CN107925273A - 用于感应式能量传输到感应蓄电池设备的感应充电装置以及用于感应蓄电池设备的感应式充电的方法 - Google Patents

用于感应式能量传输到感应蓄电池设备的感应充电装置以及用于感应蓄电池设备的感应式充电的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于感应式能量传输到感应蓄电池设备(14)上的一种感应充电装置(12)和一种对应的方法，所述感应充电装置具有至少一个初级振荡回路电路(42)并且具有控制或调节单元(48)，所述至少一个初级振荡回路电路具有至少一个充电线圈(16)，所述控制或调节单元用于借助逆变器电路(32，34)控制所述初级振荡回路电路(42)，其中，所述逆变器电路(32，34)的由半波(56a，56b，58a，58b)组成的输出信号(54)的激励频率(fa)基本上相应于所述初级振荡回路电路(32，34)的谐振频率(fR)。根据本发明的感应充电装置的特征在于，所述控制或调节单元(48)在所述感应蓄电池设备(14)达到充电结束电压(ULT)之后如此控制所述逆变器电路(32，34)以便降低充电电流(IL)，使得所述输出信号(54)周期性地至少一个第一半波(56a，56b)置于高值(高)上并且紧接于此地奇数多个彼此相继的半波(58b)置于相对于所述高值(高)降低的值(低)上。

Description

用于感应式能量传输到感应蓄电池设备的感应充电装置以及 用于感应蓄电池设备的感应式充电的方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求类型的用于感应式能量传输到感应蓄电池设备的感应充电装置以及用于感应蓄电池设备的感应式充电的方法。
背景技术
由DE 102013212611 A1已知一种感应充电设备、尤其一种手持式工具感应充电设备，其具有用于感应蓄电池设备的感应式充电的感应充电装置。感应式能量传输在此通过感应充电装置中的初级振荡回路电路和感应蓄电池设备中的次级振荡回路来实现。振荡回路电路通过至少一个初级侧充电线圈和至少一个次级侧充电线圈感应式相互耦合，其中，振荡回路电路的谐振频率理想地近似相同。初级振荡回路电路的激励通过由半波形成的方波信号来实现，所述方波信号在感应充电装置中由逆变器产生。逆变器为此相应地由控制或调节单元控制，其中，进行激励的方波信号的频率典型地略微在振荡回路电路的谐振频率之上。这提供具有相应地小的EMV-干扰电平和能量损耗的所谓的准谐振运行的大的优点。
此外已知的是，进行激励的信号的、位于系统的谐振频率附近的谐波对显著的充电电流作出贡献。这是方波信号的基本振荡。
在DE 102010003703 A1中公开了一种用于对蓄电池、尤其锂离子蓄电池进行充电的所谓的IU充电方法或CCCV充电方法(Constant Current Constant Voltage：恒定电流恒定电压)。在该方法中，在第一阶段(I-充电)中在恒定的电流的情况下对蓄电池充电，而充电电压上升。电流在此通过充电装置的电流调节器限制。在蓄电池上达到所选择的充电结束电压之后，在第二阶段中由恒定电流调节转换到电压调节上(U充电)，在所述电压调节中，以恒定的电压和减小的充电电流对蓄电池继续充电。第二阶段也称作电流尾(currenttail)。
为了使进行激励的电压在电流尾中不继续增加，在已知的感应充电装置中减小进行激励的信号的占空比。然而，因此失去准谐振运行的优点。
本发明的任务因此是，在电流尾(第二阶段)中，实现相对于I充电(第一阶段)的充电电流减小的充电电流，而不离开准谐振运行。
发明内容
本发明的优点
