DE102014219374A1 - Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines schwingfähigen Systems, schwingfähiges System und Energieübertragungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems (10), das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System (20) mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator (Cvar), dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle (DCvar), deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist, wobei die Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und einem Entkoppelelement (Lentk) parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet ist, um den ersten Kondensator (Cvar) mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen. Die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle (DCvar) anliegende Spannung wird in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems (10) eingestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor koppelbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie sowie ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie. Ferner betrifft die Erfindung ein Energieübertragungssystem.
  • Bei Vorrichtungen zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf einer zu dieser korrespondierenden Vorrichtung wird bei einer induktiven Übertragung die elektrische Energie über ein magnetisches Wechselfeld innerhalb eines luftspaltbehafteten Systems übertragen. Das Spulensystem besteht aus zwei Spulen: einer Primärspule, die über eine Stromquelle gespeist wird, und einer Sekundärspule, die dem Verbraucher die elektrische Energie zur Verfügung stellt.
  • Soll eine solche Vorrichtung im Umfeld von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, so ist die Primärspule üblicherweise in einer Ladestation am Boden einer Parkfläche angeordnet. Die Sekundärspule befindet sich typischerweise im Kraftfahrzeug. Der Luftspalt des Spulensystems, der als ein Faktor die Übertragungseffizienz beeinflusst, hängt von der geometrischen Ausgestaltung der Komponenten ab, in denen die Primärspule und die Sekundärspule integriert sind. Der Luftspalt des Systems ist vor allem durch die Bodenfreiheit eines jeweiligen Fahrzeugtyps bestimmt. Die Effizienz der Übertragung wird ferner durch die jeweilige laterale Anordnung von Primärspule und Sekundärspule, verursacht durch eine jeweilige Abstellsituation, beeinflusst. Grundsätzlich gilt, je größer der laterale Versatz von Primär- und Sekundärspule ist und je größer der Luftspalt ist, desto geringer ist die Effizienz.
  • Grundsätzlich ist man bestrebt, ein solches Energieübertragungssystem mit fester Arbeitsfrequenz zu betreiben. Die Arbeitsfrequenz ergibt sich allgemein aus dem Induktivitätswert der Primärspule, der vom Kopplungsfaktor eines aus Primärspule und Sekundärspule gebildeten Transformators abhängt, oder einer Spule in Kombination mit einer Kapazität des jeweiligen Spulensystems. Um die gewünschte feste Arbeitsfrequenz des Energieübertragungssystems, das einen Resonanzwandler bildet, gewährleisten zu können, ist es erforderlich, bei einer sich ändernden Last oder Induktivität (verursacht durch die jeweilige Abstellsituation) die Kapazität des Spulensystems variabel einstellen zu können.
  • Im Hochfrequenzbereich werden hierfür typischerweise Kapazitätsdioden verwendet, welche sich allerdings nur für kleine Spannungen und kleine Kapazitätswerte eignen. Für Resonanzwandler, wie diese in einem Energieübertragungssystem zur Übertragung elektrischer Energie im Umfeld von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind diese jedoch ungeeignet, da die zu übertragende Leistung zu hoch ist. Typischerweise werden bei dieser Anwendung vom Primärspulensystem mehrere kW Leistung auf das Sekundärspulensystem übertragen.
  • Ferner ließe es sich mit Hilfe von bidirektionalen Schaltelementen ein variables Kondensatornetzwerk realisieren. Ein solches Netzwerk ist jedoch aufwändig hinsichtlich des benötigten Bauraums und der Kosten. Darüber hinaus produzieren die Schaltelemente erhebliche Verluste, wenn das Energieübertragungssystem, wie beschrieben, im Leistungsbereich von mehreren kW betrieben werden soll.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert anzugeben, bei der die Einstellung des Kapazitätswerts auf einfachere Weise möglich ist und welche in einem Energieübertragungssystem einsetzbar ist, welches zur Übertragung von Leistungen im Bereich von mehreren kW ausgelegt ist. Ferner sollen ein entsprechendes schwingfähiges System sowie ein Energieübertragungssystem angegeben werden.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, schwingfähige Systeme gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 bzw. 9 sowie ein Energieübertragungssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Es wird eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems vorgeschlagen, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator, dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, sowie eine Gleichspannungsquelle, deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist. Die Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle und einem Entkoppelelement ist parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet, um den ersten Kondensator mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen. Die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle anliegende Spannung ist oder wird in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems eingestellt.
