DE102022002713A1 - System for contactless power transmission from a primary conductor to a handset - Google Patents
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Abstract
System zur berührungslosen Energieübertragung von einem Primärleiter an ein Mobilteil,wobei das Mobilteil eine Sekundärwicklung aufweist,wobei zur Bildung eines Resonanzkreises der Sekundärwicklung eine Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet ist,wobei aus dem Resonanzkreis ein Gleichrichter versorgt ist, an dessen Ausgang ein Glättungskondensator angeordnet ist, dem eine Last, insbesondere Verbraucher, parallel zugeschaltet ist,wobei der Gleichrichter steuerbare Schalter aufweist, mit denen der Resonanzkreis und/oder der Eingang des Gleichrichters kurzschließbar ist,insbesondere wobei der Resonanzkreis den wechselspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters speist und am gleichspannungsseitige Anschluss der Glättungskondensator angeschlossen ist und/oder die Last aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss gespeist wird.System for non-contact energy transmission from a primary conductor to a mobile part, the mobile part having a secondary winding, a capacitance being connected in series or in parallel to form a resonant circuit of the secondary winding, a rectifier being supplied from the resonant circuit, with a smoothing capacitor being arranged at its output to which a load, in particular a consumer, is connected in parallel, with the rectifier having controllable switches with which the resonant circuit and/or the input of the rectifier can be short-circuited, in particular with the resonant circuit feeding the AC voltage-side connection of the rectifier and the smoothing capacitor being connected to the DC voltage-side connection and/or the load is fed from the connection on the DC voltage side.
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Energieübertragung von einem Primärleiter an ein Mobilteil.The invention relates to a system for contactless power transmission from a primary conductor to a handset.
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur berührungslosen Energieübertragung kompakt weiterzubilden.The invention is therefore based on the object of further developing a system for contactless energy transmission in a compact manner.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, the object is achieved with the system according to the features specified in
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass das System zur berührungslosen Energieübertragung von einem Primärleiter an ein Mobilteil vorgesehen ist,
wobei das Mobilteil eine Sekundärwicklung aufweist,
wobei zur Bildung eines Resonanzkreises der Sekundärwicklung eine Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet ist,
wobei aus dem Resonanzkreis ein Gleichrichter versorgt ist, an dessen Ausgang ein Glättungskondensator angeordnet ist, dem eine Last, insbesondere Verbraucher, parallel zugeschaltet ist,
wobei der Gleichrichter steuerbare Schalter aufweist, mit denen der Resonanzkreis und/oder der Eingang des Gleichrichters kurzschließbar ist,
insbesondere wobei der Resonanzkreis den wechselspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters speist und am gleichspannungsseitige Anschluss der Glättungskondensator
angeschlossen ist und/oder die Last aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss gespeist wird.Important features of the invention in the system are that the system is provided for contactless energy transmission from a primary conductor to a handset,
wherein the handset has a secondary winding,
a capacitance being connected in series or in parallel to form a resonant circuit of the secondary winding,
A rectifier is supplied from the resonant circuit, at the output of which a smoothing capacitor is arranged, to which a load, in particular a consumer, is connected in parallel,
wherein the rectifier has controllable switches with which the resonant circuit and/or the input of the rectifier can be short-circuited,
In particular, the resonant circuit feeds the connection of the rectifier on the AC voltage side and the smoothing capacitor on the connection on the DC voltage side
is connected and/or the load is fed from the DC-side connection.
Von Vorteil ist dabei, dass der Gleichrichter auch als Regler verwendbar ist und somit das System sehr kompakt ausführbar ist.The advantage here is that the rectifier can also be used as a regulator and the system can therefore be designed to be very compact.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mobilteil auf einem Boden verfahrbar und die Sekundärwicklung ist auf einer dem Boden zugewandten Seite des Mobilteils angeordnet,
insbesondere wobei der Primärleiter langgestreckt im Boden verlegt ist oder als Spulenwicklung im Boden angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Mobilteil keinen großen Enegiespeicher benötigt, da es während des Fahrens beladbar ist. Somit ist das Mobilteil kompakt ausführbar.In an advantageous embodiment, the handset can be moved on a floor and the secondary winding is arranged on a side of the handset facing the floor.
