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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Elektrofahrzeugbatterie-Ladeschutzsystem.
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Hintergrund
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Drahtlose Energieübertragungssysteme ermöglichen ein drahtloses Übertragen von Energie von einer Quelle zu einem Verbraucher. Bei einer induktiven Energieübertragung handelt es sich um einen nicht strahlenden oder Nahfeld-Typ einer drahtlosen Energieübertragung. Die induktive Energieübertragung verwendet einen Schwingstrom, der durch eine Primärspule (d. h., eine Sendeantenne) einer Quelle verläuft, dazu, ein oszillierendes magnetisches Nahfeld zu erzeugen, das Ströme in einer Sekundärspule (d. h., einer Empfangsantenne) eines Verbrauchers induziert. Die Quelle beinhaltet einen Wechselrichter, der Leistungstransistorschalter aufweist, die zu steuerbaren Zeitpunkten schalten, um Energie der Quelle in den Schwingstrom umzuwandeln, der durch die Primärspule verläuft.
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Eine induktive Energieübertragung wird durchgeführt, um einen Verbraucher wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mithilfe von Energie der Quelle drahtlos zu laden. In solchen Systemen zum drahtlosen Laden von Elektrofahrzeugen ist die Sendeantenne der Quelle in eine „Lade“-Matte eingebaut, und die Empfangsantenne (und ein zugehöriger Gleichrichter) ist an einer vorgesehenen Stelle des Fahrzeugs eingebaut. Die induktive Energieübertragung geht mit einer induktiven Kopplung zwischen den Antennen einher. Damit eine induktive Energieübertragung effizient ist, muss der Abstand zwischen den Antennen innerhalb geringer Versatztoleranzen relativ eng sein.
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Idealerweise empfängt die Empfangsantenne des Fahrzeugs nur Energie, die von der Sendeantenne in der Ladematte übertragen wird. Praktisch handelt es sich bei der Empfangsantenne des Elektrofahrzeugs um einen LC-Schwingkreis, der Energie von einer beliebigen induktiven Energiequelle empfangen kann und sie zu der Traktionsbatterie übertragen kann, wenn die Signalfrequenz der LC-Resonanzfrequenz der Empfangsantenne nahe ist. Unerwartete Energie von Streuenergiequellen kann die Traktionsbatterie beschädigen. Ein großer Teil der Steuerelektronik in einer drahtlosen Ladeeinrichtung auf der Fahrzeugseite wird nur während eines normalen Ladens durch eine Niederspannungsbatterie (z. B. durch eine 12-Volt-Batterie) versorgt. Auf diese Weise kann die Steuerelektronik den Ausgang der drahtlosen Ladeeinrichtung nicht trennen, wenn ein magnetisches Nahfeldsignal von einer Streuenergiequelle empfangen wird. Wenn darüber hinaus während eines normalen drahtlosen Ladens die Niederspannungsbatterie auf irgendeine Weise von der drahtlosen Ladeeinrichtung getrennt wird und die Steuerelektronik Energie verliert, geht eine drahtlose Datenübertragung zwischen der Ladeeinrichtung und der Quelle gleichermaßen verloren. Ohne diese drahtlose Datenübertragung mit der Energiequelle kann eine wirksame Steuerung des Ladevorgangs verloren gehen, wodurch die Traktionsbatterie möglicherweise beschädigt wird.
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Übersicht
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Fahrzeug-Ladeeinheit, die ein System zum Schutz eines Ausgangs einer drahtlosen Ladeeinrichtung aufweist. Die Fahrzeug-Ladeeinheit kann eine Versorgungsleitung, die dazu gestaltet ist, einen in einer Empfangsantenne induzierten Wechselstrom zu übertragen, und einen Gleichrichter beinhalten, der dazu gestaltet ist, den Wechselstrom von der Versorgungsleitung in einen Gleichstrom zum Laden einer Fahrzeugbatterie umzurichten. Die Fahrzeug-Ladeeinheit kann des Weiteren einen Versorgungsleitungsschalter, eine Sensorschaltung, einen Steuerschalter und eine Überwachungsschaltung beinhalten. Der Versorgungsleitungsschalter kann mit der Versorgungsleitung verbunden sein und dazu gestaltet sein, eine elektrische Verbindung zwischen der Empfangsantenne und dem Gleichrichter zu steuern. Die Sensorschaltung kann dazu gestaltet sein, eine Versorgungsleitungsspannung zu erkennen und ein Steuerspannungssignal mithilfe der Versorgungsleitungsspannung zu erzeugen. Die Überwachungsschaltung kann durch den Steuerschalter selektiv mit dem Versorgungsleitungsschalter verbunden werden. Die Überwachungsschaltung kann dazu gestaltet sein, in Reaktion auf das Steuerspannungssignal von der Sensorschaltung ein Schaltersteuersignal auszugeben, das den Versorgungsleitungsschalter veranlasst, einen Zustand zu ändern.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Steuerschalter um einen MOSFET handeln. Darüber hinaus kann es sich bei dem Versorgungsleitungsschalter um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor, IGBT) handeln, der ein Gate aufweist, das selektiv mit der Überwachungsschaltung verbunden wird.
