DE102018206724A1 - Energieübertragungssystem und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit, wobei die Sendeinheit eine primäre Spule aufweist, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist, und wobei die Empfangseinheit eine sekundäre Spule aufweist, an die über einen Gleichrichter eine Energiesenke angebunden ist, wobei die Empfangseinheit dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule zur Energiesenke zu erkennen und, wenn ein Fehlerfall erkannt wurde, einen Fehlerbetrieb (F) mit wenigstens einem Betriebsparameter (Iout) der Empfangseinheit in einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation (B) durchzuführen, und dass die Sendeeinheit dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit zu erkennen, und, wenn der Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit erkannt wurde, eine Fehlerreaktion (N) vorzunehmen

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit zur drahtlosen Energieübertragung, ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung sowie ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
  • Stand der Technik
  • Zur Energieversorgung von Verbrauchern und insbesondere zum Laden von Energiespeichern kann eine drahtlose, insbesondere induktive Energieübertragung verwendet werden. Bei dieser Art der Energieübertragung kann in einer Sendeeinheit mit einer primären Spule ein magnetisches Feld erzeugt werden, das in einer Empfangseinheit mit einer sekundären Spule eine Spannung und damit einen Stromfluss induziert.
  • Diese Art der Energieübertragung kann insbesondere bei der sog. transkutanen Energieübertragung, bei der die Empfangseinheit unter der Haut in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet bzw. implantiert ist, verwendet werden Eine solche transkutane Energieübertragung ist beispielsweise bei Kreislauf- oder Herzunterstützungssystemen (sog. VAD-Systemen, von engl. „Ventricular Assist Device“) vorteilhaft, da dann keine dauerhafte Wunde in der Haut vorhanden ist, durch welche ein Kabel geführt ist.
  • Ein entscheidender Punkt ist bei dieser transkutanen Energieübertragung, dass etwaige kritische Zustände bzw. Fehler im System, insbesondere bei der im Körper angeordneten bzw. implantierten Empfangseinheit erkannt werden, sodass eine entsprechende Fehlerreaktion eingeleitet werden kann. Zudem sollen solche Konzepte zur Fehlererkennung und Fehlerreaktion möglichst sicher gegenüber Manipulationen bzw. Angriffen von außen sein. Dies hat nicht zuletzt mit hohen Zulassungsstandards bei medizintechnischen Produkten zu tun. Außerdem müssen etwaige zeitkritische Fehlerfälle in der Regel innerhalb einer möglichst kurzen Reaktionszeit behandelt werden können.
  • Da es bei solcher drahtloser Energieübertragung keine Kabelverbindung gibt, steht ein direkter Kommunikationspfad zur Fehlererkennung bzw. Fehlerreaktion nicht zur Verfügung. Daher ist es üblich, eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen den beiden Teilsystemen Sendeeinheit und Empfangseinheit zu realisieren. Insbesondere bei dem Anwendungsfall der transkutanen Energieübertragung stoßen Konzepte wie Infrarot-Kommunikation oder klassische Ansätze durch Funktechnik, wie sie beispielsweise in der EP 0 930 086 A1 beschrieben sind (Stichwort: Schirmung, Angreifbarkeit), oft an ihre Grenzen.
  • Bekannt ist auch, die Kommunikation durch eine Aufmodulierung eines Datensignals auf die Energieübertragungsstrecke zu realisieren, wie dies beispielsweise in der US 2013/0260676 A1 beschrieben wird. In der US 2017/0093218 A1 wird eine Modulationsstrategie durch die Variation der Schaltzeitpunkte des synchronen Gleichrichters vorgeschlagen. Diese Kommunikationsstrategien eignen sich auch zur Absetzung von Fehlermeldungen, bringen aber durch protokollspezifischen Overhead Verzögerungen mit sich, die gerade bei besonders zeitkritischen Fehlerfällen wie beispielsweise Überspannung problematisch sein können.
