DE102016123268B3 - Ladegerät und verfahren zum induktiven laden eines mobilen gerätes innerhalb eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Ladegerät und verfahren zum induktiven laden eines mobilen gerätes innerhalb eines kraftfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Vorgestellt wird ein Ladegerät (300) zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes (222) innerhalb eines Kraftfahrzeuges, mit einer Energiequelle (302), die eingerichtet ist eine elektrische Energie als eine Gleichspannung bereitzustellen, mit einer Transmitter-Spule (316) zur induktiven Energieübertragung an das mobile Gerät (222), mit einem Signalgenerator (312), der eingerichtet ist, ein Sinussignal (310) zu erzeugen, sowie mit einer Endstufe (304), die mit der Energiequelle (302), der Transmitter-Spule (316) sowie dem Signalgenerator (312) gekoppelt ist, und die eingerichtet ist, das Sinussignal (310) als Steuersignal zu empfangen und einen dem Steuersignal entsprechenden Stromverlauf der von der Energiequelle (302) bereitgestellten Energie an die Transmitter-Spule (316) bereitzustellen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Feld der drahtlosen Leistungsübertragung, insbesondere innerhalb eines Kraftfahrzeuges. So betrifft die vorliegende Erfindung ein Ladegerät zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes innerhalb eines Kraftfahrzeuges sowie ein Verfahren zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes innerhalb eines Kraftfahrzeuges.
  • Stand der Technik
  • Mobile Geräte müssen immer wieder aufgeladen werden, um diese nutzen zu können. Um dabei umständliches Kontaktieren eines Ladegeräts mittels Stecker und Buchse zu vermeiden, werden zunehmend auch Systeme zur drahtlosen Leistungsübertragung eingesetzt. Dabei wird die wechselseitige Induktivität zwischen zwei magnetischen Spulen verwendet, um eine elektrische Leistung durch magnetische Induktion zu übertragen. Man unterscheidet in der Regel zwischen induktiven und resonanten Systemen, wobei auch Mischformen zu finden sind. In einem induktiven System wird eine als Primärwicklung eines Transformators fungierende Quellenspule durch eine Spannungs- oder Stromquelle gespeist. Eine als Sekundärwicklung eines Transformators fungierende Empfangsspule ist direkt oder über einen Resonanz-Koppelkondensator mit einem Brückengleichrichter verbunden. In einem resonanten System sind Quellen- und Empfangsspule mit Kondensatoren gekoppelt, um elektrische Schwingkreise zu bilden, sodass ein Teil der Blindimpedanz der Spulen aufgehoben wird. Dadurch ergibt sich letztlich, dass solche Systeme auf ein enges Frequenzband optimiert sind, in der elektrische Leistung übertragen wird.
  • Da Ladegerät und zu ladendes mobiles Gerät aufeinander abgestimmt sein müssen, haben sich im Bereich der drahtlosen Leistungsübertragung verschiedene Standards etabliert. Der vom Wireless Power Consortium (WPC) herausgegebene Qi-Standard wird üblicherweise als induktiver Ladestandard klassifiziert. Obwohl in Referenzschaltungen ein Resonanzkondensator verwendet wird, liegt der Qualitätsfaktor Q im einstelligen Bereich; dies impliziert, dass keine Resonanz wirksam eingesetzt wird. Die elektrische Leistung wird dabei in einem Frequenzbereich von 88 Hz–205 Hz übertragen. Nachteilig ist im Automotive-Umfeld die Ansteuerung der Endstufe vor der Übertragungsspule mit einem Rechtecksignal, da dies zu einer hohen elektromagnetische(n) Strahlung/Störaussendung beziehungsweise elektromagnetischen Unverträglichkeit führt. Dieser kann, insbesondere in der Nähe von empfindlichen Fahrzeugmodulen wie Radio, ABS, Autopilot, ..., nur durch teure Abschirmungsmaßnahmen im Fahrzeug rund um die Ladeeinrichtung Rechnung getragen werden.
