DE102021005981A1 - Transformer head for contactless absorption of energy, system for contactless transmission of energy and operating method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Übertragerkopf (50) zur berührungslosen Aufnahme von Energie, umfassend mindestens eine Sekundärwicklung (L2), mindestens einen Sekundärkondensator (C2), welcher mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung (60), welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator (C2) und mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, wobei eine Schaltvorrichtung (70) parallel zu dem Sekundärkondensator (C2) geschaltet ist, mittels welcher der Sekundärkondensator (C2) kurzschließbar ist, und die Gleichrichterschaltung (60) eine erste Schalteinheit (V1), eine zweite Schalteinheit (V2), eine dritte Schalteinheit (V3) und eine vierte Schalteinheit (V4) aufweist, wobei die Schalteinheiten (V1, V2, V3, V4) jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter (S1, S2, S3, S4) und einer Diode (D1, D2, D3, D4) umfassen. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf (50) und eine Energiequelle (40), welche eine Stromquelle (42) und einen Primärleiter (L1) aufweist, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung (L2) und der Primärleiter (L1) induktiv gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems.The invention relates to a pick-up (50) for receiving energy without contact, comprising at least one secondary winding (L2), at least one secondary capacitor (C2) which can be connected in series with the secondary winding (L2), and a rectifier circuit (60) which on the input side can be connected in series with the secondary capacitor (C2) and with the secondary winding (L2), a switching device (70) being connected in parallel with the secondary capacitor (C2), by means of which the secondary capacitor (C2) can be short-circuited, and the rectifier circuit (60) has a first switching unit (V1), a second switching unit (V2), a third switching unit (V3) and a fourth switching unit (V4), wherein the switching units (V1, V2, V3, V4) each have a parallel circuit consisting of a controllable switch (S1 , S2, S3, S4) and a diode (D1, D2, D3, D4). The invention also relates to a system for contactless transmission of energy, comprising at least one pick-up (50) according to the invention and an energy source (40), which has a current source (42) and a primary conductor (L1), the at least one secondary winding (L2) and the primary conductor (L1) are inductively coupled. The invention also relates to a method for operating a system according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie, welcher mindestens eine Sekundärwicklung, mindestens einen Sekundärkondensator, welcher mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung, welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator und mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie, welches mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf umfasst, und ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems.The invention relates to a pick-up for the contactless acquisition of energy, which comprises at least one secondary winding, at least one secondary capacitor which can be connected in series with the secondary winding, and a rectifier circuit which can be connected in series with the secondary capacitor and with the secondary winding on the input side. The invention also relates to a system for contactless transmission of energy, which comprises at least one pick-up according to the invention, and a method for operating a system according to the invention.
Zur Versorgung von mobilen Verbrauchern mit elektrischer Energie sind induktive Ladesysteme bekannt. Induktive Ladesysteme gestatten eine berührungslose Energieübertragung zu mobilen Verbrauchern. Bei den mobilen Verbrauchern handelt es sich insbesondere um autonom fahrende Fahrzeuge, die eine aufladbare Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie aufweisen.Inductive charging systems are known for supplying mobile consumers with electrical energy. Inductive charging systems allow contactless energy transfer to mobile consumers. The mobile consumers are, in particular, autonomously driving vehicles that have a chargeable battery for storing electrical energy.
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie, ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie und ein zugehöriges Betriebsverfahren weiterzubilden.The invention is based on the object of further developing a pick-up for the contactless absorption of energy, a system for the contactless transmission of energy and an associated operating method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved according to the invention by a pick-up for contactless absorption of energy with the features specified in claim 1. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims. The object is also achieved by a system for contactless transmission of energy with the features specified in claim 6. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims. The object is also achieved by a method for operating a system according to the invention with the features specified in claim 7 . Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie umfasst mindestens eine Sekundärwicklung, mindestens einen Sekundärkondensator, welcher mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung, welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator und mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist. Dabei ist eine Schaltvorrichtung parallel zu dem Sekundärkondensator geschaltet, mittels welcher der Sekundärkondensator kurzschließbar ist. Die Gleichrichterschaltung weist eine erste Schalteinheit, eine zweite Schalteinheit, eine dritte Schalteinheit und eine vierte Schalteinheit auf, wobei die Schalteinheiten jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter und einer Diode umfassen.A pick-up according to the invention for contactless absorption of energy comprises at least one secondary winding, at least one secondary capacitor which can be connected in series with the secondary winding, and a rectifier circuit which can be connected in series with the secondary capacitor and with the secondary winding on the input side. In this case, a switching device is connected in parallel to the secondary capacitor, by means of which the secondary capacitor can be short-circuited. The rectifier circuit has a first switching unit, a second switching unit, a third switching unit and a fourth switching unit, the switching units each comprising a parallel circuit made up of a controllable switch and a diode.
