CN106575885B - 用于非接触式地使电池组运行的对象充电或放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过磁耦合线圈对来非接触式地使电池组运行的对象（4）充电或放电的方法，所述线圈对包括充电/放电站（2）的初级线圈（6）和对象（4）的次级线圈（8），其中在第一步骤中，将对象（4）转移到相对于充电/放电站（2）的参考位置，在第二步骤中，在参考位置确定参考参数，在第三步骤中，根据参考参数确定对象（4）与充电/放电站（2）的横向额定错位，并且在第四步骤中，基于横向额定错位，将对象（4）转移到相对于充电/放电站（2）的充电/放电位置，在所述充电/放电位置处进行非接触式充电或放电。此外，本发明还涉及一种计算机程序、一种系统（100）、一种充电/放电站（2）以及一种对象（4），它们被配置为执行所述方法。

Description

用于非接触式地使电池组运行的对象充电或放电的方法
技术领域
本发明涉及用于非接触式地使电池组运行的对象、例如电动车辆或电动自行车充电或放电的方法。另外的应用实例例如可以涉及电动工具或消费者设备。
此外，说明了被配置为执行该方法的计算机程序、系统以及充电/放电站以及电池组运行的对象。
背景技术
在电池组运行的对象的非接触式充电或放电过程中，通过气隙进行电功率的传输。为此，使用线圈对，该线圈对通过交变磁场彼此电感耦合。
磁耦合线圈对可以作为具有大的气隙的变压器来建模。气隙的大小影响系统的漏电感的大小，并且确定线圈对的线圈之间耦合的程度，该耦合在本发明的范围内被示为耦合因子。
本发明的任务是提供用于通过磁耦合线圈对来非接触式地使电池组运行的对象充电或放电的方法和系统，其中系统中的所需调节组件的数目可以被保持为小的。
本发明的另一任务是，提供这样的方法和这样的系统，所述方法和所述系统在低复杂度和低成本的情况下允许宽的应用范围。
发明内容
在根据本发明的用于通过磁耦合线圈对——所述线圈对包括充电/放电站的初级线圈和对象的次级线圈——来非接触式地使电池组运行的对象充电或放电的方法中规定：
在第一步骤中，将对象转移到相对于充电/放电站的参考位置；
在第二步骤中，在参考位置确定参考参数；
在第三步骤中，根据参考参数来确定对象与充电/放电站的横向额定错位和/或垂直额定高度；以及
在第四步骤中，基于横向额定错位和/或垂直额定高度，将对象转移到相对于充电/放电站的充电/放电位置，在该充电/放电位置进行非接触式充电或放电。
对象相对于充电/放电站的位置确定可以利用从现有技术中已知的方法进行、例如借助于GPS、室内GPS、光学或超声传感器、视频系统或其组合。线圈对的电和/或磁参数的测量也可以用作参考。
对象到参考位置的转移同样可以以已知的方式进行，必要时通过控制电池组运行的对象的驱动系统和/或通过向人显示定位指示来进行。在此，在电动车辆的情况下，例如可以访问停车辅助装置的装置。参考位置可以通过线圈相对于彼此的最优定向或位置来确定。
根据一个实施方式，参考参数是对线圈对的磁耦合的质量进行描述的耦合因子或互感系数。耦合因子或互感系数可以在通过参考信号来进行施加的情况下借助于电流和/或电压测量、即通过所定义的电流或电压分布来测量。在此，所定义的电流或电压分布既可以由电池组运行的对象来施加，也可以优选地由充电/放电站来施加。相应的系统对应件、即充电/放电站或电池组运行的对象借助于用于电压和电流的合适的传感机构来测量所接收的电流或电压分布。从所传输的电流与所接收的电流或电压的比例中确定耦合因子。
根据本发明的另一实施方式，参考参数是对象高于充电/放电站的高度。对象高于充电/放电站的高度可以在上述模型中确定对象与充电/放电站之间、尤其是初级线圈与次级线圈之间的气隙的大小，并且因此对于漏电感的大小是决定性的。对象高于充电/放电站的高度的确定可以借助于已知的传感机构来进行，例如借助于GPS、室内GPS或者以光学或声学方式、例如借助于相机数据或超声来进行。
根据一个实施方式，例如根据查找表（英语：look-up table）从参考参数中确定横向额定错位、即有针对性的空间错位。在这种情况下，目标可以是，通过可变气隙或者通过可变传输伙伴实现相对不变的耦合因子。这在利用初级线圈与次级线圈之间的横向额定错位来实现，所述横向额定错位被调整为使得得出不变的耦合因子。在此，耦合因子与相对错位之间的关联可以作为函数关联存在并且被存放在查找表中。对象高于充电/放电站的高度与错位额定错位的函数关联也可以存放在这样的查找表中。
