DE102018214783A1 - Device for the inductive transmission of electrical energy from a primary circuit to a secondary circuit and method for operating such a device - Google Patents

Device for the inductive transmission of electrical energy from a primary circuit to a secondary circuit and method for operating such a device Download PDF

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Richard Kopold
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem Primärkreis (1) und einem Sekundärkreis (2), der über einen Gleichrichter (3) mit dem Pluspol und dem Minuspol eines durch die elektrische Energie zu ladenden Energiespeichers (6) verbunden ist, wobei zur Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis (2) und dem Primärkreis (1) ein den Sekundärkreis (2) kurzschließendes ansteuerbares Schaltmittel (T1) und eine dem Primärkreis (1) zugeordnete Messeinrichtung (7) zur Detektion der Veränderung der übertragenen elektrischen Energie aufgrund der Betätigung des Schaltmittels (T1) vorgesehen sind. Das ansteuerbare Schaltmittel kann dabei eine Diode (D1, D2, D3, D4) des Gleichrichters oder den Sekundärkreis direkt oder über einen Widerstand kurzschließen. Eine Ermittlung der durch den (Teil-) Kurzschluss erzeugten Information kann auf der Primärseite in erfindungsgemäßer Weise durch Detektion des Stromes durch den Primärkreis (1) oder mittels einer Messspulenanordnung (MSA) erfolgen.The invention relates to a device for the inductive transmission of electrical energy with a primary circuit (1) and a secondary circuit (2), which is connected via a rectifier (3) to the positive pole and the negative pole of an energy store (6) to be charged by the electrical energy. wherein for communication between the secondary circuit (2) and the primary circuit (1) a switchable circuit means (T1) short-circuiting the secondary circuit (2) and a measuring device (7) assigned to the primary circuit (1) for detecting the change in the transmitted electrical energy due to the actuation of the switching means (T1) are provided. The controllable switching means can short-circuit a diode (D1, D2, D3, D4) of the rectifier or the secondary circuit directly or via a resistor. The information generated by the (partial) short circuit can be determined on the primary side in the manner according to the invention by detecting the current through the primary circuit (1) or by means of a measuring coil arrangement (MSA).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, der über einen Gleichrichter mit dem Pluspol und dem Minuspol eines durch die elektrische Energie zu ladenden Energiespeichers verbunden ist, wobei zur Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis und dem Primärkreis ein den Sekundärkreis kurzschließendes ansteuerbares Schaltmittel und eine dem Primärkreis zugeordnete Messeinrichtung zur Detektion der Veränderung der übertragenen elektrischen Energie aufgrund der Betätigung des Schaltmittels vorgesehen sind.The invention relates to a device for inductive transmission of electrical energy with a primary circuit and a secondary circuit, which is connected via a rectifier to the positive pole and the negative pole of an energy store to be charged by the electrical energy, the secondary circuit being used for communication between the secondary circuit and the primary circuit short-circuiting controllable switching means and a measuring device assigned to the primary circuit for detecting the change in the transmitted electrical energy due to the actuation of the switching means are provided.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 20 2010 016 586 U1 bekannt. Dort ist das Schaltmittel zwischen den beiden Versorgungsleitungen wahlweise zwischen den Anschlüssen des Sekundärkreises, oder vor oder nach einem Wandler angeordnet, so dass die Verbindung zwischen dem Sekundärkreis und der zu ladenden Batterie vollständig kurzgeschlossen wird, wenn das Schaltmittel zur Kommunikation betätigt wird.Such a device is from the DE 20 2010 016 586 U1 known. There, the switching means is arranged between the two supply lines either between the connections of the secondary circuit or before or after a converter, so that the connection between the secondary circuit and the battery to be charged is completely short-circuited when the switching means is activated for communication.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternative Vorrichtungen und ein Verfahren zum Betreiben solcher Vorrichtungen anzugeben.The object of the invention is to provide an alternative device and a method for operating such devices.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a device according to the independent claims 1 and 2 and a method according to claim 8. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Demnach weist eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie einen Primärkreis und einen Sekundärkreis auf, welcher über einen Gleichrichter mit dem Pluspol und dem Minuspol eines durch die elektrische Energie zu ladenden Energiespeichers verbunden ist. Zur Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis und dem Primärkreis sind ein den Sekundärkreis kurzschließendes ansteuerbares Schaltmittel und eine dem Primärkreis zugeordnete Messeinrichtung zur Detektion der Veränderung der übertragenen elektrischen Energie aufgrund der Betätigung des Schaltmittels vorgesehen, wobei in erfindungsgemäßer Weise der Gleichrichter ein mit Dioden gebildeter Vollbrückengleichrichter ist, und das ansteuerbare Schaltmittel einer der mit dem Minuspol des Energiespeichers verbundenen Dioden des Vollbrückengleichrichters parallelgeschaltet ist.Accordingly, a device for inductive transmission of electrical energy has a primary circuit and a secondary circuit which is connected via a rectifier to the positive pole and the negative pole of an energy store to be charged by the electrical energy. For communication between the secondary circuit and the primary circuit, switchable means which can short-circuit the secondary circuit and a measuring device assigned to the primary circuit for detecting the change in the transmitted electrical energy due to the actuation of the switching means are provided, the rectifier being a full-bridge rectifier formed with diodes in accordance with the invention, and the controllable switching means of one of the diodes of the full-bridge rectifier connected to the negative pole of the energy store is connected in parallel.

