DE102016114941A1

DE102016114941A1 - System und Verfahren zur induktiven Energieübertragung

Info

Publication number: DE102016114941A1
Application number: DE102016114941.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Pforr
Original assignee: Technische Hochschule Ingolstadt
Current assignee: Technische Hochschule Ingolstadt
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15
Also published as: US11159052B2; US20200212714A1; WO2018029114A1

Abstract

Offenbart wird ein System und ein Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie, umfassend ein Speisen eines ersten Schwingkreises mit einer Vielzahl an Strompulsen und ein induktives Übertragen von Energie von dem ersten Schwingkreis auf einen zweiten mit dem ersten Schwingkreis induktiv gekoppelten Schwingkreis, wobei die Strompulse durch einen mit dem ersten Schwingkreis gekoppelten periodisch eingeschalteten Schalter einer ersten Leistungsstufe fließen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Übertragung von Energie mittels Induktion. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur berührungslosen induktiven Energieübertragung zwischen einer ersten Schaltung und einer zweiten Schaltung, bspw. zum Laden einer Traktionsbatterie.
HINTERGRUND
Bei einer Vielzahl technischer Anwendungen muss Energie zwischen Schaltungen übertagen werden. Ist das Verbinden der Schaltungen mittels elektrischer Leiter nicht möglich oder nicht erwünscht, kann die Energie berührungslos mittels induktiver Kopplung übertragen werden. Bspw. kann mittels einer an einen Wechselstrom angeschlossenen Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden, das in einer dem Wechselfeld ausgesetzten Spule eine Wechselspannung induziert. Vorteilhaft ist dabei eine möglichst verlustarme Übertragung der Energie, die mit geringem Aufwand realisiert werden kann und robust gegen Störungen ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch Verbesserung der Symmetrie der Schaltungen und durch symmetrisches Einspeisen und Entnehmen von Energie ein Arbeitspunkt erreicht werden kann, in dem eine Eingangsspannung der Eingangsleistungsstufe ausreicht, um Rückströme in die Eingangsstufe zu vermeiden, so dass die Eingangsstufe auf eine Schaltung zum gepulsten Speisen des Schwingkreises reduziert werden kann. Dies gelingt, indem die in den Schwingkreis eingespeiste Energie (abzüglich von Verlusten) vor dem nächsten Null-Strom-Durchgang (möglichst) vollständig von dem ersten Schwingkreis auf den zweiten Schwingkreis übertragen wird, bspw. indem eine (unter Berücksichtigung der durch die induktive Kopplung bedingte Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen der Schwingkreise zeitlich verschobene) Entnahme von Energie (spiegel-)symmetrisch zur Energiezuführung erfolgt. Diese Erkenntnis machen sich ein erfindungsgemäßes System und ein erfindungsgemäßes Verfahren zu eigen, indem die Eingangsstufe im „Push”- oder „Pull”-Betrieb im Wesentlichen auf einen (einzelnen) aktiv gesteuerten Schalter zum gepulsten Speisen eines Schwingkreises reduziert ist.
Ein erfindungsgemäßes System zur induktiven Energieübertragung, umfasst eine erste Schaltung und eine zweite Schaltung, wobei die erste Schaltung einen ersten Schwingkreis und die zweite Schaltung einen zweiten Schwingkreis umfasst, wobei der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis dazu eingerichtet und vorgesehen sind, während der induktiven Energieübertragung induktiv gekoppelt zu sein, wobei der erste Schwingkreis über einen Schalter an einen elektrischen Anschluss gekoppelt ist, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an einer elektrischen Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, und wobei der Schalter ferner mit einer Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Schalter während einer Schwingungsperiode des ersten Schwingkreises einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des Schalters ein Strompuls durch den Schalter fließt, wobei dem ersten Schwingkreis mittels des durch den Schalter fließenden Strompulses Energie zugeführt wird.
Durch das Vorsehen der den ersten Schwingkreis speisenden Leistungsstufe außerhalb des ersten Schwingkreises kann vermieden werden, dass Resonanzströme des ersten Schwingkreises durch den Schalter der Leistungsstufe fließen, wie bspw. bei einer aus Halbbrücken oder Vollbrücken realisierten Leistungsstufe. Somit können durch die Leistungsstufe verursachte Leistungsverluste reduziert werden.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem Schalter in Reihe geschaltetes erstes induktives Bauelement an den Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der Leistungsstufe kann die Ausgangsspannung der Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem ersten Schwingkreis reduziert werden, wodurch das System einfacher und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über eine das erste induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung an den Schalter gekoppelt.
Das Vorsehen einer Transformatorschaltung erlaubt es, einen kleineren Stromfluss und eine größere Spannung im ersten Schwingkreis zu erreichen und dadurch die Impedanz des ersten Schwingkreises anzupassen. Ferner kann durch das Vorsehen unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse, bspw. durch Spulen mit einer unterschiedlichen Anzahl an Wicklungen, zwischen denen z. B. mittels elektromechanischen Relais umgeschaltet werden kann, eine von der zweiten Schaltung erzeugte Ausgangsspannung an unterschiedliche Abnehmer angepasst werden.
Vorzugweise ist der erste Schwingkreis dazu eingerichtet und vorgesehen, während der induktiven Energieübertragung über die Transformatorschaltung mit dem zweiten Schwingkreis induktiv gekoppelt zu sein.
Somit kann die erste Schaltung mittels zweier (oder im Fall unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse mehrerer) Wicklungen realisiert werden, die bspw. um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein können. Dadurch kann das System effizienter und kompakter realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet und parallel zu einem ersten induktiven Bauelement geschaltet.
Vorzugsweise weisen der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis eine gleiche nominelle Resonanzfrequenz auf.
Dies reduziert das Auftreten von Rückströme antreibenden Spannungen am Schalter, wodurch dieser als Vollwellenschalter ausgebildet sein kann, ohne größere Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann das System effizienter und kompakter realisiert werden, da bspw. bei der Realisierung durch eine dreipolige Transistorschaltung keine antiseriell verschaltete Diode oder keine antiseriell verschaltete Transistorschaltung benötigt wird, um größere Rückströme durch den Schalter zu verhindern. Ferner kann bei Verwendung einer antiseriell verschalteten Diode oder einer antiseriell verschalteten Transistorschaltung in Reihe mit dem Schalter die Anforderung an die Festigkeit derselben reduziert werden, da sie nur mit geringen Spannungen belastet werden.
Vorzugsweise weisen der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis eine gleiche nominelle Kapazität und Induktivität auf.
Dies erhöht die Symmetrie der Schaltungen und reduziert dadurch das Auftreten von Spannungen, die Rückströme durch den Schalter antreiben, wodurch dieser als Vollwellenschalter ausgebildet sein kann, ohne merkliche Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems weiter gesteigert werden. Ferner kann bei Verwendung einer antiseriell verschalteten Diode oder einer antiseriell verschalteten Transistorschaltung in Reihe mit dem Schalter die Anforderung an die Festigkeit derselben noch weiter reduziert werden, da sie nur mit sehr geringen Spannungen belastet werden.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis über einen zweiten Schalter an einen zweiten Anschluss gekoppelt, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, wobei der zweite Schalter ferner mit einer zweiten Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Schalter während einer Schwingungsperiode des zweiten Schwingkreises einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des zweiten Schalters ein zweiter Strompuls durch den zweiten Schalter fließt, wobei dem zweiten Schwingkreis mittels des durch den zweiten Schalter fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
Das Vorsehen einer zweiten aktiv schaltbaren Leistungsstufe ermöglicht einen bidirektionalen Energiefluss zwischen den Schaltungen. Ferner ermöglicht das Vorsehen des zweiten Schalters eine Feinabstimmung des Arbeitspunktes im quasistationären Betrieb mittels einer Variation des Einschaltzeitpunktes bei Einhaltung der durch den ersten Schalter vorgegebenen Schaltfrequenz. Durch die Variation des Arbeitspunktes können Verluste und ungewollte Asymmetrien im System zumindest teilweise kompensiert werden und dadurch das Auftreten von Spannungen, die Rückströme durch den Schalter antreiben, reduziert oder vermieden wird.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem zweiten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den zweiten Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der zweiten Leistungsstufe kann bei Energiefluss vom zweiten Schwingkreis zum ersten Schwingkreis die Ausgangsspannung der zweiten Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem zweiten Schwingkreis reduziert werden, wodurch das System kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der zweite Schalter über eine das zweite induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung an den zweiten Schwingkreis gekoppelt.
Das Vorsehen einer Transformatorschaltung erlaubt es, einen kleineren Stromfluss und eine größere Spannung im zweiten Schwingkreis zu erreichen und die Impedanz des zweiten Schwingkreises anzupassen. Ferner kann durch das Vorsehen unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse, bspw. durch Spulen mit einer unterschiedlichen Anzahl an Wicklungen, zwischen denen z. B. mittels elektromechanischen Relais umgeschaltet werden kann, eine von der zweiten Schaltung erzeugte Ausgangsspannung an unterschiedliche Abnehmer angepasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet und parallel zu einem zweiten induktiven Bauelement geschaltet.
Vorzugsweise ist die zweite Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, den eingeschalteten zweiten Schalter nach dem Einschalten erst wieder auszuschalten, nachdem der zweite Strompuls durch den zweiten Schalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Stroms ermöglicht ein weiches Schalten des zweiten Schalters und reduziert dadurch die Anforderungen an die Robustheit des zweiten Schalters.
Vorzugsweise ist der zweite Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet und die zweite Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, den eingeschalteten zweiten Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder auszuschalten bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den zweiten Strompuls folgender Rückstrom durch den zweiten Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Rückstroms senkt die Anforderungen an die Robustheit des zweiten Schalters bzw. reduziert das Auftreten von Leistungsverlusten auf Grund des Rückstroms durch den zweiten Schalter.
Vorzugsweise ist die zweite Steuerlogik dazu eingerichtet, einen Steuerbefehl von der ersten Steuerlogik zu empfangen und in Reaktion auf den Steuerbefehl einen Rückstrom durch den zweiten Schalter nach dem Abklingen des Stroms durch den zweiten Schalter zuzulassen.