  • Die beschriebene Vorrichtung ist gegenüber einer Variante mit bidirektionalen Schaltelementen weniger verlustbehaftet. Die Vorrichtung verbraucht einen geringen Bauraum und lässt sich kostengünstig bereitstellen. Insbesondere kann als erster Kondensator ein vergleichsweise billiger Kondensator mit einer „schlechten“ Keramik eingesetzt werden. „Schlecht“ ist hierbei im Hinblick auf die Stabilität seiner Kapazität im Hinblick auf die über ihm abfallende Spannung zu verstehen.
  • Der erste Kondensator kann gemäß einer Ausgestaltung aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren bestehen.
  • Durch die Anzahl der Kondensatoren, welche sich je nach Auslegung eines Energieübertragungssystems unterscheiden kann, lässt sich die Größe des Kapazitätswerts des ersten Kondensators festlegen. Bekanntermaßen ist der Kapazitätswert umso größer, je größer die Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren ist. Für die Anwendung im automobilen Umfeld zur Übertragung von Energie auf eine Sekundärspule ist die Anzahl vorzugsweise zwischen 30 und 40.
  • Das Entkoppelelement ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Induktivität. Diese stellt sicher, dass ein über den ersten Kondensator fließender Wechselstrom nicht in den parallelen Pfad über die niederohmige Gleichspannungsquelle fließt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle und dem Entkoppelelement in Serie zu einem zweiten Kondensator verschaltet sein. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem zweiten Kondensator um einen frequenz- und spannungsstabilen Kondensator. Das Vorhandensein und die Dimensionierung des zweiten Kondensators hängt von dem in dem schwingfähigen System zu erzielenden maximalen und minimalen Kapazitätswert ab.
  • Grundsätzlich wird der Kapazitätswert des zweiten Kondensators kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators gewählt. Hierdurch wird bei der Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensator sichergestellt, dass die über dem ersten Kondensator abfallende Spannung derart klein ist, dass der Kapazitätswert des ersten Kondensators nicht aufgrund der anliegenden Wechselspannung schwankt. Dies hätte ansonsten zur Folge, dass der Kapazitätswert des ersten Kondensators nicht konstant gehalten werden könnte.
  • Die Auslegung der Kapazitätswerte des ersten schwingfähigen Systems erfolgt anhand von zwei Kriterien.
  • Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfähigen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhandenen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal.
  • Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.
  • Die Einstellung des Kapazitätswerts durch entsprechende Einstellung der Spannung in Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems erfolgt nun zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert, die, wie oben beschrieben, ermittelt wurden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kopplungsfaktor zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System kleiner als 50%. Die Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems liegt insbesondere zwischen 80 kHz und 90 kHz.
  • Die Erfindung schlägt weiter ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie auf ein anderes, schwach gekoppeltes schwingfähiges System vor, das einen Schwingkreis mit einem Frequenzgenerator (Stromquelle), eine erste Spule und eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art umfasst. Die Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert dient dazu, eine feste Arbeitsfrequenz des schwingfähigen Systems innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, der zwischen 80 kHz und 90 kHz liegt, einzustellen, wenn das schwingfähige System zur induktiven Energieübertragung im Umfeld des Ladens des elektrifizierten Fahrzeugen dient.
  • Weiter schafft die Erfindung ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie von einem anderen, schwach gekoppelten schwingfähigen System, umfassend eine Last, eine zweite Spule und eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, der oben beschriebenen Art. Durch die Einstellung des Kapazitätswerts des schwingfähigen Systems zum Empfangen von Energie kann beispielsweise unter Nutzung eines MPP(Maximum Peak Power)-Verfahrens die auf die Last übertragbare Energie maximiert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird ein Energieübertragungssystem vorgeschlagen, welches ein erstes schwingfähiges System und ein zweites schwingfähiges System umfasst, die mit einem nicht bekannten schwachen Kopplungsfaktor gekoppelt sind, wobei das erste schwingfähige System zum Übertragen von Energie auf das andere, zweite schwingfähige System eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des ersten schwingfähigen Systems umfasst.