附加于或替代于横向额定错位，对象相对于充电站的额定高度可以在存在执行机构的情况下来调整。在车辆的情况下，其例如可以是现有空气缓冲（Luftfederung）。在此，耦合因子与额定高度之间的关联可以作为函数关联存在并且被存放在查找表中。对象高于充电/放电站的高度与额定高度的函数关联也可以存放在这样的查找表中。
在由参考参数确定横向额定错位和/或额定高度以后，对象例如通过将横向额定错位应用于参考位置被转移到相对于充电/放电站的充电/放电位置。在这种情况下，例如可以访问停车辅助装置的装置。可以规定，在此之后启动非接触式充电或放电。
替代地，在对象的横向额定错位和/或额定高度被应用于参考位置以后，重新应用所述方法。对于所确定的参考参数位于所确定的阈值之上或之下的情况，根据参考参数来确定另外的横向额定错位和/或另外的额定高度。也就是说，该方法可以迭代地执行。中断标准可以是，所确定的参考参数位于阈值之上或之下，由此来定义相对于充电/放电站的充电/放电位置。
一旦所确定的参考值处于所期望的极限之内，则启动非接触式的充电或放电。
根据本发明，还提出一种计算机程序，根据该计算机程序来执行本文中所描述的方法，其中该计算机程序在可编程计算机设备上实施。该计算机程序例如可以是软件模块、软件例程或软件子例程，它们用于实现具有电池组运行的对象和充电/放电站的充电/放电系统。计算机程序可以存储在电池组运行的对象上以及充电/放电站上或者分布式地存储在其上、尤其是存储在譬如永久式的或可再写的机器可读存储介质上、或者与计算机设备相关联地例如存储在便携式存储器、比如CD－ROM、DVD、蓝光盘、USB棒或存储卡上。
附加地于此和替代于此，该计算机程序可以在计算机设备上提供、譬如在服务器或云服务器上提供以供例如通过诸如因特网之类的数据网络或者通过譬如电话线或无线连接之类的通信连接下载。在电动车辆的情况下，计算机程序可以存储在车辆的控制设备上。
根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其具有充电/放电站、电池组运行的对象和控制设备，其中控制设备被配置为：将对象转移到相对于充电/放电站的参考位置；在参考位置处确定参考参数；根据参考参数来确定对象相对于充电/放电站的横向额定错位和/或垂直额定高度；基于横向额定错位和/或垂直额定高度将对象转移到相对于充电/放电站的充电/放电位置，并且通过磁耦合线圈对来启动对象的非接触式充电或放电，其中充电/放电站具有初级线圈并且对象具有次级线圈，所述初级线圈和次级线圈形成所述线圈对。
该系统优选地被构造和/或配置为执行所描述的方法。与此相应地，在所述方法的范围中描述的特征相应地适用于该系统，并且反之，在该系统的范围内描述的特征相应地适用于该方法。
在此，控制设备可以被分配给充电/放电站或电池组运行的对象。替代地可以规定，不仅电池组运行的对象而且充电/放电站配备有控制设备，这些控制设备一起执行根据本本发明的方法。尤其是可以规定，控制设备可以与另外的驾驶员辅助系统、尤其是与停车辅助装置通信，或者可以访问其资源。
根据本发明的另外的方面，提供充电/放电站以及电池组运行的对象来在这样的系统中使用。
术语“电池组”和“电池组运行”在本说明书中与惯用语言习惯相适应地分别用于蓄电池和蓄电池运行。在电池组中，电池组电池优选地在空间上被联合，并且按照电路技术彼此连接、例如串联或并联成模块，以便能够利用所述电池组电池提供所要求的功率数据。但是在原理上也可以设想各种其它的电能存储器、例如双层电容器。
电池组运行的对象尤其是可以是机动车辆，其中其电池组与机动车辆的驱动系统连接。机动车辆可以被构造为纯电动车辆并且仅仅包括电驱动系统。替代地，机动车辆可以被构造为插电式混合动力车辆，该车辆包括电驱动系统和内燃机，其中能量存储器可以外部地充电。
本发明的优点
本发明的优点是，所描述的方法和该系统通过可变的气隙和/或通过不同的传输伙伴实现了近似不变的耦合因子。这有助于充电/放电站中的功率电子组件以及线圈对的设计。由此可以实现成本和/或安装空间降低。
通过在确定电池组运行的对象相对于充电/放电站或它们之间的位置的情况下缩小耦合因子的值范围，得出了节省系统的成本和复杂度的可能性。通过所提出的方案，可以完全放弃系统中的一定组件、例如附加的DC/AC转换器，同样不一定需要复杂的调节策略、比如双侧调节、即初级侧和次级侧的有源电子器件的组合。在此，本发明的附加成本被评估为低的，因为具有电感非接触式能量传输的现有系统常常已经配备有定位设备。
