DE102021005981A1 - Transformer head for contactless absorption of energy, system for contactless transmission of energy and operating method - Google Patents

Transformer head for contactless absorption of energy, system for contactless transmission of energy and operating method Download PDF

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Harald Wolf
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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 DE 10 2004 055 154 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Stromquelle, die mit einem langgestreckten Primärleiter verbunden ist. Ein mobiler Verbraucher, der entlang dem Primärleiter bewegbar ist, weist einen Übertragerkopf auf. Der Übertragerkopf weist eine Wicklung auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Übertragerkopf des Verbrauchers übertragbar.From the DE 10 2004 055 154 B4 a system for contactless energy transfer is known. The system includes a power source connected to an elongate primary conductor. A mobile consumer, which can be moved along the primary conductor, has a pick-up. The pick-up has a winding which is inductively coupled to the primary conductor. This inductive coupling means that energy can be transmitted from the primary conductor to the consumer's pick-up.

Die DE 10 2010 050 935 B4 offenbart eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung an ein Fahrzeug. Dabei wird Energie von einer stationären Spulenanordnung mit einer Spulenwicklung induktiv an eine in dem Fahrzeug vorgesehene Sekundärwicklung übertragen.the DE 10 2010 050 935 B4 discloses a device for contactless energy transfer to a vehicle. In this case, energy is transmitted inductively from a stationary coil arrangement with a coil winding to a secondary winding provided in the vehicle.

Aus der EP 2 223 408 B1 sind ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein zugehöriges Betriebsverfahren bekannt. Das System weist eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen und eine Mehrzahl von Sekundärkondensatoren auf, welche in Reihe zu einem Serienschwingkreis verschaltet sind. Die Sekundärwicklungen sind induktiv an einen stationär verlegten Primärleiter gekoppelt. Das System weist auch eine Gleichrichterschaltung auf, welche eingangsseitig mit dem Serienschwingkreis verschaltet ist.From the EP 2 223 408 B1 a system for contactless energy transmission and an associated operating method are known. The system has a plurality of secondary windings and a plurality of secondary capacitors which are connected in series to form a series resonant circuit. The secondary windings are inductively coupled to a stationary primary conductor. The system also has a rectifier circuit which is connected to the series resonant circuit on the input side.

Aus der DE 10 2015 210 825 A1 ist eine Transformatoranordnung bekannt, welche einen Primärkreis, einen Sekundärkreis und einen Gleichrichter aufweist. Eine Impedanz des Gleichrichters ist mittels einer Steuereinrichtung einstellbar.From the DE 10 2015 210 825 A1 a transformer arrangement is known which has a primary circuit, a secondary circuit and a rectifier. An impedance of the rectifier can be set using a control device.

Aus der JP 2012-19603 A ist ein berührungsloser Übertrager bekannt, welche eine Spule mit einem Kern und eine Gleichrichterschaltung aufweist.From the JP 2012-19603 A a non-contact transmitter is known which has a coil with a core and a rectifier circuit.

Aus der DE 10 2010 022 143 A1 ist eine Anordnung zur induktiven Energieübertragung an einen elektrischen Verbraucher bekannt. Die Anordnung umfasst einen Primärleiter, eine Sekundärwicklung und mehrere Kapazitäten.From the DE 10 2010 022 143 A1 an arrangement for inductive energy transmission to an electrical load is known. The arrangement includes a primary conductor, a secondary winding and several capacitances.

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:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung.
The invention will now be explained in more detail with reference to figures. The invention is not limited to the exemplary embodiments shown in the figures. The figures represent the subject matter of the invention only schematically. It shows:
  • 1 : a schematic representation of a system for contactless energy transmission.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Übertragung von Energie. Das System umfasst eine Energiequelle 40 und einen Übertragerkopf 50. Innerhalb des Systems ist Energie berührungslos von der Energiequelle 40 zu dem Übertragerkopf 50 übertragbar. Der Übertragerkopf 50 ist mittels elektrischer Leitungen mit einem Verbraucher 80 verbunden und überträgt elektrische Energie über die besagten elektrischen Leitungen zu dem Verbraucher 80. 1 shows a schematic representation of a system for contactless transmission of energy. The system comprises an energy source 40 and a pick-up 50. Within the system, energy can be transmitted from the energy source 40 to the pick-up 50 without contact. The pick-up 50 is connected to a consumer 80 by means of electrical lines and transmits electrical energy to the consumer 80 via said electrical lines.

