DE102022201626A1 - Inductive charging device for wireless energy transfer - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsladevorrichtung (1) zur drahtlosen Energieübertragung, wobei die Induktionsladevorrichtung (1) eine Vorrichtung (8) zum variablen Anpassen einer Kapazität aufweist, welche zwei Schalter (16) umfasst.Eine verbesserte Präzision und Effizienz der Induktionsladevorrichtung (1) werden dadurch erreicht, dass ein Schalteranschluss (17) des jeweiligen Schalters (16) elektrisch vom Schalteranschluss (17) des anderen Schalters (16) getrennt ist.Die Erfindung betrifft des Weiteren ein drahtloses Energieübertragungssystem (1) mit einer solchen Induktionsladevorrichtung (1).The present invention relates to an inductive charging device (1) for wireless energy transmission, the inductive charging device (1) having a device (8) for variably adjusting a capacity, which comprises two switches (16). Improved precision and efficiency of the inductive charging device (1). achieved in that a switch connection (17) of the respective switch (16) is electrically isolated from the switch connection (17) of the other switch (16). The invention also relates to a wireless energy transmission system (1) with such an inductive charging device (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsladevorrichtung zur drahtlosen Energieübertragung, welche eine Vorrichtung zum aktiven Anpassen einer Kapazität aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein drahtloses Energieübertragungssystem, welches insbesondere zum Laden einer Batterie in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, mit einer solchen Induktionsladevorrichtung.The present invention relates to an inductive charging device for wireless energy transmission, which has a device for actively adjusting a capacity. The invention also relates to a wireless energy transmission system, which is used in particular to charge a battery in a motor vehicle, with such an induction charging device.
Drahtlose Energieübertragungssysteme basieren gewöhnlich auf dem Induktionsprinzip. Dabei übermittelt eine, in der Regel stationäre, Induktionsladevorrichtung induktiv Energie auf eine andere, in der Regel mobile, Induktionsladevorrichtung. Zum effektiven Zusammenwirken dieser Induktionsladevorrichtungen ist eine Abstimmung dieser Induktionsladevorrichtungen aneinander von Vorteil. Insbesondere um dieselbe stationäre Induktionsladevorrichtung mit unterschiedlichen mobilen Induktionsladevorrichtungen oder umgekehrt betreiben zu können, ist es dabei wünschenswert, gewisse Parameter in der stationären Induktionsladevorrichtung und/oder in der mobilen Induktionsladevorrichtung bei Bedarf anpassen zu können. Gewöhnlich sollte es zu diesem Zweck möglich sein, eine Anpassung der Kapazität der Induktionsladevorrichtung vorzunehmen.Wireless power transmission systems are usually based on the induction principle. In this case, a generally stationary inductive charging device transmits energy inductively to another, generally mobile, inductive charging device. For these inductive charging devices to work together effectively, it is advantageous for these inductive charging devices to be coordinated with one another. In particular, in order to be able to operate the same stationary inductive charging device with different mobile inductive charging devices or vice versa, it is desirable to be able to adapt certain parameters in the stationary inductive charging device and/or in the mobile inductive charging device as required. For this purpose it should usually be possible to adjust the capacity of the inductive charging device.
Ein solches drahtloses Energieübertragungssystem ist aus der
Beim aus dem Stand der Technik bekannten drahtlosen Energieübertragungssystem kommt es zu einem nachteiligen Zusammenwirken der vorhandenen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten. Dies kann insbesondere Schaltstörungen, wie bspw. Gaterückwirkungseffekte und/oder hochfrequentes Ringing, zur Folge haben, welche die Funktionsweise der Induktionsladevorrichtung beeinträchtigen können und/oder zu höheren Störausstrahlungen führen können. Auch ist somit ist die Präzision, mit der sich insbesondere die Kapazität anpassen lässt, begrenzt. Daraus resultiert eine begrenzte und/oder reduzierte Anpassungsmöglichkeit der stationären Induktionsladevorrichtung an die mobile Induktionsladevorrichtung und somit eine begrenzte Effizienz der Energieübertragung. Darüber hinaus lassen sich Energieübertragungssysteme des Standes der Technik mit einer begrenzten Betriebsspannung betreiben. Somit ist die maximal übertragbare Energie ebenfalls begrenzt.In the wireless power transmission system known from the prior art, there is a disadvantageous interaction between the existing parasitic capacitances and inductances. In particular, this can result in switching interference, such as gate reaction effects and/or high-frequency ringing, which can impair the functioning of the inductive charging device and/or can lead to higher levels of interference emissions. The precision with which the capacitance in particular can be adapted is therefore also limited. This results in a limited and/or reduced possibility of adapting the stationary inductive charging device to the mobile inductive charging device and thus a limited efficiency of the energy transmission. In addition, energy transmission systems of the prior art can be operated with a limited operating voltage. Thus, the maximum energy that can be transmitted is also limited.