  • Ladegeräte zum induktiven Laden Batterie-betriebener mobiler Geräte innerhalb eines Kraftfahrzeuges werden beispielsweise in US 2016/0 301 236 A1 , US 2014/0 239 732 A1 oder WO 2015/ 177 657 A1 beschrieben.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine drahtlose Leistungsübertragung zu schaffen, die die beschriebenen Probleme löst oder abmildert.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Ladegerät zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes innerhalb eines Kraftfahrzeuges umfasst eine Energiequelle, eine Transmitter-Spule, einen Signalgenerator, sowie eine Endstufe, die die Energiequelle, die Transmitter-Spule und den Signalgenerator entsprechend miteinander verbindet. Die Energiequelle ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung bereitzustellen. So kann unter einer Energiequelle eine Batterie, ein Generator mit einem Gleichspannungswandler oder eine Schnittstelle zum Anschluss einer Gleichspannung verstanden werden. Die Transmitter-Spule ist dazu eingerichtet, eine elektrische Leistung an das mobile Gerät induktiv zu übertragen. Der Signalgenerator ist ausgebildet, ein Sinussignal zu erzeugen und am Steuereingang der Endstufe bereitzustellen. Die Endstufe verfügt über einen Steuereingang, einen Leistungseingang sowie einen Leistungsausgang. Der Leistungseingang der Endstufe ist mit der Energiequelle elektrisch gekoppelt, der Leistungsausgang ist mit der Transmitter-Spule elektrisch gekoppelt. Die Endstufe ist ausgebildet, das Sinussignal des Signalgenerators am Steuereingang zu empfangen, die anliegende Gleichspannung entsprechend des Steuersignals zu wandeln und einen entsprechenden Stromverlauf über den Leistungsausgang der Transmitter-Spule bereitzustellen.
  • Die übertragene Leistung des induktiven Ladegeräts erfolgt durch eine Regelung der Amplitude des als Steuersignal dienenden Sinussignals. Deshalb umfasst der Signalgenerator eine Einrichtung zur Pegelanpassung, die zwischen dem Signalgenerator und dem Steuereingang angeordnet ist. Die Einrichtung zur Pegelanpassung wird auch als Pegelregeleinrichtung oder Pegelregelung bezeichnet. Die Einrichtung zur Pegelanpassung kann als Regler zusätzlich einen Reglereingang zur Vorgabe eines Sollwerts und einen Rückkopplungseingang zum Einlesen eines Istwerts umfassen. Dabei wird der Istwert von einer Messeinrichtung zum Strommessen erfasst. Die Messeinrichtung wird auch als Strommesseinrichtung bezeichnet. Die Messeinrichtung ist zwischen einem Kollektoranschluss der Endstufe und einem Pol der Energiequelle oder Masse angeordnet und ausgebildet, einen von der Energiequelle bereitgestellten Strom als Istwert zu messen.
  • Mit anderen Worten wird ein induktives Ladegerät geschaffen, bei dem zur Ansteuerung der Endstufe ein Sinussignal generiert und angewendet wird. So können beispielsweise Smartphones, die zum Laden konform zum Qi-Standard des Wireless Power Consortium eingerichtet sind, im Automotive-Bereich mit einer optimierten elektromagnetischen Verträglichkeit geladen werden, auch im Bereich Automotive-Fahrgastzelle, in der Nähe von empfindlichen Fahrzeugmodulen wie beispielsweise Radio oder ABS. Vorteilhafterweise werden dabei geltende Normen und Vorschriften der Automobilindustrie, insbesondere in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit, eingehalten.
  • Die Endstufe kann dabei kostengünstig als eine Halbbrückenschaltung oder eine Vollbrückenschaltung aufgebaut sein. So kann die Endstufe zumindest zwei Transistoren in einer Push-Pull-Anordnung umfassen. So kann die Endstufe als eine Gegentaktendstufe mit Eintaktansteuerung ausgebildet sein. So können der Steuereingang der Endstufe mit Basis und die beiden Emitter der Transistoren miteinander und mit dem Leistungsausgang verbunden sein. Die beiden Kollektoren der Transistoren bilden den Leistungseingang. So sind dann ein erster Kollektor der Endstufe mit dem Pluspol der Energiequelle und ein zweiter Kollektor der Endstufe mit dem Minuspol der Energiequelle oder mit Masse elektrisch verbunden.