Wenn die Schaltvorrichtung geöffnet ist, so bilden der Sekundärkondensator und die Sekundärwicklung einen Schwingkreis. Ein erfindungsgemäßer Übertragerkopf ist je nach Ansteuerung der Schaltvorrichtung und der Schalter in mehreren Betriebszuständen zur Versorgung eines nachgeschalteten Verbrauchers betreibbar. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie. Ein von der Gleichrichterschaltung ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom ist dabei durch Wahl eines geeigneten Betriebszustandes vorgebbar.When the switching device is open, the secondary capacitor and the secondary winding form an oscillating circuit. Depending on the activation of the switching device and the switch, a pick-up according to the invention can be operated in several operating states to supply a downstream load. At the Ver need it is, for example, a resistive load, a drive converter or a rechargeable battery. An output current supplied by the rectifier circuit on the output side can be predetermined by selecting a suitable operating state.
Die Gleichrichterschaltung ist passiv betreibbar. Im passivem Betrieb der Gleichrichterschaltung sind die ansteuerbaren Schalter geöffnet, und die Gleichrichterschaltung wirkt wie ein B4-Brückengleichrichter. Positive Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch die erste Diode und die vierte Diode. Negative Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch die zweite Diode und die dritte Diode. Die Gleichrichterschaltung ist auch synchron betreibbar. Im synchronem Betrieb der Gleichrichterschaltung werden bei positiven Halbwellen des Sekundärstroms der erste Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der zweite Schalter sowie der dritte Schalter werden geöffnet. Bei negativen Halbwellen des Sekundärstroms werden der zweite Schalter sowie der dritte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der vierte Schalter werden geöffnet. Positive Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch den ersten Schalter und den vierten Schalter. Negative Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch den zweiten Schalter und den dritten Schalter.The rectifier circuit can be operated passively. In passive operation of the rectifier circuit, the controllable switches are open and the rectifier circuit acts like a B4 bridge rectifier. Positive half cycles of the secondary current flow through the first diode and the fourth diode. Negative half waves of the secondary current flow through the second diode and the third diode. The rectifier circuit can also be operated synchronously. In synchronous operation of the rectifier circuit, the first switch and the fourth switch are closed for positive half-waves of the secondary current, and the second switch and the third switch are opened. In the case of negative half-cycles of the secondary current, the second switch and the third switch are closed, and the first switch and the fourth switch are opened. Positive half cycles of the secondary current flow through the first switch and the fourth switch. Negative half cycles of the secondary current flow through the second switch and the third switch.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden bei geöffneter Schaltvorrichtung die Sekundärwicklung, der Sekundärkondensator und die Gleichrichterschaltung eine Reihenschaltung. Bei geschlossener Schaltvorrichtung bilden die Sekundärwicklung und die Gleichrichterschaltung eine Reihenschaltung. Der Sekundärkondensator ist bei geschlossener Schaltvorrichtung kurzgeschlossen.According to a preferred embodiment of the invention, when the switching device is open, the secondary winding, the secondary capacitor and the rectifier circuit form a series circuit. When the switching device is closed, the secondary winding and the rectifier circuit form a series circuit. The secondary capacitor is short-circuited when the switching device is closed.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltvorrichtung einen ersten Schalttransistor und einen zweiten Schalttransistor auf, welche jeweils eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren Schaltstrecke und einer Inversdiode umfassen. Dabei sind der erste Schalttransistor und der zweite Schalttransistor derart verschaltet, dass die erste Inversdiode und die zweite Inversdiode antiseriell verschaltet sind. Durch die Schalttransistoren ist die Schaltvorrichtung verhältnismäßig schnell und mit verlustarm schaltbar.According to an advantageous embodiment of the invention, the switching device has a first switching transistor and a second switching transistor, each of which includes a parallel connection of a controllable switching path and an inverse diode. In this case, the first switching transistor and the second switching transistor are connected in such a way that the first inverse diode and the second inverse diode are connected back-to-back in series. The switching device can be switched relatively quickly and with low losses by the switching transistors.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schalteinheiten jeweils als MOSFET, also als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, ausgebildet, wobei jede der besagten Dioden eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit darstellt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind auch die Schalttransistoren jeweils als MOSFET ausgebildet, wobei jede der besagten Inversdioden eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit darstellt. Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren sind verhältnismäßig schnell und mit verlustarm schaltbar und dabei kostengünstig und zuverlässig.According to a preferred embodiment of the invention, the switching units are each in the form of MOSFETs, ie metal oxide semiconductor field effect transistors, each of said diodes representing a body diode of the respective switching unit. According to a preferred embodiment of the invention, the switching transistors are each designed as MOSFETs, with each of said inverse diodes representing a body diode of the respective switching unit. Metal oxide semiconductor field effect transistors can be switched relatively quickly and with low losses, while being inexpensive and reliable.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Gleichrichterschaltung ausgangsseitig mit einem Glättungskondensator verbunden. Dadurch wird ein von der Gleichrichterschaltung ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom geglättet, und Restwelligkeiten werden verringert.According to an advantageous development of the invention, the rectifier circuit is connected to a smoothing capacitor on the output side. As a result, an output current supplied by the rectifier circuit on the output side is smoothed and residual ripples are reduced.