  • Bei zeitkritischen Fehlerfällen wird deshalb oftmals auf Hardware-Schutzeinrichtungen zurückgegriffen, die durch Zuschaltung einer weiteren Hardware-Einheit Fehlerfälle abfangen können, wie dies beispielsweise in der US 2016/0254659 A1 vorgeschlagen wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Energieübertragungssystem und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung sowie ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung geht aus von einem Energieübertragungssystem zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit. Die Sendeinheit weist dabei eine primäre Spule auf, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist. Hierzu ist in der Regel auch ein Wechselrichter, beispielsweise mit geeigneten Halbleiterschaltern, vorgesehen, um mit einer als Gleichspannung vorliegenden Versorgungsspannung eine Oszillation der Spannung in der primären Spule zu erzeugen. Damit kann mittels der Sendeeinheit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
  • Die Empfangseinheit weist entsprechend eine sekundäre Spule auf, an die über einen Gleichrichter eine Energiesenke, wie z.B. ein Energiespeicher und/oder Verbraucher, und insbesondere auch ein Zwischenkreiskondensator bzw. allgemein eine Zwischenkreiskapazität angebunden sind. Bei dem Gleichrichter kann es sich insbesondere um einen passiven Gleichrichter mit geeigneten Dioden handeln. Vorteilhaft ist jedoch auch ein aktiver Gleichrichter mit beispielsweise geeigneten Halbleiterschaltern. Der Zwischenkreiskondensator, der im Falle der Energieübertragung geladen wird, dient insbesondere zum Glätten der in der sekundären Spule induzierten und dann gleichgerichteten Wechselspannung. Bei dieser Art der drahtlosen Energieübertragung handelt sich damit, wie eingangs schon erwähnt, um eine induktive Energieübertragung.
  • Ein Energiespeicher als Energiesenke, beispielsweise ein Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie, der an den Gleichrichter angebunden ist, kann oder soll dabei - mittels der drahtlosen bzw. induktiven Energieübertragung - geladen werden. Hierzu ist vorzugsweise eine geeignete Schaltung wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller vorgesehen, um an den Energiespeicher eine geeignete Spannung anzulegen und einen geeigneten Stromfluss bereitzustellen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann an den Gleichrichter beispielsweise auch ein Verbraucher als Energiesenke angebunden sein, der - mit der in dem Zwischenkreis bzw. an dem Zwischenkreiskondensator anliegenden Zwischenkreisspannung - mit Spannung und damit mit Energie versorgt wird.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Empfangseinheit dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule zur Energiesenke zu erkennen und, wenn ein Fehlerfall erkannt wurde, einen Fehlerbetrieb mit wenigstens einem Betriebsparameter der Empfangseinheit in einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation durchzuführen. Weiterhin ist die Sendeeinheit dazu eingerichtet, den Fehlerbetrieb der Empfangseinheit zu erkennen, insbesondere durch eine Plausibilitätsprüfung eines Systemzustandes, und, wenn der Fehlerbetrieb der Empfangseinheit erkannt wurde, eine Fehlerreaktion vorzunehmen.
  • Die Sendeeinheit ist hierzu insbesondere dazu eingerichtet, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerbetriebs vorzunehmen. Bei der erwähnten Fehlerreaktion kann es sich insbesondere um eine Notabschaltung handeln, bei der die Energieübertragung beispielsweise gezielt und schnell abgeschaltet bzw. beendet wird, was entsprechend mit einer Beendigung der Energiezufuhr in der Empfangseinheit einhergeht.
  • Die Empfangseinheit kann hierzu neben der Energiesenke geeignete Mittel bzw. eine Sensorik zur Regelung des Leistungsflusses bzw. des Energieflusses von der sekundären Spule zur Energiesenke aufweisen. Beispielsweise kann hierbei ein Spannungssensor bzw. eine Spannungsmesseinrichtung zur Erkennung einer Überspannung in der Empfangseinheit vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist die Empfangseinheit bevorzugt dazu eingerichtet, eine Spannung an der Energiesenke oder direkt an einem Zwischenkreis nach dem Gleichrichter (die Spannung am Zwischenkreis nach dem Gleichrichter kann sich von der Spannung direkt an der Energiesenke unterscheiden) zu erfassen und den Fehlerfall anhand eines Überschreitens eines Schwellwerts der erfassten Spannung zu erkennen. Insbesondere ist die Empfangseinheit auch dazu eingerichtet, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerfalls vorzunehmen. Eine Messung der Spannung direkt am Zwischenkreis bzw. dort an einem Zwischenkreiskondensator nach dem Gleichrichter ist dabei besonders vorteilhaft.