in particular where the primary conductor is laid in the ground in an elongated manner or is arranged in the ground as a coil winding. The advantage here is that the handset does not require a large energy storage device since it can be charged while driving. Thus, the handset is compact executable.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mobilteil ein Schienenfahrzeug, wobei der Primärleiter entlang oder parallel zu einer vom Mobilteil befahrbaren Schiene bewegbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Mobilteil als kompaktes Schienenfahrzeug ausführbar ist, da der Energiespeicher klein wählbar ist und das Mobilteil somit kompakt ausführbar ist.In an alternative advantageous embodiment, the mobile part is a rail vehicle, with the primary conductor being movable along or parallel to a rail that the mobile part can travel on. The advantage here is that the handset can be designed as a compact rail vehicle, since the energy store can be selected to be small and the handset can therefore be designed to be compact.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gleicht die Resonanzfrequenz des aus der Sekundärwicklung und der Kapazität gebildeten Resonanzkreises, insbesondere Schwingkreises, der Frequenz des, insbesondere von einer Stromquelle, in den Primärleiter eingeprägten Wechselstroms. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad bei der induktiven Übertragung erreichbar ist.In an advantageous embodiment, the resonant frequency of the resonant circuit formed from the secondary winding and the capacitance, in particular the oscillating circuit, is equal to the frequency of the alternating current impressed in the primary conductor, in particular from a current source. The advantage here is that a high level of efficiency can be achieved with inductive transmission.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gleichrichter ein aus Dioden gebildeter Brückengleichrichter,
wobei ein erster der steuerbaren Schalter einer ersten der Dioden parallel zugeschaltet ist, wobei ein zweiter der steuerbaren Schalter einer zweiten der Dioden parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Gleichrichter kostengünstig und kompakt ausführbar ist.In an advantageous embodiment, the rectifier is a bridge rectifier formed from diodes,
wherein a first of the controllable switches is connected in parallel to a first of the diodes, wherein a second of the controllable switches is connected in parallel to a second of the diodes. The advantage here is that the rectifier can be implemented in a cost-effective and compact manner.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Gleichrichter zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen auf, wobei die erste der beiden Reihenschaltungen zwei in Reihe geschaltete Dioden aufweist, wobei einer ersten der beiden Dioden ein erster der steuerbaren Schalter parallel zugeschaltet ist,
wobei die zweite der beiden Reihenschaltungen zwei weitere, in Reihe geschaltete Dioden aufweist, wobei einer ersten der beiden weiteren Dioden ein zweiter der steuerbaren Schalter parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Gleichrichter kostengünstig und kompakt ausführbar ist. Denn es ist keine Drossel zwischen dem Gleichrichter und der Last vorgesehen und somit wird der Last direkt vom Gleichrichter die Spannung und der Strom zur Verfügung gestellt.In an advantageous embodiment, the rectifier has two series circuits connected in parallel with one another, the first of the two series circuits having two diodes connected in series, a first of the two diodes being connected in parallel with a first of the controllable switches,
wherein the second of the two series circuits has two further diodes connected in series, with a first of the two further diodes being connected in parallel with a second of the controllable switches. The advantage here is that the rectifier can be implemented in a cost-effective and compact manner. Because there is no choke between the rectifier and the load, the voltage and current are made available to the load directly by the rectifier.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder der steuerbaren Schalter mit einem unteren Potential der Ausgangsspannung des Gleichrichters und/oder des Glättungskondensators verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass der Kurzschluss über das untere Potential erfolgt.In an advantageous embodiment, each of the controllable switches is connected to a lower potential of the output voltage of the rectifier and/or the smoothing capacitor. The advantage here is that the short circuit occurs via the lower potential.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gleichrichter als Synchrongleichrichter ausgeführt und/oder dass der Gleichrichter zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen aufweist,
wobei die erste der beiden Reihenschaltungen zwei in Reihe geschaltete steuerbare Schalter aufweist,
wobei die zweite der beiden Reihenschaltungen zwei weitere, in Reihe geschaltete steuerbare Schalter aufweist,
wobei eine Regeleinheit die Ansteuersignale den steuerbaren Schaltern zuführt, insbesondere in Abhängigkeit von der am wechselspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters anliegenden Spannung oder in Abhängigkeit von dem Eingangsstrom des Gleichrichters,
insbesondere wobei die steuerbaren Schalter als MOSFET ausgeführt sind. Von Vorteil ist dabei, dass im Takt der Wechselspannung, insbesondere bei Stromnulldurchgang der Zustand der steuerbaren Schalter verändert wird. Somit sind möglichst geringe Verluste bewirkt.In an advantageous embodiment, the rectifier is designed as a synchronous rectifier and/or the rectifier has two series circuits connected in parallel with one another,