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für eine Induktionsladevorrichtung sowie für ein drahtloses Energieübertragungssystem der eingangs genannten Art verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Präzision und/oder Effizienz und/oder maximal mögliche Betriebsspannung auszeichnen.The present invention is concerned with the task of specifying improved or at least different embodiments for an inductive charging device and for a wireless energy transmission system of the type mentioned above, which are characterized in particular by increased precision and/or efficiency and/or the maximum possible operating voltage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einer Induktionsladevorrichtung zur drahtlosen Energieübertragung, eine Vorrichtung zum aktiven Anpassen einer Kapazität der Vorrichtung vorzusehen, welche zwei Schalter sowie eine Kondensatoranordnung mit zumindest einem Kondensator umfasst, und zwei getrennte Strompfade für die im Betrieb auftretenden Hinströme und Rückströme durch die Vorrichtung bereitzustellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik, in welchem Hinströme und Rückströme, das heißt elektrische Ströme beim Anliegen unterschiedlicher Spannungsphasen, insbesondere über die antiseriell geschalteten Schalter und somit über den gleichen Strömungspfad fließen, ist erfindungsgemäß also vorgesehen, die Hinströme über einen vorgesehenen ersten Strömungspfad und die Rückströmung über einen vorgesehenen zweiten Strömungspfad fließen zu lassen. Umgesetzt wird dies dadurch, dass die Spannungsdifferenz über den beiden Schaltern voneinander getrennt ist. Somit können ferner Resonanzen zwischen den beiden Schaltern zumindest reduziert, insbesondere gedämpft werden. In der Folge lässt sich die mit der Vorrichtung anpassbare Kapazität präziser einstellen. Dies führt auch zu einer erhöhten Effizienz bei der drahtlosen Energieübertragung.The present invention is based on the general idea of providing a device for actively adjusting a capacitance of the device in an inductive charging device for wireless energy transmission, which device comprises two switches and a capacitor arrangement with at least one capacitor, and two separate current paths for the forward currents that occur during operation and Provide reverse currents through the device. In contrast to the prior art, in which incoming currents and return currents, i.e. electrical currents when different voltage phases are applied, flow in particular via the switches connected anti-series and thus via the same flow path, the invention therefore provides for the incoming currents to flow via a provided first flow path and the Allow reverse flow to flow through a second flow path provided. This is implemented by separating the voltage difference across the two switches. In this way, resonances between the two switches can at least be reduced, in particular damped. As a result, the capacity that can be adjusted with the device can be adjusted more precisely. This also leads to increased efficiency in wireless power transmission.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend umfasst die Induktionsladevorrichtung die Vorrichtung zum aktiven Anpassen einer Kapazität. Die Vorrichtung umfasst eine Kondensatoranordnung mit zumindest einem Kondensator sowie zwei Schaltern. Die Kondensatoranordnung weist zwei elektrische Anschlüsse auf, welche nachfolgend auch als erster Kondensatoranschluss und zweiter Kondensatoranschluss bezeichnet werden. Der jeweilige Schalter umfasst einen Steueranschluss zum Steuern des Schalters sowie zwei weitere elektrische Anschlüsse, durch welche im geschlossenen Zustand des Schalters ein elektrischer Strom fließen kann. Die Vorrichtung weist also einen ersten Schalter mit einem ersten Erstschalteranschluss, einem zweiten Erstschalteranschluss sowie einem Erstschalter-Steueranschluss auf. Ferner umfasst die Vorrichtung einen zweiten Schalter, der einen ersten Zweitschalteranschluss, einen zweiten Zweitschalteranschluss sowie einen Zweitschalter-Steueranschluss aufweist. Dabei ist der zweite Erstschalteranschluss elektrisch mit dem ersten Kondensatoranschluss verbunden. Ferner ist der zweite Zweitschalteranschluss elektrisch mit dem zweiten Kondensatoranschluss verbunden. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuerschaltung, mit welcher die Steueranschlüsse der Schalter zum Öffnen und Schließen der Schalter angesteuert werden können. Die Steuerschaltung ist mit dem Erstschalter-Steueranschluss und dem Zweitschalter-Steueranschluss gekoppelt. Dabei sind der erste Erstschalteranschluss und der erste Zweitschalteranschluss elektrisch voneinander getrennt. Die Steuerschaltung ist derart ausgestaltet, dass sie die Kapazität der Vorrichtung durch Schließen und Öffnen der Schalter aktiv anpasst.According to the idea of the invention, the inductive charging device includes the device for actively adjusting a capacity. The device includes a capacitor arrangement with at least one capacitor and two switches. The capacitor arrangement has two electrical connections, which are also referred to below as the first capacitor connection and the second capacitor connection. The respective switch includes a control connection for controlling the switch and two further electrical connections through which an electric current can flow when the switch is in the closed state. The device thus has a first switch with a first first switch connection, a second first switch connection and a first switch control connection. Furthermore, the device comprises a second switch, which has a first second switch connection, a second second switch connection and a second switch control connection. In this case, the second first switch connection is electrically connected to the first capacitor connection. Furthermore, the second second switch terminal is electrically connected to the second capacitor terminal. The device also includes a control circuit with which the control terminals of the switches can be controlled to open and close the switches. The control circuit is coupled to the first switch control port and the second switch control port. In this case, the first primary switch connection and the first secondary switch connection are electrically isolated from one another. The control circuitry is designed to actively adjust the capacitance of the device by closing and opening the switches.