  • Vorteilhafterweise handelt es sich bei den beiden Transistoren um je einen PNP-Transistor und einen NPN-Transistor, die über entgegengesetzte elektrische Parameter verfügen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kollektor des NPN-Transistors mit dem Pluspol der Energiequelle und der Kollektor des PNP-Transistors mit dem Minuspol der Energiequelle oder mit Masse elektrisch gekoppelt.
  • Der Signalgenerator ist je nach Ausführungsform unterschiedlich realisiert. So kann der Signalgenerator als LC-Generator, RC-Generator, Phasenregelschleifen-Generator (PLL) oder Rechteckgenerator mit anschließendem Tiefpassfilter ausgebildet sein. So kann der Signalgenerator an eine Schaltung angepasst werden, um eine qualitativ hochwertige und gleichzeitig kostengünstige Lösung zu schaffen.
  • In einer Variante ist die Transmitter-Spule als gedruckte Leiterbahn(en) auf einer Leiterplatte ausgeführt, wodurch eine sehr kostengünstige Gestaltung eines entsprechenden Ladegeräts realisierbar ist. Auch können durch ein in einer Leiterplatte integrierte Spule einfach die Form der Wicklungen angepasst werden, wie beispielsweise eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form der Wicklungen, oder aber auch ein anderes Vieleck (drei, fünf, acht, ...).
  • Kostengünstig kann für eine Serienproduktion ein Großteil des Ladegeräts in einem ASIC realisiert werden. In Kombination mit einer auf eine Leiterplatte gedruckte Spule lassen sich so sehr kompakte und trotzdem performante Ladegeräte bauen, die gleichzeitig noch kostengünstig sind und die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit in Automotive-Anwendungen erfüllen.
  • Die erfinderische Idee wird auch in einem Verfahren zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes innerhalb eines Kraftfahrzeuges deutlich. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritt des Bereitstellens, Erzeugens sowie Übertragens. Im Schritt des Bereitstellens wird eine elektrische Energie als Gleichspannung mittels einer Energiequelle bereitgestellt. Im Schritt des Erzeugens wird mittels eines Signalgenerators ein Sinussignal als Steuersignal erzeugt, welches im Schritt des Übertragens genutzt wird, um die elektrische Energie mittels einer Endstufe und einer Transmitter-Spule als ein dem Steuersignal entsprechenden Stromverlauf an das mobile Gerät induktiv zu übertragen.
  • Kurze Figurenbeschreibung
  • Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Schaltplan eines Referenzdesigns für ein induktives Ladegerät gemäß dem Stand der Technik nach Qi-Standard;
  • 2 einen Schaltplan eines weiteren Referenzdesigns für ein induktives Ladegerät gemäß dem Stand der Technik nach Qi-Standard;
  • 3 einen Schaltplan eines induktiven Ladegeräts nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 einen Schaltplan eines induktiven Ladegeräts nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum induktiven Laden nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines Referenzdesigns für ein induktives Ladegerät 100 gemäß dem Stand der Technik nach Qi-Standard. Die Schaltung besteht aus einer Gleichspannungsquelle 102, welche die Energie für die Endstufe 104 bereitstellt. Die Endstufe 104 besteht aus einer Halb- oder Vollbrücke und wird mit MOSFETs 106 realisiert. Durch abwechselndes ein- und ausschalten der MOSFETs 106 liegt der Resonanzschwingkreis abwechselnd an der positiven Versorgungsspannung oder an der negativen Versorgungsspannung bzw. Masse 108. Das alternierende Schalten der MOSFETs 106 erfolgt durch das anliegende Rechtecksignal 110, dass von einem Mikrocontroller 112 ausgegeben wird. Der Mikrocontroller 112 fungiert als Rechtecksignalgenerator 112. Die zugeführte Energie führt im Serienschwingkreis 118 zu Schwingungen zwischen Kondensator 114 und Spule 116 und zur Übertragung der Energie auf den Sekundärkreis durch die Transmitter-Spule 116.