wherein the first of the two series circuits has two series-connected controllable switches,
the second of the two series circuits having two further controllable switches connected in series,
wherein a control unit supplies the control signals to the controllable switches, in particular as a function of the AC voltage side Connection of the rectifier applied voltage or depending on the input current of the rectifier,
in particular, the controllable switches being embodied as MOSFETs. The advantage here is that the state of the controllable switches is changed in time with the AC voltage, in particular when the current passes through zero. This results in the lowest possible losses.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Last direkt aus dem gleichspannugnsseitigen Anschluss des Gleichrichters versorgt, also ohne zwischengeordnete Drosselinduktivität. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drossel nicht notwendig ist und somit das System kompakt ausführbar ist.In an advantageous embodiment, the load is supplied directly from the connection of the rectifier on the DC voltage side, that is to say without an interposed choke inductance. The advantage here is that a choke is not necessary and the system can therefore be designed to be compact.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt eine Regeleinheit die Ansteuersignale für die steuerbaren Schalter,
wobei das System einen Spannungssensor zur Erfassung der an der Last anliegenden Spannung und/oder der Ausgangsspannung des Gleichrichters aufweist und/oder einen Stromsensor zur Erfassung des am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters austretenden oder eintretenden Stroms,
wobei die Regeleinheit mit dem Spannungssensor und/oder Stromsensor verbunden ist, insbesondere wobei die mit dem Spannungssensor und/oder Stromsensor erfassten Istwerte der Regeleinheit zugeführt werden,
insbesondere wobei die Regeleinheit einen Regler aufweist, der die Ansteuersignale in Abhängigkeit von den Sensorsignalen des Spannungssensors und/oder Stromsensors erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dassIn an advantageous embodiment, a control unit generates the control signals for the controllable switches,
wherein the system has a voltage sensor for detecting the voltage applied to the load and/or the output voltage of the rectifier and/or a current sensor for detecting the current exiting or entering the DC voltage-side connection of the rectifier,
wherein the control unit is connected to the voltage sensor and/or current sensor, in particular wherein the actual values detected by the voltage sensor and/or current sensor are fed to the control unit,
In particular, the control unit has a controller which generates the control signals as a function of the sensor signals from the voltage sensor and/or current sensor. The advantage is that
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Regler ein linearer Regler, insbesondere PI-Regler, oder ein Zweipunktregler. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiger Regler verwendbar ist. Der Zweipunktregler gibt von selbst schon ein digitales Signal heraus, so dass die steuerbaren Schalter entweder das Kurzschließen ausführen oder nicht. Bei Verwendung des linearen Reglers muss das Ausgangssignal noch diskretisiert beziehungsweise digitalisiert werden, damit die Zeitdauer des Kurzschließens dem diskretisierten beziehungsweise digitalisierten Ausgangssignal entspricht.In an advantageous embodiment, the controller is a linear controller, in particular a PI controller, or a two-point controller. The advantage here is that an inexpensive controller can be used. The bang-bang controller already gives out a digital signal by itself, so that the controllable switches either perform the shorting or not. When using the linear controller, the output signal must still be discretized or digitized so that the duration of the short-circuiting corresponds to the discretized or digitized output signal.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Regeleinheit derart ausgeführt, dass der Zustand der steuerbaren Schalter nur im Stromnulldurchgang des in den Primärleiter eingeprägten Wechselstroms verändert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Verluste gering sind.In an advantageous embodiment, the control unit is designed in such a way that the state of the controllable switches is changed only when the current passes through zero of the alternating current impressed on the primary conductor. The advantage here is that the losses are small.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Regeleinheit derart ausgeführt, dass die Zeitdauer des Kurzschließens einem ganzzahligem Vielfachen der Periodendauer des in den Primärleiter eingeprägten Wechselstroms gleicht, insbesondere unter Berücksichtigung der Totzeit der steuerbaren Schalter. Von Vorteil ist dabei, dass die Zustandsänderungen im Takt des Wechselstroms erfolgen. Somit ist die Zustandsänderung jeweils im Bereich des Nulldurchgangs ausgeführt und dadurch eine Verlustminimierung erreicht.In an advantageous embodiment, the control unit is designed in such a way that the duration of the short-circuiting is an integral multiple of the period duration of the alternating current impressed into the primary conductor, in particular taking into account the dead time of the controllable switches. The advantage here is that the status changes take place in sync with the alternating current. Thus, the state change is carried out in the area of the zero crossing and a minimization of losses is thereby achieved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden vor und nach dem Kurzschließen die steuerbaren Schalter derart angesteuert, dass der Gleichrichter als Synchrongleichrichter fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders verlustarme Gleichrichtung ausführbar ist.In an advantageous embodiment, the controllable switches are controlled before and after the short-circuiting in such a way that the rectifier functions as a synchronous rectifier. The advantage here is that a particularly low-loss rectification can be carried out.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems sind, dass das System einen aus einem Resonanzkreis gespeisten, eine Last versorgenden Gleichrichter aufweist, der steuerbare Schalter aufweist, mit denen der Resonanzkreis kurzschließbar ist, insbesondere zeitlich wiederkehrend kurzschließbar ist,