Hierdurch wird der Sekundärkreis bei betätigtem - also geschlossenem - Schaltmittel nur in jeder zweiten Halbwelle des energieübertragenden Signals kurzgeschlossen.As a result, the secondary circuit is only short-circuited in every second half-wave of the energy-transmitting signal when the switching means is actuated, that is to say closed.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist das ansteuerbare Schaltmittel als Wechselschalter ausgebildet und entweder in einer Stellung, bei der der Sekundärkreis direkt oder in einer Stellung, bei der der Sekundärkreis über einen Widerstand kurzgeschlossen ist.In an alternative embodiment of the invention, the controllable switching means is designed as a changeover switch and either in a position in which the secondary circuit is direct or in a position in which the secondary circuit is short-circuited via a resistor.

In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zugeordnete Messeinrichtung eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung, die den Strom und/oder die Spannung im Primärkreis erfasst.In an embodiment of the device according to the invention, the associated measuring device is a current and / or voltage measuring device which detects the current and / or the voltage in the primary circuit.

In eine Alternative hierzu ist die zugeordnete Messeinrichtung eine Messspulenanordnung, durch die das Magnetfeld zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis gemessen wird.In an alternative to this, the associated measuring device is a measuring coil arrangement through which the magnetic field between the primary and the secondary circuit is measured.

Hierdurch kann in vorteilhafter Weise durch bereits vorhandene Einrichtungen eine Veränderung der physikalischen Größen, die in diesen Einrichtungen wesentlich sind, ermittelt werden. So werden durch einen (Teil-) Kurzschluss des Sekundärkreises sowohl der Strom und/oder die Spannung im Primärkreis als auch das dadurch erzeugte Magnetfeld verändert. Dieses kann dann durch die Messspulenanordnung detektiert werden, die auch dazu dient, Magnetfeldänderungen aufgrund von Fremdobjekten zu detektieren. In this way, a change in the physical quantities that are essential in these devices can advantageously be determined by means of existing devices. A (partial) short circuit in the secondary circuit alters both the current and / or the voltage in the primary circuit and the magnetic field generated thereby. This can then be detected by the measuring coil arrangement, which also serves to detect changes in the magnetic field due to foreign objects.

In einer vorteilhaften Ausbildung kann die Messspulenanordnung eine Anordnung planarer Spulen auf einem Träger sein.In an advantageous embodiment, the measuring coil arrangement can be an arrangement of planar coils on a carrier.

Dadurch ist eine einfache und damit kostengünstige Herstellung möglich.This enables simple and therefore inexpensive production.