Die Vorrichtung, insbesondere die Steuerschaltung, ist derart ausgestaltet, dass der jeweilige Schalter einer Stromrichtung zugeordnet ist. Beispielsweise kann der erste Schalter für die positive Halbwelle des Wechselstroms und der zweite Schalter für die negative Halbwelle des Wechselstroms zuständig sein oder umgekehrt.The device, in particular the control circuit, is designed in such a way that the respective switch is assigned to a current direction. For example, the first switch can be responsible for the positive half-cycle of the alternating current and the second switch for the negative half-cycle of the alternating current, or vice versa.
Bevorzugt handelt es sich bei zumindest einem der Schalter, vorteilhaft beim jeweiligen Schalter, um einen Transistor. Besonders bevorzugt handelt es sich bei zumindest einem der Schalter, vorteilhaft beim jeweiligen Schalter, um einen MOSFET. Dabei entspricht der erste Schalteranschluss einem Sourceanschluss, der zweite Schalteranschluss einem Drainanschluss und der Steueranschluss einem Gateanschluss des Transistors. Somit sind kostengünstige Herstellung sowie eine vereinfachte Ansteuerung der Schalter erreicht.Preferably, at least one of the switches, advantageously the respective switch, is a transistor. Particularly preferably, at least one of the switches, advantageously the respective switch, is a MOSFET. In this case, the first switch connection corresponds to a source connection, the second switch connection to a drain connection and the control connection to a gate connection of the transistor. Inexpensive production and simplified control of the switches are thus achieved.
Bevorzugt ist die Steuerschaltung derart ausgestaltet, dass sie die Kapazität der Vorrichtung dadurch anpasst, dass sie die Schalter bei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der durch die Vorrichtung fließenden elektrischen Ströme periodisch für jeweils eine zugehörige Zeitdauer schließt und öffnet. Die Zeitdauer, in welcher der Schalter geschlossen ist und somit leitet, wird nachfolgend auch als Einschaltdauer bezeichnet. Das heißt, dass die Steuerschaltung derart ausgestaltet ist, dass sie die Kapazität der Vorrichtung anpasst, wobei hierzu bei einem ersten Stromnulldurchgang durch die Vorrichtung ein erstes Steuersignal an den Erstschalter-Steueranschluss angelegt wird, sodass der erste Schalter für eine erste Zeitdauer geschlossen ist. Ferner wird bei einem auf den ersten Stromnulldurchgang folgenden zweiten Stromnulldurchgang durch die Vorrichtung ein zweites Steuersignal an den Zweitschalter-Steueranschluss angelegt, sodass der zweite Schalter für eine zweite Zeitdauer geschlossen ist. Vorteilhaft werden der erste Schalter und der zweite Schalter bei den aufeinanderfolgenden ersten Nullstromdurchgängen periodisch und abwechselnd geschlossen und geöffnet.The control circuit is preferably designed in such a way that it adjusts the capacitance of the device by periodically closing and opening the switches for an associated period of time at successive zero crossings of the electrical currents flowing through the device. The period of time in which the switch is closed and thus conducts is also referred to below as the on-time. That is, the control circuit is configured to adjust the capacitance of the device by applying a first control signal to the first switch control terminal upon a first zero current crossing through the device such that the first switch is closed for a first period of time. Further, upon a second zero current crossing following the first zero current crossing, the device applies a second control signal to the second switch control terminal such that the second switch is closed for a second period of time. The first switch and the second switch are advantageously closed and opened periodically and alternately during the successive first zero-current crossings.
Die Vorrichtung erlaubt vorteilhaft drei unterschiedliche elektrische Ströme über die Vorrichtung. Ist der jeweilige Schalter in der zugehörigen Stromrichtung bzw. bei der zugehörigen Halbwelle des Wechselstroms geöffnet, fließt der gesamte Strom über den Kondensator. Im geschlossenen Zustand des ersten Schalters fließt der elektrische Strom über den ersten Schalter und umgeht dabei den zweiten Schalter, wobei der zugehörige Strompfad nachfolgend auch als Hinpfad bezeichnet wird. Der erste Schalter wird dabei vorteilhaft bei einer zugehörigen Phase der anliegenden elektrischen Spannung geschlossen, wohingegen der zweite Schalter während des Anliegens dieser Phase geöffnet ist. Zudem kann der elektrische Strom beim geschlossenen zweiten Schalter über einen durch den zweiten Schalter führenden Strompfad, der nachfolgend auch als Rückpfad bezeichnet wird, fließen. Hierbei werden der Hinpfad und die Kondensatoranordnung umgangen. Der Rückpfad wird durch das Schließen des zweiten Schalters und das Öffnen des ersten Schalters realisiert. Zweckmäßig wird dabei der zweite Schalter geschlossen und der erste Schalter geöffnet, wenn an der Vorrichtung eine elektrische Anspannung mit einer der ersten Phase entgegen gerichteten zweiten Phase anliegt. Entsprechendes gilt für den Hinpfad.The device advantageously allows three different electrical currents through the device. If the respective switch is open in the associated current direction or in the associated half-wave of the alternating current, the entire current flows through the capacitor. In the closed state of the first switch, the electric current flows via the first switch and thereby bypasses the second switch, with the associated current path also being referred to below as the forward path. The first switch is advantageously closed when an associated phase of the electrical voltage is present, whereas the second switch is open while this phase is present. In addition, when the second switch is closed, the electric current can flow via a current path leading through the second switch, which is also referred to below as the return path. In this case, the forward path and the capacitor arrangement are bypassed. The return path is realized by closing the second switch and opening the first switch. In this case, the second switch is expediently closed and the first switch is opened when an electrical voltage with a second phase directed in the opposite direction to the first phase is applied to the device. The same applies to the outward path.