Dies ermöglicht es, das Auftreten einer einen Rückstrom durch den Schalter treibenden Spannung am Schalter zu reduzieren und senkt dadurch die Anforderungen an die Robustheit des Schalters bzw. reduziert durch den Rückstrom induzierte Leistungsverluste. Ferner kann dadurch eine Belastung des Schalters und des zweiten Schalters aneinander angeglichen bzw. ausgeglichen werden. Bspw. kann der zweite Schalter durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes des Systems im quasistationären Betrieb, d. h. durch Variation des Einschaltzeitpunktes des zweiten Schalters einen Arbeitspunkt anfahren, in dem ein größerer Rückstrom durch den zweiten Schalter auftritt, als in einem anderen angefahrenen oder anfahrbaren Arbeitspunkt und diesen Arbeitspunkt in Reaktion auf den Steuerbefehl einnehmen oder halten, um die Belastung des Schalters zu reduzieren und die Effizienz der ersten Schaltung zu erhöhen. Ferner kann die erste Steuerlogik dazu eingerichtet, einen zweiten Steuerbefehl von der zweiten Steuerlogik zu empfangen und in Reaktion auf den zweiten Steuerbefehl eine Schaltfrequenz des Schalters zu erhöhen oder verringern. Dadurch kann bspw. ein Ladestrom für eine Batterie angepasst werden.
Vorzugsweise sind die zweite Steuerlogik und der zweite Schalter dazu eingerichtet, während der induktiven Energieübertragung eine Null-Strom-geschaltete Klasse-E-Leistungsstufe auszubilden.
Durch das Ausschalten des zweiten Schalters bei (annähernd) Null-Strom und einer Steigung der Stromkurve, di(t)/dt, von (annährend) Null werden die Anforderungen an den zweiten Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit reduziert. Ferner kann das Ausbilden einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe durch eine mit dem zweiten Schalter in Reihe geschalteten Sättigungsinduktivität verbessert werden, die sich bei kleinen Strömen entsättigt und dadurch die Anforderungen an den zweiten Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit weiter reduziert.
Vorzugsweise sind die erste Schaltung und die zweite Schaltung symmetrisch.
Durch die Symmetrie der Schaltungen wird erreicht, dass bei quasi-stationärem Betrieb keine oder vernachlässigbare Spannungen auftreten, die Rückströme durch den Schalter und den zweiten Schalter antreiben. Allerdings versteht sich in diesem Zusammenhang, dass unter dem Begriff „Symmetrie” insbesondere das Vorsehen von nominell gleichen Bauteilen zu verstehen ist, die symmetrisch verschaltet sind, wobei klar ist, dass auch nominell gleiche Bauteile durch produktionsbedingte Schwankungen oftmals nicht exakt identisch sind, wodurch auch ein System mit minimalen, produktionsbedingten reellen Asymmetrien in diesem Zusammenhang als mitumfasst gelten soll. Ferner ist klar, dass sich der Begriff „Symmetrie” primär auf die relevanten elektrischen Kenngrößen wie Induktivitäten, Kapazitäten, Widerstände, Impedanzen, etc. bezieht und baugleiche Elemente, möglicherweise aus einer Produktionscharge, nur als ein, wenn auch bevorzugter, Spezialfall symmetrischer Schaltungen anzusehen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Schwingkreis über ein passives Gleichrichterelement an einen zweiten Anschluss gekoppelt, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, und speist der zweite Schwingkreis während der induktiven Energieübertragung die zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Strompuls durch das passive Gleichrichterelement, wobei dem zweiten Schwingkreis mittels des durch das passive Gleichrichterelement fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
Durch das Vorsehen eines passiven Gleichrichterelements wie bspw. einer Diode kann die zweite Schaltung besonders einfach und kostengünstig realisiert werden. Allerdings entfällt in diesem Fall die Möglichkeit der Feinabstimmung des Arbeitspunktes mittels Variation des Einschaltzeitpunktes des zweiten Schalters, so dass es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein kann, eine in ihrer Größe anpassbare Kapazität und/oder Induktivität des ersten Schwingkreises vorzusehen, die im Betrieb bei konstanter Schaltfrequenz des Schalters so variiert wird bzw. werden, dass das Auftreten von Spannungen, die Rückströme durch den Schalter antreiben, reduziert oder vermieden wird.
Vorzugsweise wird während der induktiven Energieübertragung eine durch die Entnahme von Energie aus dem zweiten Schwingkreis in dem ersten Schwingkreis induzierte Verringerung des in dem ersten Schwingkreis fließenden Stroms unmittelbar nach dem Einschalten des ersten Schalters überkompensiert.
Somit ist das Schalten des Schalters durch die Steuerlogik so getaktet, dass die Energiezuführung in den ersten Schwingkreis und die Energieentnahme aus dem zweiten Schwingkreis zwar zeitlich versetzt stattfindet, der zeitliche Versatz aber mit der aus der induktiven Kopplung resultierenden Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Schwingkreis korreliert bzw. übereinstimmt. Dadurch wird erreicht, dass eine Abweichung der Schwingung von einer Sinus-Form reduziert wird und die Ströme im Schwingkreis nicht übermäßig erhöht werden.
Vorzugsweise dauert die Überkompensation während einer halben Einschaltperiode des Schalters an.
Dies ermöglicht es, die Überkompensation durch eine zur Überkompensation in Hinblick auf den Energiefluss symmetrische Unterkompensation auszugleichen, wodurch eine, Rückströme durch den Schalter antreibende Spannung reduziert oder vermieden werden kann.
Vorzugsweise folgt auf die Überkompensation unmittelbar eine Unterkompensation, die solange währt, bis ein durch die Überkompensation erzeugter Stromflussüberschuss in dem ersten Schwingkreis wieder ausgeglichen ist.
Durch das unmittelbare Ausgleichen des Stromflussüberschusses werden die Ströme im Schwingkreis reduziert und dadurch die Effizienz des Systems erhöht.
Vorzugsweise sind der Schalter und/oder der zweite Schalter als Vollwellenschalter ausgebildet.
Die Verwendung von Vollwellenschalter, d. h. von Schaltern, die nur Ströme in einer Richtung durch den Schalter bzw. den zweiten Schalter schalten erlaubt eine Realisierung der Schaltungen mit geringerem Aufwand.
Vorzugsweise ist die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, den eingeschalteten Schalter nach dem Einschalten erst wieder auszuschalten, nachdem ein Strom durch den Schalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Stroms ermöglicht ein weiches Schalten des Schalters und reduziert dadurch die Anforderungen an die Robustheit des Schalters.
Vorzugsweise ist der Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet und die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, den eingeschalteten Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder auszuschalten bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den Strompuls folgender Rückstrom durch den Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Rückstroms senkt die Anforderungen an die Robustheit des Schalters bzw. reduziert das Auftreten von Leistungsverlusten auf Grund des Rückstroms durch den Schalter.
Vorzugsweise sind die Steuerlogik und der Schalter dazu eingerichtet, während der induktiven Energieübertragung eine Null-Strom-geschaltete Klasse-E-Leistungsstufe auszubilden.
Durch das Ausschalten des Schalters bei (annähernd) Null-Strom und einer Steigung der Stromkurve, di(t)/dt, von (annäheend) Null werden die Anforderungen an den Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit reduziert. Ferner kann das Ausbilden einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe durch eine mit dem Schalter in Reihe geschalteten Sättigungsinduktivität verbessert werden, die sich bei kleinen Strömen entsättigt und dadurch die Anforderungen an den Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit weiter reduziert.
Vorzugsweise ist die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, einen Stromfluss durch den Schalter zu messen.
Das Messen des Stromflusses durch den Schalter erlaubt ein präziseres Bestimmen des Ausschaltzeitpunktes als bspw. ein Bestimmen des Stromflusses durch den Schalter aus einem Messen der Spannung oder des Stromflusses im ersten Schwingkreis, welches aber ebenfalls möglich wäre.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis ein halbleiterschalterfreier Schwingkreis.
Dadurch kann ein durch einen Halbleiterschalter induzierter Leistungsverlust im ersten Schwingkreis, wie er bspw. bei Verwendung einer Brückenschaltung auftreten könnte, vermieden werden.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis zudem über einen dritten Schalter an den elektrischen Anschluss gekoppelt und der dritte Schalter ferner mit der Steuerlogik verbunden, die dazu eingerichtet ist, den dritten Schalter während der Schwingungsperiode des ersten Schwingkreises zeitlich versetzt zum ersten Schalter einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des dritten Schalters ein dritter Strompuls durch den dritten Schalter fließt, dessen Stromrichtung dem ersten Strompuls entgegengesetzt ist, und wobei dem ersten Schwingkreis mittels des durch den dritten Schalter fließenden Strompulses Energie zugeführt wird.
Dadurch wird eine „Push-Pull”-Anordnung realisiert, die es erlaubt, die Energieübertragung zu erhöhen. Insbesondere, indem der zweite Schwingkreis über einen vierten Schalter an den zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei der vierte Schalter ferner mit der zweiten Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den vierten Schalter während einer Schwingungsperiode des zweiten Schwingkreises zeitversetzt zu dem zweiten Schalter einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des vierten Schalters ein vierter Strompuls durch den vierten Schalter fließt, wobei dem zweiten Schwingkreis mittels des durch den vierten Schalter fließenden vierten Strompulses Energie entnommen wird.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem dritten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den dritten Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der dritten Leistungsstufe kann die Ausgangsspannung der dritten Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem ersten Schwingkreis reduziert werden, wodurch das System kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über eine das zweite induktive Bauelement umfassende zweite Transformatorschaltung an den dritten Schalter gekoppelt.
Das Vorsehen einer zweiten Transformatorschaltung erlaubt es, einen kleineren Stromfluss und eine größere Spannung im ersten Schwingkreis zu erreichen und die Impedanz des ersten Schwingkreises anzupassen. Ferner kann durch das Vorsehen unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse, bspw. durch Spulen mit einer unterschiedlichen Anzahl an Wicklungen, zwischen denen z. B. mittels elektromechanischen Relais umgeschaltet werden kann, eine von der zweiten Schaltung erzeugte Ausgangsspannung an unterschiedliche Abnehmer angepasst werden.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis dazu eingerichtet und vorgesehen, während der induktiven Energieübertragung über die zweite Transformatorschaltung mit dem zweiten Schwingkreis induktiv gekoppelt zu sein.
