CN107074121A - 用于调协振荡系统的具有可调节的电容值的装置、振荡系统和能量传输系统 - Google Patents

用于调协振荡系统的具有可调节的电容值的装置、振荡系统和能量传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于调协第一振荡系统(10)的、具有可调节的电容值的装置，该第一振荡系统与具有未知的弱耦合系数的第二振荡系统(20)耦合。装置包括第一电容器(Cvar)，其电容取决于电压；和直流电压源(DCvar)，其施加在其端子上的电压是可控的，其中由直流电压源(DCvar)和退耦元件(Lentk)组成的串联电路与电容器的端子并联连接，以便向第一电容器(Cvar)施加可变偏置电压。依据第一振荡系统(10)的工作频率来调节施加在直流电压源(DCvar)的端子上的电压。

Description

用于调协振荡系统的具有可调节的电容值的装置、振荡系统 和能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种用于调协第一振荡系统的、具有可调节的电容值的装置，该第一振荡系统可以与具有未知的弱耦合系数的第二振荡系统耦合。本发明还涉及一种用于传输能量的振荡系统以及一种用于接收能量的振荡系统。此外，本发明涉及一种能量传输系统。
背景技术
在用于将能量无接触地传输到与其对应的装置的装置中，在电感性传输的情况下通过磁交变场在带有气隙的系统内传输电能。线圈系统由两个线圈组成：初级线圈，其由电流源馈电；和次级线圈，其向耗电器提供电能。
如果要在机动车领域中应用这样的装置，则初级线圈通常布置在停车位的地面上的充电站中。次级线圈典型地处于机动车内。线圈系统的气隙，其作为对传输效率产生影响的因素，取决于在其中集成了初级线圈和次级线圈的组件的几何构造。系统的气隙主要通过各个车辆类型的离地间隙来确定。此外，传输的效率通过由各个停放情况导致的、初级线圈和次级线圈的各个侧向布置影响。原则上成立，初级线圈和次级线圈的侧向偏移越大且气隙越大，则效率越低。
原则上力求的是，以固定的工作频率来运行这样的能量传输系统。工作频率一般由初级线圈的电感值得出，其取决于由初级线圈和次级线圈构成的变压器的耦合系数；或由线圈的电感值结合各个线圈系统的电容得出。为了能够确保形成谐振变换器的能量传输系统的期望的固定工作频率，需要的是，在(通过各个停放情况导致的)变化的负载或电感的情况下能够可变地调节线圈系统的电容。
在高频范围内为此典型地使用变容二极管，但是其仅适用于小的电压和小的电容值。但是其对于谐振变换器是不适用的，如其在机动车领域内在用于传输电能的能量传输系统中所采用的那样，因为待传输的功率过高。典型地，在初级线圈系统的该应用中，将几kW功率传输到次级线圈系统。
此外，借助双向开关元件实现可变的电容器网络。但是这样的网络关于所需的建造空间和开销是高成本的。此外，当能量传输系统，如所描述的，应当在几kW功率范围内运行时，开关元件产生极大的损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有可调节的电容值的装置，其中电容值的调节可以以简单的方式进行并且其可以在能量传输系统中应用，该能量传输系统设计为用于传输在几kW的范围内的功率。此外，还要提供一种相应的振荡系统以及一种能量传输系统。
上述技术问题通过按照权利要求1的特征的装置、按照权利要求8或9的特征的振荡系统以及按照权利要求10的特征的能量传输系统来解决。优选的实施在从属权利要求中给出。
建议一种用于调协第一振荡系统的、具有可调节的电容值的装置，该第一振荡系统设置为用于与具有未知的弱耦合系数的第二振荡系统耦合。装置包括第一电容器，其电容取决于电压；以及直流电压源，其施加在其端子上的电压是可控的。由直流电压源和退耦元件构成的串联电路与电容器的端子并联连接，以便向第一电容器施加可变偏置电压。依据第一振荡系统的工作频率来调节或可以调节施加在直流电压源的端子上的电压。
所描述的装置相对于具有双向开关元件的变形是低损耗的。装置需要小的建造空间并且可以低成本地提供。特别地，作为第一电容器可以采用具有“差的”陶瓷的相对便宜的电容器。“差的”在此关于其电容的稳定性关于通过其降落的电压进行理解。
按照一种实施，第一电容器可以由多个并联连接的电容器组成。通过根据能量传输系统的设计而可以不同的多个电容器可以规定第一电容器的电容值的大小。众所周知地，并联连接的电容器的数量越多，则电容值越大。对于在汽车领域内的应用，为了将能量传输到次级线圈，数量优选在30和40之间。
按照另外的实施，退耦元件是电感。其确保了，流过第一电容器的交流电流不流过并联路径中的低欧姆的直流电压源。
按照另外的实施，由第一电容器和串联电路组成的并联电路可以与第二电容器串联连接，该串联电路由直流电压源和退耦元件组成。合适地，第二电容器是频率和电压稳定的电容器。第二电容器的存在和尺寸取决于在振荡系统中待实现的最大和最小的电容值。
原则上，第二电容器的电容值被选择小于第一电容器的电容值。由此在由第一和第二电容器组成的串联电路中确保了，在第一电容器上降落的电压是小的，使得第一电容器的电容值不由于施加的交流电压而波动。否则这造成第一电容器的电容值不能保持恒定。
第一振荡系统的电容值的设计根据两个标准进行。
在第一标准中假定，在第一振荡系统和第二振荡系统之间的耦合是最大的。当在第一振荡系统的和第二振荡系统的线圈之间给出最优的偏移(也就是，偏移＝0)和最小的气隙时，耦合是最大的。在该情况下，两个振荡电路的两个线圈的漏电感是最小的。由此总电容值是最大的，该总电容值由第一电容器的电容值和可选地存在的、与之串联连接的第二电容器的电容值给出。
在第二标准中假定在第一和第二振荡系统的线圈之间的最小耦合。当气隙最大且在第一和第二振荡系统的线圈之间的偏移同样最大时，得出最小耦合。在该情况下，第一和第二振荡系统的线圈的漏电感是最大的。在该配置中，装置的电容值是最小的，该电容值由第一可变电容器的电容值和可选地存在的第二电容器的电容值得出。
通过依据第一振荡系统的工作频率相应地调节电压而对电容值进行的调节此时在如上面所描述的那样所确定的最小电容值和最大电容值之间进行。
按照另外的实施，在第一振荡系统和第二振荡系统之间的耦合系数小于50％。第一振荡系统的工作频率尤其处于80kHz和90kHz之间。