Ein erfindungsgemäßes System zur berührungslosen Übertragung von Energie umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf und eine Energiequelle, welche eine Stromquelle und einen Primärleiter aufweist. Dabei sind die mindestens eine Sekundärwicklung des Übertragerkopfs und der Primärleiter der Energiequelle induktiv gekoppelt. Die Sekundärwicklung und der Primärleiter bilden dabei einen Übertrager.A system according to the invention for the contactless transmission of energy comprises at least one pick-up according to the invention and an energy source, which has a current source and a primary conductor. The at least one secondary winding of the pick-up and the primary conductor of the energy source are inductively coupled. The secondary winding and the primary conductor form a transformer.
Ein erfindungsgemäßes System ist vorteilhaft zur Versorgung eines dem Übertragerkopf nachgeschalteten Verbrauchers mit elektrischer Energie einsetzbar. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie. Dabei ist Energie von der Energiequelle induktiv zu dem Übertragerkopf übertragbar. Der Übertragerkopf ist dabei in mehreren Betriebszuständen betreibbar, und ein ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom ist durch Wahl eines geeigneten Betriebszustandes vorgebbar.A system according to the invention can advantageously be used to supply electrical energy to a load connected downstream of the pick-up. The consumer is, for example, a resistive load, a drive converter or a chargeable battery. In this case, energy can be transmitted inductively from the energy source to the pick-up. The pick-up can be operated in a number of operating states, and an output current supplied on the output side can be predetermined by selecting a suitable operating state.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems zur berührungslosen Übertragung von Energie wird der Primärleiter von einem von der Stromquelle gelieferten Primärstrom mit einer Grundfrequenz und einer Grundperiode durchflossen; in der Sekundärwicklung wird dadurch ein Sekundärstrom induziert. An der Gleichrichterschaltung fällt ausgangsseitig eine Ausgangsspannung ab, und von der Gleichrichterschaltung wird ausgangsseitig ein Ausgangsstrom geliefert, insbesondere zur Versorgung eines dem Übertragerkopf nachgeschalteten Verbrauchers.In a method according to the invention for operating a system according to the invention for contactless transmission of energy, the primary conductor is traversed by a primary current supplied by the power source and having a fundamental frequency and a fundamental period; a secondary current is thereby induced in the secondary winding. An output voltage drops on the output side of the rectifier circuit, and an output current is supplied by the rectifier circuit on the output side, in particular for supplying a consumer connected downstream of the pick-up.
Die Grundperiode ist dabei der Kehrwert der Grundfrequenz. Dabei wird Energie von der Energiequelle induktiv zu dem Übertragerkopf übertragen, und ein dem Übertragerkopf nachgeschalteter Verbraucher wird mit elektrischer Energie versorgt. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie.The fundamental period is the reciprocal of the fundamental frequency. In this case, energy is transmitted inductively from the energy source to the pick-up, and a load connected downstream of the pick-up is supplied with electrical energy. The consumer is, for example, a resistive load, a drive converter or a chargeable battery.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem ersten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geschlossen. Die Gleichrichterschaltung wird passiv oder synchron betrieben.According to an advantageous development of the invention, the system is operated in a first operating state. Here is the switching device closed. The rectifier circuit is operated passively or synchronously.