除此之外，电感充电/放电系统的最小效率可以在线圈对的不利定位的情况下没有附加成本地被提高，因为可以按照较小的参数范围进行更有针对性的设计。通过对效率取平均实现了：该系统的最小/最大行为被显著降低。
另一优点是，本发明可以应用于原理上任意的传输器，这尤其是涉及功率电子器件的拓扑以及所使用的初级和次级线圈的类型。
附图说明
本发明的实施例在附图中予以示出并且在随后的描述中予以进一步阐述。
附图：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有电池组运行的对象和充电/放电站的系统；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的初级和次级电路的示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施方式的初级和次级电路的另一示意图；
图4示出了用于示出耦合因子对横向错位和高度的依赖性的图表；
图5示出了用于示出横向错位对高度的依赖性的图表；
图6示出了用于示出效率和耦合因子对气隙的依赖性的图表；
图7A-7D以对比形式示出了在根据现有技术和利用本发明的措施进行非接触式充电或放电时的电流和电流走向。
在随后对本发明的实施例的描述中，给相同或相似的组件以相同或相似的附图标记来表示，其中在具体情况下不对这些组件做重复描述。附图仅仅示意性地示出了本发明的主题。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统100，其具有例如电动车辆之类的电池组运行的对象4以及充电/放电站2，它们被布置在相对于彼此的一定空间位置处。电池组运行的对象4在下面也简称对象4。该示例中的相对于彼此的空间位置通过气隙的大小h以及通过横向错位来描述，该横向错位是在具有dx的第一方向上和具有dy的第二方向上测量的。气隙的大小h可以对应于对象4高于充电/放电站2的高度。
在该实施方式中，充电/放电站2具有平面布置的初级线圈6，所述初级线圈6布置在底部中。对象4具有同样平面地布置的次级线圈8，通过所述次级线圈8可以对电池组（未示出）进行充电或放电。为了最优的能量传输，初级线圈6和次级线圈8被精确地彼此相叠地定位。气隙的大小h可以对应于线圈6、8的相对于彼此的垂直距离的大小。
通常，充电/放电站2中和对象4中的功率电子器件18、24的设计可以在标称工作点上并且针对一定耦合因子进行。但是实际工作点在现实中偏离于标称工作点，因为气隙的大小h依赖于次级线圈8的安装位置，并且例如在电动车辆的情况下还依赖于车辆的荷载。实际工作点或实际耦合因子还由于线圈6、8相对于彼此的实际横向错位而偏离。这妨碍了功率电子组件以及线圈对的设计，并且导致：系统行为在没有根据本发明的措施的情况下具有高度优选的工作点，但是其它工作点例如在效率方面被显著地损害。
在根据本发明的系统100的情况下如所示出的那样为了克服这些缺点设置有控制设备10，该控制设备10一方面连接到线圈6、8上、另一方面连接到例如超声传感器之类的传感器11上。
控制设备10被配置为确定一个或多个参考参数并且根据所述一个或多个参考参数来确定相对于充电/放电站2的对象4与参考位置的横向额定错位4。
通过控制设备10与线圈6、8之一的连接，控制设备10可以作为参考参数例如确定耦合因子k，该耦合因子k通过对象4相对于充电/放电站2的实际位置而产生。替代或附加于此，控制设备10可以通过传感器11作为另一参考参数确定气隙的大小h。
除此之外，控制设备10被配置为基于所确定的横向额定错位将对象4转移到充电/放电位置。这要么可以在迭代过程中、要么在直接过程中进行。
在图1中，控制设备10被布置在对象4的侧上。当然，在本发明的范围内写入到控制设备10中的一些函数也可以在被分配给充电/放电站2的另一控制设备（未示出）上运行。对象4的控制设备10和充电/放电站2的未示出的另外的控制设备尤其是可以为了执行根据本发明的方法而彼此进行通信。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的电路。初级电路12包括电网16、例如公共电网，该电网16包括一个电流或电压源或者多个联接的电流或电压源。电网16与初级侧功率电子器件18连接，所述功率电子器件18可以包括整流电子器件以及必要时包括保护和保险电路。初级电路12包括初级侧谐振网络20，该谐振网络20连接到初级侧功率电子器件18上。初级侧谐振网络20连接到初级线圈6上，该初级线圈6是到电池组运行的对象4的能量传输的接口。