wobei die steuerbaren Schalter derart angesteuert werden, dass die Zeitdauer des Kurzschließens ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des im Resonanzkreis fließenden Wechselstromes, insbesondere oder des in einen induktiv mit einer Sekundärwicklung des Resonanzkreises gekoppelten Primärleiter eingeprägten Wechselstromes, ist, insbesondere unter Berücksichtigung der Totzeit der steuerbaren Schalter,
wobei die Zeitdauer, insbesondere von einem Regler, derart gestellt wird, dass der Istwert der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters anliegenden Spannung auf einen Spannungssollwert hin geregelt wird und/oder der Istwert des am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters austretenden oder eintretenden Stroms auf einen Stromsollwert hin geregelt wird.Important features of the method for operating a system are that the system has a rectifier that is fed from a resonant circuit and supplies a load, which has controllable switches with which the resonant circuit can be short-circuited, in particular can be short-circuited repeatedly over time,
wherein the controllable switches are controlled in such a way that the duration of the short-circuiting is an integer multiple of the period of the alternating current flowing in the resonant circuit, in particular or of the alternating current impressed in a primary conductor inductively coupled to a secondary winding of the resonant circuit, in particular taking into account the dead time of the controllable switches ,
the period of time being set, in particular by a controller, in such a way that the actual value of the voltage present at the connection of the rectifier on the DC voltage side is regulated towards a desired voltage value and/or the actual value of the current exiting or entering the connection of the rectifier on the DC voltage side is regulated towards a desired current value becomes.
Von Vorteil ist dabei, dass der Gleichrichter selbst als Stellglied verwendbar ist und keine Drossel zwischen dem Gleichrichter und der Last notwendig ist. Somit ist eine kompakte Ausführung erreichbar. Außerdem ist durch das Schalten im Bereich des Stromnulldurchgangs ein verlustarmer Betrieb erreichbar.The advantage here is that the rectifier itself can be used as an actuator and no choke is required between the rectifier and the load. A compact design can thus be achieved. In addition, low-loss operation can be achieved by switching in the area of the current zero crossing.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zustand der steuerbaren Schalter nur im Stromnulldurchgang des Wechselstroms verändert. Von Vorteil ist dabei, dass ein verlustarmer Betrieb erreichbar ist.In an advantageous embodiment, the state of the controllable switch is changed only when the alternating current passes through zero. The advantage here is that low-loss operation can be achieved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vor und nach dem Kurzschließen die Last, insbesondere zusammen mit einem am gleichspannugnsseitigen Anschluss des Gleichrichters angeordneten Glättungskondensator, aus dem Gleichrichter versorgt,
insbesondere wobei der Gleichrichter, insbesondere der als Brückengleichrichter ausgeführte Gleichrichter, als Synchrongleichrichter betrieben wird. Von Vorteil ist dabei, dass vor und nach dem Kurzschließen eine Gleichrichtung, insbesondere eine Synchrongleichrichtung, ausführbar ist und somit der Last eine dem Verhältnis des Kurzschließens zur Gleichrichtung entsprechende Spannung zur Verfügung stellbar ist.In an advantageous embodiment, before and after the short-circuiting, the load, in particular together with a smoothing device arranged on the DC-voltage-side connection of the rectifier capacitor, powered from the rectifier,
In particular, the rectifier, in particular the rectifier designed as a bridge rectifier, being operated as a synchronous rectifier. The advantage here is that rectification, in particular synchronous rectification, can be carried out before and after the short-circuiting, and a voltage corresponding to the ratio of short-circuiting to rectification can thus be made available to the load.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Last als Energiespeicher ausgeführt und der Gleichrichter, insbesondere die steuerbaren Schalter des Gleichrichters, fungiert als Stellglied eines Ladereglers, insbesondere wird als Stellglied eines Ladereglers benutzt,
insbesondere wobei die Zeitdauer derart gestellt wird,
- - dass zum Aufladen des Energiespeichers der, insbesondere mit dem Stromsensor, erfasste Istwert des Wechselstroms auf den Stromsollwert hin geregelt wird, solange die am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters erfasste Spannung kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert, insbesondere Ladeschlussspannung,
- - und dass der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters, insbesondere mit dem Spannungssensor, erfasste Istwert der Spannung auf den Spannungssollwert hin geregelt wird, solange die am gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters erfasste Spannung größer ist als ein vorgegebener Schwellwert, insbesondere Ladeschlussspannung.