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Die Überwachungsschaltung kann dazu gestaltet sein, von dem Steuerspannungssignal der Sensorschaltung durch die Empfangsantenne während eines normalen drahtlosen Ladens der Fahrzeugbatterie versorgt zu werden, das durch einen Strom bewirkt wird, der durch eine Ladebasis in der Empfangsantenne induziert wird. Der Steuerschalter kann dazu gestaltet sein, normalerweise während eines normalen drahtlosen Ladens der Fahrzeugbatterie geöffnet zu sein und zu verhindern, dass das Schaltersteuersignal von der Überwachungsschaltung den Versorgungsleitungsschalter erreicht. Der Steuerschalter kann dazu gestaltet sein zu schließen, wenn die Niederspannungsbatterie während eines normalen drahtlosen Ladens von der Überwachungsschaltung getrennt wird. Die Überwachungsschaltung kann des Weiteren dazu gestaltet sein, ein Deaktivierungssignal drahtlos an die Ladebasis zu übertragen, um eine Wechselspannungs-Energiequelle abzuschalten, die in der Ladebasis bereitgestellt wird.
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Der Steuerschalter kann dazu gestaltet sein, geschlossen zu sein, wenn sich die Überwachungsschaltung in einem Ruhemodus befindet. Die Überwachungsschaltung kann dazu gestaltet sein, Energie von dem Steuerspannungssignal der Sensorschaltung zu empfangen, wenn die durch die Sensorschaltung erkannte Versorgungsleitungsspannung durch einen Strom bewirkt wird, der von einer Streuenergiequelle in der Empfangsantenne induziert wird.
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Der Versorgungsleitungsschalter kann dazu gestaltet sein, bei Empfangen des Schaltersteuersignals geschlossen zu werden. Die Versorgungsleitung kann einen positiven Versorgungsleitungsleiter und einen negativen Versorgungsleitungsleiter beinhalten. Die Sensorschaltung kann mit dem positiven Versorgungsleitungsleiter und/oder dem negativen Versorgungsleitungsleiter verbunden sein. Der Versorgungsleitungsschalter kann einen positiven Versorgungsleitungsschalter und einen negativen Versorgungsleitungsschalter beinhalten, die jeweils mit dem positiven Versorgungsleitungsleiter bzw. dem negativen Versorgungsleitungsleiter verbunden sind. Der positive Versorgungsleitungsschalter und der negative Versorgungsleitungsschalter können beide durch dasselbe Schaltersteuersignal von der Überwachungsschaltung gesteuert werden. Alternativ können der positive Versorgungsleitungsschalter und der negative Versorgungsleitungsschalter getrennt durch die Überwachungsschaltung gesteuert werden.
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Eine oder mehrere zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Ausgangs einer drahtlosen Ladeeinrichtung. Das Verfahren kann ein Erkennen einer Streuspannung in einer Versorgungsleitung, die durch einen Wechselstrom erzeugt wird, der von einer Streuenergiequelle in der Versorgungsleitung induziert wird; Umwandeln der Streuspannung in der Versorgungsleitung in ein Steuerspannungssignal; Versorgen einer Überwachungsschaltung mithilfe des Steuerspannungssignals; und in Reaktion auf ein Empfangen von Energie von dem Steuerspannungssignal Ausgeben eines Schaltersteuersignals durch die Überwachungsschaltung an einen Versorgungsleitungsschalter beinhalten, wodurch der Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird, zu schließen und den in der Versorgungsleitung induzierten Wechselstrom an Masse abzuführen.
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Die Versorgungsleitung kann mit einem Gleichrichter verbunden sein, um während eines normalen drahtlosen Ladens einen Wechselstrom in einen Gleichstrom zum Laden einer Fahrzeugbatterie umzurichten. Der Schritt zum Ausgeben eines Schaltersteuersignals durch die Überwachungsschaltung an einen Versorgungsleitungsschalter kann ein Ausgeben des Schaltersteuersignals an einen negativen Versorgungsleitungsschalter, der mit einem positiven Versorgungsleitungsleiter verbunden ist, wodurch der negative Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird zu schließen; und ein Ausgeben des Schaltersteuersignals an einen positiven Versorgungsleitungsschalter aufweisen, der mit einem negativen Versorgungsleitungsleiter verbunden ist, wodurch der positive Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird zu schließen.
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Eine oder mehrere zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Ausgangs einer drahtlosen Ladeeinrichtung. Das Verfahren kann ein Umrichten eines Wechselstroms von einer Versorgungsleitung in einen Gleichstrom zum Laden einer Fahrzeugbatterie, wobei der Wechselstrom in einer Empfangsantenne durch einen Strom in einer Sendeantenne von einer Wechselspannungs-Energiequelle in einer Ladebasis induziert wird; ein Erzeugen eines Steuerspannungssignals an einer Sensorschaltung mithilfe eines Stroms von der Versorgungsleitung; ein Erkennen eines Verlusts an Energie von einer Niederspannungsbatterie an einer Überwachungsschaltung; ein Verbinden der Überwachungsschaltung mit einem Versorgungsleitungsschalter in Reaktion auf das Erkennen des Verlusts an Energie von der Niederspannungsbatterie; und in Reaktion auf ein Empfangen von Energie von dem Steuerspannungssignal ein Ausgeben eines Schaltersteuersignals durch die Überwachungsschaltung an den Versorgungsleitungsschalter beinhalten, wodurch der Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird, zu schließen und den Strom in der Versorgungsleitung an Masse abzuführen.