  • Durch die direkte Ansteuerung der Endstufe 104 mit einem Rechtecksignal 110 kommt es zu einem sehr steilen Spannungs- und Stromanstieg ("Stromanstieg" wird durch die Induktivität gedämpft), was zu einer erhöhten leitungsgebundenen und elektromagnetischen Stör-Aussendung führt. Aufgrund der hohen Güte im Serienschwingkreis 118, kommt es nahe der Resonanzfrequenz zu hohen Spannungen am Kondensator 114. Diese kann je nach Konfiguration der Schaltung, Werte von weit über 100 V erreichen. Für eine sichere Auslegung der Schaltung sind eine große Anzahl sowie eine hohe Spannungsfestigkeit der NP0-Kondensatoren 114 erforderlich. Dadurch können die Kosten der Schaltung steigen.
  • Um eine Variante der in 1 dargestellten Schaltung im Automotive-Umfeld zu nutzen, wären teure Maßnahmen wie z.B. ein Aluminiumgehäuse zur Schirmung der Schaltung notwendig. Zusätzlich wäre ein Spannungsregler erforderlich, wodurch aber die Effizienz reduziert wird.
  • Mit anderen Worten besteht der grundlegende Aufbau der Endstufe 104 aus einer Halb- bzw. Vollbrücke, welche mit MOSFETs 106 realisiert wird. Zur Übertragung der Energie wird ein Serienresonanzschwingkreis 118 bestehend aus der Transmitter-Spule 116 und einem Kondensator 114 verwendet. Die Ansteuerung der Endstufe 104 erfolgt mit einem Rechtecksignal 110.
  • 2 zeigt einen Schaltplan eines weiteren Referenzdesigns für ein induktives Ladegerät 200 gemäß dem Stand der Technik nach Qi-Standard. Dabei kann es sich um eine Variante des in 1 gezeigten Ladegeräts 100 handeln. Aufgrund der höheren Effizienz werden zwei LC-Schwingkreise 218, 220, angewendet, je einer Primär- und Sekundärseitig. Zusätzlich eine Gleichspannungsquelle 202, eine Endstufe 204 mit zwei 206, einen Rechtecksignalgenerator 212 sowie einen Kondensator C1 214 und eine Spule L1 216 umfassenden primärseitigen Schwingkreis 218 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch ein mobiles Gerät 222 dargestellt. Vereinfacht umfasst das mobile Gerät 222 den sekundärseitigen Schwingkreis 220, der aus der sekundärseitigen Spule L2 224 und dem sekundärseitigen Kondensator C2 226 gebildet wird, einen Gleichspannungswandler 228 sowie einen Akkumulator 230 als Last 230.
  • Vorteile der in 2 dargestellten Schaltung sind die Effizienz der Rechteckansteuerung, eine geringe Erwärmung sowie die einfache Beschaltung.
  • 3 zeigt einen Schaltplan eines induktiven Ladegeräts 300 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ladegerät 300 umfasst eine Energiequelle 302, die eingerichtet ist eine elektrische Energie als eine Gleichspannung bereitzustellen. Weiterhin weist das Ladegerät 300 eine Endstufe 304 realisiert mit Transistoren 306 in Push-Pull Schaltung, einen Signalgenerator 312 zur Erzeugung eines Sinussignals 310 bestimmter Amplitude und Frequenz sowie eine Transmitter-Spule 316 zur Energieübertragung auf. Ein Eingang der Transmitter-Spule 316 ist mit dem Ausgang der Endstufe 304 verbunden, ein Ausgang der Transmitter-Spule 316 ist mit Masse 308 verbunden. Für die Energiequelle 302 ist ein Plus-Pol 332 (Spannungsversorgung positiv) und ein Minus-Pol 334 (Spannungsversorgung negativ oder Masse 308) dargestellt.
  • Mit anderen Worten wird bei dem induktiven Ladegerät 300 zur Ansteuerung der Endstufe 304 ein Sinussignal 310 generiert und angewendet. Zur Leistungssteuerung und -anpassung wird die Amplitude des Signals 310 geregelt. Zur Erreichung der bestmöglichen Effizienz des System 300 wird die Frequenz auf die jeweilige Resonanzfrequenz des Empfängerkreises (LC-Schwingkreis Receiver) angepasst. Die Schaltung besteht aus einer Ansteuerung 312, welche das Sinussignal 310 bestimmter Amplitude und Frequenz aufgrund erhaltener Informationen generiert. Mit dem erzeugten Signal 310 wird die Endstufe 304 des Transmitters angesteuert und somit die Spule/Induktivität 316 mit einem sinusförmigen Stromverlauf aus der Energiequelle 302 (332, 334) versorgt. Das entstehende magnetische Feld der Spule 316 ist sinusförmig. Durch ständigen Informationsaustausch zwischen Transmitter und Receiver oder durch Spannung-/Strommessung des Sinussignals im Lastkreis wird das Signal optimal eingestellt bzw. während der Energieübertragung geregelt.