本发明还建议一种用于将能量传输到另外的弱耦合的振荡系统的振荡系统，其包括具有频率发生器(电流源)的振荡电路、第一线圈和上面描述类型的装置。具有可调节的电容值的装置用于，当振荡系统用于在对电气化车辆进行充电的领域内电感地传输能量时，在预定的频率范围内调节振荡系统的固定的工作频率，该预定的频率范围处于80kHz和90kHz之间。
此外，本发明实现一种用于从另外的弱耦合的振荡系统中接收能量的振荡系统，包括负载、第二线圈和上面描述类型的具有可调节的电容值的装置。通过调节振荡系统的电容值来接收能量，例如可以在使用MPP(Maximum Peak Power，最大峰值功率)法的条件下使可传输到负载的能量被最大化。
按照另外的实施，建议一种能量传输系统，其包括第一振荡系统和第二振荡系统，两者以未知的弱耦合系数来耦合，其中用于将能量传输到另外的第二振荡系统的第一振荡系统包括用于调协第一振荡系统的、具有可调节的电容值的装置。
在合适的实施中，第二振荡系统还可以具有用于调协第二振荡电路的具有可调节的电容值的装置，用于在使用MPP法的条件下确保可传输到负载的功率的最大化。
如果在本说明书中说起“未知的”耦合系数，这援用优选的应用的情况。在此描述的能量传输系统的优选的应用是对电气化车辆的无线充电。其可以根据包含次级线圈的车辆关于例如在停车场的地面上的初级线圈、气隙(取决于车辆类型)和偏移(取决于停车情况)的停放情况而变化。上面描述的设计标准考虑到这种情况。
附图说明
下面对照附图所示的实施例对本发明作进一步的说明。附图中：
图1示出了能量传输系统的示意图，
图2示出了具有可调节的电容值的按照本发明的装置的第一构造变形的等效电路图，
图3示出了具有可调节的电容值的按照本发明的装置的第二构造变形的等效电路图，
图4示出了具有可调节的电容值的按照本发明的装置的第三构造变形的等效电路图，
图5示出了具有可调节的电容值的按照本发明的装置的第四构造变形的等效电路图。
具体实施方式
图1示出了对于本领域技术人员已知的能量传输系统，其包括第一振荡系统10和第二振荡系统20。第一振荡系统10包括频率发生器11(电压源)、具有电容值C1的电容器12和具有电感L1的线圈13。第一振荡系统10表示用于将能量传输到第二振荡系统20的装置的初级线圈系统。第一振荡系统10例如可以嵌入停车位的地面中或布置在停车位的地面上。
第二振荡系统20的组件，其除了负载21(能量存储器)之外还包括具有电容值C2的第二电容器22和具有电感L2的第二线圈23，集成在车辆中。如果车辆停在停车位上，则线圈彼此上下安置，从而其线圈13、23依据停放情况彼此具有磁耦合K。由于在初级侧的振荡系统10和次级侧的振荡系统20的线圈之间的在8cm至12cm之间的范围内的通常大的气隙，得出通常小于50％的耦合系数。
初级侧的振荡系统10的工作频率由通过初级侧的和次级侧的线圈13、23构成的变压器的电感、以及初级侧的线圈13的电感L1结合初级侧的电容值C1得出。为了能够确保固定的工作频率处于对于电感性的车辆充电系统合法预定的、在80kHz和90kHz之间的频率范围内，需要的是，电容器12的电容值C1基于本身变化的负载21或者变压器或线圈13的不同的电感L1能够可变地调节。
图2至图5中示出的实施例能够实现，初级侧的振荡系统的电容器12的电容值C1可以在最小电容值和最大电容值之间调节。由此，在本身变化的负载21或电感L1或L2的情况下也可以确保关于能够固定地设置工作频率f的要求。
图2示出了可变电容的一般实施方式。因为相应的可变电容也可以可选地设置在第二振荡系统20中，在图2至图5中的可变电容的所有实施例具有附图标记12、22。
按照图2，可变电容12、22包括第一电容器Cvar，其电容取决于电压；和直流电压源DCvar，其施加在其端子上的直流电压是可控的。由直流电压源DCvar和构造为电感的退耦元件Lentk构成的串联电路与第一电容器Cvar并联连接。由此，可以向第一电容器Cvar施加可变偏置电压。依据第一振荡系统10的期望的工作频率(在80kHz和90kHz之间)来调节施加在直流电压源DCvar的端子上的电压。具有强的电压依赖关系的第一电容器由此借助可变直流电压源DCvar预载，由此调节期望的电容值。为了将第一振荡系统的组件中的偏置电压退耦，设置电感Lentk。为了调节可变电容12、22，使用其调节参数是直流电压的调节。额定值在此由第一振荡系统10的期望的工作频率给出。
按照图3的实施例与图2的区别仅在于，第一电容器Cvar由多个并联连接的电容器Cvar,1,...,Cvar,n组成。多个并联连接的电容器依据能量传输系统的设计来选择。
在图4和图5的实施例中，除了图2和图3中示出的变形之外附加地分别将第二电容器Cfest与由第一电容器Cvar和串联电路组成的并联电路串联连接，该串联电路由直流电压源DCvar和退耦元件Lentk组成。与第一电容器Cvar不同，第二电容器是频率和电压稳定的。此外，第二电容器Cfest的电容值小于第一电容器Cvar的电容值。
通过第一电容器的多个并联连接的电容器和可选的固定电容器可以调节电容值的大小。如果附加地设置频率和电压稳定的第二电容器，则可以实现可极大变化的电容值。总电容值的设计根据两个标准进行：
在第一标准中假定，在第一振荡系统和第二振荡系统之间的耦合是最大的。当在第一振荡系统的和第二振荡系统的线圈之间给出最优的偏移(也就是，偏移＝0)和最小的气隙时，耦合是最大的。在该情况下，两个振荡电路的两个线圈的漏电感是最小的。由此总电容值是最大的，该总电容值由第一电容器的电容值和可选地存在的、与之串联连接的第二电容器的电容值给出。
在第二标准中假定在第一和第二振荡系统的线圈之间的最小耦合。当气隙最大且在第一和第二振荡系统的线圈之间的偏移同样最大时，给出最小耦合。在该情况下，第一和第二振荡系统的线圈的漏电感是最大的。在该配置中，装置的电容值是最小的，该电容值由第一可变电容器的电容值和可选地存在的第二电容器的电容值给出。
在第一振荡系统中设置可变电容用于，在可变的负载或电感的情况下能够确保谐振变换器的固定的工作频率，而在第二振荡系统中设置可变电容可以用于，使通过变压器可传输的功率被最大化。在此，(在通过调节第一振荡系统中的电容值来规定工作频率之后)可以改变第二振荡系统的电容值，以根据MPP(Maximum Peak Power，最大峰值功率)法使能够传输到负载21的功率被最大化。