Somit kann die erste Schaltung mittels zwei oder drei Wicklungen realisiert werden, die bspw. um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein können. Dadurch kann das System kostengünstiger und kompakter realisiert werden.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis mit einer Batterie eines Fahrzeugs gekoppelt.
Dies erlaubt es bei bidirektionalem Energiefluss, Einspeiseschwankungen in ein Energienetz abzupuffern.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie zwischen einer ersten Schaltung und einer zweiten Schaltung, wobei die erste Schaltung einen ersten Schwingkreis und die zweite Schaltung einen zweiten Schwingkreis umfasst und der erste Schwingkreis über einen Schalter an einer elektrischen Versorgungsleitung angeschlossen ist, umfasst ein induktives Übertragen der dem ersten Schwingkreis zugeführten Energie auf den zweiten, mit dem ersten Schwingkreis induktiv gekoppelten Schwingkreis und ein Zuführen von Energie in den ersten Schwingkreis mittels eines durch den Schalter fließenden Strompulses.
Durch das Vorsehen der den ersten Schwingkreis speisenden Leistungsstufe außerhalb des ersten Schwingkreises kann vermieden werden, dass Resonanzströme des ersten Schwingkreises durch den Schalter der Leistungsstufe fließen, wie bspw. bei einer aus Halbbrücken oder Vollbrücken realisierten Leistungsstufe. Somit können die durch die Leistungsstufe verursachten Leistungsverluste reduziert werden. Ferner sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Betreiben des Systems vorgesehen ist, und das im Zusammenhang mit dem System offenbarte auch analog im Zusammenhang mit dem Verfahren gelten soll und umgekehrt.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem Schalter in Reihe geschaltetes erstes induktives Bauelement an den Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der Leistungsstufe kann die Ausgangsspannung der Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem ersten Schwingkreis reduziert werden, wodurch die erste Schaltung kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über eine das erste induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung an den Schalter gekoppelt.
Das Vorsehen einer Transformatorschaltung erlaubt es, einen kleineren Stromfluss und eine größere Spannung im ersten Schwingkreis zu erreichen und die Impedanz des ersten Schwingkreises anzupassen.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über die Transformatorschaltung mit dem zweiten Schwingkreis induktiv gekoppelt.
Somit kann die erste Schaltung mittels zweier Wicklungen realisiert werden, die bspw. um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein können. Dadurch kann die erste Schaltung kostengünstiger und kompakter realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet und parallel zu einem ersten induktiven Bauelement geschaltet.
Vorzugsweise weisen der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis eine gleiche nominelle Resonanzfrequenz auf.
Dies reduziert das Auftreten von Rückströme antreibenden Spannungen am Schalter, wodurch dieser als Vollwellenschalter ausgebildet sein kann, ohne größere Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann das System kostengünstiger und kompakter realisiert werden, da z. B. bei der Realisierung durch eine dreipolige Transistorschaltung keine antiseriell verschaltete Diode oder keine antiseriell verschaltete Transistorschaltung benötigt wird.
Vorzugsweise weisen der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis eine gleiche nominelle Kapazität und Induktivität auf.
Dies reduziert das Auftreten von Rückströme antreibenden Spannungen am Schalter weiter, wodurch dieser als Vollwellenschalter ausgebildet sein kann, ohne merkliche Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Systems weiter gesteigert werden.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis über einen zweiten Schalter an einen zweiten Anschluss gekoppelt, der an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen ist, und das Verfahren umfasst ferner ein Entnehmen von Energie aus dem zweiten Schwingkreis mittels eines durch den zweiten Schalter fließenden Strompulses.
Das Vorsehen einer zweiten aktiv schaltbaren Leistungsstufe ermöglicht einen bidirektionalen Energiefluss.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem zweiten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den zweiten Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der zweiten Leistungsstufe kann bei Energiefluss vom zweiten Schwingkreis zum ersten Schwingkreis die Ausgangsspannung der zweiten Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem zweiten Schwingkreis reduziert werden, wodurch die zweite Schaltung kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der zweite Schalter über eine das zweite induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung an den zweiten Schwingkreis gekoppelt.
Das Vorsehen einer Transformatorschaltung erlaubt es, einen kleineren Stromfluss und eine größere Spannung im zweiten Schwingkreis zu erreichen und die Impedanz des zweiten Schwingkreises anzupassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet und parallel zu einem zweiten induktiven Bauelement geschaltet.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Einschalten des zweiten Schalters und ein Ausschalten des zweiten Schalters, nachdem ein Strom durch den zweiten Schalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Stroms ermöglicht ein weiches Schalten des zweiten Schalters und reduziert dadurch die Anforderungen an die Robustheit des zweiten Schalters.
Vorzugsweise ist der zweite Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet und der zweite Halbleiterschalter wird ausgeschaltet bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den zweiten Strompuls folgender Rückstrom durch den zweiten Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Rückstroms senkt die Anforderungen an die Robustheit des zweiten Schalters bzw. reduziert das Auftreten von Leistungsverlusten auf Grund des Rückstroms durch den zweiten Schalter.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Übertragen eines Steuerbefehls von der ersten Schaltung zur zweiten Schaltung und, in Reaktion auf den Steuerbefehl, ein Zulassen eines Rückstroms durch den zweiten Schalter nach dem Abklingen des Stroms durch den zweiten Schalter.
Dies ermöglicht es, das Auftreten einer einen Rückstrom durch den Schalter treibenden Spannung am Schalter zu reduzieren und senkt dadurch die Anforderungen an die Robustheit des Schalters bzw. reduziert durch den Rückstrom induzierte Leistungsverluste. Ferner kann dadurch eine Belastung des Schalters und des zweiten Schalters aneinander angeglichen bzw. ausgeglichen werden. Ferner kann das Verfahren ein Übertragen eines zweiten Steuerbefehls von der ersten Schaltung zur zweiten Schaltung und in Reaktion auf den zweiten Steuerbefehl ein Erhöhen oder Verringern einer Schaltfrequenz des Schalters umfassen. Dadurch kann bspw. ein Ladestrom für eine Batterie angepasst werden.
Vorzugsweise ist der Schalter in einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe umfasst.
Durch das Ausschalten des zweiten Schalters bei (annähernd) Null-Strom und einer Steigung der Stromkurve, di(t)/dt, von (annährend) Null werden die Anforderungen an den zweiten Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit reduziert. Ferner kann das Ausbilden einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe durch eine mit dem zweiten Schalter in Reihe geschalteten Sättigungsinduktivität verbessert werden, die sich bei kleinen Strömen entsättigt und dadurch die Anforderungen an den zweiten Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit weiter reduziert.
Vorzugsweise sind die erste Schaltung und die zweite Schaltung symmetrisch.
Durch die Symmetrie der Schaltungen wird erreicht, dass bei quasi-stationärem Betrieb keine oder vernachlässigbare Spannungen auftreten, die Rückströme durch den Schalter und den zweiten Schalter antreiben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Schwingkreis über ein passives Gleichrichterelement an einen zweiten Anschluss gekoppelt, der an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen ist, wobei der zweite Schwingkreis während der induktiven Energieübertragung die zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Strompuls durch das passive Gleichrichterelement speist, wobei dem zweiten Schwingkreis mittels des durch das passive Gleichrichterelement fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
Durch das Vorsehen eines passiven Gleichrichterelements wie bspw. einer Diode kann die zweite Schaltung besonders einfach und kostengünstig realisiert werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Überkompensieren, unmittelbar nach dem Einschalten des ersten Schalters, einer durch die Entnahme von Energie aus dem zweiten Schwingkreis in dem ersten Schwingkreis induzierten Verringerung des in dem ersten Schwingkreis fließenden Stroms.
Somit ist das Schalten des Schalters so getaktet, dass die Energiezuführung in den ersten Schwingkreis und die Energieentnahme aus dem zweiten Schwingkreis zwar zeitlich versetzt stattfindet, der zeitliche Versatz aber mit der aus der induktiven Kopplung resultierenden Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Schwingkreis korreliert bzw. übereinstimmt. Dadurch wird erreicht, dass eine Abweichung der Schwingung von einer Sinus-Form reduziert wird und die Ströme im Schwingkreis nicht übermäßig erhöht werden.
Vorzugsweise dauert die Überkompensation während einer halben Einschaltperiode des Schalters an.
Dies ermöglicht es, die Überkompensation durch eine zur Überkompensation in Hinblick auf den Energiefluss symmetrische Unterkompensation auszugleichen, wodurch eine Spannung, die, Rückströme durch den Schalter antreibt, reduziert oder vermieden werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Ausgleichen eines durch die Überkompensation erzeugten Stromflussüberschusses in dem ersten Schwingkreis durch eine unmittelbar auf die Überkompensation folgende Unterkompensation.
Durch das umnittelbare Ausgleichen des Stromflussüberschusses werden die Ströme im Schwingkreis reduziert und dadurch die Effizienz des Verfahrens erhöht.
Vorzugsweise sind der Schalter und/oder der zweite Schalter als Vollwellenschalter ausgebildet.
Die Verwendung von Vollwellenschaltern erlaubt eine Realisierung der Schaltungen mit geringerem Aufwand.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Einschalten des Schalters und ein Ausschalten des Schalters, nachdem ein Strom durch den Schalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingen des Stroms ermöglicht ein weiches Schalten des Schalters und reduziert dadurch die Anforderungen an die Robustheit des Schalters.
Vorzugsweise ist der Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet und wird der eingeschaltete Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder ausgeschaltet bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den Strompuls folgender Rückstrom durch den Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Das Abwarten des Abklingens des Rückstroms senkt die Anforderungen an die Robustheit des Schalters bzw. reduziert das Auftreten von Leistungsverlusten auf Grund des Rückstroms durch den Schalter.
Vorzugsweise ist der Schalter in einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe umfasst.
