CN105099001B - 用于无接触地传输能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无接触地传输能量的装置，其包括电源、由电源供电的具有至少一个初级线圈(11)的初级侧转换器(10)和用于控制初级侧转换器(10)的初级侧控制单元。装置还包括具有至少一个次级线圈(21)的次级侧转换器，其中次级线圈(21)和初级线圈(11)在装置运行时构成变压器。电源还包括次级侧故障检测单元(22)，其设计用于在次级侧转换器(20)出现故障时输出第一故障信号；和电路布置(40)，用于根据故障检测单元输出的第一故障信号产生次级线圈(21)的次级侧短路。初级侧检测单元(13)设计用于探测由于次级侧短路产生的经过初级线圈(11)的电流上升并输出第二故障信号并将其提供给初级侧控制单元以切断初级侧转换器(10)。

Description

用于无接触地传输能量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于无接触地传输能量的装置，其具有电源、由电源供电的具有至少一个初级线圈的初级侧转换器、用于控制初级侧转换器的初级侧的控制单元以及具有至少一个次级线圈的次级侧转换器，其中，次级线圈和初级线圈在装置运行时构成变压器。

背景技术

为了控制进行初级转换的转换器，受控的直流电压转换器(DC/DC转换器)需要次级侧转换器的输出信息的反馈信号。通过反馈信号探测次级侧转换器的当前的实际值，从而能够通过使用实际值控制初级侧的转换器。除了限定到期望的额定值之外，反馈信号对于能量传输装置的安全运行也是必需的。反馈信号使得能够掌握运行情况、例如与次级侧的转换器连接的负载的空载或减载。在用于无接触地、即无线或感应地能量传输的装置中，负载例如是次级侧的蓄能器。这种能量传输装置例如在小型电设备的领域中有所增长，然而公知也用于电动车辆的蓄能器的无接触充电。

在从初级侧转换器到次级侧转换器的无接触能量传输中，反馈信号能够取决于原理地或者是不可靠地供使用。由此，尤其负载跃变或减载的运行状态不经受限制，并且能够因此引起能量传输装置的、尤其是转换器的损坏。负载跃变或减载例如在次级侧转换器的或次级侧蓄能器有不可预知的故障或者在连接中有故障时出现。

在用于电动车辆的几千瓦功率范围的无线能量传输的周围环境中，为了提供反馈信号而使用无线通讯、例如借助于WLAN(无线局域网)，其中，归属于次级侧的通讯单元将代表次级侧转换器的实际值的信息传输到归属于初级侧的通讯单元处，以用于进一步处理。然后，包含在报文中的信息为了控制初级侧的转换器而由初级侧的控制单元使用。然而这种通讯通道不是可靠的连接。例如，接收数据的等待时间强烈地取决于环境、例如在附近存在的无线电装置。因此仅能够不充分地确保对能量传输装置的防护。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于无接触地传输能量的装置，其实现了更加简单且更加可靠地传输反馈信号。

提出一种用于无接触地传输能量的装置，其包括电源、由电源供电的具有至少一个初级线圈的初级侧的转换器和用于控制初级侧的转换器的初级侧的控制单元。此外，该装置包括具有至少一个次级线圈的次级侧的转换器，其中，次级线圈和初级线圈在装置运行时构成变压器。此外，设有次级侧的故障检测单元，其设计用于在次级侧的转换器出现故障时输出第一故障信号；以及设有电路布置，其用于根据由故障检测单元输出的第一故障信号产生次级线圈的次级侧的短路。初级侧的检测单元设计用于探测由于次级侧的短路产生的经过初级线圈的电流上升并且输出第二故障信号，并且将其提供给初级侧的控制单元，以用于切断初级侧的转换器。

该装置基于如下考虑：能够以简单的方式在初级侧探测次级线圈的次级侧的短路。因为电流仅受到寄生电感(parasitaere Induktivitaeten)限制，次级线圈的短路引起流经初级线圈的负载电流的极其陡峭的上升。