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Das Verfahren kann des Weiteren ein Übertragen eines drahtlosen Deaktivierungssignals durch die Überwachungsschaltung an die Ladebasis in Reaktion auf das Erkennen des Verlusts an Energie von der Niederspannungsbatterie beinhalten, um die Wechselspannungs-Energiequelle abzuschalten, die in der Ladebasis bereitgestellt wird. Der Schritt zum Verbinden der Überwachungsschaltung mit dem Versorgungsleitungsschalter kann ein Schließen eines Steuerschalters zwischen dem Versorgungsleitungsschalter und der Überwachungsschaltung in Reaktion auf das Erkennen des Verlusts an Energie von der Niederspannungsbatterie beinhalten. Der Schritt zum Ausgeben eines Schaltersteuersignals durch die Überwachungsschaltung an einen Versorgungsleitungsschalter kann ein Ausgeben des Schaltersteuersignals an einen negativen Versorgungsleitungsschalter, der mit einem positiven Versorgungsleitungsleiter verbunden ist, wodurch der negative Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird zu schließen; und ein Ausgeben des Schaltersteuersignals an einen positiven Versorgungsleitungsschalter beinhalten, der mit einem negativen Versorgungsleitungsleiter verbunden ist, wodurch der positive Versorgungsleitungsschalter veranlasst wird zu schließen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Systems zur induktiven Energieübertragung zum drahtlosen Laden eines Elektrofahrzeugs mit Energie von einer Ladebasis;
- 2 veranschaulicht ein Blockschaubild eines Systems zur induktiven Energieübertragung;
- 3 veranschaulicht ein Blockschaubild einer drahtlosen Ladeeinrichtung auf der Fahrzeugseite mit einer Fahrzeug-Ladeeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4 veranschaulicht graphische Darstellungen von Spannungsformen der Versorgungsleitungsspannungen und eines Schaltersteuersignals des drahtlosen Ladesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 5 veranschaulicht graphische Darstellungen verschiedener Spannungsformen auf der Fahrzeugseite des drahtlosen Ladesystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 6 veranschaulicht einen Ablaufplan, der den Ablauf des Verfahrens der Fahrzeug-Ladeeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschreibt; und
- 7 veranschaulicht einen Ablaufplan, der den Ablauf des Verfahrens der Fahrzeug-Ladeeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschreibt.
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Ausführliche Beschreibung
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Genaue Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hierin offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Elemente können vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten, die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Grundlage auszulegen, um einem Fachmann zu vermitteln, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nun eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur induktiven Energieübertragung zum drahtlosen Laden eines Elektrofahrzeugs 12 mit Energie von einer Ladebasis 14 dargestellt. Die Ladebasis 14 beinhaltet eine Sendeantenne 16, die in dem Untergrund oder auf dem Boden einer Struktur positioniert ist. Die Sendeantenne 16 wird aufgrund ihrer physischen Gestaltung bisweilen als Basisplatte oder -matte bezeichnet. Das Fahrzeug 12 beinhaltet eine Empfangsantenne 18, die häufig als Fahrzeugplatte bezeichnet wird, die an der Unterseite des Fahrzeugs montiert ist. Die Sendeantenne 16 und die Empfangsantenne 18 sind in einer nahen Anordnung ausgerichtet, wenn das Fahrzeug 12 ordnungsgemäß geparkt ist. Auf diese Weise kann Energie von der Ladebasis 14 zum Laden des Fahrzeugs 12 von der Sendeantenne 16 zu der Empfangsantenne 18 übertragen werden. Die Empfangsantenne 18 ist mit der Traktionsbatterie oder dergleichen des Fahrzeugs 12 verbunden. Die drahtlos von der Ladebasis 14 zu dem Fahrzeug 12 übertragene Energie wird zum Laden der Traktions-/Fahrzeugbatterie während eines normalen (d. h., erwarteten) drahtlosen Ladens verwendet.
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Wenn das Fahrzeug 12 geparkt ist und kein normales drahtloses Laden erwartet wird, kann die Empfangsantenne 18 jedoch weiterhin elektromagnetische Energie von anderen Quellen als der Sendeantenne 16 der Ladebasis 14 empfangen. Wie in 1 veranschaulicht, kann eine Streuenergiequelle 20 (d. h., eine unerwünschte Energiequelle), die sich in der Nähe des Fahrzeugs 12 befindet, ein elektromagnetisches Signal 21 emittieren. Wenn die Frequenz des elektromagnetischen Signals 21 von der Streuenergiequelle 20 der Resonanzfrequenz der Empfangsantenne 18 nahe ist, kann sie unerwünschte Energie zu der Empfangsantenne 18 übertragen. Unerwartete Energie, die drahtlos von einer Streuenergiequelle 20 übertragen wird, kann die Traktionsbatterie beschädigen. Beispielsweise kann es sich bei der Streuenergiequelle 20 um einen Hochleistungsinverter, einen Blitzschlag, eine weitere drahtlose Ladeeinrichtung, die nicht zum Laden des Fahrzeugs 12 konzipiert ist, und/oder eine beliebige Vorrichtung handeln, die ein elektronisches Bauteil aufweist, das elektromagnetische Signale emittieren kann.
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Unter Bezugnahme auf 2 mit fortlaufender Bezugnahme auf 1 wird nun ein Blockschaubild des Systems 10 zur induktiven Energieübertragung dargestellt. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet die Ladebasis 14 des Systems 10 zur induktiven Energieübertragung zusätzlich zu der Sendeantenne 16 eine Wechselspannungs(AC)-Energiequelle 22, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs(AC/DC)-Umrichter (Gleichrichter) 24, einen Gleichspannungs-Wechselspannungs(DC/AC)-Umrichter (Wechselrichter) 26 und ein Resonanznetzwerk 28. Die Wechselspannungs-Energiequelle 22 versorgt den Gleichrichter 24 mit Wechselspannungsenergie. Der Gleichrichter 24 richtet die Wechselspannungsenergie in Gleichspannungsenergie um und versorgt den Wechselrichter 26 mit der Gleichspannungsenergie. Der Wechselrichter 26 wandelt die Gleichspannungsenergie in Wechselspannungsenergie um und versorgt das Resonanznetzwerk 28 mit der Wechselspannungsenergie.