  • Als Vorteile ergeben sich eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), im Vergleich zur in 2 dargestellten Schaltung eine viel geringere Stör-Aussendung, da keine steilen Spannungsflanken verwendet werden im Vergleich zur Rechteckansteuerung, eine einfache Amplitudenregelung, kein Spannungsregler, keine NP0-Kondensatoren, keine Anforderung an die Güte der Spule sowie die Möglichkeit bekannte Standardschaltungen zu integrieren.
  • Im Vergleich mit dem in 2 dargestellten induktiven Ladegerät weist das in 3 dargestellte induktive Ladegerät 300 wie bereits ausgeführt einige Vorteile auf. Da der Transmitter nicht als Schwingkreis aufgebaut ist, sondern seine Frequenz direkt über den Signalgenerator 312 gesteuert wird, ist die Resonanzfrequenz einfach an den Empfänger anpassbar. Auch ist im Transmitter kein Kondensator, der im Betrieb bei oder in Nähe der Resonanzfrequenz mit hohen Spannungen belastet ist.
  • 4 zeigt einen Schaltplan eines induktiven Ladegeräts 300 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung der Endstufe mit einem Sinussignal 310.
  • Die Spule 316 wird von einer Endstufe 304, welche in Form eines Halb-/Vollbrückenverstärkers aufgebaut ist, versorgt. So umfasst die Endstufe 304 zumindest zwei Transistoren in Push-Pull-Schaltung. Der Strom durch die Spule (Laststrom) wird mittels einer Strommesseinrichtung 440 oder Strommessschaltung 440 gemessen und dient als Wert für die Einstellung/Regelung des erforderlichen Strombedarfs. Die Endstufe 304 wird angesteuert von einer Pegelregeleinrichtung 442 mit nachgeschalteter Verstärkerstufe 444. Die Verstärkerstufe 444 ist ausgebildet, die Ausgangsspannung des Reglers 442 auf die erforderliche Größe für die Endstufe 304 zu verstärken. Falls der Signalgenerator nicht Amplitudenregelbar ist weist die Pegelregeleinrichtung 442 drei Eingänge auf: Sinussignal des Generators 312, Ausgangssignal der Strommesseinrichtung 440 (dient zum automatischen einstellen der Stromamplitude/Feedback) und Referenzwert 446 von Mikrokontroller 448 zum Einstellen des Spulenstroms. Der Generator 312 des Sinussignals 310 kann durch folgende Varianten aufgebaut sein: LC-Generator, RC-Generator, Phasenregelschleifen-Generator 450 (PLL-Generator 450) oder Signalausgang des Mikrokontrollers 452 mit nachfolgender Tiefpassfilterung 454. Die Strommessung Ai (mittels Strommesseinrichtung 440) kann im positiven (332) oder negativen (334) Zweig erfolgen.
  • Durch Ansteuerung der Transmitter-Spule 316 mit einem Sinussignal 310 ergeben sich folgende Vorteile.