in particular where the duration is set such that
- - that for charging the energy store, the actual value of the alternating current, in particular with the current sensor, is regulated towards the current setpoint as long as the voltage recorded at the DC voltage-side connection of the rectifier is lower than a predetermined threshold value, in particular the end-of-charge voltage,
- - and that the actual value of the voltage detected at the DC voltage-side connection of the rectifier, in particular with the voltage sensor, is regulated towards the voltage setpoint as long as the voltage detected at the DC voltage-side connection of the rectifier is greater than a predetermined threshold value, in particular the end-of-charge voltage.
Von Vorteil ist dabei, dass das Kurzschließen und die Gleichrichtung stets einander abwechseln und/oder ablösen. Somit ist die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom auf einen jeweiligen Sollwert hin regelbar. Darüber hinaus ist mit der Regelung ein Schnelladen ausführbar, dem ein spannungsgesteuertes Laden nachfolgt. Somit fungiert der Gleichrichter zusammen mit der Regeleinheit als Laderegler, wobei der Resonanzkreis den Gleichrichter speist und die Drossel entbehrlich macht.The advantage here is that the short-circuiting and the rectification always alternate and/or replace one another. The output voltage or the output current can thus be regulated to a respective desired value. In addition, rapid charging can be carried out with the regulation, which is followed by voltage-controlled charging. The rectifier thus functions together with the control unit as a charge controller, with the resonant circuit feeding the rectifier and making the choke unnecessary.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. 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.Further advantages result from the dependent claims. 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 posed by comparison with the prior art.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
- In
der 1 ist der sekundärseitige Teil eines ersten Systems zur berührungslosen Energieübertragung an ein Mobilteil schematisch dargestellt. - In
der 2 sind zugehörige Ansteuersignale 20 beispielhaft dargestellt. - In
der 3 ist der sekundärseitige Teil eines zweiten Systems zur berührungslosen Energieübertragung an ein Mobilteil schematisch dargestellt. - In
der 4 sind zugehörige Ansteuersignale 20 beispielhaft dargestellt.
- In the
1 the secondary-side part of a first system for contactless energy transmission to a handset is shown schematically. - In the
2 associated control signals 20 are shown as examples. - In the
3 the secondary-side part of a second system for contactless energy transmission to a handset is shown schematically. - In the
4 associated control signals 20 are shown as examples.
Wie in den
Beispielsweise ist der Linienleiter im Boden einer Anlage verlegt, wenn das Fahrzeug auf dem Boden der Anlage verfahrbar ist, oder an einer Schiene befestigt, wenn das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist.For example, the line cable is laid in the floor of a facility if the vehicle can be moved on the floor of the facility, or is attached to a rail if the vehicle is a rail vehicle.
Der Sekundärwicklung 1 ist eine Kapazität 2 in Reihe zugeschaltet, wobei die Kapazität 2 derart dimensioniert ist, dass die zu dem aus der Sekundärwicklung 1 und der Kapazität 2 gebildeten Resonanzkreis und/oder Schwingkreis gehörigen Resonanzfrequenz der Frequenz des in den als Primärleiter fungierenden Linienleiter eingeprägten Wechselstroms gleicht.A
Aus dem Resonanzkreis ist ein Brückengleichrichter gespeist, dessen beide Halbbrücken jeweils aus einer Reihenschaltung von jeweils zwei Dioden gebildet sind. In einer ersten der Halbbrücken sind Dioden 6 und 10 in Reihe geschaltet; in einer zweiten der Halbbrücken sind Dioden 8 und 11 in Reihe geschaltet.A bridge rectifier is fed from the resonant circuit, the two half-bridges of which are each formed from a series connection of two diodes each. In a first of the half-bridges,
Ausgangsseitig ist am Brückengleichrichter ein Glättungskondensator 12 angeschlossen, dem die zu versorgende Last 13, insbesondere Verbraucher, parallel zugeschaltet ist, so dass der Glättungskondensator 12 und die Last 13 direkt aus dem Brückengleichrichter versorgt sind, insbesondere ohne zwischengeordnete Drossel oder dergleichen, versorgt wird. Dabei ist einer mit einem unteren Ausgangspotential verbundenen Diode 6 der ersten Halbbrücke ein erster steuerbarer Schalter 8 parallelgeschaltet. Ebenso ist einer mit dem unteren Ausgangspotential verbundenen Diode 8 der zweiten Halbbrücke ein zweiter steuerbarer Schalter 9 parallelgeschaltetOn the output side, a smoothing
Durch Schließen der beiden steuerbaren Schalter 7 und 9 ist der Resonanzkreis, insbesondere Schwingkreis, kurzgeschlossen.By closing the two controllable switches 7 and 9, the resonant circuit, in particular the oscillating circuit, is short-circuited.