根据本发明设置，所述控制或调节单元在所述感应蓄电池设备达到充电结束电压之后如此控制所述逆变器电路以便降低充电电流，使得所述输出信号周期性地至少一个第一半波置于高值上并且紧接于此地奇数多个彼此相继的半波置于相对于所述高值降低的值上。因此，在电流尾中，在保持具有已知的优点的准谐振运行的情况下较小的充电电流是可能的。
逆变器电路尤其理解为具有高侧开关和低侧开关的半桥。但也可以考虑例如H桥形式的其他逆变器电路。作为高侧开关和/或低侧开关通常使用双极性场效应晶体管或MOS场效应晶体管或混合形式如IGBT。然而，本发明既不限于逆变器电路的精确构型也不限于在其中使用的开关。
逆变器电路的进行激励的输出信号通常是方波信号，但也可以采用其他的经脉冲宽度调制(PWM)的信号形式，其中，开关状态的值不同。在方波信号的情况下普遍的是，在高侧开关接通并且低侧开关阻断的情况下产生高值(Impuls：脉冲)，而相对于高值更低的值(间歇)通过高侧开关的阻断和低侧开关的导通来实现。通常，高值也以“高”表示，并且相对于高值更低的值以“低”表示。这样的PWM信号对于本领域技术人员是已知的，从而在此不要详细探讨。相应的适用于这样的信号的频率以及与此相关联的半波、周期持续时间、脉冲持续时间和间歇持续时间。部分地，也还在下面的描述中详细探讨这点。
根据本发明设置，周期性地，具有相对于高值降低的值的至少三个半波与具有高值的第一半波彼此相继。通过这种方式，可以在第二阶段中取得相对于第一阶段的充电电流低一半的充电电流。当在第二阶段中，周期性地，具有相对于高值降低的值的至少三个半波与奇数数目的具有高值的彼此相继的第一半波、尤其三个半波彼此相继的时候，可实现将充电电流进一步减小到第一阶段的充电电流的三分之一上。
关于准谐振运行特别有利地，控制或调节单元将逆变器电路的输出信号的激励频率在充电结束电压达到之后基本上保持恒定。但是，尤其与具有高值的奇数数目的彼此相继的半波和具有相对于高值降低的值的奇数数目的彼此相继的半波的组合结合地以便减小充电电流有利的是，通过进行激励的频率的失调来离开准谐振运行。该运行模式下面称作频率偏移。
此外，提出一种感应充电设备、尤其是手持式工具感应充电设备，其具有根据本发明的至少一个感应充电装置和待通过感应充电装置来充电的感应蓄电池设备。
本发明也涉及一种用于借助具有逆变器电路和至少一个初级振荡回路电路的感应充电装置对感应蓄电池设备感应式充电的方法。根据本发明的具有一开始时描述的优点的方法为此具有以下步骤：
在第一阶段中借助基本上恒定的充电电流如此对所述感应蓄电池设备进行充电，使得所述逆变器电路的由半波组成的输出信号的激励频率基本上相应于所述初级振荡回路电路的谐振频率以便控制所述初级振荡回路电路，
在所述感应蓄电池设备达到充电结束电压之后在第二阶段中借助相对于所述第一阶段的充电电流降低的充电电流如此对所述感应蓄电池设备进行充电，使得将所述逆变器电路的输出信号周期性地至少一个第一半波置于高值上并且紧接于此地将奇数多个彼此相继的半波置于相对于所述高值降低的值上。
在此设置，具有相对于高值降低的值的至少三个半波与具有高值的第一半波彼此相继。特别有利的是，具有相对于高值降低的值的至少三个半波与奇数数目的具有高值的彼此相继的第一半波彼此相继。
所述方法设置，所述逆变器电路的输出信号的激励频率在所述充电结束电压达到之后基本上保持恒定。但为了进一步减小充电电流，也可以使所述逆变器电路的输出信号的激励频率在所述充电结束电压达到之后相对于所述谐振频率失调。
本发明的另外的优点通过在从属权利要求中说明的特征以及从所述附图和下面的描述得出。
附图说明
下面根据附图1至5示例性地阐述本发明，其中，附图中的相同的附图标记表明具有相同的功能方式的相同的组成部分。
图1示出根据本发明的感应充电设备的电路框图，所述感应充电设备具有用于感应蓄电池设备的感应式充电的根据本发明的感应充电装置；
图2示出根据现有技术的IU-充电方法的时间曲线图；
图3示出在IU-充电方法的第一阶段期间用于控制振荡回路电路的逆变器电路的输出信号的时间变化过程的曲线图；