如果初级侧的检测单元例如设计用于检测流经初级线圈的电流的斜率和/或大小，那么能够探测和识别初级侧的检测单元的故障，该故障然后引起了能量传输装置的所期望的切断。因此，本发明实现了，在初级侧上不仅可靠地识别了空载和减载的运行情况而且也识别其他的故障，并且通过相应的操控切断初级侧的转换器。由此，能够可靠地防止能量传输装置的损坏。特别地，既在能量传输装置的初级侧上也在次级侧上能够省弃在现有技术中设置的通讯单元。由此，不仅能够消除通过通讯产生的问题，还能够以更简单且成本更低的方式提供能量传输装置。

代替于此，为了传输以下信息，即能量传输装置的次级侧上存在故障，使用通过初级线圈和次级线圈形成的变压器作为“快速”反馈线路。

特别地，次级侧的故障检测单元设计用于监控次级侧的转换器的电压是否超过或低于相应所属的预设阈值。低于或超过相应所属的阈值由故障检测单元解释为关于存在故障的信息，该故障必须引起能量传输装置的切断。为了将该信息传输至初级侧，借助于电路布置产生次级线圈的次级侧短路，该短路此时能够以所描述的方式通过初级侧来评估。

特别地，次级侧的故障检测单元设计用于监控在次级侧的转换器的输出端子之间的电压。例如将次级侧的蓄能器连接到次级侧的转换器的输出端子处。在次级侧的蓄能器存在或出现故障时，该故障能够以输出端子之间的变化电压来被发现，因此通过故障检测单元来监控该变化电压。

根据其他的设计方案，电路布置能够与次级侧的转换器并联地连接到次级线圈的线圈接线处。电路布置和次级侧的转换器能够具有共同的输出端子。电路布置能够至少部分地由次级侧的转换器的构件来构成。电路布置能够如下地设计，即在次级线圈短路时，次级侧转换器的整流器布置的二极管抑制次级侧转换器的输出端子的短路，由此防止连接到输出端子处的部件、例如蓄能器受损。

电路布置能够包括至少一个用于产生短路的能控制的开关元件。能控制的开关元件例如是半导体开关元件，其设计用于至少短时地不受损地经受高的通过电流。例如，能够使用晶闸管、IGBT或MOSFET作为能控制的开关元件。

在一个设计方案中，至少一个能控制的开关元件能够直接地布置在次级线圈的线圈接线之间，即线圈接线在导通状态下在没有中间连接其他构件的情况下彼此连接。能控制的开关元件例如能够具有交流断路器、即继电器的形式。能控制的开关元件也能够由两个反并联的半导体开关元件、例如IGBT构成。

根据另一个适当的设计方案，至少一个能控制的开关元件能够连接在次级侧转换器的输出端子和与次级侧转换器并联的电路布置的辅助端子之间。在该设计方案中，电路布置至少部分地使用次级侧的转换器的构件并且因此能够通过除次级侧转换器之外很少量的附加构件来实现。同时确保了，连接在次级侧的转换器的输出端子之间的次级侧的蓄能器不由于人工引导的次级线圈短路而受到损害。

附图说明

下面，根据附图中的实施例详细地阐述本发明。其示出：

图1是根据本发明的用于无接触地传输能量的装置的第一实施例的示意图，

图2是根据本发明的用于无接触地传输能量的装置的第二实施例的示意图，

图3是根据本发明的用于无接触地传输能量的装置的第三实施例的示意图，并且

图4是根据本发明的用于无接触地传输能量的装置的第四实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于无接触地传输能量的装置的第一实施例，该装置在下面被称为能量传输装置。根据直流电压转换器(DC/DC转换器)的类型建造的能量传输装置包括具有初级侧转换器10的初级侧和具有次级侧转换器20的次级侧。初级侧的转换器10例如集成到车库或停车场的地面中，为了简单起见仅示出该转换器的初级线圈11。次级侧的转换器20例如集成到电动车辆的底部中。为了实现将能量从初级侧转换器10无接触地传输到次级侧转换器20上，初级线圈11和次级线圈21上下重叠地布置，从而使初级线圈11和次级线圈21在能量传输装置运行时构成变压器。在开头提出的应用情况中，在初级侧转换器10和次级侧转换器20之间有大约20cm的气隙。典型地，次级侧的蓄能器32的充电以数千瓦的范围进行，从而出于安全的原因必须避免或者安全地处理故障。