In einer Ausbildung der Erfindung ist das ansteuerbare Schaltmittel mit einem Mosfet gebildet.In one embodiment of the invention, the controllable switching means is formed with a MOSFET.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind der Primärkreis und der Sekundärkreis Resonanzkreise. Dadurch kann ein höherer Wirkungsgrad bei der magnetischen Kopplung der beiden Kreise erzielt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the primary circuit and the secondary circuit are resonance circuits. This enables a higher efficiency to be achieved in the magnetic coupling of the two circuits.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des Schaltmittels eine Information vom Sekundärkreis zum Primärkreis übertragen und dort von der Messeinrichtung detektiert.In a method according to the invention for operating such a device according to the invention, information is transmitted from the secondary circuit to the primary circuit by alternately switching the switching means on and off, where it is detected by the measuring device.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 die Auswirkung eines geschlossenen Schaltmittels im Sekundärkreis auf die Signalform des Ladestroms im Primärkreis.
  • 3 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Wechselschalter, und
  • 4 eine schematische Teildarstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Messspulenanordnung.
The invention will be described in more detail below using an exemplary embodiment with the aid of figures. Show
  • 1 1 shows a schematic representation of a device according to the invention,
  • 2 the effect of a closed switching device in the secondary circuit on the signal shape of the charging current in the primary circuit.
  • 3 a schematic representation of an alternative device according to the invention with a changeover switch, and
  • 4 a schematic partial representation of an alternative device according to the invention with a measuring coil arrangement.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die für die Erfindung wesentlichen Teile einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie, um beispielsweise eine Fahrzeugbatterie 6 aus dem allgemeinen Energieversorgungsnetz aufzuladen. Hierzu wird über nicht dargestellte Energiewandler ein Wechselspannungssignal bereitgestellt und an einen in der 1 dargestellten Primärkreis 1 angelegt. Dieser ist mit einer Primärspule L1 und einem dazu in Serie geschalteten ersten Kondensator C1 gebildet, wobei die Induktivität der Primärspule L1 und die Kapazität des Kondensators C1 so abgestimmt sind, dass der Primärkreis 1 mit dem Sekundärkreis 2, der ebenfalls mit einer Sekundärspule L2 und einem zweiten Kondensator C2 gebildet ist, bei der Frequenz des Wechselspannungssignals am Eingang des Primärkreises 1 in Resonanz sind.The 1 shows a schematic representation of the essential parts of the invention of a device for the inductive transmission of energy, for example, a vehicle battery 6 recharge from the general power grid. For this purpose, an AC voltage signal is provided via energy converters (not shown) and sent to one in the 1 shown primary circuit 1 created. This is with a primary coil L1 and a first capacitor connected in series C1 formed, the inductance of the primary coil L1 and the capacitance of the capacitor C1 are tuned so that the primary circuit 1 with the secondary circuit 2 , which also has a secondary coil L2 and a second capacitor C2 is formed at the frequency of the AC voltage signal at the input of the primary circuit 1 are in resonance.

Das dann am Ausgang des Sekundärkreises 2 anliegende Wechselsignal wird mittels eines Vollbrückengleichrichters 3 gleichgerichtet und ggf. über weitere Spannungswandler an einen Energiespeicher, zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie 6, angelegt.That then at the output of the secondary circuit 2 AC signal is applied by means of a full bridge rectifier 3 rectified and possibly via additional voltage converters to an energy store, for example a vehicle battery 6 , created.

Der Vollbrückengleichrichter 3 ist mit vier Dioden, D1 bis D4, gebildet, wobei der dritten Diode D3 ein Transistor T1 parallel geschaltet ist, um diese bei Ansteuerung des ersten Transistors T1 kurzschließen zu können.The full bridge rectifier 3 is with four diodes, D1 to D4 , formed with the third diode D3 a transistor T1 is connected in parallel to this when driving the first transistor T1 to be able to short-circuit.