  • In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann auch das zweite schwingfähige System eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des zweiten Schwingkreises aufweisen, um unter Nutzung des MPP-Verfahrens eine Maximierung der an die Last übertragbaren Leistung sicherzustellen.
  • Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem „nicht bekannten“ Kopplungsfaktor die Rede ist, so ist dies auf den Umstand der bevorzugten Anwendung zurückzuführen. Die bevorzugte Anwendung des hier beschriebenen Energieübertragungssystems ist das drahtlose Laden von elektrifizierten Fahrzeugen. Bei diesem kann, je nach Abstellsituation des die Sekundärspule umfassenden Fahrzeugs über einer Primärspule, z.B. im Boden eines Parkplatzes, der Luftspalt (abhängig vom Fahrzeugtyp) und der Versatz (abhängig von der Parksituation) variieren. Die oben beschriebenen Auslegungskriterien tragen diesem Umstand Rechnung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Energieübertragungssystems,
  • 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer ersten Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert,
  • 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer zweiten Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert,
  • 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer dritten Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, und
  • 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer vierten Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert.
  • 1 zeigt ein dem Fachmann bekanntes Energieübertragungssystem, welches ein erstes schwingfähiges System 10 und ein zweites schwingfähiges System 20 umfasst. Das erste schwingfähige System 10 umfasst einen Frequenzgenerator 11 (Spannungsquelle), einen Kondensator 12 mit einem Kapazitätswert C1 und eine Spule 13 mit einer Induktivität L1. Das erste schwingfähige System 10 stellt ein Primärspulensystem einer Vorrichtung zum Übertragen von Energie auf das zweite schwingfähige System 20 dar. Das erste schwingfähige System 10 kann beispielsweise im Boden einer Parkfläche eingelassen oder am Boden der Parkfläche angeordnet sein.
  • Die Komponenten des zweiten schwingfähigen Systems 20, welche neben einer Last 21 (einem Energiespeicher) einen zweiten Kondensator 22 mit einem Kapazitätswert C2 und eine zweite Spule 23 mit einer Induktivität L2 umfassen, sind in einem Fahrzeug integriert. Wird das Fahrzeug auf der Parkfläche abgestellt, so kommen die Spulen übereinander zum Liegen, so dass deren Spulen 13, 23 in Abhängigkeit der Abstellsituation eine magnetische Kopplung K zueinander aufweisen. Aufgrund des in der Regel großen Luftspalts zwischen den Spulen des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 und des sekundärseitigen schwingfähigen Systems 20 im Bereich zwischen 8cm bis 12cm ergeben sich Kopplungsfaktoren von in der Regel weniger als 50%.
  • Die Arbeitsfrequenz des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 ergibt sich aus der Induktivität L1 des durch die primärseitige und die sekundärseitige Spulen 13, 23 gebildeten Transformators sowie der primärseitigen Spule 13 in Verbindung mit dem primärseitigen Kapazitätswert C1. Um eine feste Arbeitsfrequenz in einem für induktive Fahrzeugladesysteme gesetzlich vorgegebenen Frequenzbereich zwischen 80 kHz und 90 kHz sicherstellen zu können, ist es erforderlich, dass der Kapazitätswert C1 des Kondensators 12 aufgrund einer sich ändernden Last 21 oder unterschiedlichen Induktivität L1 des Transformators bzw. der Spule 13 variabel einstellbar ist.
  • Die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele ermöglichen es, den Kapazitätswert C1 des Kondensators 12 des primärseitigen schwingfähigen Systems zwischen einem minimalen Kapazitätswert und einem maximalen Kapazitätswert einzustellen. Dadurch kann die Forderung, die Arbeitsfrequenz f fest einstellen zu können, auch bei einer sich ändernden Last 21 oder Induktivität L1 bzw. L2 sichergestellt werden.