Wenn die Schalter 7 und 9 geöffnet sind, richtet der Brückengleichrichter die am Resonanzkreis auftretende Wechselspannung gleich.When switches 7 and 9 are open, the bridge rectifier rectifies the AC voltage appearing in the resonant circuit.
Somit ist durch das Steuern der Zeitspanne des Kurzschließens die Spannung am Glättungskondensator 12 beeinflussbar.The voltage across the smoothing
Der in den Brückengleichrichter einströmende Strom 20 wird mit einem Sensor 3 erfasst. Das Sensorsignal wird einer Regeleinheit 5 zugeführt, welche die Ansteuersignale für die steuerbaren Schalter (8, 9) erzeugt.The current 20 flowing into the bridge rectifier is detected with a
Die am Glättungskondensator 12 anliegende Spannung U_z, ist wird erfasst und der Regeleinheit 5 als Istwert zugeführt. Der der Last 13 zufließende Strom I_z, ist wird erfasst und als Istwert der Regeleinheit 5 zugeführt.The voltage U_z actual present at the smoothing
Abhängig von der Differenz zwischen dem Istwert U_z, also der Spannung am Glättungskondensator 12, ist und einem vorgegebenen Sollwert U_z, Soll und/oder abhängig von der Differenz zwischen dem Istwert I_z, ist und einem vorgegebenen Sollwert I_z, Soll werden die Ansteuersignale 4 der steuerbaren Schalter 7 und 9 erzeugt. Dabei ist als Regler entweder ein Zweipunktregler oder ein linearer Regler, wie PI-Regler, eingesetzt. Mittels der Ansteuersignale 4 wird die Zeitdauer des Kurzschließens im Takt ganzer Periodendauern des Wechselstroms 20 gestellt.The control signals 4 of the controllable Switches 7 and 9 created. Either a two-point controller or a linear controller, such as a PI controller, is used as the controller. The duration of the short-circuiting is set in time with complete periods of the alternating current 20 by means of the control signals 4 .
Dabei ist wichtig, dass das Öffnen und Schließen der Schalter 7 und 9 im Bereich des Stromnulldurchgangs ausgeführt wird.It is important that the switches 7 and 9 are opened and closed in the area of the current zero crossing.
Um die Belastung der Sekundärwicklung symmetrisch zu belassen, wird der Zustand des Schalters nur im zeitlichen Mindestabstand der Periodendauer des aus dem Resonanzkreis austretenden Stroms 20 verändert.In order to keep the load on the secondary winding symmetrical, the state of the switch is changed only at the minimum time interval of the period duration of the current 20 emerging from the resonant circuit.
Somit wird also der vom Regler bestimmte Stellwert digitalisiert herausgegeben und nur im Takt ganzer Perioden des Wechselstroms 20 verändert. Die Schalter 7 und 9 werden also nur für eine Zeitdauer geschlossen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer des Wechselstroms gleicht, und danach für eine weitere Zeitdauer geöffnet, die wiederum einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer gleicht.The control value determined by the controller is thus output in digitized form and only changed in time with whole periods of the alternating current 20 . The switches 7 and 9 are therefore only closed for a period of time which is equal to an integer multiple of the period of the alternating current, and then opened for a further period of time which in turn is equal to an integer multiple of the period.