  • Wird ein Fehlerfall, also beispielsweise eine Überspannung, erkannt, wird der erwähnte Fehlerbetrieb durchgeführt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Verstellung eines Arbeitspunktes des Systems, also der Empfangseinheit, und zwar derart, dass sich das System außerhalb des Spezifikationsbereiches befindet. Bei einem solchen Spezifikationsbereich handelt es sich insbesondere um einen vorgegebenen oder bestimmten Bereich für Betriebsparameter wie Spannung und Strom in der Empfangseinheit, innerhalb dessen ein ordnungsgemäßer Betrieb der Empfangseinheit gewährleistet werden kann oder zumindest vorgesehen ist.
  • Die Durchführung des Fehlerbetriebs kann beispielsweise durch eine, insbesondere kurzzeitige, Erhöhung einer aktuellen Leistung über die maximal spezifizierte bzw. innerhalb der vorgegebenen Spezifikation liegende Leistung erfolgen. Beispielsweise ist die Empfangseinheit dazu eingerichtet, den Fehlerbetrieb durch eine Erhöhung einer Ausgangsleistung der Empfangseinheit und/oder eines Ausgangsstroms für die Energiesenke als den wenigstens einen Betriebsparameter einzustellen. Insbesondere wird der Ladestrom für eine als Batterie ausgebildete Energiesenke erhöht. Durch eine solche kurzzeitige erhöhte Leistung müsste die Batterie eigentlich kurzzeitig mit einer höheren Rate geladen werden. Unter der Annahme, dass etwaige Kapazitäten in der Empfangseinheit im Verhältnis zum Leistungs- bzw. Energiefluss klein sind, kann die Änderung im Arbeitspunkt in der Sendeeinheit sehr schnell detektiert bzw. erkannt werden.
  • Durch geeignete Mittel in der Sendeeinheit bzw. eine entsprechende Sensorik zur Erfassung des Systemzustandes, d.h. des Zustandes der Sendeeinheit, beispielsweise zur Erfassung bzw. Messung einer Eingangsleistung der primären Spule kann insbesondere anhand einer Plausibilitätsprüfung der Fehlerfall sehr schnell erkannt werden. Der in der Empfangseinheit durchgeführte bzw. vorgenommene Fehlerbetrieb, z.B. durch eine Erhöhung des Ladestromes und damit der Ausgangsleistung der Empfangseinheit, ist in der Sendeeinheit z.B. ebenfalls durch einen erhöhten Leistungsbedarf außerhalb des Spezifikationsbereichs am Eingang der Sendeeinheit ersichtlich, da der Leistungsfluss von Sende- zu Empfangseinheit stattfindet. Der erhöhte Leistungsbedarf ist beispielsweise durch eine entsprechende Sensorik zur Messung der Eingangsleistung der Sendeeinheit z.B. durch eine Messung der Spannung und des Stromes der Versorgungsspannung der Sendeeinheit innerhalb derselben detektierbar, wodurch auf einen Fehlerfall geschlossen werden kann. Je nach gewählter Topologie beinhalten einzelne Zustände in der Sendeeinheit mehr oder weniger Informationen über den aktuellen Betriebszustand der Empfangseinheit und eignen sich damit mehr oder weniger gut zur Detektion des in der Empfangseinheit provozierten Fehlerbetriebs. So würde für die nachfolgend noch näher beschriebene Ausführungsform im Falle einer konstanten Versorgungsspannung der Sendeeinheit eine Messung des Eingangsstromes der Sendeeinheit zur Erfassung der benötigten Eingangsleistung ausreichen.
  • Eine solche Plausibilitätsprüfung kann insbesondere online bzw. in Echtzeit erfolgen. So können unterschiedliche Fehlerfälle definierten Systemzuständen zugeordnet werden, die im Normalbetrieb nicht auftreten. Das System wird bewusst beim Auftreten des Fehlerfalls in den definierten, im Normalbetrieb nicht auftretenden, Systemzustand gezwungen, um bestimmte Fehlerfälle von der Empfangseinheit an die Sendeeinheit zu kommunizieren. Dabei ist zu beachten, dass unterschiedliche Systeme auch unterschiedliche Freiheitsgrade (z.B. die Möglichkeit, die Ausgangsleistung kurzzeitig zu erhöhen) ermöglichen.