图4示出在IU-充电方法的第二阶段期间在第一实施例中的用于控制振荡回路电路的逆变器电路的根据本发明的输出信号的时间变化过程的曲线图；
图5示出在IU-充电方法的第二阶段期间在第二实施例中的用于控制振荡回路电路的逆变器电路的根据本发明的输出信号的时间变化过程的曲线图；
图6示出在IU-充电方法的第二阶段期间在第三实施例中的用于控制振荡回路电路的逆变器电路的根据本发明的输出信号的时间变化过程的曲线图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的感应充电设备10、尤其是手持式工具感应充电设备11形式的感应充电设备，其具有感应充电装置12和待感应式充电的感应蓄电池设备14。感应充电装置10构成感应充电设备10的初级侧，而感应蓄电池设备14是感应充电设备的次级侧。典型地，可以对不同类型的手持式工具感应式充电。在本发明不限制的情况下，属于此的有例如螺丝刀、钻机、冲击钻机、锤、角磨器、偏心磨器、线锯、手动圆锯、月牙形锯、抛光机等等，但也有园艺工具，如割草机、绿篱机或用于建筑工地的照明装置。基本上，本发明可以应用到具有固定地安装的或可更换的蓄电池的所有可能的感应式充电的手持式工具上。
但本发明同样也可以用于对于本领域技术人员显得有意义的其他感应蓄电池设备上。
通常，感应蓄电池设备14置于感应充电装置10的未示出的壳体的上侧上并且通过充电线圈16来无线充电，所述感应蓄电池设备在此应未被详细探讨，因为其对于本领域技术人员而言众所周知，所述充电线圈是初级振荡回路电路18的一部分。感应蓄电池设备14对此具有未示出的次级振荡回路电路，所述次级振荡回路电路具有另外的线圈用于接收在初级侧辐射的能量。应提及，感应蓄电池设备14不一定必须被置于感应充电装置10的壳体上。
感应充电装置10在网络侧以已知的方式通过连接端20、例如保护接触插接装置连接到交变电压网22上并且被供以能量。连接端20与网络件(Netzteil)24连接，所述网络件将交变电压网22的交变电压转变成直流电压UAus并对其进行整流。直流电压UAus作为直流电流分支28和30之间的中间回路电压UZK用于对中间回路电路26供电，其中，直流电流分支30相应于地电位(低)，而直流电流分支28相应于供应电位(高)。在直流电流分支28和30之间连接有半桥34形式的整流器电路32，所述整流器电路由高侧开关和低侧开关36或38组成。逆变器电路32的开关36、38可以构造为双极性场效应晶体管或金属氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)。但同样也可以考虑绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或类似的。在逆变器电路32的中间抽头40上，初级振荡回路电路42如此相对于地电位与直流电流分支30连接，使得初级振荡回路电路与低侧开关38并联，所述初级振荡回路电路由电容器44和在一开始时提及的与该电容器串联连接的充电线圈16组成。但同样可以考虑，将振荡回路电路与高侧开关28并联连接。
与辅助电压供应装置46连接的调节单元48现在用于逆变器电路32的开关36、38的根据本发明的控制。在此，在原理上也可以不用辅助电压供应装置46。辅助电压供应装置主要用于，调节单元48也可以在切断充电装置12之后工作在待机模式(Standby-Modus)中，以便确保低的能量消耗。