Die Kapazität der Vorrichtung lässt sich mittels der jeweiligen Zeitdauer, insbesondere Einschaltdauer aktiv anpassen. Hierbei resultiert beispielsweise eine längere Einschaltdauer in eine erhöhte effektive Kapazität der Vorrichtung.The capacity of the device can be actively adjusted by means of the respective time period, in particular the duty cycle. In this case, for example, a longer switch-on time results in an increased effective capacity of the device.
Insbesondere ist die Kapazität der Vorrichtung und somit die effektive Kapazität bei einem Stromfluss nur über die Kondensatoranordnung von der Kapazität der Kondensatoranordnung dominiert, entspricht insbesondere der Kapazität der Kondensatoranordnung. Bei einem Stromfluss nur über die Schalter geht die effektive Kapazität gegen unendlich. Tendenziell gilt somit für die Kapazität der Vorrichtung und folglich die effektive Kapazität Cef:
Durch die aktive Anpassung der Kapazität erfolgt mit der Vorrichtung auch eine aktive Anpassung der Impedanz, da die Impedanz Z umgekehrt proportional zur effektiven Kapazität ist:
Erhöhte Spannungsfestigkeiten lassen sich dadurch erreichen, dass zumindest einer der Schalter, vorteilhaft der jeweilige Schalter, auf Silicium basiert, insbesondere ein Siliciumschalter ist. Bevorzugt basiert der jeweilige Schalter auf Siliciumcarbid, nachfolgend auch kurz als „SiC“ bezeichnet. Der jeweilige Schalter ist bevorzugt ein SiC-Schalter, besonders bevorzugt ein SiC-MOSFET. Somit lässt sich für den jeweiligen Schalter eine erhöhte Spannungsfestigkeit erreichen, sodass die Spannungsfestigkeit der Vorrichtung erhöht ist.Increased dielectric strength can be achieved in that at least one of the switches, advantageously the respective switch, is based on silicon, in particular is a silicon switch. The respective switch is preferably based on silicon carbide, also referred to as “SiC” for short below. The respective switch is preferably a SiC switch, particularly preferably a SiC MOSFET. An increased dielectric strength can thus be achieved for the respective switch, so that the dielectric strength of the device is increased.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung für zumindest einen der Schalter, vorteilhaft für den jeweiligen Schalter, eine von den Schaltern separate und somit dedizierte Diode aufweist. Die dedizierte Diode ist bevorzugt derart, dass sie für den dem zugehörigen Strom des zugehörigen Schalters einen Weg des geringeren elektrischen Widerstands bietet. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem für den jeweiligen Schalter die im Schalter intrinsisch vorhandene, sogenannte Bodydiode zum Realisieren des zugehörigen Strömungspfads zum Einsatz kommt, wird also bei der vorteilhaften Ausführungsform eine dedizierte Diode eingesetzt. Somit ist es insbesondere bei SiC-MOSFESTs, deren Bodydioden erhöhte Durchlassspannungen aufweisen, möglich, für den jeweiligen Strömungspfad eine niedrigere Durchlassspannung bereitzustellen. In der Folge lässt sich die Vorrichtung bei einer erhöhten Spannungsfestigkeit und folglich bei erhöhten Betriebsspannungen mit niedrigen Durchlassspannungen und somit mit erhöhter Effizienz betreiben.Embodiments are advantageous in which the device has a diode that is separate from the switches and is therefore dedicated for at least one of the switches, advantageously for the respective switch. The dedicated diode is preferably such that it provides a path of lower electrical resistance for the associated current of the associated switch. In contrast to the prior art, in which the so-called body diode intrinsically present in the switch is used for the respective switch to implement the associated flow path, a dedicated diode is used in the advantageous embodiment. It is thus possible, in particular in the case of SiC MOSFESTs whose body diodes have increased forward voltages, to provide a lower forward voltage for the respective flow path. As a result, the device can be operated with increased dielectric strength and consequently at increased operating voltages with low forward voltages and thus with increased efficiency.