Durch das Ausschalten des Schalters bei (annähernd) Null-Strom und einer Steigung der Stromkurve, di(t)/dt, von (annährend) Null werden die Anforderungen an den Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit reduziert. Ferner kann das Ausbilden einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe durch eine mit dem Schalter in Reihe geschalteten Sättigungsinduktivität verbessert werden, die sich bei kleinen Strömen entsättigt und dadurch die Anforderungen an den Schalter hinsichtlich der Ausschaltgeschwindigkeit weiter reduziert.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Messen eines Stromflusses durch den Schalter.
Das Messen des Stromflusses durch den Schalter erlaubt ein präziseres Bestimmen des Ausschaltzeitpunktes.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis ein halbleiterschalterfreier Schwingkreis.
Dadurch kann ein durch den Schalter induzierter Leistungsverlust im ersten Schwingkreis vermieden werden.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis zudem über einen dritten Schalter an den elektrischen Anschluss gekoppelt und das Verfahren umfasst ferner ein Zuführen von Energie in den ersten Schwingkreis mittels eines durch den dritten Schalter fließenden dritten Strompulses, wobei der dritte Schalter zeitlich versetzt zum Schalter ein- und ausgeschaltet wird.
Dadurch wird eine „Push-Pull”-Anordnung realisiert, die es erlaubt, die Energieübertragung zu erhöhen. Insbesondere, indem der zweite Schwingkreis über einen vierten Schalter an den zweiten Anschluss gekoppelt ist, und das Verfahren des Weiteren ein Entnehmen von Energie aus dem zweiten Schwingkreis mittels eines durch den vierten Schalter fließenden Strompulses umfasst.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgebildet und über ein mit dem dritten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den dritten Schalter gekoppelt.
Durch den dadurch realisierten Stromausgang der dritten Leistungsstufe kann die Ausgangsspannung der dritten Leistungsstufe erhöht und der Stromfluss in dem ersten Schwingkreis reduziert werden, wodurch die erste Schaltung kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über eine das zweite induktive Bauelement umfassende zweite Transformatorschaltung an den dritten Schalter gekoppelt.
Das Vorsehen einer zweiten Transformatorschaltung erlaubt es, den Stromfluss und die Spannung im ersten Schwingkreis zu ändern und dadurch die Impedanz des ersten Schwingkreises anzupassen.
Vorzugsweise ist der erste Schwingkreis über die zweite Transformatorschaltung mit dem zweiten Schwingkreis induktiv gekoppelt.
Somit kann die erste Schaltung mittels zwei oder drei Wicklungen realisiert werden, die bspw. um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein können. Dadurch kann die erste Schaltung kostengünstiger und kompakter realisiert werden.
Vorzugsweise ist der zweite Schwingkreis mit einer Batterie eines Fahrzeugs gekoppelt.
Dies erlaubt es, eine Traktionsbatterie induktiv zu laden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Entnehmen von Energie aus der Batterie und Zuführen der aus der Batterie entnommenen Energie in den zweiten Schwingkreis.
Dies erlaubt es, Einspeiseschwankungen in ein Energienetz, wie sie bspw. bei einem Einsatz erneuerbarer Energien vorkommen kann, abzupuffern.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Steuern eines Energieflusses von der ersten Schaltung zur zweiten Schaltung durch eine Variation des Einschaltzeitpunktes des Schalters und eine Variation des Einschaltzeitpunktes des zweiten Schalters.
Durch die Variation des Einschaltzeitpunkts des Schalters kann eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Energieflusses und durch Variation des Einschaltzeitpunktes des zweiten Schalters kann eine Optimierung des Arbeitspunktes der Schalter erreicht werden kann, wodurch z. B. ein Null-Strom-Schalten auch bei unterschiedlicher Eingangs- und Ausgangsspannung der Schaltungen bei gleichzeitiger Minimierung der Rückströme ermöglicht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 ein Ersatzschaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2 beispielshafte Strom-/Spannungskurven in dem System der 1 während zweier Schwingungsperioden eines Schwingkreises des Systems;
3 ein Ersatzschaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
4 ein alternatives Ersatzschaltbild des Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform;
5 Messwerte hinsichtlich der Ausgangsleistung an einem realen System zur induktiven Energieübertragung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
6 Messwerte hinsichtlich der Effizienz an einem realen System zur induktiven Energieübertragung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
7 ein Ersatzschaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
8 Ersatzschaltbilder von ersten Schaltungen zur induktiven Energieübertragung gemäß einer vierten, fünften, sechsten und siebten bevorzugten Ausführungsform; und
9 einen Prozess zur induktiven Übertragung von Energie zeigt.
Dabei sind in den Zeichnungen gleiche Elemente durch identische Bezugszeichen und analoge Elemente mit um einen Apostroph ergänzten aber ansonsten identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Systems 10 zur induktiven Energieübertragung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Das System 10 umfasst eine erste Schaltung 12 und eine zweite Schaltung 14. Die erste Schaltung 12 umfasst einen ersten Schwingkreis 16. Der erste Schwingkreis 16 umfasst einen ersten Leitungspfad 18, der ein kapazitives Bauelement C₁ (bspw. einen Kondensator) aufweist und einen zum ersten Leitungspfad 18 parallel geschalteten zweiten Leitungspfad 20, der ein induktives Bauelement L₁ (bspw. eine Spule) aufweist.
Wie in 1 gezeigt, ist parallel zum ersten Leitungspfad 18 und zum zweiten Leitungspfad 20 eine erste Leistungsstufe 22 geschaltet, die einen dritten Leitungspfad 24 umfasst, der an dem ersten Leitungspfad 18 und dem zweiten Leitungspfad 20 angeschlossen ist. Der dritte Leitungspfad 24 umfasst eine erste Spannungsquelle V₁, einen mit der ersten Spannungsquelle V₁ in Reihe geschalteten ersten Schalter S₁ (bspw. eine Transistorschaltung) und ein mit der ersten Spannungsquelle V₁ und dem ersten Schalter S₁ in Reihe geschaltetes induktives Bauelement L_A (bspw. eine Spule), welches einen Stromfluss durch den ersten Schalter S₁ formgebend bestimmt bzw. einen Stromausgang der ersten Leistungsstufe 22 realisiert. Optional kann neben dem induktiven Bauelement L_A noch eine Sättigungsinduktivität (bspw. eine Spule) mit dem ersten Schalter S₁ und dem induktiven Bauelement L_A in Reihe geschaltet sein.
Die zweite Schaltung 14 ist symmetrisch zur ersten Schaltung 12 aufgebaut, d. h. die zweite Schaltung 14 lässt sich durch ein Ersatzschaltbild darstellen, das dem Ersatzschaltbild der ersten Schaltung 12 entspricht, wobei nicht notwendigerweise alle in einer Realisierung der ersten Schaltung 12 umfassten Bauteile auch in einer Realisierung der zweiten Schaltung 14 in identischer Ausprägung und Anzahl umfasst sein müssen, wobei dies jedoch als eine bevorzugte Realisierungsvariante angedacht ist. Bspw. kann die zweite Schaltung 14 anstatt der zweiten Leistungsstufe 26 einen ungesteuerten Gleichrichter (bspw. eine Diode) umfassen, der einen unidirektionalen Energiefluss ermöglicht.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die zweite Schaltung 14 einen zweiten Schwingkreis 28. Der zweite Schwingkreis 28 umfasst einen vierten Leitungspfad 30, der ein kapazitives Bauelement C₂ (bspw. einen Kondensator) aufweist und einen zum vierten Leitungspfad 30 parallel geschalteten fünften Leitungspfad 32, der ein induktives Bauelement L₂ (bspw. eine Spule) aufweist. Parallel zum vierten Leitungspfad 30 und zum fünften Leitungspfad 32 ist die zweite Leistungsstufe 26 geschaltet, die einen sechsten Leitungspfad 34 umfasst, der an den vierten Leitungspfad 30 und den fünften Leitungspfad 32 angeschlossen ist. Der sechste Leitungspfad 34 umfasst eine zweite Spannungsquelle V₂, einen mit der zweiten Spannungsquelle V₂ in Reihe geschalteten zweiten Schalter S₂ (bspw. eine Transistorschaltung) und ein mit der zweiten Spannungsquelle V₂ und dem zweiten Schalter S₂ in Reihe geschaltetes induktives Bauelement L_B (bspw. eine Spule), welches einen Stromfluss durch den zweiten Schalter S₂ formgebend bestimmt. Optional kann neben dem induktiven Bauelement L_B noch eine Sättigungsinduktivität (bspw. eine Spule) mit dem zweiten Schalter S₂ und dem induktiven Bauelement L_B in Reihe geschaltet sein.
Der erste Schalter S₁ ist mit einer ersten Steuerlogik (bzw. einer Steuerschaltung) verbunden, die das Einschalten und das Ausschalten des ersten Schalters S₁ steuert. In den Figuren sind dabei der erste Schalter S₁ und die erste Steuerlogik zur Verbesserung der Übersichtlichkeit durch ein einzelnes Schaltersymbol dargestellt, wobei es sich für den Fachmann versteht, dass der erste Schalter S₁ und die erste Steuerlogik als integrierte Schaltkreise oder separate Bauteile ausgeformt sein können. Bei induktiver Energieübertragung von der ersten Schaltung 12 zur zweiten Schaltung 14 wird der erste Schwingkreis 16 durch Strompulse gespeist, die beim Einschalten des ersten Schalters S₁ durch den ersten Schalter S₁ fließen, wobei durch Variation der Einschaltfrequenz die Frequenz des ersten Schwingkreises 16 und damit die Übertragungsleistung gesteuert werden kann. Ferner kann die erste Steuerlogik mit einer Messeinrichtung verbunden sein, die dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss durch den ersten Schalter S₁ (bzw. eine über den ersten Schalter S₁ abfallende Spannung oder eine Spannung über dem bzw. einen Strom im Resonanzkreis) zu messen und basierend auf der Messung einen Ausschaltzeitpunkt des ersten Schalters S₁ zu bestimmen. Dabei ist eine bevorzugte Schaltsequenz des ersten Schalters S₁ während einer Schwingungsperiode des ersten Schwingkreises 16 bei identischer Ein- und Ausgangsspannung (V₁ = V₂) des Systems 10 in 2 gezeigt.