    • – Die Generatorfrequenz (450, 452) kann auf Resonanzfrequenz des Empfängerkreises LC2, das heißt des mobilen Gerätes (nicht dargestellt), angepasst werden, wodurch eine erhöhte Effizienz erzielt wird;
    • – Die Sinusansteuerung erzeugt keine elektromagnetischen Störaussendungen;
    • – Kein primärer Resonanzkreis (LC1 – vergleiche 1 oder 2) vorhanden, somit ist kein Kondensator mit hoher Spannungsfestigkeit erforderlich;
    • – Kein primärer Resonanzkreis (LC1 – vergleiche 1 oder 2) vorhanden, somit bestehen für die Spule L1 316 keine Anforderungen an die Güte;
    • – Durch Stromregelung ist es möglich bei der optimalen Betriebsfrequenz (angepasst auf Resonanzfrequenz des Empfängers) mit hoher Effizienz zu laden;
    • – Durch die Verwendung einer einfachen Sinusansteuerung ist es möglich die Spule 316 des Transmitters optimal auf alle sekundären Schwingkreise LC2 auszulegen, da der sekundäre Schwingkreis die Resonanzfrequenz des (nicht vorhandenen) primären Schwingkreises LC1 nicht beeinflussen kann;
    • – Da keine Anforderungen an die Güte der Spule 316 bestehen, kann diese auf ein PCB (printed circuit board = Leiterplatte) aufgebracht werden, anstatt als gewickelte Spule mit Hochfrequenzlitze;
    • – Durch eine Anpassung der Spule 316 ist kein oder nur ein Abwärtswandler notwendig;
    • – Die Beschaltung ist so einfach, dass die Umsetzung in einem ASIC keine Probleme macht;
    • – Da Magnetfeldkompatibilität nach Qi-Spezifikation entwickelt, wird der Qi-Standard hinsichtlich der äußeren Schnittstelle eingehalten.
  • Zur Erreichung der bestmöglichen Effizienz des Systems 300 wird die Frequenz auf die jeweilige Resonanzfrequenz des Empfängerkreises (LC-Schwingkreis Receiver) angepasst.
  • Zusammenfassend sind die Vorteile der in 3 und 4 dargestellten Lösung im Vergleich zum in 1 und 2 dargestellten Stand der Technik die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), eine einfache Amplitudenregelung sowie eine Integration von Standardschaltungen. Daraus ergibt sich auch, dass kein Spannungsregler und keine teuren NP0-Kondensatoren notwendig sind sowie keine oder geringe Anforderungen an die Güte von der Spule gestellt werden.
  • 5 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum induktiven Laden nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens S1, Erzeugen S2 und Übertragen S3. Im Schritt S1 des Bereitstellens wird eine elektrische Energie als Gleichspannung mittels einer Energiequelle bereitgestellt. Im Schritt S2 des Erzeugens wird ein Sinussignal mittels eines Signalgenerators als Steuersignal erzeugt. Im Schritt S3 des Übertragens wird die elektrische Energie mittels einer Endstufe und einer Transmitter-Spule als ein dem Steuersignal entsprechender Stromverlauf an das mobile Gerät induktiv übertragen, um das mobile Gerät mittels induktiver Energieübertragung zu laden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    induktives Ladegerät
    102
    Gleichspannungsquelle
    104
    Endstufe
    106
    MOSFET
    108
    Masse
    110
    Rechtecksignal
    112
    Rechtecksignalgenerator, Mikrocontroller, µC
    114
    (Serien-)Kondensator C1
    116
    Spule, Transmitterspule, L1
    118
    Serienschwingkreis, Serienresonanzschwingkreis
    200
    induktives Ladegerät
    202
    Gleichspannungsquelle
    204
    Endstufe
    206
    MOSFET
    212
    Rechtecksignalgenerator, Mikrocontroller, µC
    214
    (Serien-)Kondensator C1
    216
    Spule L1, Transmitterspule
    218
    primärseitiger Schwingkreis
    220
    sekundärseitiger Schwingkreis
    222
    mobiles Gerät
    224
    sekundärseitige Spule L2
    226
    sekundärseitiger Kondensator C2
    228
    Gleichspannungswandler
    230
    Akkumulator, Last
    300
    (induktives) Ladegerät
    302
    Gleichspannungsquelle, Energiequelle
    304
    Endstufe
    306
    Transistor
    308
    Masse
    310
    Sinussignal
    312
    (Sinus-)Signalgenerator
    316
    Spule, Transmitterspule
    332
    Plus-Pol, Spannungsversorgung positiv
    334
    Minus-Pol, Spannungsversorgung negativ, Masse
    440
    Strommesseinrichtung, Strommessschaltung, Messeinrichtung zum Strommessen
    442
    Pegelregeleinrichtung, Pegelregelung, Einrichtung zur Pegelanpassung
    444
    Verstärkerstufe
    446