Bevorzugt ist es folglich, wenn beide Schalter SiC-MOSFETs sind und die Vorrichtung für den jeweiligen Schalter eine dedizierte Diode aufweist. Ein SiC-MOSFET hat gegenüber beispielsweise einem Si-MOSFET eine höhere Spannungsfestigkeit von beispielsweise über 1000V bspw. über 1200V. Jedoch hat die Bodydiode eines SiC-MOSFETs gegenüber der Bodydiode eines Si-MOSFETs eine erhöhte Durchlassspannung von beispielsweise 4,2V. Die erhöhte Durchlassspannung des SiC-MOSFETs würde zu erhöhten Verlusten führen, wenn Strom über die Bodydiode des SiC-MOSFETs fließt. Dem wird also mit der dedizierten Diode entgegengewirkt, welche einen niedrigeren elektrischen Widerstand als die Bodydiode bereitstellt, sodass der Strom anstelle der Bodydiode über die dedizierte Diode fließt. Somit ist also bei einer erhöhten Spannungsfestigkeit zugleich eine erhöhte Effizienz erreicht.Consequently, it is preferred if both switches are SiC MOSFETs and the device has a dedicated diode for the respective switch. Compared to a Si-MOSFET, for example, a SiC-MOSFET has a higher dielectric strength of, for example, more than 1000V, for example more than 1200V. However, the body diode of a SiC MOSFET has an increased forward voltage of 4.2V, for example, compared to the body diode of a Si MOSFET. The increased forward voltage of the SiC MOSFET would lead to increased losses when current flows through the body diode of the SiC MOSFET. This is counteracted with the dedicated diode, which provides a lower electrical resistance than the body diode, so that the current flows via the dedicated diode instead of the body diode. Thus, with an increased electric strength, an increased efficiency is achieved at the same time.
Bevorzugt ist es, wenn zumindest eine der dedizierten Dioden, besonders bevorzugt die jeweilige dedizierte Diode, eine SiC-Diode, insbesondere eine SiC-Schottky-Diode, ist. Somit ist auch die Spannungsfestigkeit der dedizierten Dioden und folglich der Vorrichtung erhöht.It is preferred if at least one of the dedicated diodes, particularly preferably the respective dedicated diode, is a SiC diode, in particular a SiC Schottky diode. Thus, the withstand voltage of the dedicated diodes and consequently of the device is also increased.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der jeweilige Schalter ein SiC-MOSFET und die jeweilige dedizierte Diode eine SiC-Diode, insbesondere eine SiC-Schottky-Diode, ist. Zugleich ist durch den Einsatz der SiC-MOSFETs die Spannungsfestigkeit gegenüber einer Vorrichtung mit Si-MOSFETs erhöht.Embodiments are particularly preferred in which the respective switch is a SiC MOSFET and the respective dedicated diode is a SiC diode, in particular a SiC Schottky diode. At the same time, the use of SiC MOSFETs increases the dielectric strength compared to a device with Si MOSFETs.
Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung für den ersten Schalter eine zugehörige dedizierte Diode aufweist, welche nachfolgend auch als erste Diode bezeichnet wird. Die erste Diode umfasst auf bekannte Weise einen Durchlassanschluss und einen Sperranschluss, welche nachfolgend auch als erster Durchlassanschluss und erster Sperranschluss bezeichnet werden. Dabei ist der erste Erstschalteranschluss elektrisch mit dem ersten Durchlassanschluss und der erste Sperranschluss elektrisch mit dem zweiten Kondensatoranschluss verbunden.Accordingly, it is preferred if the device has an associated dedicated diode for the first switch, which is also referred to below as the first diode. In a known manner, the first diode comprises a forward connection and a blocking connection, which are also referred to below as the first forward connection and the first blocking connection. In this case, the first first switch connection is electrically connected to the first forward connection and the first blocking connection is electrically connected to the second capacitor connection.
Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung für den zweiten Schalter eine zugehörige dedizierte Diode aufweist, welche nachfolgend auch als zweite Diode bezeichnet wird. Das heißt, dass die Vorrichtung die von den Schaltern und von der ersten Diode separate zweite Diode aufweist. Die zweite Diode weist auf bekannte Weise einen Durchlassanschluss und einen Sperranschluss auf, welche nachfolgend auch als zweiter Durchlassanschluss und zweiter Sperranschluss bezeichnet werden. Dabei ist der erste Zweitschalteranschluss elektrisch mit dem zweiten Durchlassanschluss verbunden. Ferner ist der zweite Sperranschluss elektrisch mit dem ersten Kondensatoranschluss verbunden.Accordingly, it is preferred if the device has an associated dedicated diode for the second switch, which is also referred to below as the second diode. That is, the device has the second diode separate from the switches and from the first diode. In a known manner, the second diode has a forward connection and a blocking connection, which are also referred to below as the second forward connection and second blocking connection. In this case, the first second switch connection is electrically connected to the second pass connection. Further the second blocking terminal is electrically connected to the first capacitor terminal.
Die Steuerschaltung ist bevorzugt zum Erkennen des jeweiligen Stromnulldurchgangs-ausgestaltet.The control circuit is preferably designed to detect the current zero crossing.
Bevorzugt empfängt der jeweilige Schalter das Ansteuerungssignal von der Steuerschaltung zum Zeitpunkt des zugehörigen Stromnulldurchgangs. Bei einem als Transistor, insbesondere MOSFET, ausgebildeten Schalter kann es vorkommen, dass der Schalter erst im Spannungsnulldurchgang automatisch die Stromführung tatsächlich übernimmt, da hier keine Spannung über der dezidierten Diode des Schalters anliegt und diese leitfähig ist.The respective switch preferably receives the activation signal from the control circuit at the time of the associated current zero crossing. In the case of a switch designed as a transistor, in particular a MOSFET, it can happen that the switch only automatically takes over the current flow when the voltage passes through zero, since there is no voltage across the dedicated diode of the switch and this is conductive.