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-up 50 is part of a mobile device. In the present case, the mobile device is an autonomously driving vehicle. The pick-up 50 is used for the contactless absorption of energy for the mobile device, in particular for the consumer 80. The consumer 80 is, for example, a resistive load, in particular a driver circuit for controlling a drive motor of the mobile device or a light source. In this case, the electrical energy transmitted by the pick-up 50 is consumed directly by the consumer 80 . For example, the load 80 is a chargeable battery. In this case, the electrical energy transmitted by the pick-up 50 is stored in the consumer 80 and later consumed by other components of the mobile device.

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 energy source 40 includes a current source 42 and a primary conductor L1. The primary conductor L1 is in the form of a conductor loop and has a first inductance. The primary conductor L1 is laid, for example, in a floor on which the mobile device is moving. For example, the primary conductor L1 is also laid in a rail on which the mobile device moves. The mobile device moves on the floor, for example in a technical facility such as a production plant. The primary conductor L1 is laid close to the surface of the floor. The pick-up 50 of the mobile device is located in the immediate vicinity of the ground above the primary conductor L1 and can be moved in particular along the primary conductor L1.

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 power source 42 and has a primary current I1 flowing through it, which the power source 42 supplies. The primary current 11 is a medium-frequency alternating current and in the present case has a fundamental frequency F0 of 50 kHz. A current intensity of the primary current 11 is presently 60 A. Other fundamental frequencies, for example from 25 kHz to 100 kHz, and other current intensities, for example from 30 A to 90 A, are also conceivable.

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-up 50 includes a secondary winding L2 and a secondary capacitor C2. The secondary winding L2 has a second inductance. The secondary capacitor C2 can be connected in series with the secondary winding L2. In this case, the secondary capacitor C2 and the secondary winding L2 form a series resonant circuit. The resonant frequency of this series resonant circuit corresponds to the fundamental frequency F0 of the primary current 11.

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-up 50 is arranged in such a way that the secondary winding L2 and the primary conductor L1 are inductively coupled via a magnetic coupling M. The secondary winding L2 and the In this case, the primary conductor L1 forms a transformer. Energy can thus be transmitted from the energy source 40 to the secondary winding L2 of the pick-up 50 and thus to the mobile device, in particular while the mobile device is traveling along the primary conductor L1. The magnetic coupling M of an open transformer is relatively weak due to the distance and geometry and typically has a coupling factor K of about 0.5 to 0.9.

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-up 50 includes a rectifier circuit 60. The rectifier circuit 60 has a first input 61 connected to the secondary capacitor C2 and a second input 62 connected to the secondary winding L2. In the illustration shown here, the rectifier circuit 60 is therefore connected in series on the input side with the secondary capacitor C2 and with the secondary winding L2, that is to say with the series resonant circuit.

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 rectifier circuit 60 has a positive output 63 and a negative output 64 . An output voltage UA drops between the positive output 63 and the negative output 64 . The pick-up 50 has a smoothing capacitor CA connected between the positive 63 and negative 64 outputs.

Die Gleichrichterschaltung 60 ist somit ausgangsseitig mit dem Glättungskondensator CA verbunden, an welchem die Ausgangsspannung UA anliegt.The rectifier circuit 60 is thus connected on the output side to the smoothing capacitor CA, at which the output voltage UA is present.

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 consumer 80 is also connected between the positive output 63 and the negative output 64 . The rectifier circuit 60 is thus connected on the output side to the consumer 80, to which the output voltage UA is also present. The rectifier circuit 60 supplies an output current IA on the output side. The output current IA is largely a direct current. The output current IA therefore flows almost exclusively through the consumer 80.

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 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. The first switching unit V1 includes a parallel circuit made up of a controllable first switch S1 and a first diode D1. The second switching unit V2 includes a parallel circuit made up of a controllable second switch S2 and a second diode D2. The third switching unit V3 includes a parallel circuit made up of a controllable third switch S3 and a third diode D3. The fourth switching unit V4 includes a parallel circuit made up of a controllable fourth switch S4 and a fourth diode D4.

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 first input 61 and the positive output 63 . The second switching unit V2 is connected between the first input 61 and the negative output 64 . The third switching unit V3 is connected between the second input 62 and the positive output 63 . The fourth switching unit V4 is connected between the second input 62 and the negative output 64 . Said switching units V1, V2, V3, V4 are oriented in such a way that the associated diodes D1, D2, D3, D4 form a bridge rectifier between the inputs 61, 62 and the outputs 63, 64.

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 device transmitter head 50 includes a switching device 70. The switching device 70 is connected in parallel with the secondary capacitor C2. When the switching device 70 is opened, the secondary capacitor C2 and the secondary winding L2 form an oscillating circuit. When switching device 70 is closed, secondary capacitor C2 is shorted. The secondary capacitor C2 can thus be short-circuited by means of the switching device 70.