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Die Sendeantenne 16 beinhaltet eine oder mehrere Spulen (d. h., eine Primärspule 30). Die Empfangsantenne 18 des Fahrzeugs 12 beinhaltet eine oder mehrere Spulen (d. h., eine Sekundärspule 32). Die Primärspule 30 und die Sekundärspule 32 sind physisch beieinander angeordnet (d. h., „lose gekoppelt“), wenn das Fahrzeug 12 ordnungsgemäß geparkt ist. Das heißt, die Sekundärspule 32 wird drahtlos mit der Primärspule 30 gekoppelt, wenn sich die Sekundärspule 32 im Kopplungsmodusbereich der Primärspule 30 befindet, wodurch sie eine Gegeninduktivität M bereitstellt und im Wesentlichen mit derselben Frequenz wie die Primärspule 30 schwingt. Die Wechselspannungsenergie von dem Wechselrichter 26 verläuft durch das Resonanznetzwerk 28 und durch die Primärspule 30 und bewirkt, dass die Primärspule 30 ein oszillierendes magnetisches Nahfeld erzeugt. Das oszillierende magnetische Nahfeld induziert Ströme in der Sekundärspule 32. Die Ströme in der Sekundärspule 32 erzeugen eine Wechselspannungsenergie auf der Fahrzeugseite. Insofern kommt es zu einer induktiven Kopplung zwischen der Primärspule 30 und der Sekundärspule 32 zur induktiven Energieübertragung von der Ladebasis 14 zu dem Fahrzeug 12.
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Wie des Weiteren in 2 dargestellt, kann das Fahrzeug 12 zusätzlich zu der Empfangsantenne 18 eine Fahrzeug-Ladeeinheit 34 beinhalten. Zusammen können die Empfangsantenne 18 und die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 als drahtlose Ladeeinrichtung 36 bezeichnet werden. Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 versorgt einen Verbraucher des Fahrzeugs 12 wie zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie 38 (d. h., eine Traktionsbatterie) mit Energie.
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3 ist ein Blockschaubild der Fahrzeugseite des in 2 veranschaulichten Systems zur induktiven Energieübertragung, das die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 ausführlicher veranschaulicht. Wie dargestellt, kann die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 an einem Ausgang 40 einer drahtlosen Ladeeinrichtung mit der Fahrzeugbatterie 38 verbunden sein. Wie zuvor beschrieben, erzeugen die Ströme, die in der Sekundärspule 32 der Empfangsantenne 18 induziert werden, eine Wechselspannungsenergie auf der Fahrzeugseite. Die Wechselspannungsenergie wird der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 entlang einer Versorgungsleitung 42 zugeführt. Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 kann einen Gleichrichter 44 beinhalten, der die Wechselspannungsenergie in Gleichspannungsenergie umrichtet. Die Gleichspannungsenergie von dem Gleichrichter 44 kann der Fahrzeugbatterie 38 zum Beispiel durch ein Filter 46 zugeführt werden. Diese Gleichspannungsenergie am Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinheit lädt die Fahrzeugbatterie 38.
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Die Versorgungsleitung 42 kann einen positiven Versorgungsleitungsleiter 42a zum Empfangen der positiven Ausgabe aus der Empfangsantenne 18 und einen negativen Versorgungsleitungsleiter 42b zum Empfangen der negativen Ausgabe aus der Empfangsantenne beinhalten. Zusammen führen der positive Versorgungsleitungsleiter 42a und der negative Versorgungsleitungsleiter 42b die Wechselspannungsenergie dem Gleichrichter 44 zu. Dementsprechend kann der positive Versorgungsleitungsleiter 42a während eines drahtlosen Ladens eine positive Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp+ empfangen, und der negative Versorgungsleitungsleiter 42b kann eine negative Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp- empfangen. Die positive Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp+ und die negative Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp- sind halbe Sinuswellen, die um etwa 180 Grad phasenverschoben sind.
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Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 kann des Weiteren eine Sensorschaltung 48, die mit der Versorgungsleitung 42 verbunden ist, zum Erkennen einer Versorgungsleitungsspannung beinhalten. Beispielsweise kann die Sensorschaltung 48 mit dem positiven Versorgungsleitungsleiter 42a und/oder dem negativen Versorgungsleitungsleiter 42b verbunden sein, um die Ausgangsspannung der Empfangsantenne zu erfassen. Dementsprechend kann die Sensorschaltung 48 die positive Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp+ und/oder die negative Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp- erkennen, die durch die Empfangsantenne 18 ausgegeben werden. Die Sensorschaltung 48 kann des Weiteren dazu gestaltet sein, eine Niederspannungsausgabe, die als Steuerspannungssignal Vlow bezeichnet wird, mithilfe der an der Versorgungsleitung 42 erfassten Ausgangsspannung der Empfangsantenne zu erzeugen. Beispielsweise kann die Sensorschaltung 48 dazu gestaltet sein, entweder die positive Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp+ oder die negative Versorgungsleitungs-Leiterspannung Vp- in das Steuerspannungssignal Vlow umzuwandeln.