  • Aufgrund der indirekten Kommunikation über den Systemzustand bzw. den Leistungs- oder Energiefluss ist das vorgeschlagene Konzept für externe Angreifer schwierig zu stören. Es wäre eine große Menge an Energie nötig, um auf das System, insbesondere die Empfangseinheit, signifikant einwirken zu können. Klassische Störsender können hier nicht zum Einsatz kommen. Zudem ist eine Erfassung des Systemzustandes deutlich dynamischer als eine klassische Modulation des Leistungsflusses (z.B. über Frequenzmodulation). Solche Verfahren eignen sich zwar zum Absetzen von Fehlermeldungen, wie eingangs erwähnt, basieren aber in aller Regel auf einem bestimmten Protokoll, bei dem häufig ein gewisser Overhead anfällt, was in zeitkritischen Situationen Probleme verursachen kann. Auch ist dort meist ein erheblicher Zusatzaufwand (z.B. mehr Entwicklungsaufwand, Einsatz eines Hardware-Modulators etc.) nötig. Im vorgeschlagenen Energieübertragungssystem hingegen ist keine zusätzliche Hardware erforderlich. Die Fehlererkennung kann bei einem geeigneten System durch lediglich eine Anpassung der Software realisiert werden.
  • Wenngleich das vorgestellte Energieübertragungssystem mit Sendeinheit und Empfangseinheit für beliebige Arten der drahtlosen bzw. induktiven Energieübertragung vorteilhaft ist, ist es dennoch besonders zweckmäßig, wenn die Empfangseinheit dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Haut in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet, insbesondere implantiert, zu werden, und/oder wenn die Sendeeinheit dazu ausgebildet ist, auf einer Haut außerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden. Damit dient das Energieübertragungssystem der eingangs erwähnten transkutanen Energieübertragung. Hier kommen die erwähnten Vorteile besonders deutlich zur Geltung, da - wie erwähnt - eine besonders manipulationssichere bzw. gegen Angriffe von außen geschützte Energieübertragung gewünscht bzw. gefordert ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit, welche Sendeinheit eine primäre Spule aufweist, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist, und welche Empfangseinheit eine sekundäre Spule aufweist, an die über einen Gleichrichter eine Energiesenke angebunden ist. Dabei wird in der Empfangseinheit auf einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule zur Energiesenke überwacht, und, wenn ein Fehlerfall erkannt wird, wird ein Fehlerbetrieb der Empfangseinheit mit wenigstens einem Betriebsparameter der Empfangseinheit in einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation durchgeführt. In der Sendeeinheit wird eine Überwachung auf den Fehlerbetrieb der Empfangseinheit vorgenommen, und, wenn in der Sendeeinheit der Fehlebetrieb erkannt wird, wird eine Fehlerreaktion durch die Sendeinheit vorgenommen.
  • Hinsichtlich der Vorteile sowie weiterer Ausgestaltungen des Verfahrens sei auf obige Ausführungen zum erfindungsgemäßen Energieübertragungssystem verwiesen, die hier entsprechend gelten.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem in einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 2 zeigt einen Verlauf von Zwischenkreisspannung und Ausgangsstrom bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 3 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem 300 zur drahtlosen Energieübertragung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Energieübertragungssystem weist hierbei eine Sendeeinheit 100 und eine davon getrennte Empfangseinheit 200 auf, jeweils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Sendeeinheit 100 weist eine primäre Spule L1 auf, an die über einen Wechselrichter 110, der vier mit S1 bis S4 bezeichnete Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs oder Bipolartransistoren, aufweist, eine Versorgungsspannung Uv anlegbar ist. Zudem sind ein Vorfilter 120 mit nicht näher bezeichneten Komponenten sowie eine Kompensationskapazität zwischen den Wechselrichter 110 und die primäre Spule L1 geschaltet. Die Kompensationskapazität dient bei resonanter Ansteuerung (Ansteuerung mit der Auslegungsfrequenz) als Blindleistungskompensation.
  • Bei angelegter Versorgungsspannung Uv und geeigneter Ansteuerung des Wechselrichters kann also mittels der Spule L1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
  • Die Empfangseinheit 200 weist eine sekundäre Spule L2 auf, an die über eine Kompensationskapazität und einen Gleichrichter 210 ein Zwischenkreiskondensator Cz angebunden ist. An den Zwischenkreiskondensator Cz wiederum ist mittels zweier Halbleitschalter S5 und S6 , die beispielsweise als MOSFETs oder Bipolartransistoren ausgebildet sein können und zusammen mit einer Induktivität und einer Kapazität insbesondere als Tiefsetzsteller dienen, eine Energiespeichereinheit 220 als Energiesenke angebunden. Ein Verbraucher kann beispielsweise über die angedeuteten Anschlüsse angebunden sein.