当然，能量传输装置也能够以其他的功率等级来应用并且用于其他的应用中或实例中。

初级侧的转换器10由未详细示出的电源、例如交流电压接口供电。仅示意性示出的控制单元12用于控制初级侧的转换器，尤其用于为初级线圈11加载适当的电流，以便将能量传输到次级侧的能量转换器20上。此外，初级侧的转换器10包括初级侧的检测单元13。该检测单元设计用于，在能量传输装置的次级侧上存在出现故障时，将信号输出到控制单元12处，在接收到该信号时控制单元12切断初级侧的转换器10。

次级侧的转换器20包括整流器布置24，其由第一半桥25和第二半桥28构成。第一半桥25由两个串联的二极管26，27构成。第二半桥28由两个串联的二极管29，30构成。次级线圈21的第一线圈接线与二极管26和27的节点连接。次级线圈21的第二线圈接线与二极管29，30的节点连接。整流器布置24的输出接口与次级侧的转换器20的输出端子33，34连接。整流器布置24的第一输出端子通过第一和第二半桥25，28的二极管26，29的节点构成，该节点与第一输出端子33连接。第一输出端子33与已经提及的蓄能器32的正极连接(Bat+)。第二整流器布置24的第二输出接口与第二输出端子34连接，该第二输出接口通过第一和第二半桥25，28的二极管27和30的节点构成。第二输出端子34与蓄能器32的负极连接(Bat-)。次级侧的蓄能器32连接在第一和第二输出端子33，34之间，该蓄能器例如为车辆的牵引电池。电容器31与蓄能器32并联且进而布置在整流器布置的输出端子之间。就此描述的结构相当于常规的次级侧的转换器20。

为了在其中将能量从初级侧的转换器10传输到次级侧的转换器20上的能量传输装置运行中能够在初级侧识别次级侧出现的故障、例如蓄能器32的负载跃变或减载，次级侧的转换器20包括用于产生次级线圈21的次级侧短路的电路布置40。此外，设有次级侧的故障检测单元22，其在图1中仅示意地示出。通过故障检测单元22监控施加在电容器31上的电压且由此监控蓄能器的端子处的电压。如果施加在电容器31上的电压超过或低于相应所属的阈值，那么故障检测单元22输出第一故障信号，电路布置40借助该第一故障信号使线圈接线短路，该电路布置在本实施例中直接地连接在次级线圈21的线圈接线之间。电路布置40能够是交流电布置，其例如以继电器的形式或者以两个反并联的半导体开关元件、如IGBT的形式。

由次级线圈21的次级侧短路导致了流经初级线圈11的负载电流的陡峭上升，因为该上升仅还受到寄生电感限制。开头提及的检测单元13设计用于探测和处理流经初级线圈11的电流的大小和/或斜率。如果斜率足够大和/或经过初级线圈11的电流的大小超过预设值，那么通过检测单元13发出第二故障信号，该信号输送给控制单元12。在接收到第二故障信号时，控制单元12切断初级侧的转换器10，以便防止能量传输装置受损。

次级线圈21的线圈接线的短路实现了，即使不设有单独的通讯部件，也向初级侧发送信号标志了在能量存储装置的次级侧上出现的故障。在此，次级侧的蓄能器32的反向电压(Gegenspannung)保持不受次级线圈21的短路的影响，因为通过整流器布置24的二极管防止了蓄能器32短路或损坏。