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Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 kann darüber hinaus einen Versorgungsleitungsschalter 50 beinhalten, der mit der Versorgungsleitung 42 verbunden ist, der dazu gestaltet ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Empfangsantenne 18 und dem Gleichrichter 44 zu steuern. Weiterhin unter Bezugnahme auf 3 kann der Versorgungsleitungsschalter 50 ein Paar Versorgungsleitungsschalter wie zum Beispiel einen positiven Versorgungsleitungsschalter 50a und einen negativen Versorgungsleitungsschalter 50b beinhalten. Wie dargestellt, kann der positive Versorgungsleitungsschalter 50a eine Ein-/Aus-Verbindung zwischen dem negativen Versorgungsleitungsleiter 42b und einer Masse 52 bereitstellen. In ähnlicher Weise kann der negative Versorgungsleitungsschalter 50b eine Ein-/Aus-Verbindung zwischen dem positiven Versorgungsleitungsleiter 42a und der Masse 52 bereitstellen. Während eines normalen Ladevorgangs können die Versorgungsleitungsschalter 50a und 50b geöffnet sein und der positive Versorgungsleitungsleiter 42a und der negative Versorgungsleitungsleiter 42b die Empfangsantenne 18 mit dem Gleichrichter 44 verbinden. Der Ausgang 40 (Vout ) der drahtlosen Ladeeinrichtung zu der Fahrzeugbatterie 38 kann durch Schließen der Versorgungsleitungsschalter 50a und 50b und Bereitstellen eines direkten Pfades nach Masse für die elektrische Energie in der Versorgungsleitung 42 abgeschaltet werden, wodurch der Gleichrichter 44 wirksam von der Empfangsantenne 18 getrennt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei jedem Versorgungsleitungsschalter 50 um einen IGBT (insulated gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) handeln, wenngleich sonstige Typen von Schaltern wie zum Beispiel ein MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) eingesetzt werden können. Der positive Versorgungsleitungsschalter 50a und der negative Versorgungsleitungsschalter 50b können durch eine Überwachungsschaltung 54 mithilfe des Steuerspannungssignals Vlow gesteuert werden. Die Überwachungsschaltung 54 kann ein Teil einer Hauptsteuereinheit der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 sein oder kann eine dedizierte Steuereinheit/Steuerschaltung zum Steuern des Zustands (d. h., geöffnet/geschlossen) der Versorgungsleitungsschalter 50 in Reaktion auf Eingaben sein, die an der Überwachungsschaltung 54 empfangen werden.
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Während eines normalen drahtlosen Ladevorgangs kann die Überwachungsschaltung 54 Energie über die Sensorschaltung von der Empfangsantenne 18 empfangen. Sonstige Steuerkomponenten der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 können Energie von einer Niederspannungsbatterie 56 (z. B. einem 12-Volt-Bleiakkumulator) des Fahrzeugs 12 empfangen. Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 kann über Nahfeld-Kommunikationsprotokolle wie zum Beispiel WiFi, Bluetooth usw. während eines normalen drahtlosen Ladevorgangs Daten mit der Ladebasis 14 austauschen, was ein Senden von drahtlosen Datenübertragungssignalen zum Aktivieren/Deaktivieren der Wechselspannungs-Energiequelle 22 beinhaltet. Wenn kein normales Laden durchgeführt wird, können die Steuerkomponenten der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 in einen Ruhemodus übergehen und empfangen keine Energie von der Niederspannungsbatterie 56.
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Die Überwachungsschaltung 54 kann über einen Steuerschalter 58 selektiv mit den Versorgungsleitungsschaltern 50 verbunden werden. Der Steuerschalter 58 kann durch die Niederspannungsbatterie 56 gesteuert werden. Der Steuerschalter 58 kann während eines normalen drahtlosen Ladens geöffnet (d. h., ausgeschaltet) sein, wenn die Niederspannungsbatterie 56 „Ein“-geschaltet ist (d. h., Vbatt hoch ist), wodurch die Überwachungsschaltung 54 von den Versorgungsleitungsschaltern 50 getrennt wird (d. h., die Schalter 50a und 50b ausgeschaltet oder geöffnet sind). Der Steuerschalter 58 kann zwangsgeschlossen werden, wenn die Niederspannungsbatterie 56 nicht vorhanden ist. Beispielsweise kann der Steuerschalter 58 schließen (d. h., einschalten), wodurch die Überwachungsschaltung 54 mit den Versorgungsleitungsschaltern 50 verbunden wird, wenn die Niederspannungsbatterie 56 „aus“-geschaltet (Vbatt = 0) ist, z. B. wenn kein normales drahtloses Laden stattfindet oder wenn die Überwachungsschaltung während eines normalen drahtlosen Ladens ihre Verbindung mit der Niederspannungsbatterie 56 verliert. In beiden Fällen kann die Sensorschaltung 48 die Überwachungsschaltung 54 mit dem Steuerspannungssignal Vlow versorgen. Unter bestimmten Bedingungen kann das Steuerspannungssignal Vlow dazu verwendet werden, die Versorgungsleitungsschalter 50 zu steuern, wenn die Niederspannungsbatterie 56 nicht vorhanden ist. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Steuerschalter 58 um einen MOSFET handeln.
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Wie zuvor beschrieben, kann die Empfangsantenne 18 elektromagnetische Signale 21 von unerwünschten Quellen wie zum Beispiel der Streuenergiequelle 20 empfangen. In einem solchen Fall kann der in der Empfangsantenne 18 aufgrund des unerwünschten elektromagnetischen Feldes induzierte Wechselstrom gleichgerichtet werden und durch die Versorgungsleitung 42 in die Fahrzeugbatterie 38 geladen werden, wodurch möglicherweise ein Schaden an der Batterie und an Hochleistungselektronik verursacht wird. Um eine Beschädigung zu vermeiden, kann der Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung zu der Fahrzeugbatterie 38 durch Schließen der Versorgungsleitungsschalter 50a und 50b und Bereitstellen eines direkten Pfades nach Masse für die elektrische Energie in der Versorgungsleitung 42 abgeschaltet werden, wodurch der Gleichrichter 44 wirksam von der Empfangsantenne 18 getrennt wird.