Wie in 2 gezeigt, wird der erste Schalter S₁ vorzugsweise ausgeschaltet, nachdem der Stromfluss durch den ersten Schalter S₁ abgeklungen ist, wobei anzumerken ist, dass der erste Schalter S₁ auch vor dem Abklingen des Stromflusses durch den ersten Schalter S₁ ausgeschaltet werden könnte, wobei sich in diesem Fall der Strompuls verkleinern und die Belastung des ersten Schalters S₁ vergrößern würde, weshalb die erste Leistungsstufe 22 vorzugsweise als Null-Strom-geschaltete Klasse-E-Leistungsstufe ausgebildet ist. Da der Rückstrom, der auf den Strompuls folgt und in entgegengesetzter Richtung (bzw. mit entgegengesetztem Vorzeichen) durch den Schalter S₁ fließt vernachlässigbar gering ist, kann der erste Schalter S₁ als in nur einer Richtung sperrender (Halbleiter-)Schalter (d. h. als Vollwellenschalter), z. B. als Transistorschaltung ohne antiseriell geschaltete Diode oder antiseriell geschaltete Transistorschaltung realisiert werden.
Der Rückstrom ist dabei umso geringer, desto stärker die in den ersten Schwingkreis 16 eingespeiste Energiemenge der zum zweiten Schwingkreis 28 übertragenen Energiemenge entspricht. Ein Entsprechen der in einem Schwingungszyklus eingespeisten und übertragenen Energiemengen kann bspw. durch symmetrische Strom- und Spannungsverläufe in dem System 10 erzielt werden, was wiederum vorzugsweise durch einen symmetrischen Aufbau und besonders vorzugsweise durch einen identischen Aufbau erreicht wird.
Das Einspeisen und Entnehmen von Strompulsen erfolgt in der ersten Schaltung 12 bzw. in der zweiten Schaltung 14 während sich entsprechender Halbperioden der Schwingungsphasen des ersten Schwingkreises 16 und des zweiten Schwingkreises 28, wobei die den Strompulsen entsprechenden Energieprofile V₁i_S1(t) und V₂i_S2(t), wie in 2 gezeigt, bei vernachlässigbaren Energieverlusten näherungsweise spiegelsymmetrisch sind und bei nicht vernachlässigbaren Energieverlusten das Energieprofil der entnommenen Strompulse V₂i_S2(t) entsprechend der Energieverluste gestaucht ist.
Insbesondere wird durch Einschalten des ersten Schalters S₁ ein Ladestrom des ersten kapazitiven Bauelements C₁ zum Teil durch den Strompuls gebildet, der durch den ersten Schalter S₁ fließt. Damit die dadurch am ersten kapazitiven Bauelement C₁ entstehende Spannung keinen Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ erzeugt (bzw. keine betragsmäßig größere Spannung mit zu V₁ entgegengesetztem Vorzeichen auftritt), muss der durch das induktive Bauelement L₁ angetriebene Strom vergrößert werden.
Dies geschieht dadurch, dass dem zweiten Schwingkreis 28 in der entsprechenden Halbperiode der Schwingungsphase des zweiten Schwingkreises 28 eine entsprechende Energiemenge entnommen wird, wodurch mittels der induktiven Kopplung der durch das induktive Bauelement L₁ angetriebene Strom vergrößert wird. Grundsätzlich ist es dabei beliebig, wann die Energieentnahme erfolgt, solange die Energieentnahme der Energiezufuhr abzüglich der Energieverluste entspricht und unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung zwischen den Schwingkreisen abgeschlossen ist, bevor eine Spannung über dem kapazitiven Bauelement C₁ zu groß wird und ein Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ einsetzt. Somit kann eine einen Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ reduzierende oder vermeidende Energieentnahme durch Variation des Einschaltzeitpunktes (und optional des Ausschaltzeitpunktes) des zweiten Schalter S₂ herbeigeführt werden.
Umgekehrt bedeutet das, dass, wenn die zweite Schaltung 14 anstatt der zweiten Leistungsstufe 26 den ungesteuerten Gleichrichter umfasst, das Ein- und Ausschalten des ersten Schalters S₁ so auf die Energieentnahme aus der zweiten Schaltung 14 abgestimmt werden sollte, dass im quasi-stationären Betrieb die Energiezufuhr durch den Strompuls der Summe aus Energieentnahme und Energieverlusten entspricht. Dazu kann die erste Steuerlogik dazu eingerichtet sein, den ersten Schalters S₁ so zu schalten, dass ein Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ (bzw. eine über den ersten Schalter S₁ abfallende Spannung mit zu V₁ entgegengesetztem Vorzeichen) unter einen vorgegebenen Wert sinkt, vorzugsweise minimal, und besonders vorzugsweise Null wird. Da der ungesteuerte Gleichrichter einem Null-Strom-geschalteten Schalter entspricht, kann dazu der erste Schalter S₁ vorzugsweise wiederrum als Null-Strom-geschalteter Schalter und die erste Leistungsstufe 22 besonders vorzugsweise wiederrum als Null-Stromgeschaltete Klasse-E-Leistungsstufe ausgebildet sein.
Ferner können, wenn die zweite Schaltung 14, wie in 1 gezeigt, die zweite Leistungsstufe 26 umfasst, der Einschaltzeitpunkt (und optional der Ausschaltzeitpunkt) des zweiten Schalters S₂ auf Basis von gemessenen Spannungen und Strömen in der zweiten Leistungsstufe 26 und (optional) auf Basis von Steuerbefehlen von der ersten Leistungsstufe 22, die von der ersten Leistungsstufe 22 zur zweiten Leistungsstufe 26 (bspw. über eine Funkverbindung) übertragen werden, gesteuert werden. Ferner kann eine Schaltfrequenz des ersten Schalters S₁ auf Basis von Steuerbefehlen von der zweiten Leistungsstufe 26, die von der zweiten Leistungsstufe 26 zur ersten Leistungsstufe 22 (bspw. über eine Funkverbindung) übertragen werden, gesteuert werden, bspw. um einen Batterieladestrom anzupassen. Dazu ist der zweite Schalter S₂ mit einer zweiten Steuerlogik (bzw. einer zweiten Steuerschaltung) verbunden, die das Einschalten und das Ausschalten des zweiten Schalters S₂ steuert. In den Figuren sind dabei der zweite Schalter S₂ und die zweite Steuerlogik zur Verbesserung der Übersichtlichkeit durch ein einzelnes Schaltersymbol dargestellt, wobei es sich für den Fachmann versteht, dass der zweite Schalter S₂ und die zweite Steuerlogik als integrierte Schaltkreise oder separate Bauteile ausgeformt sein können.
So kann im quasi-stationären Betrieb die zweite Steuerlogik dazu eingerichtet sein, den Einschaltzeitpunkt (und optional den Ausschaltzeitpunkt) des zweiten Schalters S₂ so zu steuern, dass der Rückstrom durch den zweiten Schalter S₂ unter einen vorgegebenen Wert sinkt, vorzugsweise minimal, und besonders vorzugsweise Null wird. Im quasi-stationären Betrieb passt sich somit die zweite Schaltung 14 automatisch an das Schaltverhalten der ersten Schaltung 12 (bzw. der ersten Steuerlogik) an. Ferner können Steuerinformationen von der ersten Leistungsstufe 22 zur zweiten Leistungsstufe 26 übertragen werden und die zweite Steuerlogik in Reaktion auf die Steuerinformationen den Einschaltzeitpunkt (und optional den Ausschaltzeitpunkt) des zweiten Schalters S₂ variieren und dabei einen größeren Rückstrom in Kauf nehmen, um einen Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ zu reduzieren oder zu vermeiden. Das Variieren des Einschaltzeitpunktes (und optional des Ausschaltzeitpunktes) des zweiten Schalters S₂ kompensiert dabei in den Schaltungen 12 und 14 auftretende asymmetrische Strom- und Spannungsverläufe.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Systems 10' zur induktiven Energieübertragung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Das System 10' umfasst den Bauelementen das in 1 gezeigten Systems 10 entsprechende Bauelemente, die aber teilweise modifiziert verschaltet sind. So ist der erste Schwingkreis 16 nicht parallel, sondern in Reihe zum Schalter S₁ geschaltet. Ferner ist das induktive Bauelement L_A parallel zur Eingangsspannung V₁ geschaltet, wodurch ein Spannungsausgang der ersten Leistungsstufe 22' realisiert wird. Der Ablauf der Steuerung des ersten Schalters S₁ durch die erste Steuerlogik erfolgt jedoch analog.
4 zeigt dazu ein alternatives Ersatzschaltbild des Systems 10' zur induktiven Energieübertragung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei das erste kapazitive Bauelement C₁ und das zweite kapazitive Bauelement C₂ durch die in Reihe geschalteten kapazitiven Bauelemente C_A und C_R1 bzw. C_B und C_R2 ersetzt sind. In der folgenden Analyse des Systemverhaltens wird das System 10' unter folgenden idealisierten Annahmen betrachtet:

• Die Eingangsspannung V₁ und die Ausgangsspannung V₂ werden als ideal angenommen bzw. durch ideale Spannungsquellen erzeugt.
• Die Schalter S₁ und S₂ werden als ideal angenommen, d. h. als instantan und verlustfrei schaltend.
• Alle reaktiven Komponenten werden als ideal und somit verlustfrei angenommen.
• Die Spannungsausgänge der Leistungsstufen 22'' und 26'' führen zu sinusförmigen Resonanzströmen der Schwingkreise 16 und 28.

Das kapazitive Bauelement C_A kompensiert den Phasenversatz der ersten Leistungsstufe 22'', so dass die fundamentale Komponente der Ausgangspannung der ersten Leistungsstufe 22'' (durch die linke gestrichelte Linie eingerahmt) und der Resonanzstrom in Phase sind. Das kapazitive Bauelement C_B kompensiert den Phasenversatz der zweiten Leistungsstufe 26'' (durch die rechte gestrichelte Linie eingerahmt), so dass der Resonanzstrom und die Spannung über die zweite Leistungsstufe 26'' in Phase sind. Der sinusförmige Resonanzstrom in dem ersten Schwingkreis 16 kann durch i_R(t) = Î_R sin(ωt – θ₁) definiert werden, wobei Î_R die Amplitude des Resonanzstroms, ω die Winkelfrequenz der Schaltfrequenz und θ₁ = ωT₁ den Winkel des Resonanzstroms relativ zur Einschaltzeit des Schalters S₁ bezeichnet.