In dem ersten Betriebszustand erfolgt ein nicht resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Der Sekundärkondensator ist dabei kurzgeschlossen. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so ist die Ausgangsspannung konstant. Bei variablem Widerstand fällt die Ausgangsspannung mit abnehmendem Widerstand. Im Leerlauf ist die Ausgangsspannung maximal. Im Kurzschlussfall ist der Strom durch eine Streuinduktivität des Übertragers begrenzt.In the first operating state, a non-resonant operation of the system according to the invention takes place. The secondary capacitor is short-circuited. If an ohmic load with a constant resistance is connected as a consumer, the output voltage is constant. With variable resistance, the output voltage falls as the resistance decreases. The output voltage is maximum when idling. In the event of a short circuit, the current is limited by a leakage inductance of the transformer.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem zweiten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geschlossen. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, sind der zweite Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der dritte Schalter sind geöffnet. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben.According to an advantageous development of the invention, the system is operated in a second operating state. In this case, the switching device is closed. In a first period of time, which is greater than or equal to the basic period, the second switch and the fourth switch are closed, and the first switch and the third switch are open. In a second time period, which is at least half the size of the basic period, the rectifier circuit is operated passively or synchronously.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.The first time period is preferably equal to the basic period or equal to an integer multiple of the basic period. The second period of time is preferably equal to half the basic period or equal to an integral multiple of half the basic period.
In dem zweiten Betriebszustand erfolgt ein nicht resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Der Sekundärkondensator ist dabei kurzgeschlossen. In dem ersten Zeitraum, wenn der zweite Schalter und der vierte Schalter geschlossen sind, ist die Gleichrichterschaltung eingangsseitig kurzgeschlossen. In dem zweiten Zeitraum läuft sich die Streuinduktivität des Übertragers gegen den Glättungskondensator frei. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so hängt die Ausgangsspannung von dem Verhältnis aus dem zweiten Zeitraum zu der Summe des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums ab. Je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung ist dabei kleiner oder gleich der Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand. Wenn der zweite Zeitraum unendlich groß ist, so wird die Gleichrichterschaltung ständig passiv oder synchron betrieben, wie im ersten Betriebszustand.In the second operating state, non-resonant operation of the system according to the invention takes place. The secondary capacitor is short-circuited. In the first time period, when the second switch and the fourth switch are closed, the rectifier circuit is short-circuited on the input side. In the second period, the leakage inductance of the transformer frees itself against the smoothing capacitor. If an ohmic load with a constant resistance is connected as a consumer, then the output voltage depends on the ratio of the second time period to the sum of the first time period and the second time period. The greater this ratio, the greater the output voltage. The output voltage is less than or equal to the output voltage in the first operating state. If the second period of time is infinitely long, the rectifier circuit is continuously operated passively or synchronously, as in the first operating state.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem dritten Betriebszustand betrieben. Dabei wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, ist die Schaltvorrichtung geschlossen. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, ist die Schaltvorrichtung geöffnet.According to an advantageous development of the invention, the system is operated in a third operating state. In this case, the rectifier circuit is operated passively or synchronously. The switching device is closed in a first time period, which is greater than or equal to the basic period. In a second time period, which is at least half as long as the basic period, the switching device is open.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.The first time period is preferably equal to the basic period or equal to an integer multiple of the basic period. The second period of time is preferably equal to half the basic period or equal to an integral multiple of half the basic period.
In dem dritten Betriebszustand erfolgt ein abschnittsweise resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so ist hängt die Ausgangsspannung von dem Verhältnis des zweiten Zeitraums zu dem ersten Zeitraum ab. Je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung ist dabei größer oder gleich der Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand. Wenn der erste Zeitraum unendlich groß ist, so ist die Schaltvorrichtung ständig geschlossen, wie im ersten Betriebszustand.In the third operating state, the system according to the invention is operated in sections with resonant operation. If an ohmic load with a constant resistance is connected as a consumer, then the output voltage depends on the ratio of the second time period to the first time period. The greater this ratio, the greater the output voltage. The output voltage is greater than or equal to the output voltage in the first operating state. If the first period of time is infinitely long, the switching device is permanently closed, as in the first operating state.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem vierten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geöffnet. Die Gleichrichterschaltung wird passiv oder synchron betrieben.According to an advantageous development of the invention, the system is operated in a fourth operating state. In this case, the switching device is open. The rectifier circuit is operated passively or synchronously.