Prinzipiell kann die Steuerschaltung beliebig ausgebildet sein. Zweckmäßig weist die Steuerschaltung zumindest eine integrierte Schaltung, insbesondere einen Treiber-IC, auf.In principle, the control circuit can be designed in any way. The control circuit expediently has at least one integrated circuit, in particular a driver IC.
Die Kondensatoranordnung umfasst, wie vorstehend beschrieben, zumindest einen Kondensator. Insbesondere kann die Kondensatoranordnung einen einzigen Kondensator umfassen. Umfasst die Kondensatoranordnung zwei oder mehr Kondensatoren, so können diese in Reihe und/oder parallel geschaltet werden.As described above, the capacitor arrangement comprises at least one capacitor. In particular, the capacitor arrangement can comprise a single capacitor. If the capacitor arrangement includes two or more capacitors, these can be connected in series and/or in parallel.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung elektrische Anschlüsse auf, über welche die Vorrichtung mit der Induktionsladevorrichtung elektrisch verbunden ist. Die Vorrichtung weist also einen ersten Vorrichtungsanschluss und einen zweiten Vorrichtungsanschluss auf.The device advantageously has electrical connections via which the device is electrically connected to the inductive charging device. The device thus has a first device connection and a second device connection.
Bevorzugt ist es hierbei, wenn der erste Kondensatoranschluss elektrisch mit dem ersten Vorrichtungsanschluss und der zweite Kondensatoranschluss elektrisch mit dem zweiten Vorrichtungsanschluss verbunden ist.It is preferred here if the first capacitor connection is electrically connected to the first device connection and the second capacitor connection is electrically connected to the second device connection.
Die Induktionsladevorrichtung wirkt in einem zugehörigen Energieübertragungssystem zur drahtlosen Energieübertragung induktiv mit einer weiteren Induktionsladevorrichtung zusammen. In der jeweiligen Induktionsladevorrichtung ist zu diesem Zweck wenigstens eine Induktionsspule vorgesehen, wobei die Induktionsspulen der Induktionsladevorrichtungen induktiv zusammenwirken. Diese Induktionsspulen sind dem Fachmann auch als Primärspule und Sekundärspule bekannt. Die Primärspule erzeugt hierbei im Betrieb ein magnetisches Feld, welches von der Sekundärspule empfangen wird.The inductive charging device interacts inductively with another inductive charging device in an associated energy transmission system for wireless energy transmission. For this purpose, at least one induction coil is provided in the respective induction charging device, with the induction coils of the induction charging devices interacting inductively. These induction coils are also known to those skilled in the art as primary coils and secondary coils. During operation, the primary coil generates a magnetic field which is received by the secondary coil.
Die aktive Anpassung der Kapazität und somit der Impedanz kommt vorteilhaft zur aktiven Resonanzanpassung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule zum Einsatz. Insbesondere erfolgt dies derart, dass dabei bei einem Versatz die Resonanzbedingung im entsprechenden Betriebspunkt wieder erfüllt sind, sodass eine erhöhte, insbesondere maximale, Leistung übertragen wird.The active adaptation of the capacitance and thus the impedance is advantageously used for active resonance adaptation between the primary coil and the secondary coil. In particular, this is done in such a way that in the event of an offset, the resonance conditions are again met at the corresponding operating point, so that an increased, in particular maximum, power is transmitted.
Die Primärspule ist vorteilhaft Bestandteil einer stationären Induktionsladevorrichtung und die Sekundärspule Bestandteil einer mobilen Induktionsladevorrichtung.The primary coil is advantageously part of a stationary inductive charging device and the secondary coil is part of a mobile inductive charging device.
Es versteht sich, dass die Induktionsladevorrichtung auch weitere Bestandteile aufweisen kann.It goes without saying that the inductive charging device can also have other components.
Die Induktionsladevorrichtung kann beispielsweise eine Schaltung zur passiven Anpassung der Impedanz aufweisen, welche nachfolgend auch als Passivimpedanzschaltung bezeichnet wird. Die Passivimpedanzschaltung entspricht insbesondere einem dem Fachmann auch unter dem englischen Ausdruck geläufiges „Impedance Matching Network“, oder kurz „IMN“. Die Passivimpedanzschaltung entspricht dabei vorteilhaft einer fest eingestellten Blindleistungskompensation. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Passivimpedanzschaltung zwischen der Induktionsspule und der Vorrichtung geschaltet ist.The inductive charging device can, for example, have a circuit for passively matching the impedance, which is also referred to below as a passive impedance circuit. The passive impedance circuit corresponds in particular to an “impedance matching network” or “IMN” for short, which is also known to those skilled in the art. In this case, the passive impedance circuit advantageously corresponds to a fixed reactive power compensation. It is preferred here if the passive impedance circuit is connected between the induction coil and the device.
Das Energieübertragungssystem kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zur drahtlosen Energieübertragung zum Einsatz kommen.In principle, the energy transmission system can be used in any application for wireless energy transmission.