在本发明的范围内，电池组运行的对象4被称为次级侧，并且充电/放电站2被称为初级侧。但是这实际上仅仅涉及充电过程。在放电过程中，对象4和充电/放电站2的角色交换。
次级电路14包括次级线圈8，该次级线圈8与初级线圈6一起形成磁耦合线圈对、即电感耦合线圈对。次级侧谐振网络22连接到次级线圈8上。次级侧功率电子器件24连接到次级侧谐振网络22上，该次级侧功率电子器件24包括整流电子器件并且必要时包括保护和保险电路。负载26、尤其是对象4的要充电或要放电的电池组连接到次级侧功率电子器件24上。
图3以详细视图示出了根据本发明的一个实施方式的初级电路12和次级电路14。
初级电路12具有电压源作为电网16，该电压源向系统提供中间电路电压U0。其例如可以是具有功率因子校正滤波器（Power Factor Correction（功率因子校正）, PFC）的整流器。
初级侧功率电子器件18在此示例性地包括四个整流元件28，所述整流元件28分别具有通常为IGBT或MOSFET的能够开关的晶体管30、以及二极管32，所述晶体管30和所述二极管32彼此反并联。二极管32可以要么单独实施，要么与IGBT一起集成到壳体中，或者其也可以是MOSFET的本征体二极管。晶体管30由未示出的电子器件来控制。在四个整流元件28中，各两个彼此串联。整流元件28的两个串联电路彼此并联，使得总共得出全桥装置。在两个串联的整流元件28之间分别将电压输送给初级侧谐振网络20，该谐振网络20在此仅仅包括串联谐振电容器形式的电容器38。初级侧谐振网络20在一端由整流元件28的第一串联电路来馈电，并且在第二端由整流元件28的第二串联电路来馈电。初级线圈6处于初级侧谐振网络20的输出侧。
在次级电路14的侧上，次级侧谐振网络22的电容器40连接到次级线圈8上。
当然，线圈6、8在功能上与谐振网络20、22连接为使得在其它语言规定中，线圈6、8可以被称为是属于谐振网络20、22的。
在次级侧谐振网络22的输出侧向次级侧功率电子器件24输送电流，该次级侧功率电子器件24在所示实施例中包括四个二极管34，所述二极管34基本上如整流元件28那样在初级侧功率电子器件18中彼此接线，使得形成无源桥式整流器。
此外，次级侧功率电子器件24包括与二极管34并联的电容器36，其目的是使输出电压和输出电流平滑化。电池组运行的对象4的电池组处于输出侧作为负载26，其中向所述电池组提供电压Ubat和电流Ibat。在输出电容器与电池组之间可以出于电磁兼容性（EMV）原因而设置诸如扼流圈之类的滤波元件或者另外的电容器。
次级侧功率电子器件24实现对次级侧谐振网络22的所接收的交变电流信号进行整流的任务。
图4示出了耦合因子k对横向错位dx或dy的定性的依赖性。示出了耦合因子的三个曲线，所述曲线涉及对象4高于充电/放电站2的不同高度。在最小高度hmin的情况下，得出较小的磁气隙，并且由此得出较高的耦合因子k。在最大高度hmax的情况下，得出最小的耦合因子，其中标称功率的传输仍然是可能的。
耦合因子k相对于变大的横向错位dx或dy示出了具有瞬时下降的非线性行为。
利用根据本发明的方法，横向距离dx或dy被调整为使得在不同气隙的情况下也产生近似不变的耦合因子，如线43所示出的那样。相反，还设置有如下区域，耦合因子应当在充电/放电过程可以被启动以前处于所述区域中。
为了实现耦合因子k恒定地或至少在所说明的区域中下降，则在过小的气隙的情况下将从车辆从初始位置中偏移出，其中初始位置通常是进行最优能量传输、即线圈6、8彼此最优地定向的位置。而在大的气隙的情况下，车辆精确地被安置在初级线圈6之上。因此尽管在这两种情况下，不同车辆应当以不同的底盘离地高度被充电，但是在两种情况下都产生类似的耦合因子。
图5示出了额定错位dx*或dy*对气隙的大小h的依赖性。曲线示出了额定错位dx*或dy*从大小的最小值hmin直到大小的最大值hmax的非线性的瞬时下降行为。该系统由大小h的测量例如根据被示出的存放在查找表中的依赖性来确定额定错位dx*或dy*，其被应用于对象4的当前位置。
图6示出了应用额定错位dx*或dy*对对象4的当前位置所具有的效果。在上部区域46中示出了效率del_eta对气隙的大小h的依赖性，并且在下部区域48中示出了耦合因子k对气隙的高度h的依赖性。在此，通过应用根据本发明的方法的效率被示为etan。效率etan基本恒定，而不应用根据本发明的方法的效率eta0依赖于气隙的大小h。在应用根据本发明的方法以后的耦合因子kn同样基本恒定，而不应用根据本发明的方法的耦合因子k0示出对气隙的大小的非线性依赖性。