Geringfügige Abweichungen von diesen Zeitdauern sind nur derart gewählt, um die Totzeit der Schalter 7 und 9 zu berücksichtigen.Slight deviations from these time periods are only selected in order to take into account the dead time of the switches 7 and 9.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Regler als bloßer Spannungsregler ausgeführt. Hierzu wird also dem Regler nur die Differenz aus Istwert U_z, ist und Sollwert U_z, Soll zugeführt, woraus der Regler dann das Ansteuersignal 4 bestimmt.In a first exemplary embodiment, the regulator is designed as a mere voltage regulator. For this purpose, only the difference between the actual value U_z, actual and the desired value U_z, desired is supplied to the controller, from which the controller then determines the
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Regler als bloßer Stromregler ausgeführt. Hierzu wird also dem Regler nur die Differenz aus Istwert I_z, ist und Sollwert I_z, Soll zugeführt, woraus der Regler dann das Ansteuersignal 4 bestimmt.In a second exemplary embodiment, the controller is designed as a mere current controller. For this purpose, only the difference between the actual value I_z, actual and the desired value I_z, desired is supplied to the controller, from which the controller then determines the
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist der Regler als Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler ausgeführt. Hierzu wird also dem Spannungsregler die Differenz aus Istwert U_z, ist und Sollwert U_z, Soll zugeführt, woraus der Regler dann das Ansteuersignal 4 bestimmt. Allerdings ist der Sollwert U_z, Soll ein Stellwert des Stromreglers, dem die Differenz aus Istwert I_z, ist und Sollwert I_z, Soll zugeführt wird.In a third exemplary embodiment, the controller is designed as a voltage controller with a subordinate current controller. For this purpose, the difference between actual value U_z, actual and desired value U_z, desired is supplied to the voltage regulator, from which the controller then determines
In einem vierten Ausführungsbeispiel ist die Last 13 ein aufzuladender Energiespeicher, insbesondere Akkumulator oder Batterie, und der Aufladevorgang wird zunächst stromgeregelt, indem einem Stromregler die Differenz aus Istwert I_z, ist und Sollwert I_z,Soll zugeführt, woraus der Stromregler dann das Ansteuersignal 4 bestimmt. Gleichzeitig wird aber der Istwert der Spannung U_z, ist auf Überschreiten eines Schwellwertes, insbesondere Ladeschlussspannung, überwacht und beim Überschreiten statt der Stromregelung eine Spannungsregelung aktiviert, wobei einem Spannungsregler die Differenz aus Istwert U_z, ist und Sollwert U_z, Soll zugeführt wird, woraus der Regler dann das Ansteuersignal 4 bestimmt. Somit ist ein anfängliches Schnellladen von einem langsamen spannungsgesteuerten langsameren Aufladen nachfolgbar.In a fourth exemplary embodiment, load 13 is an energy store to be charged, in particular an accumulator or battery, and the charging process is first current-controlled by supplying the difference between actual value I_z,actual and setpoint value I_z,setpoint to a current controller, from which the current controller then determines
Wie in
Der Synchrongleichrichter weist eine erste Reihenschaltung aus steuerbaren Schaltern 30 und 37 auf, die parallel zu der Reihenschaltung aus den steuerbaren Schaltern 31 und 39 gebildet ist.The synchronous rectifier has a first series connection made up of
Die Ansteuersignale 4 der Schalter (30, 31, 37, 39) werden wiederum von der Regeleinheit gebildet, die einen Regler aufweist. Das Ausgangssignal des Reglers wird wiederum nur im Takt ganzer Perioden des Wechselstroms, also Sekundärstroms 20, gebildet.The control signals 4 of the switches (30, 31, 37, 39) are in turn formed by the control unit, which has a controller. The output signal of the controller is in turn formed only in time with whole periods of the alternating current, that is to say the secondary current 20 .
Beispielhaft sind solche Ansteuersignale 4 in der
Das Ansteuersignal 40 für den steuerbaren Schalter 30, insbesondere MOSFET, ist in der vorletzten Zeile dargestellt.The
Das Ansteuersignal 41 ist für den steuerbaren Schalter 31, insbesondere MOSFET, in der letzten Zeile dargestellt und das Ansteuersignal 47 für den steuerbaren Schalter 37, insbesondere MOSFET, in der zweiten Zeile.