In gleicher Weise könnte der erste Transistor T1 statt der dritten Diode D3 der vierten Diode D4 parallel geschaltet werden, da auch dann dieser Transistor zwischen einem der Anschlüsse 4, 5 des Sekundärkreises 2 und dem Minuspol der Batterie 6 verschaltet ist.In the same way, the first transistor T1 instead of the third diode D3 the fourth diode D4 can be connected in parallel, since this transistor will then also be between one of the connections 4 . 5 of the secondary circuit 2 and the negative pole of the battery 6 is connected.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 würde für den Fall, dass am Anschluss 4 des Sekundärkreises 2 ein positives Potential und am Anschluss 5 des Sekundärkreises 2 ein dazu negatives Potential anliegt, der Sekundärkreis 2 über den ersten Transistor T1 und die vierte Diode D4 kurz geschlossen werden, wodurch für diese Zeit der Primärkreis 1 eine höhere Energie liefern würde, was sich, wie in 2 dargestellt, in einem Ansteigen des Ladestromes 10 zeigt.In the illustrated embodiment of the 1 would in case that connection 4 of the secondary circuit 2 a positive potential and at the connection 5 of the secondary circuit 2 a negative potential is present, the secondary circuit 2 over the first transistor T1 and the fourth diode D4 be closed briefly, causing the primary circuit for this time 1 would deliver a higher energy, as in 2 shown in an increase in the charging current 10 shows.

Dieser Ladestrom 10, kann wie in der 1 dargestellt ist mittels einer Messeinrichtung 7 detektiert werden, wobei durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kommunikation vom Sekundärkreis 2 zum Primärkreis 1 stattfinden kann, ohne dass ein zusätzlicher Kommunikationspfad nötig wäre.This charging current 10 , like in the 1 is shown by means of a measuring device 7 can be detected, with the device according to the invention communication from the secondary circuit 2 to the primary circuit 1 can take place without the need for an additional communication path.

In 3 ist ebenfalls der Primärkreis 1 und der Sekundärkreis 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jedoch parallel zum Sekundärkreis 2 ein Wechselschalter WS verschaltet ist, der in einer ersten Stellung den Sekundärkreis 2 direkt und in einer zweiten Stellung über eine Widerstand R kurzschließt. Auch auf diese Weise wird der Stromfluss durch den Primärkreis und damit auch das Magnetfeld beeinflusst. Durch eine Ermittlung einer der beiden oder beider Größen auf der Primärseite kann Information von der Sekundärseite zur Primärseite übertragen und damit eine Kommunikation ermöglicht werden.In 3 is also the primary circuit 1 and the secondary circuit 2 shown a device according to the invention, but in this embodiment, parallel to the secondary circuit 2 a toggle switch WS is connected, the secondary circuit in a first position 2 directly and in a second position via a resistor R shorts. The current flow through the primary circuit and thus also the magnetic field is also influenced in this way. By determining one of the two or both variables on the primary side, information can be transmitted from the secondary side to the primary side and communication can thus be made possible.

Die 4 zeigt eine alternative Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Messspulenanordnung MSA, die hier mit einer Anzahl planarer Einzelspulen gebildet ist, die beispielsweise auf einer Folie oder einem sonstigen Träger ausgebildet sind. Mittels dieser Messspulenanordnung MSA kann das durch die Primärspule des Primärkreises 1 erzeugte und durch einen (Teil-) Kurzschluss des Sekundärkreises 2 beeinflusste Magnetfeld gemessen werden. Die gemessenen Werte können in einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung mit vorgegebenen Werten verglichen werden und daraus die durch den (Teil-) Kurzschluss des Sekundärkreises erzeugten Informationspulse ermittelt werden, wodurch eine Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis 2 und dem Primärkreis 1 stattfinden kann.The 4 shows an alternative embodiment of a device according to the invention with a measuring coil arrangement MSA, which is formed here with a number of planar individual coils, which are formed, for example, on a film or another carrier. By means of this measuring coil arrangement MSA, this can be done by the primary coil of the primary circuit 1 generated and by a (partial) short circuit of the secondary circuit 2 influenced magnetic field can be measured. The measured values can be compared with predefined values in an evaluation device (not shown) and the information pulses generated by the (partial) short circuit of the secondary circuit can be determined therefrom, which results in communication between the secondary circuit 2 and the primary circuit 1 can take place.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 202010016586 U1 [0002]DE 202010016586 U1 [0002]

Claims (8)

Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem Primärkreis (1) und einem Sekundärkreis (2), der über einen Gleichrichter (3) mit dem Pluspol und dem Minuspol eines durch die elektrische Energie zu ladenden Energiespeichers (6) verbunden ist, wobei zur Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis (2) und dem Primärkreis (1) ein den Sekundärkreis (2) kurzschließendes ansteuerbares Schaltmittel (T1) und eine dem Primärkreis (1) zugeordnete Messeinrichtung (7) zur Detektion der Veränderung der übertragenen elektrischen Energie aufgrund der Betätigung des Schaltmittels (T1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (3) ein mit Dioden (D1, D2, D3, D4) gebildeter Vollbrückengleichrichter ist, und das ansteuerbare Schaltmittel (T1) einer der mit dem Minuspol des Energiespeichers (6) verbundenen Dioden (D3) des Vollbrückengleichrichters (3) parallelgeschaltet ist.Device for the inductive transmission of electrical energy with a primary circuit (1) and a secondary circuit (2), which is connected via a rectifier (3) to the positive and negative poles of an energy store (6) to be charged by the electrical energy, with communication between the secondary circuit (2) and the primary circuit (1) a controllable switching means (T1) short-circuiting the secondary circuit (2) and a measuring device (7) assigned to the primary circuit (1) for detecting the change in the transmitted electrical energy due to the actuation of the switching means (T1 ) are provided, characterized in that the rectifier (3) is a full-bridge rectifier formed with diodes (D1, D2, D3, D4), and the controllable switching means (T1) is one of the diodes (D3.) connected to the negative pole of the energy store (6) ) of the full bridge rectifier (3) is connected in parallel. Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem Primärkreis (1) und einem Sekundärkreis (2), der über einen Gleichrichter (3) mit dem Pluspol und dem Minuspol eines durch die elektrische Energie zu ladenden Energiespeichers (6) verbunden ist, wobei zur Kommunikation zwischen dem Sekundärkreis (2) und dem Primärkreis (1) ein den Sekundärkreis (2) kurzschließendes ansteuerbares Schaltmittel (T1) und eine dem Primärkreis (1) zugeordnete Messeinrichtung (7) zur Detektion der Veränderung der übertragenen elektrischen Energie aufgrund der Betätigung des Schaltmittels (T1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Schaltmittel (T1) als Wechselschalter ausgebildet ist und entweder in einer Stellung ist, bei der der Sekundärkreis direkt oder in einer Stellung ist, bei der der Sekundärkreis über einen Widerstand (R) kurzgeschlossen ist.Device for the inductive transmission of electrical energy with a primary circuit (1) and a secondary circuit (2), which is connected via a rectifier (3) to the positive and negative poles of an energy store (6) to be charged by the electrical energy, with communication between the secondary circuit (2) and the primary circuit (1) a controllable switching means (T1) short-circuiting the secondary circuit (2) and a measuring device (7) assigned to the primary circuit (1) for detecting the change in the transmitted electrical energy due to the actuation of the switching means (T1 ) are provided, characterized in that the controllable switching means (T1) is designed as a changeover switch and is either in a position in which the secondary circuit is direct or in a position in which the secondary circuit is short-circuited via a resistor (R). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordnete Messeinrichtung (7) eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung ist, die den Strom und/oder die Spannung im Primärkreis erfasst.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the associated measuring device (7) is a current and / or voltage measuring device which detects the current and / or the voltage in the primary circuit. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordnete Messeinrichtung (7) eine Messspulenanordnung ist, durch die das Magnetfeld zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis gemessen wird.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the associated measuring device (7) is a measuring coil arrangement, by means of which the magnetic field between the primary and the secondary circuit is measured. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspulenanordnung eine Anordnung planarer Spulen auf einem Träger ist.Device after Claim 4 , characterized in that the measuring coil arrangement is an arrangement of planar coils on a carrier. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Schaltmittel (T1) ein Mosfet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable switching means (T1) is a Mosfet. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis (1) und der Sekundärkreis (2) Resonanzkreise sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the primary circuit (1) and the secondary circuit (2) are resonant circuits. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des Schaltmittels (T1) eine Information vom Sekundärkreis (2) zum Primärkreis (1) übertragen wird.Method for operating a device according to one of the Claims 1 to 7 , in which information is transmitted from the secondary circuit (2) to the primary circuit (1) by alternately switching the switching means (T1) on and off.
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