Das Energieübertragungssystem kann insbesondere zur drahtlosen Energieübertragung zum Aufladen einer Batterie zum Einsatz kommen.The energy transmission system can be used in particular for wireless energy transmission to charge a battery.
Denkbar ist es dabei, die Batterie eines Kraftfahrzeugs induktiv und somit drahtlos aufzuladen. Zu diesem Zweck ist die mobile Induktionsladevorrichtung vorteilhaft am Kraftfahrzeug vorgesehen und wirkt mit einer sich außerhalb des Kraftfahrzeugs befindenden stationären Induktionsladevorrichtung zusammen.It is conceivable to charge the battery of a motor vehicle inductively and thus wirelessly. For this purpose, the mobile inductive charging device is advantageously provided on the motor vehicle and interacts with a stationary inductive charging device located outside of the motor vehicle.
Es versteht sich, dass neben der Induktionsladevorrichtung auch ein solches Energieübertragungssystem zum Umfang dieser Erfindung gehört.It goes without saying that, in addition to the inductive charging device, such an energy transmission system also belongs to the scope of this invention.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference numbers referring to identical or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch
-
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Energieübertragungssystems mit zumindest einer Induktionsladevorrichtung, -
2 eine Schaltung einer Vorrichtung der Induktionsladevorrichtung zum aktiven Anpassen der Kapazität, -
3 Diagramme zu verschiedenen Spannungs- und Stromverläufen durch die Vorrichtung, -
4 die Vorrichtung in der in3 mit I bezeichneten Durchströmungsphase, -
5 die Vorrichtung in der in3 mit II bezeichneten Durchströmungsphase, -
6 die Vorrichtung in der in3 mit III bezeichneten Durchströmungsphase, -
7 die Vorrichtung in der in3 mit IV bezeichneten Durchströmungsphase, -
8 eine Schaltung der Induktionsladevorrichtung mit der Vorrichtung aus3 , -
9 eine Schaltung der Induktionsladevorrichtung zur Spannungsnulldurchgangserkennung bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
-
1 a highly simplified, circuit diagram-like representation of an energy transmission system with at least one inductive charging device, -
2 a circuit of a device of the induction charging device for actively adjusting the capacity, -
3 Diagrams of different voltage and current curves through the device, -
4 the device in the in3 flow phase designated I, -
5 the device in the in3 flow phase designated II, -
6 the device in the in3 flow phase designated III, -
7 the device in the in3 flow phase designated IV, -
8th a circuit of the inductive charging device with the device3 , -
9 a circuit of the inductive charging device for voltage zero crossing detection in another embodiment.
Eine Induktionsladevorrichtung 1 zur drahtlosen Energieübertragung, wie sie beispielsweise in den
Bei der stationären Induktionsladevorrichtung 1a handelt es sich vorteilhaft um eine solche, welche mit einer elektrischen Energiequelle 4, beispielsweise einem Netzanschluss, verbunden ist oder eine solche Energiequelle 4 umfasst. Die mobile Induktionsladevorrichtung 1b kann insbesondere in einer mobilen Anwendung 5 vorgesehen sein. Entsprechend
Zumindest eine der Induktionsladevorrichtungen 1 umfasst eine Vorrichtung 8 zur aktiven Anpassung einer Kapazität und somit einer Impedanz der Induktionsladevorrichtung 1. In dem in
Die Vorrichtung 8 wird über eine Steuerschaltung 9 angesteuert, welche zu diesem Zweck zumindest einen Treiber-IC (nicht gezeigt) aufweisen kann.The
Zumindest eine der Induktionsladevorrichtungen 1 kann ferner eine Schaltung 10 zur passiven Anpassung einer Impedanz der Induktionsladevorrichtung 1 aufweisen. Die Schaltung 10 wird nachfolgend auch als Passivimpedanzschaltung 10 bezeichnet und entspricht einer fest eingestellten Blindleistungskompensation. In dem in
Beim in
Die
In den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt ist der jeweilige Schalter 16 als ein MOSFET 20 ausgebildet, wobei der erste Schalteranschluss 17 einem Sourceanschluss S, der zweite Schalteranschluss 18 einem Drainanschluss D und der Steueranschluss 19 einem Gateanschluss G des MOSFET 20 entspricht. Wie in den
Der jeweilige zweite Schalteranschluss 18 der Schalter 16 der Vorrichtung 8 ist mit einem zugehörigen der Kondensatoranschlüsse 15 elektrisch verbunden. Das heißt, dass der zweite Erstschalteranschluss 18a elektrisch mit dem ersten Kondensatoranschluss 15a verbunden ist. Zudem ist der zweite Zweitschalteranschluss 18b elektrisch mit dem zweiten Kondensatoranschluss 15b verbunden. Somit ist der zweite Erstschalteranschluss 18a elektrisch mit dem ersten Vorrichtungsanschluss 12a verbunden. Ferner ist der zweite Zweitschalteranschluss 18b elektrisch mit dem zweiten Vorrichtungsanschluss 12b verbunden. Wie den Figuren ferner entnommen werden kann, sind die ersten Schalteranschlüsse 17 des ersten Schalters 16a und des zweiten Schalters 16b elektrisch voneinander getrennt. Das heißt, dass der erste Erstschalteranschluss 17a elektrisch vom ersten Zweitschalteranschluss 17b getrennt ist.The respective second switch connection 18 of the switches 16 of the