调节单元46具有不同的调节输入端50，借助所述调节输入端监视中间回路电压UZK、中间回路电流IZK、在电容器44上的电容器电压Uc、在充电线圈16上的充电电压UL以及通过充电线圈16和电容器44的充电电流IL。通过接口52可以对此补充地馈入关于感应蓄电池设备14的充电状态、温度和/或能量需求的信息。也可以传输关于感应蓄电池设备14的蓄电池单电池的类型和数目的信息。为此，接口52也可以构造为无线的NFC接口或BTLE接口或类似的。也可以考虑从次级侧线圈到初级侧充电线圈16的数据传输。基本上也可以考虑感应充电装置12的未受调节的运行，从而调节单元46作为单纯的控制单元来工作。但一般性地偏好受调节的运行。
参考图2和3，调节单元46现在如此控制高侧开关和低侧开关36、38，使得在第一阶段I中(时间段t＝0至t1)首先以恒定的充电电流IL对感应蓄电池设备14充电。为此，逆变器电路32将经整流的中间回路电压UZK斩波(zerhackt)成其中间抽头40上的方波电压，所述方波电压下面应称作输出信号54。输出信号54在此对于半波56a切换到值“高”上并且对于后续的半波58a切换到值“低”上。因此产生可能的最大充电电压UL以及最大充电电流IL。但也能够实现其他的脉冲/间歇比例以及经脉冲宽度调制的输出信号54的占空比(duty cycle)用于以更小的值和更长的充电周期进行感应式充电，以便例如更强地保护感应蓄电池设备14。
在第一阶段I中，充电电压UL现在连续增加。在此，对于最佳的感应式能量传输重要的是，逆变器电路32运行在准谐振运行中，也即逆变器电路的输出信号54的激励频率fa基本上相应于初级振荡回路电路18的谐振频率fR，优选略高于谐振频率fR。对此，对于上面的参量补充地，调节单元46以有规律的间隔求取输出信号54的激励频率fa和初级振荡回路电路18的谐振频率fR。
一旦充电电压UL在时刻t1已经达到可预给定的最大值——该最大值下面应称作充电结束电压ULT，则从电流调节的充电方法转换到电压调节的充电方法中，其方式是，在跟随第一阶段I的第二阶段II中，以相对于第一阶段I的充电电流IL降低的充电电流IL对感应蓄电池设备14进行充电直至在时刻t2或t3切断感应充电装置12。根据本发明，对此参考图4地设置，在保持准谐振运行的情况下，在达到充电结束电压ULT之后在第二阶段II中，逆变器电路18的输出信号54周期性地至少一个第一半波置于高值“高”上并且紧接于此地奇数数目的彼此相继的半波58b置于相对于所述高值“高”降低的值“低”上。在图3中，对于一个半波“高”和三个直接与此邻接的彼此相继的半波“低”的情形示出这点。同时，从充电电流IL的时间变化过程可以得出，这相对于在图3中示出的情形(一个半波“高”与一个半波“低”交替)降低一半。
据此，用于为了在第二阶段II中的电流尾期间的准谐振运行而控制逆变器电路18的一般性条件是，开关状态“低”必须周期性地对于奇数多个半波排队等候。因此，根据图5得出：当具有开关状态“低”的三个半波58c与具有与开关状态“高”的彼此相继的三个半波56b周期性地彼此相继时，充电电流IL进一步减小到根据图3的充电电流IL的三分之一上。
当附加地执行频率偏移、即离开准谐振运行时，还可取得更小的充电电流IL。图6示出这点，在图6中，具有开关状态“低”的三个半波58c与具有与开关状态“高”的彼此相继的三个半波56b周期性地彼此相继。
最后应指出，所示出的实施例既不限于图1至6，也不限于所示出的半波序列。因此，对于五个和奇数的更多个彼此相继的半波也可取得相应的结果。此外，本发明同样可应用到在箱子、封装或类似物中的感应式充电过程上。

Claims (11)

1.一种感应充电装置(12)，其用于感应式能量传输到感应蓄电池设备(14)上，所述感应充电装置具有至少一个初级振荡回路电路(42)并且具有控制或调节单元(48)，所述至少一个初级振荡回路电路具有至少一个充电线圈(16)，所述控制或调节单元用于借助逆变器电路(32，34)控制所述初级振荡回路电路(42)，其中，所述逆变器电路(32，34)的由半波(56a，56b，58a，58b)组成的输出信号(54)的激励频率(fa)基本上相应于所述初级振荡回路电路(32，34)的谐振频率(fR)，其特征在于，所述控制或调节单元(48)在所述感应蓄电池设备(14)达到充电结束电压(ULT)之后如此控制所述逆变器电路(32，34)以便降低充电电流(IL)，使得所述输出信号(54)周期性地将至少一个第一半波(56a，56b)置于高值(高)上并且紧接于此地将奇数多个彼此相继的半波(58b)置于相对于所述高值(高)降低的值(低)上。