在图2中示出的第二实施例中，由第二或辅助整流器布置形成电路布置40，该第二或辅助整流器布置由第三和第四半桥42，45、可选的电容器48和能控制的半导体开关元件49构成。电路布置40与次级侧的转换器20并联。次级线圈21的第一线圈接线与第三半桥42的二极管43，44的节点连接。次级线圈21的第二线圈接线与第四半桥45的二极管46，47的节点连接。辅助整流器布置的输出端与电路布置40的输出端子50，51连接。在此，二极管43，46之间的节点与在其上施加有正的辅助电势V+_Aux的第一输出端子50连接。二极管44和47的节点与在其上施加正的辅助参考电势Gnd_Aux的第二输出端子51连接。另外的电容器48连接在整流器布置的输出端或输出端子50，51之间。与电容器48并联地布置能控制的半导体开关元件、例如以晶闸管的形式。

如果次级侧的转换器20的电容器31上的电压(即输出端子33和34之间的电压)超过或低于相应预设的阈值，那么这通过故障检测单元22来检测出。如在当前的实施例中，故障检测单元22控制能控制的半导体开关元件49，从而导通该半导体开关元件。由此，经由电路布置40(辅助回路)的整流器布置和导通连接的半导体开关元件49形成使次级线圈21的线圈接线短路的电流路径。

因为电容器31上的电压由于至少部分充电的次级侧的蓄能器32而大于在产生短路之后施加在线圈接线处的电压，所以不超过电池的反向电压。由此，蓄能器32在短路的情况下通过次级侧的转换器20的整流器布置24的二极管26和29得到保护。仅仅变压器的次级侧、即次级线圈21短路。

除了监控电池侧的中间回路的电容器31上的电压之外，通过故障检测单元2 2也能够监控在仅可选设置的电容器48上的电压。由此例如能够通过故障检测单元22检测在整流器布置24的二极管中的一个二极管处的故障，该二极管对于保护次级侧的蓄能器32是重要的。

故障的检测以上述方式通过由初级侧的检测单元13监控流经初级线圈的电流的斜率和/或大小来实现。如在上述情况中一样，通过产生第二故障信号和对其的处理，通过控制单元12来切断初级侧的转换器10。

在图2中示出的实施例具有用于产生次级侧短路的电路布置40，其中设有具有四个二极管和至少具有能控制的半导体开关元件的第二或辅助整流器布置，而图3和4示出了分别用很少量的附加构件实现的另外实施例。

在图3示出的第三实施例中，电路布置40的二极管44与线圈接线连接，并且电路布置40的二极管47与次级线圈21的其他线圈接线连接。通过这两个二极管44，47的阴极接口形成的节点与电路布置40的输出端子51连接。在输出端子51处施加有辅助参考电势Gnd_Aux。在次级侧的转换器20的端子51和端子33之间连接有能控制的半导体开关元件49。可选设置的电容器48同样连接在次级侧的转换器20的端子33和电路布置40的输出端子41之间。

如果电容器31上的电压(即接线端子33和34之间的电压)超过或低于相应预设的阈值，那么其通过故障检测单元22来探测出，并且能控制的开关元件49连通。次级线圈21现在经由整流器布置24的二极管26和29和电路布置40的二极管44，47和连通的能控制的开关元件49来短路。在短路的情况下，与接线端子33连接的二极管26，29闭锁了来自次级侧的蓄能器32的通过电流，从而使其不短路。

以上述的方式进行由初级侧检测次级线圈21的短路。

在图4中示出的第四实施例与图3中的布置相对应，区别在于，利用其相应的阳极接口与次级线圈21的相对应的线圈接线连接的二极管43，46现在与电路布置40的输出端子50连接。在电路布置的输出端子50处施加正的辅助电势V+_Aux。能控制的半导体开关元件49连接在输出端子50和第二输出端子34之间。电路布置40的可选的电容器48与能控制的半导体开关元件49并联地连接在次级侧的转换器20的输出端子50和输出端子34之间。

