流(Ip)产生的次电流电压小于或者等于最大可容许次电路电压，

-将所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)配置在所述相位线内，使得所述电势V沿着所述相位线的最大绝对值小于所述预定电势。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，如果至少一个电容次电路(C1,C2,C3,C4)没有被设置为使得所述预定相电流(Ip)小于或者等于所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)的最大可容许电流，和/或由所述预定相电流(Ip)产生的次电路电压小于或者等于最大可容许次电路电压，和/或，如果所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)在所述相位线内没能被配置为使得所述电势V沿着所述相位线的最大绝对值小于所述预定电势，那么增加电容次电路(C1,C2,C3,C4)的数量。

12.根据权利要求7至11之一所述的方法，其特征在于，所述电容次电路(C1,C2,C3,C4)的电容元件选自一组预定电容元件。

13.根据权利要求7至12之一所述的方法，其特征在于，选择每个相位线的电容元件的总数量和/或每个电容元件的电特性，使得能供到所有电容元件的配置的发生无功功率高于或者等于能供到所述相位线的总无功功率。

14.根据权利要求7至13之一所述的方法，其特征在于，选择每个相位线的电容元件的数量和/或至少一个电容元件的电特性和/或所述至少一个电容元件的配置，使得通过所述至少一个电容元件的最大电流小于通过所述至少一个电容元件的最大可容许电流的预定百分比，和/或，能供到所述至少一个电容元件的最大无功功率小于能供到所述至少一个电容元件的最大可容许无功功率的预定百分比，和/或，跨越所述至少一个电容元件的最大电压小于跨越所述至少一个电容元件的最大可容许电压的预定百分比。

15.根据权利要求7至14之一所述的方法，其特征在于，每个电容次电路(C1,C2,C3,C4)的电容相等。

16.一种用于感应电能传输的系统的次级单元，特别是用于感应电能传输到车辆的系统的次级单元，其特征在于，所述次级单元包括根据所述权利要求1至6之一所述的电路配置(1)。

17.一种用于感应电能传输的系统的初级单元，特别是用于感应电能传输到车辆的系统的初级单元，其特征在于，所述初级单元包括根据所述权利要求1至6之一所述的电路配置(1)。