  • Der Gleichrichter 210 ist als passiver Gleichrichter mit vier nicht näher bezeichneten Dioden ausgebildet. Vorteilhaft ist aber auch die Verwendung eines aktiven Gleichrichters mit beispielsweise Halbleiterschaltern. Bei der Energiespeichereinheit 220 kann es sich insbesondere um einen Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie handeln.
  • Die Empfangseinheit 300 kann nun insbesondere dazu ausgebildet sein, unter einer Haut, die hier mit 310 angedeutet ist, angeordnet bzw. implantiert zu sein, und beispielsweise für ein Kreislauf- oder Herzunterstützungssystem verwendet werden. Insbesondere kann die Energiespeichereinheit 220 zur Energieversorgung eines solchen Kreislauf- oder Herzunterstützungssystems verwendet werden.
  • Bei entsprechend außerhalb bzw. auf der Haut 310 positionierter Sendeeinheit 100 wird - bei entsprechender Positionierung - eine Kopplung zwischen der primären Spule L1 der Sendeeinheit 100 und der sekundären Spule L2 der Empfangseinheit 200 erreicht. Diese Kopplung ist mit einem Kopplungsfaktor K bezeichnet.
  • Wird nun die Sendeinheit derart angesteuert bzw. betrieben, dass mittels der primären Spule L1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wird durch die Kopplung eine Spannung bzw. ein Stromfluss in der sekundären Spule L2 induziert. Dies wiederum führt dazu, dass der Zwischenkreiskondensator Cz geladen wird, sodass dort eine Spannung Uz anliegt.
  • Die Versorgungsspannung Uv (auch als Eingangsspannung bezeichnet) an der primären Spule L1 kann dabei durch Phasenverschiebung bzw. Phasenanschnitt beliebig eingestellt werden, d.h. die Versorgungsspannung kann angepasst werden. An dem Energiespeicher kann - unter der Verwendung des erwähnten Tiefsetzstellers - eine Ausgangsspannung Uout mit einem Ausgangsstrom Iout eingestellt werden. Der Ausgangsstrom Iout entspricht damit einem Ladestrom für den Energiespeicher.
  • Bei dem gezeigten Energieübertragungssystem 300 kann ein stationärer Zusammenhang für die Zwischenkreisspannung Uz in Abhängigkeit von verschiedenen, bereits erwähnten Größen, im Falle der gewählten Topologie (parallele Kompensation in der Sendeeinheit und serielle Kompensation in der Empfangseinheit), wie folgt dargestellt werden: U Z U V = K A L 2 L 1 .
    Figure DE102018206724A1_0001
  • Dabei gibt A einen ermittelbaren bzw. vorgebbaren Auslegungsparameter des Vorfilters bzw. Spannungsteilers 120 in der Sendeeinheit 100 an. Hierbei wird ersichtlich, dass der Kopplungsfaktor K linear in eine stationäre Übertragungsfunktion eingeht. Die Zwischenkreisspannung Uz ist also stark von der relativen Positionierung von Sendeinheit 100 und Empfangseinheit 200 zueinander abhängig.
  • Der Kopplungsfaktor K kann im Falle der transkutanen Energieübertragung teils bis zu einem Faktor von zehn variieren (beispielsweise durch Verrutschten des extrakorporalen Systems, d.h. der Sendeeinheit, durch einen Sturz, durch starken Druck durch fehlerhafte Positionierung im Schlaf). Das intrakorporale System, d.h. die Sendeeinheit, auf einen derart weiten Spannungsbereich auszulegen, resultiert in großem Zusatzaufwand und erhöhten Verlusten.