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 device 70 has a first switching transistor V5 and a second switching transistor V6. The first switching transistor V5 includes a parallel circuit made up of a controllable first switching path S5 and a first inverse diode D5. The second switching transistor V6 includes a parallel circuit made up of a controllable second switching path S6 and a second inverse diode D6.

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 device 70 is open. When the first switching path S5 and the second switching path S6 are closed, the switching device 70 is closed.

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 switching device 70 are each formed as a metal oxide semiconductor field effect transistor, for example as a normally blocking n-channel MOSFET. Each of said inverse diodes D5, D6 represents a body diode of the respective switching transistor V5, V6.

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-up 50 has a control unit, not shown here, for driving the switches S1, S2, S3, S4 and the switching paths S5, S6. The control unit is designed, for example, in the form of a microcontroller.

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 current source 42 supplies, flows through the primary conductor L1. The magnetic coupling M thereby induces a secondary current 12 in the secondary winding L2. The secondary current 12 has the same fundamental frequency F0 as the primary current 11. The secondary current 12 flows through the inputs 61, 62 into the rectifier circuit 60.

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 switching device 70 is open, the secondary current I2 flows through the oscillating circuit formed by the secondary capacitor C2 and the secondary winding L2. When switching device 70 is closed, secondary current I2 flows through secondary winding L2 and through switching device 70, but not appreciably through secondary capacitor C2.

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 rectifier circuit 60 can be operated passively. In this case, the controllable switches S1, S2, S3, S4 are open, and the rectifier circuit 60 acts like a B4 bridge rectifier. Positive half cycles of the secondary current 12 flow through the first diode D1, the fourth diode D4 and the outputs 63, 64. Negative half cycles of the secondary current 12 flow through the second diode D2, the third diode D3 and the outputs 63, 64. The output voltage UA between the positive output 63 and the negative output 64 is thus always positive.

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 rectifier circuit 60 can also be operated synchronously. In the case of positive half-waves of the secondary current I2, the first switch S1 and the fourth switch S4 are closed, and the second switch S2 and the third switch S3 are opened. In the case of negative half-waves of the secondary current I2, the second switch S2 and the third switch S3 are closed, and the first switch S1 and the fourth switch S4 are opened. Positive half cycles of the secondary current 12 flow through the first switch S1, the fourth switch S4 and the outputs 63, 64. Negative half cycles of the secondary current 12 flow through the second switch D2, the third switch D3 and the outputs 63, 64. The output voltage UA between the positive output 63 and the negative output 64 is thus always positive.

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 rectifier circuit 60, a forward voltage drops across the diodes D1, D2, D3, D4. During synchronous operation of the rectifier circuit 60, a forward voltage drops across the switches S1, S2, S3, S4, which is lower than the forward voltage of the diodes D1, D2, D3, D4. The output voltage UA is therefore higher in synchronous operation than in passive operation.

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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  • JP 2012019603 A [0007]JP 2012019603 A [0007]
  • DE 102010022143 A1 [0008]DE 102010022143 A1 [0008]

Claims (12)