    Referenzwert
    448
    Mikrocontroller, µC
    450
    Phasenregelschleifen-Generator, PLL-Generator
    452
    Mikrocontroller, µC
    454
    Tiefpassfilter
    S1–S3
    Schritte eines Verfahrens

Claims (11)

  1. Ladegerät (300) zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes (222) innerhalb eines Kraftfahrzeuges, – mit einer Energiequelle (302), die eingerichtet ist eine elektrische Energie als eine Gleichspannung bereitzustellen; – mit einer Transmitter-Spule (316) zur induktiven Energieübertragung an das mobile Gerät (222); – mit einem Signalgenerator (312), der eingerichtet ist, ein Sinussignal (310) zu erzeugen und eine Amplitude des Sinussignals (310) anzupassen, um eine übertragene elektrische Energie zu steuern; – mit einer Endstufe (304), die mit der Energiequelle (302), der Transmitter-Spule (316) sowie dem Signalgenerator (312) gekoppelt ist, und die eingerichtet ist, das Sinussignal (310) als Steuersignal zu empfangen und einen dem Steuersignal entsprechenden Stromverlauf der von der Energiequelle (302) bereitgestellten Energie an die Transmitter-Spule (316) bereitzustellen, – mit einer Strommesseinrichtung (440), die zwischen einem Kollektoranschluss der Endstufe (304) und einem Pol (332, 334) der Energiequelle (302) angeordnet ist, die ausgebildet ist, einen von der Energiequelle (302) bereitgestellten Strom als Istwert zu messen, und – mit einer Pegelregeleinrichtung (442), die zwischen dem Ausgang des Signalgenerators (312) und dem Steuereingang der Endstufe (304) oder einem Eingang der Verstärkerstufe (444) angeordnet ist und einen Rückkopplungseingang zum Einlesen des Istwerts umfasst.
  2. Ladegerät (300) gemäß Anspruch 1, bei dem die Endstufe (304) als eine Halbbrückenschaltung oder eine Vollbrückenschaltung aufgebaut ist.
  3. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Endstufe (304) aus Transistoren (306) in Push-Pull-Schaltung aufgebaut ist.
  4. Ladegerät (300) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, bei dem die Endstufe (304) als eine Gegentakt-Endstufe mit Eintaktansteuerung aufgebaut ist.
  5. Ladegerät (300) gemäß Anspruch 3, bei dem die Transistoren (306) als ein NPN-Transistor und ein PNP-Transistor ausgebildet sind, die über entgegengesetzte elektrische Parameter verfügen.
  6. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Signalgenerator (312) als LC-Generator und/oder RC-Generator und/oder Phasenregelschleifen-Generator (450) und/oder Rechteckgenerator (452) mit anschließendem Tiefpassfilter (454) ausgebildet ist.
  7. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zwischen einem Ausgang des Signalgenerators (312) und dem Steuereingang der Endstufe (304) eine Verstärkerstufe (444) angeordnet ist.
  8. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zwischen dem Ausgang des Signalgenerators (312) und dem Steuereingang der Endstufe (304) oder einem Eingang der Verstärkerstufe (444) eine Pegelregeleinrichtung (442) angeordnet ist.
  9. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein erster Kollektoranschluss der Endstufe (304) mit einem Pluspol (332) der Energiequelle (302) und ein zweiter Kollektoranschluss der Endstufe (304) mit einem Minuspol (334) der Energiequelle (302) oder Masse (308) elektrisch gekoppelt sind.
  10. Ladegerät (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Transmitter-Spule (316) als gedruckte Spule auf einer Leiterplatte ausgebildet ist.
  11. Verfahren zum induktiven Laden eines mobilen Gerätes (222) innerhalb eines Kraftfahrzeuges, mit den folgenden Schritten: – Bereitzustellen (S1) einer elektrischen Energie als Gleichspannung mittels einer Energiequelle (302); – Erzeugen (S2) eines Sinussignals (310) mittels eines Signalgenerators (312) als Steuersignal, wobei eine Amplitude des Sinussignals (310) mittels einer Pegelregeleinrichtung (442) angepasst wird, um eine übertragene elektrische Energie zu steuern; – Messen der elektrischen Energie als Istwert für die Pegelregeleinrichtung (442); und – Übertragen (S3) der elektrischen Energie mittels einer Endstufe (304) und einer Transmitter-Spule (316) als ein dem Steuersignal entsprechenden Stromverlauf an das mobile Gerät (222), um dieses mittels induktiver Energieübertragung zu laden.
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