  • Deswegen muss eine kritische Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz detektiert werden und die Versorgungsspannung Uv muss entsprechend angepasst werden. Da die Versorgungsspannung Uv jedoch extrakorporal in aller Regel durch Phasenverschiebung bzw. Phasenanschnitt eingestellt wird, kann eine kritische Erhöhung der intrakorporalen Spannung bzw. der Zwischenkreisspannung Uz auf der extrakorporalen Seite nicht unmittelbar detektiert werden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird daher eine unzulässige Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz auf der intrakorporalen Seite durch eine Spannungsmessung erkannt. Dies kann beispielsweise durch eine in die Empfangseinheit 200 integrierte Recheneinheit 240 mit Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Daraufhin wird der Arbeitspunkt aus dem Spezifikationsbereich geschoben, indem die Ausgangsleistung des Systems intrakorporal durch ein schnelles Hochregeln bzw. ein Erhöhen des Ladestromes für den Energiespeicher, d.h. des Ausgangsstroms Iout , erhöht wird. Es wird also gezielt ein Fehlerbetrieb eingestellt.
  • Auf der extrakorporalen Seite wird permanent eine online-Plausibilitätsprüfung (d.h. in Echtzeit) durchgeführt, indem die Eingangsleistung der Sendeeinheit mit einer wirkungsgradbereinigten Ausgangsleistung der Empfangseinheit verglichen wird. Durch diese Plausibilitätsprüfung wird die Änderung im Systemzustand - also der Fehlerbetrieb - sofort erkannt und es wird eine Notabschaltung als Fehlerreaktion eingeleitet. Diese Erkennung des Fehlerbetriebs bzw. die Plausibilitätsprüfung kann beispielsweise durch eine in die Sendeeinheit 100 integrierte Recheneinheit 140 erfolgen.
  • Die Schwelle der Eingangsleistung, bei der eine Notabschaltung durchgeführt wird, kann umso genauer gewählt werden, je mehr Informationen über den Systemzustand bekannt sind. So können beispielsweise der aktuellen Soll-Arbeitspunkt des Systems, der Wirkungsgrad sowie der Kopplungsfaktor in die Plausibilitätsprüfung mit einbezogen werden.
  • In 2 ist ein Verlauf von Zwischenkreisspannung und Ausgangsstrom bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform (bzw. bei Durchführung eines entsprechenden Verfahrens) dargestellt. Hierzu sind ein Ausgangsstrom Iout in A und eine Zwischenkreisspannung Uz in V, wie sie Bezug auf 1 erläutert wurden, über der Zeit t in s aufgetragen.
  • Sobald die Zwischenkreisspannung Uz einen kritischen Wert, also einen Schwellwert, der hier mit Us bezeichnet ist, überschreitet (es gibt also bei einer Spannung in dem Energiefluss von der sekundären Spule zum Energiespeicher eine Überspannung), wird der Ausgangsstrom Iout bei konstanter Ausgangsspannung an dem Energiespeicher erhöht, was eine Erhöhung der Ausgangsleistung über den spezifizierten bzw. geforderten Arbeitspunkt hinaus bedeutet. Es wird also gezielt ein Fehlerbetrieb durchgeführt.
  • Diese Erhöhung der Ausgangsleistung wird extrakorporal, d.h. in der Empfangseinheit erkannt bzw. detektiert. Es ist ersichtlich, dass nach der Notabschaltung die Zwischenkreisspannung Uz absinkt. Der gesamte Ablauf von Überschreiten der kritischen Spannungsgrenze bzw. des Schwellwertes Us bis zum Absinken des Ausgangsstroms Iout dauert für das beschriebene Beispiel etwa 1,5 ms, kann aber z.B. durch eine Reduzierung der systeminternen Energiespeicher oder Vergrößerung einer verfügbaren Stellreserve noch deutlich reduziert werden.
  • Insbesondere bei der in 1 gezeigten Energieübertragungsvorrichtung 300 gibt es zudem weitere Vorteile. Ein Anstieg der Ausgangsleistung führt durch ohmsche Anteile in der Empfangseinheit 200 schon automatisch zu einer Verringerung der Zwischenkreisspannung Uz, wie auch in 2 zu sehen ist. Somit sinkt die Zwischenkreisspannung Uz bereits ab, bevor die Energieübertragung durch die Sendeeinheit beendet wird.
  • Sollte der Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz eine kleinere Zeitkonstante haben als die Reaktionszeit des Stromreglers für den Ausgangstrom Iout , erhöht sich allein durch das Systemverhalten des Tiefsetzstellers der Ausgangsstrom Iout und somit die Ausgangsleistung. Auch dies führt zur einer Abschaltung durch die Sendeeinheit.
  • In 3 sind schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform bzw. die in einem entsprechenden Energieübertragungssystem ablaufenden Schritte von oben nach unten dargestellt.