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Auf diese Weise kann die Sensorschaltung 48, wenn ein unerwünschtes Ladeereignis eintritt, eine Versorgungsleitungsspannung erkennen, die durch die Streuenergiequelle 20 erzeugt wird, und die Versorgungsleitungsspannung in eine Niederspannungsausgabe (d. h., ein Steuerspannungssignal Vlow ) umwandeln, die der Überwachungsschaltung 54 zugeführt werden kann. Dementsprechend kann die unerwünschte elektrische Energie in der Versorgungsleitung 42, wenn der Steuerschalter 58 geschlossen ist, dazu verwendet werden, die Überwachungsschaltung 54 so zu versorgen, dass sie ein Schaltersteuersignal Vg liefern kann, das die Versorgungsleitungsschalter 50 schließt und den Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung abschaltet. Das Schaltersteuersignal Vg kann ausgelöst werden, wenn das Steuerspannungssignal Vlow einen Spannungsschwellenwert erreicht. Alternativ kann das Schaltersteuersignal Vg bei IGBT-Schaltern das Steuerspannungssignal Vlow verfolgen und die Versorgungsleitungsschalter 50 veranlassen zu schließen, wenn die Gate-Spannung einen Schwellenwert der IGBT-Schalter übersteigt, wodurch ein Pfad nach Masse zwischen dem Kollektor und dem Ermittler bereitgestellt wird. Dadurch kann der Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung schnell und wirksam abgeschaltet werden, um die Fahrzeugbatterie 38 vor Beschädigung aufgrund eines unerwünschten Wechselstroms zu schützen, der durch die Empfangsantenne 18 erzeugt wird. Die Überwachungsschaltung 54 kann dasselbe Schaltersteuersignal Vg verwenden, um sowohl den positiven Versorgungsleitungsschalter 50a als auch den negativen Versorgungsleitungsschalter 50b zu steuern. Alternativ kann die Überwachungsschaltung 54 unterschiedliche Schaltersteuersignale an den positiven Versorgungsleitungsschalter 50a und den negativen Versorgungsleitungsschalter 50b ausgeben, um sie getrennt zu steuern.
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Wie zuvor beschrieben, kann die Überwachungsschaltung 54 während eines normalen drahtlosen Ladevorgangs Energie über das Steuerspannungssignal \/low der Sensorschaltung 48 von der Empfangsantenne 18 empfangen. Wenn die Niederspannungsbatterie 56 während des normalen Ladevorgangs von der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 getrennt wird, ist die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 möglicherweise außerstande, Daten mit der Ladebasis 14 auszutauschen, um den Ladevorgang zu beenden. Ohne drahtlose Datenübertragung kann eine angemessene Steuerung des Ladevorgangs verloren gehen, wodurch möglicherweise ein Schaden an der Fahrzeugbatterie 38 verursacht wird. Um zu verhindern, dass dies geschieht, kann die Überwachungsschaltung 54 des Weiteren dazu gestaltet sein, in Reaktion auf das Verlieren der Niederspannungsbatterie 56 die Versorgungsleitungsschalter 50 einzuschalten (zu schließen), um einen Pfad nach Masse für die elektrische Energie in der Versorgungsleitung 42 bereitzustellen, wodurch der Gleichrichter 44 wirksam von der Empfangsantenne 18 getrennt wird. Wenn die Niederspannungsbatterie 56 während eines normalen drahtlosen Ladens verloren geht, schließt der Steuerschalter 58 und lässt zu, dass das Steuerspannungssignal Vlow , das durch die Sensorschaltung 48 mithilfe der Versorgungsleitungsspannung erzeugt wird, die Versorgungsleitungsschalter 50 über die Überwachungsschaltung 54 steuert. Das heißt, wenn der Steuerschalter 58 geschlossen ist, kann die Überwachungsschaltung 54 das Schaltersteuersignal Vg an die Versorgungsleitungsschalter 50 liefern, wodurch diese veranlasst werden zu schließen. Die Überwachungsschaltung 54 kann darüber hinaus ein drahtloses Deaktivierungssignal an die Ladebasis 14 übertragen, wodurch die Ladebasis 14 angewiesen wird, die Wechselspannungs-Energiequelle 22 abzuschalten.
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4 veranschaulicht Zeitablaufdiagramme, die ein Beispiel für verschiedene Spannungsformen des drahtlosen Ladesystems graphisch darstellen, wenn die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 Energie von einer Streuenergiequelle 20 empfängt. Die graphische Darstellung 400A veranschaulicht die Wellenform der Spannung Vbatt der Niederspannungsbatterie, wenn die drahtlose Ladeeinrichtung nicht in Betrieb ist, um die Fahrzeugbatterie 38 zu laden. Wie dargestellt, beträgt die Spannung der Niederspannungsbatterie null Volt. Dementsprechend kann der Steuerschalter 58 eingeschaltet (d. h., geschlossen) sein.