Wenn der Schalter S₁ ausgeschaltet ist, ist der Strom in dem induktiven Bauelement L_A gleich dem negativen Resonanzstrom, d. h. i_A(t) = –i_R(t). Wenn der Schalter S₁ eingeschaltet ist, ist der Strom i_A(t) = (V₁/L_A)t – Î_Rsin(–θ₁). Der Strom durch den Schalter S₁ entspricht der Summe des Resonanzstroms i_R(t) und des Stroms in dem induktiven Bauelement L_A und ist gegeben durch is(t) = (V₁/L_A)t + Î_R(sin(ωt – θ₁) + sin(θ₁)). Ist zum Ausschaltzeitpunkt der Strom Null, ergibt sich dadurch die um den mittleren Schalterstrom normalisierte Amplitude des Resonanzstroms i_R(t) aus
mit D als Bruchteil einer Schaltperiode T_S, während der der Schalter S₁ eingeschaltet ist.
Die Steigung ξ(t) des Stroms durch den Schalter S₁ zum Ausschaltzeitpunkt soll ein Designparameter sein, da er den Rückstrom durch den Schalter S₁ definiert, welcher möglichst klein gehalten bzw. vermieden werden soll. Der Rückstrom wird dabei Null, wenn die Steigung Null ist, wodurch die Belastung des ersten Schalters S₁ minimiert wird:
Setzt man den obigen Ausdruck für i_S(t) in den Ausdruck für ξ(t) ein, ergibt sich folgender Ausdruck für den Winkel des Resonanzstroms:
Die Induktivität des induktiven Bauteils L_A kann dann direkt aus dem mittleren Schalterstrom berechnet werden.
Durch eine Fourier-Analyse kann ferner die fundamentale Komponente der Spannung an dem induktiven Baudelement L_A bestimmt werden. Wenn der Schalter S₁ eingeschaltet ist, ist die Spannung gleich der Eingangsspannung V₁. Wenn der Schalter S₁ ausgeschaltet ist, bestimmt sich die Spannung aus dem Resonanzstrom durch das induktive Bauelement L_A gemäß dem Induktionsgesetz. Die quadratische Komponente dieser Spannung wird durch das kapazitive Bauelement C_A kompensiert. Dadurch sind die Ausgangsspannung und der Resonanzstrom in Phase und die Eingangsimpedanz des ersten Schwingkreises 16 ist ausschließlich ohmsch. Durch die Kompensation der quadratischen Komponente durch das kapazitive Bauelement C_B kann die zweite Leistungsstufe 26'' in Hinblick auf die fundamentale Frequenz durch eine rein ohmsche Last R₀ repräsentiert werden. Die Eingangsimpedanz des ersten Schwingkreises 16 ist somit
mit M als magnetischer Kopplung zwischen den Schwingkreisen 16 und 28 des Resonanznetzwerks (durch die mittlere gestrichelte Linie eingerahmt).
Ist das System 10'' hinsichtlich der Eingangs- und Ausgangsspannung, der Kapazitäten und der Induktivitäten vollständig symmetrisch, ergibt sich mit L₁ = L₂ = L und C_R1= C_R2 = C eine Eingangsimpedanz, die gleich dem ohmschen Widerstand ist, d. h. Z₁ = R₀. Dadurch ergibt sich
mit a_Q als Qualitätsfaktor der Schwingkreise 16 und 28.
Eine analoge Herleitung kann für das in 1 gezeigte System 10 durchgeführt werden, wobei das erste kapazitive Bauelement C₁ und das zweite kapazitive Bauelement C₂ durch die parallel geschalteten kapazitiven Bauelemente C_A und C_R1 bzw. C_B und C_R2 ersetzt sind. Dabei wird das System 10 unter folgenden wiederrum idealisierten Annahmen analysiert:

• Die Eingangsspannung V₁ und die Ausgangsspannung V₂ werden als ideal angenommen bzw. durch ideale Spannungsquellen erzeugt.
• Die Schalter S₁ und S₂ werden als ideal angenommen, d. h. als instantan und verlustfrei schaltend.
• Alle reaktiven Komponenten werden als ideal und somit verlustfrei angenommen.
• Die Stromausgänge der um die kapazitiven Bauelemente C_A bzw. C_B ergänzten Leistungsstufen 22 und 26 führen zu sinusförmigen Resonanzspannungen der Schwingkreise 16 und 28.

Für die sinusförmige Resonanzspannung v_R(t) am Ausgang der ersten Leistungsstufe 22, die Spannung v_L(t) am induktiven Bauelement L_A und den Schalterstrom i_S(t) ergeben sich mit V ^_R als Amplitude des Resonanzstroms, ω als Winkelfrequenz der Schaltfrequenz und θ₁ = ωT₁ als Verzögerung des Einschaltzeitpunktes des Schalters S₁ folgende Ausdrücke:
Durch Einbeziehung der Randbedingung, dass der Schalterstrom zum Ausschaltzeitpunkt Null ist, bestimmt sich die Amplitude des Resonanzstroms V ^_R zu
Ebenso kann der durchschnittliche Schalterstrom aus i_S(t) berechnet werden. Mit der Steigung ξ(t) des Stroms durch den Schalter S₁ zum Ausschaltzeitpunkt als Designparameter ergibt sich somit
Durch eine Fourier-Analyse kann ferner die fundamentale Komponente des Schalterstroms bestimmt werden. Die quadratische Komponente dieses Stroms wird durch das kapazitive Bauelement C_A kompensiert. Dadurch sind der Ausgangsstrom und die Resonanzspannung in Phase und die Eingangsimpedanz des ersten Schwingkreises 16 ist ausschließlich ohmsch. Durch die Kompensation der quadratischen Komponente durch das kapazitive Bauelement C_B kann die zweite Leistungsstufe 26 in Hinblick auf die fundamentale Frequenz durch eine rein ohmsche Last R₀ repräsentiert werden. Die Eingangsimpedanz des ersten Schwingkreises 16 ist somit
mit M als magnetischer Kopplung.
Ist das System 10 hinsichtlich der Eingangs- und Ausgangsspannung, Kapazitäten und Induktivitäten vollständig symmetrisch, ergibt sich mit L₁ = L₂ = L und C_R1 = C_R2 = C eine Eingangsimpedanz, die gleich dem Lastwiderstand ist, d. h. Z₁ = R₀. Dadurch ergibt sich
mit a_Q als Qualitätsfaktor der Schwingkreise 16 und 28.
Für einen beispielhaften Anwendungsfall mit V1 = 360 V, V2 = 360 V, einer Übertragungsleistung von 3,6 kW bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz, ξ = 0 und D = 0,45 bei einem Kopplungsfaktor von k = 0,3 und a_Q = 1 lassen sich daraus folgende Werte errechnen:
In diesem Zusammenhang sei jedoch angemerkt, dass diese Werte rein beispielhaften Charakter haben, um den Gehalt der obigen Gleichungen zu verdeutlichen, und reale Systeme a_Q > 1 vorzugsweise a_Q > 5 benötigen, um die oben getätigten Annahmen zu erfüllen.
5 und 6 zeigen Messwerte hinsichtlich der Ausgangsleistung und Effizienz eines realen Systems 10 zur induktiven Energieübertragung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform mit L1 = L2 = 0,18 μH, C1 = C2 = 160 nF, LA = LB = 12 μH für unterschiedliche magnetische Kopplungsfaktoren k und Ausgangsspannungen V₂. Dabei zeigt 5, dass bei unterschiedlichen magnetischen Kopplungsfaktoren k unterschiedliche Schaltfrequenzbänder zur Steuerung der Ausgangsleistung verwendet werden müssen. Ferner zeigt 6, dass die Effizienz mit steigender Frequenz zunimmt, wodurch sich für die gewählten Parameter ein Arbeitsbereich von vorzugsweise mehr als 80 kHz ergibt.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Systems 10'' zur induktiven Energieübertragung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. Das System 10'' entspricht dem in 1 gezeigten System 10, wobei die erste Leistungsstufe 22 mittels einer ersten Transformatorschaltung 36 mit dem ersten Schwingkreis 16 gekoppelt ist. Die erste Transformatorschaltung 36 umfasst ein erstes induktives Bauelement L1a, welches mit dem Schalter S1 in Reihe geschaltet ist, und ein zweites induktives Bauelement L1b, welches im ersten Schwingkreis 16 angeordnet ist. Die induktiven Bauelemente L1a und L1b sind als um einen gemeinsamen Kern gewickelte Spulen ausgeführt, welche im Betrieb ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, das den ersten Schwingkreis 16 induktiv mit den induktiven Bauelementen L2a und L2b der zweiten Schaltung 14'' koppelt.