  • Die Zwischenkreisspannung Uz wird überwacht. Sobald diese Zwischenkreisspannung Uz den Schwellwert Us überschreitet, wird ein Fehlerbetrieb F durchgeführt, und zwar indem der Ausgangsstrom bzw. Ladestrom Iout als Betriebsparameter der Empfangseinheit auf einen Wert aus einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation B eingestellt wird.
  • Dieser Fehlerbetrieb wird durch einen Vergleich V von Eingangs- und Ausgangsleistung und/oder durch einen Vergleich der Eingangsleistung mit einer spezifizierten maximalen Eingangsleistung als festem bzw. vorgegebenem Schwellwert in der Sendeinheit erkannt und es wird eine Notabschaltung N als Fehlerreaktion durchgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Energieübertragungssystem (300) zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit (100) und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit (100), wobei die Sendeinheit (100) eine primäre Spule (L1) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist, und wobei die Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2) aufweist, an die über einen Gleichrichter (210) eine Energiesenke (220) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule (L2) zur Energiesenke (220) zu erkennen und, wenn ein Fehlerfall erkannt wurde, einen Fehlerbetrieb (F) mit wenigstens einem Betriebsparameter (Iout) der Empfangseinheit (200) in einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation (B) durchzuführen, und dass die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) zu erkennen, und, wenn der Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) erkannt wurde, eine Fehlerreaktion (N) vorzunehmen.
  2. Energieübertragungssystem (300) Anspruch 1, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, eine Notabschaltung einer Energieübertragung an die Empfangseinheit (200) als die Fehlerreaktion (N) vorzunehmen.
  3. Energieübertragungssystem (300) Anspruch 1 oder 2, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) anhand einer Eingangsleistung der primären Spule (L1) und/oder einer Eingangsleistung der Sendeeinheit (100) zu erkennen.
  4. Energieübertragungssystem (300) Anspruch 3, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) anhand eines Vergleichs (V) der Eingangsleistung der primären Spule (L1) und/oder der Eingangsleistung der Sendeeinheit (100) mit einer Ausgangsleistung und/oder einem vorgegebenen Schwellwert zu erkennen.
  5. Energieübertragungssystem (300) einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) durch eine Plausibilitätsprüfung eines Systemzustandes zu erkennen.
  6. Energieübertragungssystem (300) einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerbetriebs (F) vorzunehmen.
  7. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, eine Spannung (Uz) an der Energiesenke (220), insbesondere an einem über den Gleichrichter (210) an die sekundäre Spule (L2) angebundenen Zwischenkreiskondensator (Cz), zu erfassen, und den Fehlerfall anhand eines Überschreitens eines Schwellwerts (Us) der erfassten Spannung zu erkennen.
  8. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) durch eine Erhöhung einer Ausgangsleistung der Empfangseinheit (200) und/oder eines Ladestroms (Iout) für den Energiesenke (220) als den wenigstens einen Betriebsparameter durchzuführen.
  9. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerfalls vorzunehmen.
  10. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Haut (310) in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet zu werden, und/oder wobei die Sendeeinheit (100) dazu ausgebildet ist, auf einer Haut (310) außerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden.
  11. Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit (100) und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit (200), welche Sendeinheit (100) eine primäre Spule (L1) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist, und welche Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2) aufweist, an die über einen Gleichrichter (210) eine Energiesenke (220) angebunden ist, wobei in der Empfangseinheit (200) auf einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule (L2) zur Energiesenke (220) überwacht wird, und, wenn ein Fehlerfall erkannt wird, ein Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) mit wenigstens einem Betriebsparameter (Iout) der Empfangseinheit (200) in einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation (B) durchgeführt wird, und wobei in der Sendeeinheit (100) eine Überwachung auf den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) vorgenommen wird, und, wenn in der Sendeeinheit (100) der Fehlebetrieb (F) erkannt wird, eine Fehlerreaktion (N) durch die Sendeinheit (100) vorgenommen wird.
  12. Computerprogramm, das ein Energieübertragungssystem (300) mit einer Sendeinheit (100) und einer Empfangseinheit (200) dazu veranlasst, ein Verfahren nach Anspruch 11 durchzuführen, wenn es auf dem Energieübertragungssystem (300) ausgeführt wird.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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