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, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltvorrichtung (70) parallel zu dem Sekundärkondensator (C2) geschaltet ist, mittels welcher der Sekundärkondensator (C2) kurzschließbar ist, und dass 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. Transformer head (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 is connected to the secondary capacitor ( C2) and can be connected in series with the secondary winding (L2), characterized in that a switching device (70) is connected in parallel to the secondary capacitor (C2), by means of which the secondary capacitor (C2) can be short-circuited, and in that 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). Übertragerkopf (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffneter Schaltvorrichtung (70) die Sekundärwicklung (L2), der Sekundärkondensator (C2) und die Gleichrichterschaltung (60) eine Reihenschaltung bilden, und dass bei geschlossener Schaltvorrichtung (70) die Sekundärwicklung (L2) und die Gleichrichterschaltung (60) eine Reihenschaltung bilden.pick-up (50) according to claim 1 , characterized in that when the switching device (70) is open, the secondary winding (L2), the secondary capacitor (C2) and the rectifier circuit (60) form a series circuit, and that when the switching device (70) is closed, the secondary winding (L2) and the rectifier circuit (60 ) form a series connection. Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (70) einen ersten Schalttransistor (V5) und einen zweiten Schalttransistor (V6) aufweist, welche jeweils eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren Schaltstrecke (S5, S6) und einer Inversdiode (D5, D6) umfassen, wobei der erste Schalttransistor (V5) und der zweite Schalttransistor (V6) derart verschaltet sind, dass die erste Inversdiode (D5) und die zweite Inversdiode (D6) antiseriell verschaltet sind.Pickup head (50) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (70) has a first switching transistor (V5) and a second switching transistor (V6), each of which is a parallel circuit comprising a controllable switching path (S5, S6) and an inverse diode (D5, D6), wherein the first switching transistor (V5) and the second switching transistor (V6) are connected in such a way that the first inverse diode (D5) and the second inverse diode (D6) are connected back-to-back in series. Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (V1, V2, V3, V4) jeweils als MOSFET ausgebildet sind, wobei jede der besagten Dioden (D1, D2, D3, D4) eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit (V1, V2, V3, V4) darstellt, und/oder dass die Schalttransistoren (V5, V6) jeweils als MOSFET ausgebildet sind, wobei jede der besagten Inversdioden (D5, D6) eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit (V5, V6) darstellt.Transmitter head (50) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching units (V1, V2, V3, V4) are each designed as MOSFETs, each of said diodes (D1, D2, D3, D4) being a body diode of the respective switching unit (V1, V2, V3, V4) and/or that the switching transistors (V5, V6) are each designed as MOSFETs, each of said inverse diodes (D5, D6) being a body diode of the respective switching unit (V5, V6) represents. Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig mit einem Glättungskondensator (CA) verbunden ist.Transmitter head (50) according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier circuit (60) is connected to a smoothing capacitor (CA) on the output side. System zur berührungslosen Übertragung von Energie, umfassend mindestens einen Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 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.System for contactless transmission of energy, comprising at least one pick-up (50) according to one of the preceding claims and a power source (40) having a current source (42) and a primary conductor (L1), wherein the at least one secondary winding (L2) and the primary conductor (L1) are inductively coupled. Verfahren zum Betrieb eines Systems nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter (L1) von einem von der Stromquelle (42) gelieferten Primärstrom (11) mit einer Grundfrequenz (F0) und einer Grundperiode (T0) durchflossen wird; in der Sekundärwicklung (L2) ein Sekundärstrom (12) induziert wird; an der Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig eine Ausgangsspannung (UA) abfällt, und von der Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig ein Ausgangsstrom (IA) geliefert wird.Procedures for operating a system claim 6 , characterized in that the primary conductor (L1) is traversed by a primary current (11) supplied by the current source (42) and having a fundamental frequency (F0) and a fundamental period (T0); a secondary current (12) is induced in the secondary winding (L2); an output voltage (UA) drops on the output side of the rectifier circuit (60), and an output current (IA) is supplied by the rectifier circuit (60) on the output side. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem ersten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.procedure after claim 7 , characterized in that the system is operated in a first operating state, wherein the switching device (70) is closed, and wherein the rectifier circuit (60) is operated passively or synchronously. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem zweiten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, der zweite Schalter (S2) sowie der vierte Schalter (S4) geschlossen sind, und der erste Schalter (S1) sowie der dritte Schalter (S3) geöffnet sind, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.procedure after claim 7 , characterized in that the system is operated in a second operating state, wherein the switching device (70) is closed, and wherein in a first time period, which is greater than or equal to the basic period (T0), the second switch (S2) and the fourth Switch (S4) are closed, and the first switch (S1) and the third switch (S3) are open, and wherein the rectifier circuit (60) is passive in a second time period which is at least half as long as the basic period (T0). or operated synchronously. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem dritten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist.procedure after claim 7 , characterized in that the system is operated in a third operating state, with the rectifier circuit (60) being operated passively or synchronously, and with the switching device (70) being closed for a first time period which is greater than or equal to the basic period (T0), and with in a second period of time which is at least half as large as the basic period (T0), the switching device (70) is open. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem vierten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist, und wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.procedure after claim 7 , characterized in that the system is operated in a fourth operating state, wherein the switching device (70) is open, and wherein the rectifier circuit (60) is operated passively or synchronously. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem fünften Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, der zweite Schalter (S2) sowie der vierte Schalter (S4) geschlossen sind, und der erste Schalter (S1) sowie der dritte Schalter (S3) geöffnet sind, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.procedure after claim 7 , characterized in that the system is operated in a fifth operating state, wherein the switching device (70) is open, and wherein in a first time period, which is greater than or equal to the basic period (T0), the second switch (S2) and the fourth Switch (S4) are closed, and the first switch (S1) and the third switch (S3) are open, and wherein the rectifier circuit (60) is passive in a second time period which is at least half as long as the basic period (T0). or operated synchronously.
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