Die zweite Schaltung 14'' ist symmetrisch zur ersten Schaltung 12'' aufgebaut und umfasst die zweite Leistungsstufe 26, die mittels einer zweiten Transformatorschaltung 38 mit dem zweiten Schwingkreis 28 gekoppelt ist. Die zweite Transformatorschaltung 38 umfasst ein drittes induktives Bauelement L2a, welches mit dem zweiten Schalter S2 in Reihe geschaltet ist, und ein viertes induktives Bauelement L2b, welches im zweiten Schwingkreis 28 angeordnet ist. Die zweite Schaltung 14'' umfasst somit zwei getrennte Strompfade 32 und 34, die induktiv gekoppelt sind. In diesem Zusammenhang sei ferner angemerkt, dass sich bspw. bei Realisierung der induktiven Bauelemente als Spulen Symmetrie durch gleiche Windungszahlen der induktiv gekoppelten Wicklungen des ersten und des zweiten Schwingkreises 16 und 28 bei gleichen Induktivitäten und Kapazitäten des ersten und zweiten Schwingkreises 16 und 28 (Übersetzungsverhältnis 1) ergibt. Darüber hinaus ergibt sich Symmetrie im Sinne der Anmeldung aber auch bei ”unterschiedlichen” Werten für die Induktivitäten und Kapazitäten des ersten und zweiten Schwingkreises 16 und 28 unter Berücksichtigung des Windungsübersetzungsverhältnisses der Wicklungen des ersten und zweiten Schwingkreises 16 und 28 (unterschiedliche Windungszahlen, d. h. Übersetzungsverhältnis ungleich 1 – aber an das Übersetzungsverhältnis angepasste sekundärseitige Komponenten). D. h. die auf die Primärseite bezogenen Komponenten sollen vorzugsweise gleich sein, um ein vollständig symmetrisches System zu erhalten. Durch das Windungsübersetzungsverhältnis kann die Ausgangsspannung beliebig variiert werden und das System 10'' arbeitet trotzdem symmetrisch. Das Übersetzungsverhältnis kann an beliebiger Stelle vorhanden sein, wenn mehr als zwei Wicklungen im System 10'' gekoppelt sind (siehe 8). Durch die Transformation der sekundärseitigen Komponenten auf die Primärseite stimmen sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Güte der beiden Schwingkreise 16 und 28 bei unterschiedlichen Spannungen und Strömen überein.
Ferner kann der den Schalter S2 aufweisende Strompfad 34 anstatt zweier induktiver Bauelemente Lb und L2a auch nur ein induktives Baudelement umfassen, das die gleiche Induktivität aufweist, wie die beiden induktiven Bauelemente Lb und L2a in Summe. Ebenso kann der den Schalter S1 aufweisende Strompfad 24 anstatt zweier induktiver Bauelemente La und L1a nur ein induktives Baudelement umfassen, das die gleiche Induktivität aufweist, wie die beiden induktiven Bauelemente La und L1a in Summe. Ferner können die Strompfade 24 und 32 mit Sättigungsinduktwitäten (nicht gezeigt) versehen sein.
8 zeigt Ersatzschaltbilder von ersten Schaltungen 40–46 zur induktiven Energieübertragung gemäß einer vierten, fünften, sechsten und siebten bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist anzumerken, dass die ersten Schaltungen 40–46 bspw. durch symmetrische zweite Schaltungen zu Systemen zur induktiven Energieübertragung ergänzt werden können. Die erste Schaltung 40 entspricht dabei der ersten Schaltung 12, welche mittels einer zweiten Spannungsquelle U₁, eines dritten Schalters und eines mit dem dritten Schalter in Reihe geschalteten induktiven Bauelements als Push-Pull-Schaltung realisiert ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass das Vorsehen einer Push-Pull-Schaltung je nach Ausgestaltung der zweiten Schaltung 14 unterschiedliche Betriebsmodi ermöglicht. Ist die zweite Schaltung 14 wie in 1 gezeigt ausgestaltet, ist bspw. nur der obere oder der untere Schalter zu schalten. Ist die zweite Schaltung 14 durch Hinzufügen eines vierten Schalters jedoch so modifiziert, dass sie zur ersten Schaltung 40 symmetrisch ist, können die beiden ersten Leistungsstufen 22 der ersten Schaltung 40 zeitversetzt (bspw. um 180°) betrieben werden.
Die erste Schaltung 42 entspricht der ersten Schaltung 40, wobei der erste Schwingkreis 16 mittels einer ersten Transformatorschaltung 36 an die ersten Leistungsstufen 22 gekoppelt ist, wie dies für eine einzelne erste Leistungsstufe 22 in 7 gezeigt ist, deren erste Schaltung 12'' durch die im Zusammenhang mit der ersten Schaltung 42 gezeigten Modifikationen zu einer Push-Pull-Schaltung fortgebildet werden kann. Des Weiteren unterscheidet sich die erste Schaltung 44 von der ersten Schaltung 42 dadurch, dass der erste Schwingkreis 16 mittels zweier erster Transformatorschaltungen 36 an die ersten Leistungsstufen 22 gekoppelt ist. Ferner können die ersten Leistungsstufen 22 mittels einer gemeinsamen Spannungsquelle U₁ realisiert sein, wie bei der ersten Schaltung 46 gezeigt.
9 zeigt einen Prozess 48 zur induktiven Übertragung von Energie in den gezeigten Systemen 10, 10' und 10'' unter Einbeziehung der beschriebenen Modifikationen. Der Prozess beginnt bei 50 mit dem zuführen von Energie in den ersten Schwingkreis 16 mittels eines durch den Schalter S₁ fließenden Strompulses. Die dem ersten Schwingkreis 16 zugeführte Energie wird dann bei 52 auf den zweiten, mit dem ersten Schwingkreis 16 induktiv gekoppelten Schwingkreis 26 übertragen. Bei Auftreten eines Rückstroms kann der Einschaltzeitpunkt (und optional den Ausschaltzeitpunkt) des zweiten Schalters S2 variiert werden, bis der Rückstrom durch den zweiten Schalter S2 unter einen vorgegebenen Wert sinkt, vorzugsweise minimal, und besonders vorzugsweise Null wird. Ferner können, wie oben beschrieben, Steuerinformationen von der ersten Leistungsstufe 22 zur zweiten Leistungsstufe 26 übertragen werden und die zweite Steuerlogik in Reaktion auf die Steuerinformationen den Einschaltzeitpunkt (und optional den Ausschaltzeitpunkt) des zweiten Schalters S₂ variieren und dabei einen größeren Rückstrom in Kauf nehmen, um einen Rückstrom durch den ersten Schalter S₁ zu reduzieren oder zu vermeiden. Das Variieren des Einschaltzeitpunktes (und optional des Ausschaltzeitpunktes) des zweiten Schalters S₂ kompensiert dabei in den Schalungen 12 und 14 auftretende asymmetrische Strom- und Spannungsverläufe.
Bezugszeichenliste

10–10'': System
12–12'': erste Schaltung
14–14'': zweite Schaltung
16: erster Schwingkreis
18: Leitungspfad
20: Leitungspfad
22, 22': erste Leistungsstufe
24: Leitungspfad
26, 26': zweite Leistungsstufe
28: zweiter Schwingkreis
30: Leitungspfad
32: Leitungspfad
34: Leitungspfad
36: erste Transformatorschaltung
38: zweite Transformatorschaltung
40: erste Schaltung
42: erste Schaltung
44: erste Schaltung
46: erste Schaltung
48: Prozess
50: Prozessschritt
52: Prozessschritt

Claims

System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung, umfassend: eine erste Schaltung (12–12'', 40–46) und eine zweite Schaltung (14–14''), wobei die erste Schaltung (12–12'', 40–46) einen ersten Schwingkreis (16) und die zweite Schaltung (14–14'') einen zweiten Schwingkreis (28) umfasst, wobei der erste Schwingkreis (16) und der zweite Schwingkreis (28) dazu eingerichtet und vorgesehen sind, während der induktiven Energieübertragung induktiv gekoppelt zu sein, wobei der erste Schwingkreis (16) über einen Schalter an einen elektrischen Anschluss gekoppelt ist, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an einer elektrischen Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, und wobei der Schalter ferner mit einer Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, den Schalter während einer Schwingungsperiode des ersten Schwingkreises (16) einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des Schalters ein Strompuls durch den Schalter fließt, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Schwingkreis (16) mittels des durch den Schalter fließenden Strompulses Energie zugeführt wird.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 1, wobei der erste Schwingkreis (16) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem Schalter in Reihe geschaltetes erstes induktives Bauelement an den Schalter gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 2, wobei der erste Schwingkreis (16) über eine das erste induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung (36) an den Schalter gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 3, wobei der erste Schwingkreis (16) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung über die Transformatorschaltung (36) mit dem zweiten Schwingkreis (28) induktiv gekoppelt zu sein.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 1, wobei der erste Schwingkreis (16) als Reihenschwingkreis ausgebildet ist und parallel zu einem ersten induktiven Bauelement geschaltet ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Schwingkreis (16) und der zweite Schwingkreis (28) eine gleiche nominelle Resonanzfrequenz aufweisen.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Schwingkreis (16) und der zweite Schwingkreis (28) eine gleiche nominelle Kapazität und Induktivität aufweisen.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Schwingkreis (28) über einen zweiten Schalter an einen zweiten Anschluss gekoppelt ist, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, und wobei der zweite Schalter ferner mit einer zweiten Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Schalter während einer Schwingungsperiode des zweiten Schwingkreises (28) einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des zweiten Schalters ein zweiter Strompuls durch den zweiten Schalter fließt, wobei dem zweiten Schwingkreis (28) mittels des durch den zweiten Schalter fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 8, wobei der zweite Schwingkreis (28) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem zweiten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den zweiten Schalter gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 9, wobei der zweite Schalter über eine das zweite induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung (38) an den zweiten Schwingkreis (28) gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 8, wobei der zweite Schwingkreis (28) als Reihenschwingkreis ausgebildet ist und parallel zu einem zweiten induktiven Bauelement geschaltet ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die zweite Steuerlogik ferner dazu eingerichtet ist, den eingeschalteten zweiten Schalter nach dem Einschalten erst wieder auszuschalten, nachdem der Strompuls durch den zweiten Schalter abgeklungen ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der zweite Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet ist und die zweite Steuerlogik ferner dazu eingerichtet ist, den eingeschalteten zweiten Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder auszuschalten bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den zweiten Strompuls folgender Rückstrom durch den zweiten Halbleiterschalter abgeklungen ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die zweite Steuerlogik dazu eingerichtet ist, einen Steuerbefehl von der ersten Steuerlogik zu empfangen und in Reaktion auf den Steuerbefehl einen Rückstrom durch den zweiten Schalter nach dem Abklingen des Stroms durch den zweiten Schalter zuzulassen.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die zweite Steuerlogik und der zweite Schalter dazu eingerichtet sind, während der induktiven Energieübertragung eine Null-Strom-geschaltete Klasse-E-Leistungsstufe auszubilden.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die erste Schaltung (12-12'', 40–46) und die zweite Schaltung (14–14'') symmetrisch sind.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Schwingkreis (28) über ein passives Gleichrichterelement an einen zweiten Anschluss gekoppelt ist, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen zu sein, und wobei der zweite Schwingkreis (28) während der induktiven Energieübertragung die zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Strompuls durch das passive Gleichrichterelement speist, wobei dem zweiten Schwingkreis (28) mittels des durch das passive Gleichrichterelement fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei während der induktiven Energieübertragung eine durch die Entnahme von Energie aus dem zweiten Schwingkreis (28) in dem ersten Schwingkreis (16) induzierte Verringerung des in dem ersten Schwingkreis (16) fließenden Stroms unmittelbar nach dem Einschalten des ersten Schalters überkompensiert wird.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 18, wobei die Überkompensation während einer halben Einschaltperiode des Schalters andauert.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 18 oder 19, wobei auf die Überkompensation unmittelbar eine Unterkompensation folgt, die solange währt, bis ein durch die Überkompensation erzeugter Stromflussüberschuss in dem ersten Schwingkreis (16) wieder ausgeglichen ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Schalter und/oder der zweite Schalter als Vollwellenschalter ausgebildet sind.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet ist, den eingeschalteten Schalter nach dem Einschalten erst wieder auszuschalten, nachdem ein Strom durch den Schalter abgeklungen ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet ist und die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet ist, den eingeschalteten Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder auszuschalten bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den Strompuls folgender Rückstrom durch den Halbleiterschalter abgeklungen ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Steuerlogik und der Schalter dazu eingerichtet sind, während der induktiven Energieübertragung eine Null-Strom-geschaltete Klasse-E-Leistungsstufe auszubilden.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss durch den Schalter zu messen.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei der erste Schwingkreis (16) ein halbleiterschalterfreier Schwingkreis ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der erste Schwingkreis (16) zudem über einen dritten Schalter an den elektrischen Anschluss gekoppelt ist, wobei der dritte Schalter ferner mit der Steuerlogik verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den dritten Schalter während der Schwingungsperiode des ersten Schwingkreises (16) zeitlich versetzt zum ersten Schalter einzuschalten und wieder auszuschalten, wobei während der induktiven Energieübertragung nach dem Einschalten und vor dem Ausschalten des dritten Schalters ein dritter Strompuls durch den dritten Schalter fließt, dessen Stromrichtung dem ersten Strompuls entgegengesetzt ist, und wobei dem ersten Schwingkreis (16) mittels des durch den dritten Schalter fließenden dritten Strompulses Energie zugeführt wird.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 27, wobei der erste Schwingkreis (16) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem dritten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den dritten Schalter gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 28, wobei der erste Schwingkreis (16) über eine das zweite induktive Bauelement umfassende zweite Transformatorschaltung (36) an den dritten Schalter gekoppelt ist.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach Anspruch 29, wobei der erste Schwingkreis (16) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, während der induktiven Energieübertragung über die zweite Transformatorschaltung (36) mit dem zweiten Schwingkreis (28) induktiv gekoppelt zu sein.