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Die graphische Darstellung 400 B veranschaulicht die Wellenformen der positiven Versorgungsleitungsspannung Vp+ und der negativen Versorgungsleitungsspannung Vp- zusammengefügt. Die durchgezogene Linie gibt die positive Versorgungsleitungsspannung Vp+ an, während die gestrichelte Linie die negative Versorgungsleitungsspannung Vp-angibt. Zu einem Zeitpunkt t1 kann die Empfangsantenne 18 elektromagnetische Signale 21 von einer anderen Quelle als der Sendeantenne 16 wie zum Beispiel der Streuenergiequelle 20 empfangen und beginnt, Ströme in der Versorgungsleitung 42 zu erzeugen. Beispielsweise kann eine negative Versorgungsleitungsspannung Vp- bei ti an dem negativen Versorgungsleitungsleiter 42b auftreten. Die Sensorschaltung 48 kann die negative Versorgungsleitungsspannung Vp- erkennen und das Steuerspannungssignal Vlow mithilfe der Versorgungsleitungsspannung erzeugen. Das Steuerspannungssignal \/low von der Sensorschaltung 48 kann die Überwachungsschaltung 54 versorgen.
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Wie in der graphischen Darstellung 400C veranschaulicht, kann die Überwachungsschaltung 54 in Reaktion auf das Empfangen des Steuerspannungssignals Vlow etwa bei t1 beginnen, ein Schaltersteuersignal Vg zu erzeugen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei t1 das Schaltersteuersignal Vg unterhalb der Schwellenspannung Vth des Versorgungsleitungsschalters 50 liegen kann und daher außerstande sein kann, den Versorgungsleitungsschalter 50 zu schließen, um die Versorgungsleitung 42 wirksam von dem Gleichrichter 44 zu trennen. Die Spannung des Schaltersteuersignals Vg kann weiter ansteigen, während die Streuenergiequelle 20 weiterhin einen unerwünschten Strom in der Empfangsantenne 18 induziert. Zum Zeitpunkt t2 kann das Schaltersteuersignal Vg stark genug sein, um die Versorgungsleitungsschalter 50 zu schließen, (z. B. die Schwellenspannung Vth am Gate des IGBT übersteigen). Wenn die Versorgungsleitungsschalter geschlossen sind, werden die Versorgungsleitungsleiter 42 etwa bei t2 geerdet. Daher kann die Fahrzeugbatterie 38 wirksam von der Empfangsantenne 18 getrennt werden und auf diese Weise vor unerwünschter Energie von der Streuenergiequelle 20 geschützt werden. Die graphische Darstellung 400D veranschaulicht die Ausgangsspannung Vout am Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung. Wenn eine Streuspannung in der Versorgungsleitung 42 auftritt, kann die Ausgangsspannung Vout bis t2 steigen, zu dem die Fahrzeugbatterie 38 wirksam von der Empfangsantenne 18 getrennt wird.
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5 veranschaulicht Zeitablaufdiagramme, die verschiedene Spannungsformen auf der Fahrzeugseite des drahtlosen Ladesystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung graphisch darstellen. Die graphische Darstellung 500A veranschaulicht die Wellenformen der positiven Versorgungsleitungsspannung Vp+ und der negativen Versorgungsleitungsspannung Vp- zusammengefügt, während die Fahrzeugbatterie 38 in einem normalen Ladevorgang geladen wird. Die durchgezogene Linie gibt die positive Versorgungsleitungsspannung Vp+ an, während die gestrichelte Linie die negative Versorgungsleitungsspannung Vp- angibt. Beispielsweise können die Versorgungsleitungsspannungen Vp+ und Vp- beide halbe Sinuswellen sein, die um etwa 180 Grad phasenverschoben sind. Die graphische Darstellung 500B veranschaulicht die Wellenform der Spannung Vbatt der Niederspannungsbatterie. Während eines normalen Betriebs liefert die Niederspannungsbatterie 56 (in 3) die Spannung Vbatt der Niederspannungsbatterie an die Fahrzeug-Ladeeinheit 34, um die Steuerelektronik zu versorgen. Wie zum Zeitpunkt t3 dargestellt, kann die Spannung Vbatt der Niederspannungsbatterie auf etwa null Volt fallen, wodurch angegeben wird, dass die Niederspannungsbatterie 56 von der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 getrennt ist. Wenn sie die Energieversorgung von der Niederspannungsbatterie 56 verloren hat, ist die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 außerstande, Daten mit der Ladebasis 14 auszutauschen. Um die Fahrzeugbatterie 38 zu schützen, wenn dies geschieht, kann die Überwachungsschaltung 54 wiederum dazu gestaltet sein, den Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung durch Schließen der Versorgungsleitungsschalter 50 abzuschalten. Wenn zum Beispiel die Energie von der Niederspannungsbatterie 56 verloren wird, kann ein (nicht dargestelltes) Bordnetz seine Ausgangsspannung über einen Zeitraum (z. B. etwa 50 Millisekunden) aufrechterhalten. Während dieses Zeitraums kann die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 eine drahtlose Datenübertragung an die Ladebasis 14 senden, die die Wechselspannungs-Energiequelle 22 anweist, das Liefern von Energie zu beenden. Nachdem die Bordnetzspannung auf null gefallen ist, kann der Steuerschalter 58 eingeschaltet (d. h., geschlossen) werden, wodurch der Überwachungsschaltung 54 in Reaktion auf das Steuerspannungssignal Vlow von der Sensorschaltung 48 ermöglicht wird, die Versorgungsleitungsschalter 50 zu steuern. Auf Grundlage des Steuerspannungssignals kann die Überwachungsschaltung 54 das Schaltersteuersignal Vg , wie in der graphischen Darstellung 500C veranschaulicht, an die Versorgungsleitungsschalter 50 ausgeben, um die Schalter zu schließen (einzuschalten), die die Versorgungsleitung 42 wirksam erden. Dementsprechend kann der in der Empfangsantenne 18 induzierte Strom durch die Versorgungsleitungsschalter 50 an die Masse 52 abgeführt werden.