In dem vierten Betriebszustand erfolgt ein vollresonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Die Ausgangsspannung ist zumindest annähernd konstant und zumindest annähernd unabhängig von dem Widerstand einer ohmschen Last, die als Verbraucher angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung ist dabei größer als die Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand. In the fourth operating state, the system according to the invention is operated in full resonant mode. The output voltage is at least approximately constant and at least approximately independent of the resistance of an ohmic load that is connected as a consumer. The output voltage is greater than the output voltage in the first operating state.
Der vierte Betriebszustand entspricht dem dritten Betriebszustand, wenn der zweite Zeitraum unendlich groß ist.The fourth operating state corresponds to the third operating state when the second period of time is infinite.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem fünften Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geöffnet. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, sind der zweite Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der dritte Schalter sind geöffnet. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben.According to an advantageous development of the invention, the system is operated in a fifth operating state. In this case, the switching device is open. In a first period of time, which is greater than or equal to the basic period, the second switch and the fourth switch are closed, and the first switch and the third switch are open. In a second time period, which is at least half the size of the basic period, the rectifier circuit is operated passively or synchronously.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.The first time period is preferably equal to the basic period or equal to an integer multiple of the basic period. The second period is preferably equal to half the basic period or equal to an integer multiple of half the basic period.
In dem fünften Betriebszustand erfolgt ein vollresonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems mit Verstärkung. Die Ausgangsspannung hängt von dem Verhältnis aus der Summe des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums zu dem zweiten Zeitraum ab. In dem ersten Zeitraum, wenn der zweite Schalter und der vierte Schalter geschlossen sind, ist die Gleichrichterschaltung eingangsseitig kurzgeschlossen, und die Sekundärwicklung und der Sekundärkondensator bilden einen Parallelschwingkreis ohne Last. Der Parallelschwingkreis schwingt auf, wobei ein hoher Sekundärstrom erzeugt wird. In dem zweiten Zeitraum entlädt sich die in dem Parallelschwingkreis enthaltene Energie weitgehend über die Gleichrichterschaltung in den Glättungskondensator und die angeschlossene Last.In the fifth operating state, there is fully resonant operation of the system according to the invention with amplification. The output voltage depends on the ratio of the sum of the first time period and the second time period to the second time period. In the first period, when the second switch and the fourth switch are closed, the rectifier circuit is short-circuited on the input side and the secondary winding and the secondary capacitor form a parallel resonant circuit with no load. The parallel resonant circuit oscillates, generating a high secondary current. In the second period, the energy contained in the parallel resonant circuit is largely discharged via the rectifier circuit into the smoothing capacitor and the connected load.
Unabhängig von dem aktuellen Betriebszustand des Systems wird die Schaltvorrichtung vorzugsweise zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, wenn eine an dem Sekundärkondensator anliegende Spannung einen Nulldurchgang hat.Regardless of the current operating state of the system, the switching device is preferably switched on at a point in time when a voltage present at the secondary capacitor has a zero crossing.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.The invention is not limited to the combination of features of the claims. For the person skilled in the art, there are further meaningful combinations of claims and/or individual claim features and/or features of the description and/or the figures, in particular from the task and/or the task arising from comparison with the prior art.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:
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1 : eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung.
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1 : a schematic representation of a system for contactless energy transmission.