Claims (11)

1.一种用于调协第一振荡系统(10)的、具有可调节的电容值的装置，该第一振荡系统设置为用于与具有未知的弱耦合系数的第二振荡系统(20)耦合，所述装置包括第一电容器(Cvar)，其电容取决于电压；和直流电压源(DCvar)，其施加在其端子上的电压是可控的，其中由直流电压源(DCvar)和退耦元件(Lentk)组成的串联电路与电容器的端子并联连接，以便向第一电容器(Cvar)施加可变偏置电压，并且其中依据第一振荡系统(10)的工作频率来调节或能够调节施加在直流电压源(DCvar)的端子上的电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电容器(Cvar)由多个并联连接的电容器(Cvar,1,...,Cvar,n)组成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，退耦元件(Lentk)是电感。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，由第一电容器(Cvar)和串联电路组成的并联电路与第二电容器(Cfest)串联连接，该串联电路由直流电压源(DCvar)和退耦元件(Lentk)组成。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，第二电容器是频率和电压稳定的。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，第二电容器(Cfest)的电容值小于第一电容器(Cvar)的电容值。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，在第一振荡系统(10)和第二振荡系统(20)之间的耦合系数小于50％。
8.一种用于将能量传输到另外的弱耦合的振荡系统(20)的振荡系统(10)，包括具有频率发生器的振荡电路(11)、第一线圈(13)和根据权利要求1至7中任一项所述的装置(12)。
9.一种用于从另外的弱耦合的振荡系统(10)中接收能量的振荡系统(20)，包括负载(21)、第二线圈(23)和根据权利要求1至7中任一项所述的装置(22)。
10.一种能量传输系统，包括第一振荡系统(10)和第二振荡系统(20)，两者以未知的弱耦合系数(K)耦合，其中第一振荡系统(10)包括根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
11.根据权利要求10所述的能量传输系统，其中第二振荡系统(20)包括根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
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