  • 2 zeigt die allgemeinste Ausgestaltungsform einer variablen Kapazität. Da eine entsprechende variable Kapazität auch in dem zweiten schwingfähigen System 20 optional vorgesehen sein kann, sind sämtliche Ausführungsbeispiele der variablen Kapazität in den 2 bis 5 mit den Bezugszeichen 12, 22 versehen.
  • Die variable Kapazität 12, 22 umfasst gemäß 2 einen ersten Kondensator Cvar, dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle DCvar, deren an ihren Klemmen anliegende Gleichspannung steuerbar ist. Eine Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DCvar und einem als Induktivität ausgebildetem Entkoppelelement Lentk sind im ersten Kondensator Cvar parallel geschaltet. Dadurch kann der erste Kondensator Cvar mit einer variablen Vorspannung beaufschlagt werden. Die an der Klemmen der Gleichspannungsquelle DCvar anliegende Spannung wird in Abhängigkeit einer gewünschten Arbeitsfrequenz (zwischen 80 kHz und 90 kHz) des ersten schwingfähigen Systems 10 eingestellt. Der eine starke Spannungsabhängigkeit aufweisende erste Kondensator wird damit mit Hilfe der variablen Gleichspannungsquelle DCvar vorgespannt, wodurch der gewünschte Kapazitätswert eingestellt wird. Zur Entkopplung der Vorspannung von den Komponenten des ersten schwingfähigen Systems ist die Induktivität Lentk vorgesehen. Zur Einstellung der variablen Kapazität 12, 22 wird eine Regelung genutzt, deren Stellgröße die Gleichspannung ist. Der Sollwert ergibt sich dabei aus der gewünschten Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems 10.
  • Das Ausgestaltungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von dem aus 2 lediglich dadurch, dass der erste Kondensator Cvar aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren Cvar,1, ..., Cvar,n besteht. Die Anzahl der parallel geschalteten Kondensatoren wird in Abhängigkeit der Auslegung des Energieübertragungssystems gewählt.
  • In den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 ist jeweils zusätzlich zu den in 2 und 3 gezeigten Varianten jeweils ein zweiter Kondensator Cfest seriell zu der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator Cvar und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DCvar und dem Entkoppelelement Lentk verschaltet. Im Gegensatz zu dem ersten Kondensator Cvar ist der zweite Kondensator frequenz- und spannungsstabil. Ferner ist der Kapazitätswert des zweiten Kondensators Cfest kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators Cvar.
  • Durch die Anzahl der parallel geschalteten Kondensatoren des ersten Kondensators und den optionalen festen Kondensator kann die Größe des Kapazitätswerts eingestellt werden. Wird zusätzlich der zweite, frequenz- und spannungsstabile Kondensator vorgesehen, lässt sich ein sehr stark variabler Kapazitätswert realisieren. Die Auslegung des gesamten Kapazitätswerts erfolgt anhand von zwei Kriterien:
    Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfähigen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhandenen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal.
  • Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.
  • Während das Vorsehen der variablen Kapazität in dem ersten schwingfähigen System dazu dient, eine feste Arbeitsfrequenz des Resonanzwandlers bei einer sich ändernden Last oder Induktivität sicher stellen zu können, kann das Vorsehen einer variablen Kapazität in dem zweiten schwingfähigen System dazu genutzt werden, die über den Transformator übertragbare Leistung zu maximieren. Dabei kann der Kapazitätswert des zweiten schwingfähigen Systems – nachdem die Arbeitsfrequenz durch Einstellung des Kapazitätswerts in dem ersten schwingfähigen System festgelegt wurde – variiert werden, um nach dem MPP(Maximum Peak Power)-Verfahren die auf die Last 21 übertragbare Leistung zu maximieren.