Der Übertragerkopf 50 ist Teil eines mobilen Geräts. Bei dem mobilen Gerät handelt es sich vorliegend um ein autonom fahrendes Fahrzeug. Der Übertragerkopf 50 dient zur berührungslosen Aufnahme von Energie für das mobile Gerät, insbesondere für den Verbraucher 80. Bei dem Verbraucher 80 handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, insbesondere eine Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Antriebsmotors des mobilen Geräts oder um eine Lichtquelle. In diesem Fall wird die von dem Übertragerkopf 50 übertragene elektrische Energie unmittelbar von dem Verbraucher 80 verbraucht. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbraucher 80 um eine aufladbare Batterie. In diesem Fall wird die von dem Übertragerkopf 50 übertragene elektrische Energie in dem Verbraucher 80 gespeichert und später durch andere Komponenten des mobilen Geräts verbraucht.The pick-
Die Energiequelle 40 weist eine Stromquelle 42 und einen Primärleiter L1 auf. Der Primärleiter L1 ist dabei in Form einer Leiterschleife gelegt und weist eine erste Induktivität auf. Der Primärleiter L1 ist beispielsweise in einem Boden verlegt, auf welchem das mobile Gerät sich bewegt. Beispielsweise ist der Primärleiter L1 auch in einer Fahrschiene verlegt, an welcher sich das mobile Gerät bewegt. Das mobile Gerät fährt auf dem Boden, beispielsweise in einer technischen Anlage wie einem Produktionswerk. Der Primärleiter L1 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt. Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts befindet sich dabei in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Primärleiter L1 und ist insbesondere entlang des Primärleiters L1 bewegbar.The
Der Primärleiter L1 ist mit der Stromquelle 42 elektrisch verbunden und wird von einem Primärstrom 11 durchflossen, den die Stromquelle 42 liefert. Der Primärstrom 11 ist ein mittelfrequenter Wechselstrom und hat vorliegend eine Grundfrequenz F0 von 50 kHz. Eine Stromstärke des Primärstroms 11 beträgt vorliegend 60 A. Auch andere Grundfrequenzen, beispielsweise von 25 kHz bis 100 kHz, sowie andere Stromstärken, beispielsweise von 30 A bis 90 A, sind denkbar.The primary conductor L1 is electrically connected to the
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Sekundärwicklung L2 und einen Sekundärkondensator C2. Die Sekundärwicklung L2 weist eine zweite Induktivität auf. Der Sekundärkondensator C2 ist mit der Sekundärwicklung L2 in Reihe schaltbar. Dabei bilden der Sekundärkondensator C2 und die Sekundärwicklung L2 einen Reihenschwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises entspricht dabei der Grundfrequenz F0 des Primärstroms 11.The mobile device pick-
Der Übertragerkopf 50 ist derart angeordnet, dass die Sekundärwicklung L2 und der Primärleiter L1 über eine magnetische Kopplung M induktiv gekoppelt sind. Die Sekundärwicklung L2 und der Primärleiter L1 bilden dabei einen Übertrager. Somit ist Energie von der Energiequelle 40 zu der Sekundärwicklung L2 des Übertragerkopfs 50 und damit zu dem mobilen Gerät, insbesondere während der Fahrt des mobilen Geräts entlang des Primärleiters L1, übertragbar. Die magnetische Kopplung M eines offenen Übertragers ist abstandsbedingt und geometriebedingt verhältnismäßig schwach und weist typischerweise einen Kopplungsfaktor K von etwa 0,5 bis 0,9 auf.The pick-
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Gleichrichterschaltung 60. Die Gleichrichterschaltung 60 weist einen ersten Eingang 61, welcher mit dem Sekundärkondensator C2 verbunden ist, und einen zweiten Eingang 62, welcher mit der Sekundärwicklung L2 verbunden ist, auf. Die Gleichrichterschaltung 60 ist in der hier gezeigten Darstellung somit eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator C2 und mit der Sekundärwicklung L2, also mit dem Reihenschwingkreis, in Reihe geschaltet.The mobile device pick-
Die Gleichrichterschaltung 60 weist einen positiven Ausgang 63 und einen negativen Ausgang 64 auf. Zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 fällt eine Ausgangsspannung UA ab. Der Übertragerkopf 50 weist einen Glättungskondensator CA auf, der zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 angeschlossen ist. The
Die Gleichrichterschaltung 60 ist somit ausgangsseitig mit dem Glättungskondensator CA verbunden, an welchem die Ausgangsspannung UA anliegt.The