如果次级侧的转换器20的电容器31上的电压超过或低于相应预设的阈值，那么故障检测单元22产生第一故障信号并且使能控制的开关元件49导通。由此，次级线圈21的线圈接线经由电路布置40的二极管43，46和次级侧的转换器20的二极管30或27短路。在短路的情况下，次级侧的转换器20的二极管27和30闭锁了接线端子33，34之间的电流路径，从而次级侧的蓄能器32不能被短路。

图3和4的实施例中的可选的电容器48还用于，通过电压截取能够识别整流器布置24的二极管的损坏，这些二极管应当防止在次级侧的蓄能器32的接线端子31，34之间的短路。

电路布置40的二极管能够是任意类型的。原则上，二极管能够设计小于次级侧的转换器20的整流器布置24的二极管，因为这些二极管仅需要针对在短路情况下出现的通过电流来确定规格。

所提出的对能量传输装置的设计方案实现了次级侧故障的处理，而不需要到能量传输装置的初级侧的真实的反馈通道(就线路或无线通讯方面)。所提出的设计方案变体确保了次级侧的蓄能器的反向电压保持不受人为产生的次级侧短路的影响。另外的优点在于，能量传输装置的效率保持不受到为保护而设置的电路布置的损害。

Claims (8)

1.一种用于无接触地传输能量的装置，包括

电源；

由所述电源供电的初级侧转换器(10)，该初级侧转换器具有至少一个初级线圈(11)；

初级侧的控制单元(12)，该控制单元用于控制所述初级侧转换器(10)；

具有至少一个次级线圈(21)的次级侧转换器，其中，所述次级线圈(21)和所述初级线圈(11)在所述装置运行时构成变压器；

次级侧的故障检测单元(22)，所述故障检测单元设计用于在所述次级侧转换器(20)出现故障时输出第一故障信号；

电路布置(40)，该电路布置用于根据由所述故障检测单元输出的所述第一故障信号产生所述次级线圈(21)的次级侧短路；

初级侧的检测单元(13)，该检测单元设计用于探测由于所述次级侧短路产生的经过所述初级线圈(11)的电流上升，并且输出第二故障信号且使所述第二故障信号提供给初级侧的所述控制单元，以用于切断所述初级侧转换器(10)，

所述电路布置(40)与所述次级侧转换器(20)并联地连接到所述次级线圈(21)的线圈接线处，

其中，所述电路布置(40)设计为，在所述次级线圈(21)短路时，所述次级侧转换器(20)的整流器布置的二极管抑制所述次级侧转换器(20)的输出端子(33，34)的短路，

其中，所述电路布置(40)包括整流器布置和至少一个用于产生短路的能控制的开关元件(49)，该整流器布置的输入端与所述次级线圈(21)的线圈接线相连，并且该整流器布置的输出端与所述开关元件相连，至少一个能控制的所述开关元件(49)还连接在所述次级侧转换器(20)的输出端子和与所述次级侧转换器(20)并联的所述电路布置(40)的辅助端子之间，并且在该辅助端子上施加有辅助参考电势，从而该整流器布置的与该辅助端子连接的输出端也施加有辅助参考电势。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，初级侧的所述检测单元(13)设计用于探测流经过所述初级线圈(11)的电流的斜率和/或大小。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，次级侧的所述故障检测单元(22)设计用于监控所述次级侧转换器(20)的电压是否超过或低于预设的阈值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，次级侧的所述故障检测单元(22)设计用于监控在所述次级侧转换器(20)的输出端子(33，34)之间的电压。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电路布置(40)和所述次级侧转换器(20)具有共同的输出端子。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述电路布置(40)和所述次级侧转换器(20)具有共同的输出端子。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电路布置(40)至少部分地由所述次级侧转换器(20)的构件构成。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电路布置(40)至少部分地由所述次级侧转换器(20)的构件构成。

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