2.根据权利要求1所述的感应充电装置(12)，其特征在于，周期性地，具有相对于高值(高)降低的值(低)的至少三个半波(58b)与具有高值(高)的第一半波(56a)彼此相继。
3.根据权利要求1所述的感应充电装置(12)，其特征在于，周期性地，具有相对于高值(高)降低的值(低)的至少三个半波(58b)与奇数数目的具有高值(低)的彼此相继的第一半波(56a)彼此相继。
4.根据以上权利要求中任一项所述的感应充电装置(12)，其特征在于，所述控制或调节单元(48)使所述逆变器电路(32，34)的输出信号(54)的激励频率(fa)在所述充电结束电压(ULT)达到之后基本上保持恒定。
5.根据权利要求3所述的感应充电装置(12)，其特征在于，所述控制或调节单元(48)使所述逆变器电路(32，34)的输出信号(54)的激励频率(fa)在所述充电结束电压(ULT)达到之后相对于所述谐振频率(fR)失调。
6.一种感应充电设备(10)、尤其是手持式工具感应充电设备(11)，其具有根据权利要求1至5中任一项所述的至少一个感应充电装置(12)并且具有感应蓄电池设备(14)。
7.一种用于借助具有逆变器电路(32，34)和至少一个初级振荡回路电路(42)的感应充电装置(12)对感应蓄电池设备(14)进行感应式充电的方法，所述方法具有以下步骤：
在第一阶段(I)中借助基本上恒定的充电电流(IL)如此对所述感应蓄电池设备(14)进行充电，使得所述逆变器电路(32，34)的由半波(56a，56b，58a，58b)组成的输出信号(54)的激励频率(fa)基本上相应于所述初级振荡回路电路(42)的谐振频率(fR)以便控制所述初级振荡回路电路(42)，
在所述感应蓄电池设备(14)达到充电结束电压(ULT)之后在第二阶段(II)中借助相对于所述第一阶段的充电电流(IL)降低的充电电流(IL)如此对所述感应蓄电池设备(14)进行充电，使得所述逆变器电路(32，34)的输出信号(54)周期性地将至少一个第一半波(56a，56b)置于高值(高)上并且紧接于此地将奇数多个彼此相继的半波(58b)置于相对于所述高值降低的值(低)上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，周期性地，具有相对于高值(高)降低的值(低)的至少三个半波(58b)与具有所述高值(高)的第一半波(56a)彼此相继。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，周期性地，具有相对于高值(高)降低的值(低)的至少三个半波(58b)与奇数数目的具有高值(高)的彼此相继的第一半波(56b)彼此相继。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述逆变器电路(32，34)的输出信号(54)的激励频率(fa)在所述充电结束电压(ULT)达到之后基本上保持恒定。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述逆变器电路(32，34)的输出信号(54)的激励频率(fa)在所述充电结束电压(ULT)达到之后相对于所述谐振频率(fR)失调。
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