Auch der Verbraucher 80 ist zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung 60 ist somit ausgangsseitig mit dem Verbraucher 80 verbunden, an welchem ebenfalls die Ausgangsspannung UA anliegt. Die Gleichrichterschaltung 60 liefert ausgangsseitig einen Ausgangsstrom IA. Bei dem Ausgangsstrom IA handelt es sich weitgehend um einen Gleichstrom. Der Ausgangsstrom IA fließt daher fast ausschließlich durch den Verbraucher 80.The
Die Gleichrichterschaltung 60 weist eine erste Schalteinheit V1, eine zweite Schalteinheit V2, eine dritte Schalteinheit V3 und eine vierte Schalteinheit V4 auf. Die erste Schalteinheit V1 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren ersten Schalter S1 und einer ersten Diode D1. Die zweite Schalteinheit V2 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren zweiten Schalter S2 und einer zweiten Diode D2. Die dritte Schalteinheit V3 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren dritten Schalter S3 und einer dritten Diode D3. Die vierte Schalteinheit V4 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren vierten Schalter S4 und einer vierten Diode D4.The
Die erste Schalteinheit V1 ist zwischen den ersten Eingang 61 und den positiven Ausgang 63 geschaltet. Die zweite Schalteinheit V2 ist zwischen den ersten Eingang 61 und den negativen Ausgang 64 geschaltet. Die dritte Schalteinheit V3 ist zwischen den zweiten Eingang 62 und den positiven Ausgang 63 geschaltet. Die vierte Schalteinheit V4 ist zwischen den zweiten Eingang 62 und den negativen Ausgang 64 geschaltet. Die besagten Schalteinheiten V1, V2, V3, V4 sind dabei derart orientiert, dass die zugehörigen Dioden D1, D2, D3, D4 einen Brückengleichrichter zwischen den Eingängen 61, 62 und den Ausgängen 63, 64 bilden.The first switching unit V1 is connected between the
Die besagten Schalteinheiten V1, V2, V3, V4 sind jeweils als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet, beispielsweise als normalsperrender n-Kanal MOSFET. Jede der besagten Dioden D1, D2, D3, D4 stellt dabei eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit V1, V2, V3, V4 dar. Es ist aber auch denkbar, dass die Dioden D1, D2, D3, D4 als von den Schaltern S1, S2, S3, S4 separate Schaltelemente ausgebildet sind.Said switching units V1, V2, V3, V4 are each designed as a metal oxide semiconductor field effect transistor, for example as a normally blocking n-channel MOSFET. Each of the said diodes D1, D2, D3, D4 represents a body diode of the respective switching unit V1, V2, V3, V4. However, it is also conceivable that the diodes D1, D2, D3, D4 than from the switches S1 , S2, S3, S4 separate switching elements are formed.
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Schaltvorrichtung 70. Die Schaltvorrichtung 70 ist parallel zu dem Sekundärkondensator C2 geschaltet. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geöffnet ist, so bilden der Sekundärkondensator C2 und die Sekundärwicklung L2 einen Schwingkreis. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geschlossen ist, so ist der Sekundärkondensator C2 kurzgeschlossen. Der Sekundärkondensator C2 ist somit mittels der Schaltvorrichtung 70 kurzschließbar.The mobile
Die Schaltvorrichtung 70 weist einen ersten Schalttransistor V5 und einen zweiten Schalttransistor V6 auf. Der erste Schalttransistor V5 umfasst eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren ersten Schaltstrecke S5 und einer ersten Inversdiode D5. Der zweite Schalttransistor V6 umfasst eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren zweiten Schaltstrecke S6 und einer zweiten Inversdiode D6.The switching
Der erste Schalttransistor V5 und der zweite Schalttransistor V6 sind derart verschaltet, dass die fünfte Inversdiode D5 und die sechste Inversdiode D6 antiseriell verschaltet sind. Das bedeutet, eine der besagten Inversdiode D5, D6 ist immer in Sperrrichtung geschaltet. Wenn die erste Schaltstrecke S5 und die zweite Schaltstrecke S6 geöffnet sind, so ist die Schaltvorrichtung 70 geöffnet. Wenn die erste Schaltstrecke S5 und die zweite Schaltstrecke S6 geschlossen sind, so ist die Schaltvorrichtung 70 geschlossen.The first switching transistor V5 and the second switching transistor V6 are connected in such a way that the fifth inverse diode D5 and the sixth inverse diode D6 are connected back-to-back in series. This means that one of said inverse diodes D5, D6 is always switched in the reverse direction. When the first switching path S5 and the second switching path S6 are open, the switching
Die besagten Schalttransistoren V5, V6 der Schaltvorrichtung 70 sind jeweils als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet, beispielsweise als normalsperrender n-Kanal MOSFET. Jede der besagten Inversdioden D5, D6 stellt dabei eine Body-Diode des jeweiligen Schalttransistors V5, V6 dar.Said switching transistors V5, V6 of the