System (10–10'') zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei der zweite Schwingkreis (28) mit einer Batterie eines Fahrzeugs gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie von Energie zwischen einer ersten Schaltung und einer zweiten Schaltung, wobei die erste Schaltung (12–12'', 40–46) einen ersten Schwingkreis (16) und die zweite Schaltung (14–14'') einen zweiten Schwingkreis (28) umfasst und der erste Schwingkreis (16) über einen Schalter an einer elektrischen Versorgungsleitung angeschlossen ist, umfassend: induktives Übertragen (52) der dem ersten Schwingkreis (16) zugeführten Energie auf den zweiten, mit dem ersten Schwingkreis (16) induktiv gekoppelten Schwingkreis, wobei das Verfahren (48) gekennzeichnet ist, durch das Zuführen (50) von Energie in den ersten Schwingkreis (16) mittels eines durch den Schalter fließenden Strompulses.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 32, wobei der erste Schwingkreis (16) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem Schalter in Reihe geschaltetes erstes induktives Bauelement an den Schalter gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 33, wobei der erste Schwingkreis (16) über eine das erste induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung (36) an den Schalter gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 34, wobei der erste Schwingkreis (16) über die Transformatorschaltung (36) mit dem zweiten Schwingkreis (28) induktiv gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 32, wobei der erste Schwingkreis (16) als Reihenschwingkreis ausgebildet ist und parallel zu einem ersten induktiven Bauelement geschaltet ist.
Verfahren (48) zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, wobei der erste Schwingkreis (16) und der zweite Schwingkreis (28) eine gleiche nominelle Resonanzfrequenz aufweisen.
Verfahren (48) zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 32 bis 37, wobei der erste Schwingkreis (16) und der zweite Schwingkreis (28) eine gleiche nominelle Kapazität und Induktivität aufweisen.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 38, wobei der zweite Schwingkreis (28) über einen zweiten Schalter an einen zweiten Anschluss gekoppelt ist, der an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen ist, ferner umfassend: Entnehmen von Energie aus dem zweiten Schwingkreis (28) mittels eines durch den zweiten Schalter fließenden Strompulses.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 39, wobei der zweite Schwingkreis (28) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem zweiten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den zweiten Schalter gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 40, wobei der zweite Schalter über eine das zweite induktive Bauelement umfassende Transformatorschaltung (38) an den zweiten Schwingkreis (28) gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 39, wobei der zweite Schwingkreis (28) als Reihenschwingkreis ausgebildet ist und parallel zu einem zweiten induktiven Bauelement geschaltet ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 39 bis 42, ferner umfassend: Einschalten des zweiten Schalters, und Ausschalten des zweiten Schalters, nachdem ein Strom durch den zweiten Schalter abgeklungen ist.
Verfahren (48) zur induktiven Energieübertragung nach einem der Ansprüche 39 bis 43, wobei der zweite Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet ist und der zweite Halbleiterschalter ausgeschaltet wird bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den zweiten Strompuls folgender Rückstrom durch den zweiten Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 43 oder 44, ferner umfassend: Übertragen eines Steuerbefehls von der ersten Schaltung zur zweiten Schaltung, und in Reaktion auf den Steuerbefehl, Zulassen eines Rückstroms durch den zweiten Schalter nach dem Abklingen des Stroms durch den zweiten Schalter.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 39 bis 45, wobei der Schalter in einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe umfasst ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 39 bis 46, wobei die erste Schaltung (12–12'', 40–46) und die zweite Schaltung (14-14'') symmetrisch sind.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 38, wobei der zweite Schwingkreis (28) über ein passives Gleichrichterelement an einen zweiten Anschluss gekoppelt ist, der an eine zweite elektrische Versorgungsleitung angeschlossen ist, wobei der zweite Schwingkreis (28) während der induktiven Energieübertragung die zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Strompuls durch das passive Gleichrichterelement speist, wobei dem zweiten Schwingkreis (28) mittels des durch das passive Gleichrichterelement fließenden zweiten Strompulses Energie entnommen wird.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 39 bis 48, ferner umfassend: Überkompensieren, unmittelbar nach dem Einschalten des ersten Schalters, einer durch die Entnahme von Energie aus dem zweiten Schwingkreis (28) in dem ersten Schwingkreis (16) induzierten Verringerung des in dem ersten Schwingkreis (16) fließenden Stroms.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 49, wobei die Überkompensation während einer halben Einschaltperiode des Schalters andauert.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 49 oder 50, ferner umfassend: Ausgleichen eines durch die Überkompensation erzeugten Stromflussüberschusses in dem ersten Schwingkreis (16) durch eine unmittelbar auf die Überkompensation folgende Unterkompensation.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 51, wobei der Schalter und/oder der zweite Schalter als Vollwellenschalter ausgebildet sind.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 52, ferner umfassend: Einschalten des Schalters, und Ausschalten des Schalters, nachdem ein Strom durch den Schalter abgeklungen ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 53, wobei der Schalter als Halbleiterschalter ausgebildet ist und der eingeschaltete Halbleiterschalter nach dem Einschalten wieder ausgeschaltet wird bevor oder unmittelbar nachdem ein auf den Strompuls folgender Rückstrom durch den Halbleiterschalter abgeklungen ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 54, wobei der Schalter in einer Null-Strom-geschalteten Klasse-E-Leistungsstufe umfasst ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 55, ferner umfassend: Messen eines Stromflusses durch den Schalter.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 56, wobei der erste Schwingkreis (16) ein halbleiterschalterfreier Schwingkreis ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 57, wobei der erste Schwingkreis (16) zudem über einen dritten Schalter an den elektrischen Anschluss gekoppelt ist, ferner umfassend: Zuführen von Energie in den ersten Schwingkreis (16) mittels eines durch den dritten Schalter fließenden dritten Strompulses, wobei der dritte Schalter zeitlich versetzt zum Schalter ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 58, wobei der erste Schwingkreis (16) als Parallelschwingkreis ausgebildet ist und über ein mit dem dritten Schalter in Reihe geschaltetes zweites induktives Bauelement an den dritten Schalter gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 59, wobei der erste Schwingkreis (16) über eine das zweite induktive Bauelement umfassende zweite Transformatorschaltung (36) an den dritten Schalter gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 60, wobei der erste Schwingkreis (16) über die zweite Transformatorschaltung (36) mit dem zweiten Schwingkreis (28) induktiv gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 61, wobei der erste Strompuls und der zweite Strompuls unterschiedliche, insbesondere spiegelsymmetrische Stromkurven, i(t–t₀), aufweisen, wobei t₀ einem jeweiligen Einschaltzeitpunkt entspricht.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 62, wobei der zweite Schwingkreis (28) mit einer Batterie eines Fahrzeugs gekoppelt ist.
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach Anspruch 63, ferner umfassend: Entnehmen von Energie aus der Batterie und Zuführen der aus der Batterie entnommenen Energie in den zweiten Schwingkreis (28).
Verfahren (48) zur induktiven Übertragung von Energie nach einem der Ansprüche 32 bis 64, ferner umfassend: Steuern eines Energieflusses von der ersten Schaltung zur zweiten Schaltung durch eine Variation des Einschaltzeitpunktes des Schalters und eine Variation des Einschaltzeitpunktes des zweiten Schalters.