Claims (11)

  1. Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems (10), das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System (20) mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist, umfassend einen ersten Kondensator (Cvar), dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle (DCvar), deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist, wobei die Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und einem Entkoppelelement (Lentk) parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet ist, um den ersten Kondensator (Cvar) mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen, und wobei die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle (DCvar) anliegende Spannung in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems (10) eingestellt wird oder ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Kondensator (Cvar) aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren (Cvar,1, ..., Cvar,n) besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Entkoppelelement (Lentk) eine Induktivität ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator (Cvar) und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und dem Entkoppelelement (Lentk) in Serie zu einem zweiten Kondensator (Cfest) verschaltet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der zweite Kondensator Frequenz- und Spannungsstabil ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Kapazitätswert des zweiten Kondensators (Cfest) kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators (Cvar) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kopplungsfaktor zwischen dem ersten schwingfähigen System (10) und dem zweiten schwingfähigen System (20) kleiner als 50% ist.
  8. Schwingfähiges System (10) zum Übertragen von Energie auf ein anderes, schwach gekoppeltes schwingfähiges System (20), umfassend einen Schwingkreis mit einem Frequenzgenerator (11), eine erste Spule (13) und eine Vorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Schwingfähiges System (20) zum Empfangen von Energie von einem anderen, schwach gekoppelten schwingfähigen System (10), umfassend eine Last (21), eine zweite Spule (23) und eine Vorrichtung (22) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Energieübertragungssystem, umfassend ein erstes schwingfähiges System (10) und ein zweites schwingfähiges System (20), die mit einem nicht bekannten, schwachen Kopplungsfaktor (K) gekoppelt sind, wobei das erste schwingfähige System (10) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
  11. Energieübertragungssystem nach Anspruch 10, bei dem das zweite schwingfähige System (20) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10320280B2 (en) * 2016-11-08 2019-06-11 Analog Devices Global Unlimited Company LC filter including coupled inductors for reducing ripple in switching power supplies
CN108819748B (zh) * 2018-06-13 2021-02-02 北京国电光宇新技术开发有限公司 一种电动汽车无线充电系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3150958A1 (de) * 1981-12-23 1983-07-14 FTE maximal Fernsehtechnik und Elektromechanik GmbH & Co KG, 7130 Mühlacker Ukw-zimmerantenne
DE3641110A1 (de) * 1985-12-03 1987-06-04 Toshiba Kawasaki Kk Abstimmschaltung
DE69312602T2 (de) * 1992-08-28 1997-12-04 Thomson Consumer Electronics Zweifach abgestimmte Schaltung mit symmetrischem Ausgang und Spiegelfrequenzsperrkreis
WO2013006068A1 (en) * 2011-07-07 2013-01-10 Powerbyproxi Limited An inductively coupled power transfer receiver
US20140028108A1 (en) * 2012-07-24 2014-01-30 PowerWow Technology Inc. Inductively coupled power transfer system and device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5771148A (en) * 1995-11-17 1998-06-23 Motorola, Inc. Intercalation-based voltage variable capacitor
JP2001218120A (ja) * 2000-01-02 2001-08-10 Alps Electric Co Ltd ケーブルテレビジョン送信機の周波数変換回路
JP4888418B2 (ja) * 2008-02-29 2012-02-29 ソニー株式会社 可変容量素子とその制御方法、電子デバイス及び通信モバイル機器
WO2012086625A1 (ja) * 2010-12-21 2012-06-28 矢崎総業株式会社 給電システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3150958A1 (de) * 1981-12-23 1983-07-14 FTE maximal Fernsehtechnik und Elektromechanik GmbH & Co KG, 7130 Mühlacker Ukw-zimmerantenne
DE3641110A1 (de) * 1985-12-03 1987-06-04 Toshiba Kawasaki Kk Abstimmschaltung
DE69312602T2 (de) * 1992-08-28 1997-12-04 Thomson Consumer Electronics Zweifach abgestimmte Schaltung mit symmetrischem Ausgang und Spiegelfrequenzsperrkreis
WO2013006068A1 (en) * 2011-07-07 2013-01-10 Powerbyproxi Limited An inductively coupled power transfer receiver
US20140028108A1 (en) * 2012-07-24 2014-01-30 PowerWow Technology Inc. Inductively coupled power transfer system and device

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