Der Übertragerkopf 50 weist eine hier nicht dargestellte Steuereinheit zum Ansteuern der Schalter S1, S2, S3, S4 sowie der Schaltstrecken S5, S6 auf. Die Steuereinheit ist beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers ausgebildet.The pick-
Der Primärleiter L1 wird, wie bereits erwähnt, von dem Primärstrom 11 durchflossen, den die Stromquelle 42 liefert. Durch die magnetische Kopplung M wird dadurch ein Sekundärstrom 12 in der Sekundärwicklung L2 induziert. Der Sekundärstrom 12 hat dabei die gleiche Grundfrequenz F0 wie der Primärstrom 11. Der Sekundärstrom 12 fließt durch die Eingänge 61, 62 in die Gleichrichterschaltung 60.As already mentioned, the primary current I1, which the
Wenn die Schaltvorrichtung 70 geöffnet ist, so fließt der Sekundärstrom 12 durch den aus dem Sekundärkondensator C2 und der Sekundärwicklung L2 gebildeten Schwingkreis. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geschlossen ist, so fließt der Sekundärstrom 12 durch die Sekundärwicklung L2 und durch die Schaltvorrichtung 70, aber nicht nennenswert durch den Sekundärkondensator C2.When the
Die Gleichrichterschaltung 60 ist passiv betreibbar. Dabei sind die ansteuerbaren Schalter S1, S2, S3, S4 geöffnet, und die Gleichrichterschaltung 60 wirkt wie ein B4-Brückengleichrichter. Positive Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch die erste Diode D1, die vierte Diode D4 und die Ausgänge 63, 64. Negative Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch die zweite Diode D2, die dritte Diode D3 und die Ausgänge 63, 64. Die Ausgangsspannung UA zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 ist somit immer positiv.The
Die Gleichrichterschaltung 60 ist auch synchron betreibbar. Dabei werden bei positiven Halbwellen des Sekundärstroms 12 der erste Schalter S1 sowie der vierte Schalter S4 geschlossen, und der zweite Schalter S2 sowie der dritte Schalter S3 werden geöffnet. Bei negativen Halbwellen des Sekundärstroms 12 werden der zweite Schalter S2 sowie der dritte Schalter S3 geschlossen, und der erste Schalter S1 sowie der vierte Schalter S4 werden geöffnet. Positive Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch den ersten Schalter S1, den vierten Schalter S4 und die Ausgänge 63, 64. Negative Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch den zweiten Schalter D2, den dritten Schalter D3 und die Ausgänge 63, 64. Die Ausgangsspannung UA zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 ist somit immer positiv.The
Bei passivem Betrieb der Gleichrichterschaltung 60 fällt an den Dioden D1, D2, D3, D4 jeweils eine Durchlassspannung ab. Bei synchronem Betrieb der Gleichrichterschaltung 60 fällt an den Schaltern S1, S2, S3, S4 eine Durchlassspannung ab, welche geringer ist als die Durchlassspannung der Dioden D1, D2, D3, D4. Somit ist die Ausgangsspannung UA bei synchronem Betrieb höher als bei passivem Betrieb.During passive operation of the
BezugszeichenlisteReference List
- 4040
- Energiequelleenergy source
- 4242
- Stromquellepower source
- 5050
- Übertragerkopfpick-up
- 6060
- Gleichrichterschaltungrectifier circuit
- 6161
- erster Eingangfirst entrance
- 6262
- zweiter Eingangsecond entrance
- 6363
- positiver Ausgangpositive outcome
- 6464
- negativer Ausgangnegative output
- 7070
- Schaltvorrichtungswitching device
- 8080
- Verbraucher consumer
- V1...V4V1...V4
- erste ... vierte Schalteinheitfirst ... fourth switching unit
- D1...D4D1...D4
- erste ... vierte Diodefirst ... fourth diode
- S1...S4S1...S4
- erster ... vierter Schalterfirst... fourth switch
- V5...V6V5...V6
- erster ... zweiter Schalttransistorfirst ... second switching transistor
- D5...D6D5...D6
- erste ... zweite Inversdiodefirst ... second inverse diode
- S5...S6S5...S6
- erste ... zweite Schaltstrecke first ... second contact gap
- CAAPPROX
- Glättungskondensatorsmoothing capacitor
- C2C2
- Sekundärkondensatorsecondary capacitor
- L1L1
- Primärleiterprimary conductor
- L2L2
- Sekundärwicklungsecondary winding
- MM
- magnetische Kopplungmagnetic coupling
- 1111
- Primärstromprimary current
- 1212
- Sekundärstromsecondary current
- IAi.a
- Ausgangsstromoutput current
- UAu.a
- Ausgangsspannungoutput voltage
- F0F0
- Grundfrequenzfundamental frequency
- T0T0
- Grundperiodebasic period
- KK
- Kopplungsfaktorcoupling factor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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-
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