Das Ansteuersignal 49 für den steuerbaren Schalter 39, insbesondere MOSFET, wird in der dritten, insbesondere mittleren Zeile dargestellt.The
The
In einer ersten Halbwelle sind die Schalter 31 und 37, also der untere Schalter der ersten Halbbrücke des und der obere Schalter der zweiten Halbbrücke geschlossen, insbesondere also leitend, und die beiden anderen Schalter 30 und 39 geöffnet, insbesondere unter Berücksichtigung der Totzeiten der Schalter (30, 31, 37, 39). Im Bereich des Stromnulldurchgangs werden die Zustände der Schalter (30, 31, 37, 39) invertiert, also die Schalter 31 und 37 geöffnet und die der obere Schalter 30 der ersten Halbbrücke sowie der untere Schalter 39 der zweiten Halbbrücke geschlossen, insbesondere unter Berücksichtigung der Totzeiten der Schalter (30, 31, 37, 39).In a first half-wave, the
Nach der zweiten Halbwelle werden die beiden Schalter 37 und 39, also die unteren Schalter der beiden Halbbrücken, geschlossen, um einen Kurzschluss KS des Resonanzkreises zu bewirken.After the second half-wave, the two
Da in den Primärleiter der Wechselstrom eingeprägt ist, liegt ein Stromquellenartiges Verhalten vor. Durch das Kurzschließen wird kein weiterer Strom zum Glättungskondensator 12 hin durchgeleitet.Since the alternating current is impressed on the primary conductor, the behavior is similar to that of a current source. No further current is passed through to the smoothing
Der durch die Schalter (30, 31, 37, 39) realisierte Synchrongleichrichter ist somit nicht nur zum Gleichrichten, sondern auch zum Kurzschließen der Stromquelle verwendet, so dass die Spannung am Glättungskondensator 12 regelbar ist.The synchronous rectifier implemented by the switches (30, 31, 37, 39) is therefore not only used for rectifying, but also for short-circuiting the current source, so that the voltage across the smoothing
Die Zeitdauer des Kurzschließens gleicht in
Nach der Zeitdauer des Kurzschließens wird der Synchrongleichrichtungsbetrieb fortgesetzt.After the short-circuit period, the synchronous rectification operation is continued.
Wichtig ist auch, dass ausgangsseitig am Synchrongleichrichter die Last 13 und der Glättungskondensator 12 direkt versorgt werden, also nicht über eine zwischengeordnete Induktivität oder dergleichen. Trotzdem ist erfindungsgemäß ein Laderegler einsparbar. Denn der Synchrongleichrichter fungiert als Laderegler für eine als Energiespeicher ausführbare Last.It is also important that the
Vorteil der Verwendung eines Resonanzkreises ist der hohe Wirkungsgrad bei der induktiven Energieübertragung von der Primärleitung an die Sekundärwicklung.The advantage of using a resonant circuit is the high degree of efficiency in the inductive transfer of energy from the primary line to the secondary winding.
Bei, weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt der MOSFET etwas verlustbehaftetere IGBT verwendet.In further exemplary embodiments according to the invention, somewhat more lossy IGBTs are used instead of the MOSFETs.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Sekundärwicklungsecondary winding
- 22
- Kapazitätcapacity
- 33
- Sensor zur StromerfassungCurrent detection sensor
- 44
- Ansteuersignalecontrol signals
- 55
- Regeleinheitcontrol unit
- 66
- Diodediode
- 77
- steuerbarer Schalter, insbesondere Halbleiterschaltercontrollable switch, in particular semiconductor switch
- 88th
- Diodediode
- 99
- steuerbarer Schalter, insbesondere Halbleiterschaltercontrollable switch, in particular semiconductor switch
- 1010
- Diodediode
- 1111
- Diodediode
- 1212
- Glättungskondensatorsmoothing capacitor
- 1313
- Last, insbesondere Verbraucherload, especially consumers
- 2020
- Sekundärstromsecondary current
- 3030
- steuerbarer Schalter, insbesondere MOSFETcontrollable switch, in particular MOSFET
- 3131
- steuerbarer Schalter, insbesondere MOSFETcontrollable switch, in particular MOSFET
- 3737
- steuerbarer Schalter, insbesondere MOSFETcontrollable switch, in particular MOSFET
- 3838
- steuerbarer Schalter, insbesondere MOSFETcontrollable switch, in particular MOSFET
- 4040
-
Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter 30, insbesondere MOSFETControl signal for the
controllable switch 30, in particular MOSFET - 4141
-
Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter 31, insbesondere MOSFETControl signal for the
controllable switch 31, in particular MOSFET - 4747
-
Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter 37, insbesondere MOSFETControl signal for the
controllable switch 37, in particular MOSFET - 4848
- Ansteuersignal für den steuerbaren Schalter 38, insbesondere MOSFETControl signal for the controllable switch 38, in particular MOSFET
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 2740208 B1 [0002]EP 2740208 B1 [0002]
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-
2022
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