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6 ist ein Ablaufplan, der einen Prozess 600 zum Abschalten eines Ausgangs einer drahtlosen Ladeeinrichtung veranschaulicht, wenn eine Streuenergie erkannt wird. In dem Vorgang 602 kann die Sensorschaltung 48 der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 in der Versorgungsleitung 42 eine unerwünschte Spannungen erkennen, die durch einen Strom erzeugt wird, der von einer Streuenergiequelle 20 in der Versorgungsleitung induziert wird. Die unerwünschte Spannung von der Streuenergiequelle 20 kann erkannt werden, wenn sich die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 in einem Ruhemodus befindet (d. h., wenn die Fahrzeugbatterie 38 nicht bewusst geladen wird). In dem Vorgang 604 kann die Sensorschaltung 48 die unerwünschte Spannung in der Versorgungsleitung 42 in eine Niederspannungsausgabe (d. h., ein Steuerspannungssignal Vlow ) umwandeln. Das Steuerspannungssignal Vlow kann der Überwachungsschaltung 54 zugeführt werden, um die Überwachungsschaltung 54 zu versorgen, wie in dem Vorgang 606 vorgesehen. In dem Vorgang 608 kann die Überwachungsschaltung 54 in Reaktion auf ein Empfangen von Energie von dem Steuerspannungssignal Vlow ein Schaltersteuersignal Vg an einen Versorgungsleitungsschalter 50 ausgeben. Beispielsweise kann die Überwachungsschaltung 54 das Schaltersteuersignal Vg sowohl an den negativen Versorgungsleitungsschalter 50b, der mit dem positiven Versorgungsleitungsleiter 42a verbunden ist, als auch an den positiven Versorgungsleitungsschalter 50a ausgeben, der mit dem negativen Versorgungsleitungsleiter 42b verbunden ist. Das Schaltersteuersignal Vg kann die Versorgungsleitungsschalter 50 veranlassen, zu schließen und den in der Versorgungsleitung 42 induzierten Wechselstrom an Masse abzuführen, wodurch der Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung wirksam abgeschaltet wird.
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7 ist ein Ablaufplan, der einen Prozess 700 zum Abschalten des Ausgangs 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung veranschaulicht, wenn die Niederspannungsbatterie 56 während eines normalen drahtlosen Ladens von der Fahrzeug-Ladeeinheit 34 getrennt wird. Während eines normalen drahtlosen Ladens kann die Wechselspannungs-Energiequelle 22 in der Ladebasis 14 der Sendeantenne 16 einen Strom zum Induzieren eines Wechselstroms in der Empfangsantenne 18 liefern, der anschließend an die Versorgungsleitung 42 geliefert wird. In dem Vorgang 702 kann der Wechselstrom in der Versorgungsleitung 42 in einen Gleichstrom zum Laden der Fahrzeugbatterie 38 umgerichtet werden. In dem Vorgang 704 kann die Sensorschaltung 48 das Steuerspannungssignal Vlow mithilfe von Strom von der Versorgungsleitung 42 erzeugen. Während eines normalen drahtlosen Ladens kann der Steuerschalter 58 zwischen den Versorgungsleitungsschaltern 50 und der Überwachungsschaltung 54 geöffnet sein, wodurch das Schaltersteuersignal Vg von der Überwachungsschaltung 54 blockiert wird. Die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 benötigt möglicherweise Energie von der Niederspannungsbatterie 56 zum Steuern des Ladevorgangs. In dem Vorgang 706 kann die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 einen Verlust an Energie von der Niederspannungsbatterie 56 erkennen. Bei Erkennen des Verlusts der Niederspannungsbatterie 56 kann der Steuerschalter 58 geschlossen werden und kann die Überwachungsschaltung 54 die Versorgungsleitungsschalter 50 mithilfe des Steuerspannungssignals Vlow steuern, wie in Vorgang 708 vorgesehen. Darüber hinaus kann die Fahrzeug-Ladeeinheit 34 (z. B. die Überwachungsschaltung 54) in dem Vorgang 710 ein drahtloses Deaktivierungssignal an die Ladebasis 14 übertragen, um die Wechselspannungs-Energiequelle 22 in der Ladebasis abzuschalten.
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In dem Vorgang 712 kann die Überwachungsschaltung 54 in Reaktion auf ein Empfangen von Energie von dem Steuerspannungssignal Vlow ein Schaltersteuersignal Vg an einen Versorgungsleitungsschalter 50 ausgeben. Beispielsweise kann die Überwachungsschaltung 54 das Schaltersteuersignal Vg sowohl an den negativen Versorgungsleitungsschalter 50b, der mit dem positiven Versorgungsleitungsleiter 42a verbunden ist, als auch an den positiven Versorgungsleitungsschalter 50a ausgeben, der mit dem negativen Versorgungsleitungsleiter 42b verbunden ist. Das Schaltersteuersignal Vg kann die Versorgungsleitungsschalter veranlassen, zu schließen und den in der Versorgungsleitung 42 induzierten Wechselstrom an Masse abzuführen, wodurch der Ausgang 40 der drahtlosen Ladeeinrichtung wirksam abgeschaltet wird.
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Wenngleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Worte beschreibend statt einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesensgehalt und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszubilden.