在图7A至7D以图表示出了电流和电压走向，其中图7A和7B示出了不应用根据本发明的系统100，并且7C和7D示出了应用本发明的系统100。实线示出了电压，并且虚线示出了电流。图7A和7C示出了初级电路12中的信号，并且图7B和7D示出了次级电路14中的信号。两个系统100分别被设计为使得在最小气隙hmin的情况下以及在最大气隙hmax的情况下都可以传输完整的标称功率。
在此，所有走向都涉及最大气隙hmax，在该最大气隙hmax的情况下，充电和放电刚好仍然起作用。
从图7A和7C中可以看出，在根据本发明的系统100的情况下流经初级线圈6的电流被明显降低，因为初级线圈6可以针对该工作点最优地被设计为具有更大匝数。初级侧功率电子器件18在电流过零点附近进行开关，这导致系统100中显著更小的损耗。也就是说，效率可以被提高，并且尤其是在晶体管和所使用的半导体面积和制冷成本方面，初级侧功率电子器件18中的成本被降低。
而如果系统100如图7A和7B中所示那样按照大的耦合因子区域来设计，则在最大气隙hmax的情况下针对初级侧功率电子器件18和次级侧谐振网络20产生不利的工作点。逆变器中的电流是最大的，并且导致功率半导体中的高损耗。
而如果系统100仅仅按照小的耦合因子区域来设计，则如图7C和7D中所示，即使绝对耦合因子在这两种情况下相等，仍然在最大气隙hmax的情况下得出更有利的工作点。
本发明不限于此处所描述的实施例和其中强调的各方面。更确切地说，在由权利要求书说明的范围之内，多种处于本领域技术人员的处理范围内的变换方案是可能的。

Claims (7)

1.用于通过磁耦合线圈对来非接触式地使电池组运行的对象（4）充电或放电的方法，所述线圈对包括充电/放电站（2）的初级线圈（6）和所述对象（4）的次级线圈（8），其中在第一步骤中，将所述对象（4）转移到相对于所述充电/放电站（2）的参考位置，在第二步骤中，在所述参考位置来确定参考参数，在第三步骤中，根据所述参考参数来确定所述对象（4）相对于所述充电/放电站（2）的横向额定错位和/或垂直额定高度，并且在第四步骤中，基于所述横向额定错位和/或所述垂直额定高度来将所述对象（4）转移到相对于所述充电/放电站（2）的充电/放电位置，在所述充电/放电位置处进行非接触式充电或放电，其中所述参考参数包括对所述线圈对的磁耦合的质量进行描述的耦合因子或互感系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合因子或互感系数在通过参考信号进行施加的情况下借助于电流和/或电压测量来测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考参数是所述对象（4）高于所述充电/放电站（2）的高度。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过查找表由所述参考参数来确定所述横向额定错位和/或所述垂直额定高度。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，迭代地执行所述方法。
6.一种机器可读存储介质，在所述机器可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行根据权利要求1至5之一所述的方法之一，其中所述计算机程序在可编程计算机设备上被执行。
7.一种用于通过磁耦合线圈对来非接触式地使电池组运行的对象（4）充电或放电的系统（100），具有充电/放电站（2）、电池组运行的对象（4）和控制设备（10），其中所述控制设备（10）被配置为：将所述对象（4）转移到相对于所述充电/放电站（2）的参考位置；在所述参考位置处确定参考参数；根据所述参考参数来确定所述对象相对于所述充电/放电站（2）的横向额定错位和/或垂直额定高度；基于所述横向额定错位和/或所述垂直额定高度来将所述对象（4）转移到相对于所述充电/放电站（2）的充电/放电位置，并且通过磁耦合线圈对来启动所述对象（4）的非接触式充电或放电，其中所述充电/放电站（2）具有初级线圈（6）并且所述对象（4）具有次级线圈（8），所述初级线圈和次级线圈形成所述线圈对，其中所述参考参数包括对所述线圈对的磁耦合的质量进行描述的耦合因子或互感系数。
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