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist ferner für zumindest einen der Schalter 16 der Vorrichtung 8 eine zugehörige, dedizierte und somit von den Schaltern 16 separate Diode 22 vorgesehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist für den jeweiligen Schalter 16 eine zugehörige solche Diode 22 vorgesehen. Die jeweilige Diode 22 weist hierbei einen Durchlassanschluss 23 und einen Sperranschluss 24 auf, wobei der Durchlassanschluss 23 mit dem ersten Schalteranschluss 17 des zugehörigen Schalters 16 und der Sperranschluss 24 mit dem entsprechenden Kondensatoranschluss 15 und somit Vorrichtungsanschluss 12 verbunden ist. Das heißt, dass die Vorrichtung 8 eine erste Diode 22a mit einem ersten Durchlassanschluss 23a und einem ersten Sperranschluss 24a aufweist. Dabei ist der erste Durchlassanschluss 23a elektrisch mit dem ersten Erstschalteranschluss 17a verbunden. Ferner ist der erste Sperranschluss 24a elektrisch mit dem zweiten Kondensatoranschluss 15b und somit dem zweiten Vorrichtungsanschluss 12b verbunden. Ferner umfasst die Vorrichtung 8 eine von der ersten Diode 22a und den Schaltern 16 separate zweite Diode 22b mit einem zweiten Durchlassanschluss 23b und einem zweiten Sperranschluss 24b auf. Der zweite Durchlassanschluss 23b ist elektrisch mit dem ersten Zweitschalteranschluss 17b und der zweite Sperranschluss 24b elektrisch mit dem ersten Kondensatoranschluss 15a und somit dem ersten Vorrichtungsanschluss 12a elektrisch verbunden.In the exemplary embodiments shown, an associated, dedicated diode 22 which is therefore separate from the switches 16 is also provided for at least one of the switches 16 of the
Bei der jeweiligen Diode 22 handelt es sich vorzugsweise um eine SiC-Schottky-Diode 25. Bei dem jeweiligen MOSFET 20 handelt es sich vorzugsweise um einen SiC-MOSFET 26. Bevorzugt ist es ferner, wenn die Schalter 16 und die Dioden 22 jeweils identisch ausgebildet sind.The respective diode 22 is preferably a
Der jeweilige als MOSFET 20 ausgebildete Schalter 16 der Vorrichtung 8 wird mittels einer zwischen dem zugehörigen Gateanschluss G und Sourceanschluss S anliegenden Steuerspannung UGS (siehe auch
Die Funktionsweise der Vorrichtung 8 wird nachfolgend anhand der
Ein zweites der Diagramme 28, das dem ersten Diagramm 27 folgt, zeigt den entsprechenden zeitlichen Verlauf des durch die Kondensatoranordnung 13 fließenden Stroms. Somit ist im zweiten Diagramm entlang der Ordinatenachse 31 der durch die Kondensatoranordnung 13 fließende Strom aufgetragen.A second of the diagrams 28, which follows the first diagram 27, shows the corresponding time profile of the current flowing through the capacitor arrangement 13. The current flowing through the capacitor arrangement 13 is thus plotted in the second diagram along the
Ein drittes der Diagramme 29, welches in
Entsprechend
Wie insbesondere Diagramm 29 in
In
Ist der erste Schalter 16a geschlossen, liegt die zweite Durchströmungsvariante II vor. Entsprechend
Nach Ablauf der ersten Zeitdauer ta und somit nach Abschalten der ersten Steuerspannung UGSa und Öffnen des ersten Schalters 16a folgt entsprechend
Entsprechend
Die beschriebenen Durchströmungsvarianten I, II, III, IV werden dabei im Betrieb periodisch wiederholt.The flow variants I, II, III, IV described are repeated periodically during operation.
Entsprechend den
Im in
Die Spannungsnulldurchgangserkennung kann zu Überwachungs- und/oder Regelungsfunktionen eingesetzt werden. Auch kann die Spannungsnulldurchgangserkennung in der Steuerschaltung 9 berücksichtigt werden. Dabei ist die Erkennungseinrichtung 44 mit der Steuerschaltung 9 gekoppelt (nicht gezeigt), so dass die Steuerschaltung 9 die Spannungsnulldurchgänge 43 berücksichtigen kann.Voltage zero crossing detection can be used for monitoring and/or control functions. The voltage zero crossing detection in the control circuit 9 can also be taken into account. In this case, the
In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Spannungsbegrenzer 42 identisch ausgebildet. Dabei ist der jeweilige Spannungsbegrenzer 42 in der Art eines Sourcefolgers des zugehörigen Schalters 16 der Vorrichtung 8 ausgestaltet. Der jeweilige Spannungsbegrenzer 42 weist hierzu einen Schalter 16 sowie einen Widerstand 33 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist somit der erste Spannungsbegrenzer 42a einen dritten Schalter 16c und einen ersten Widerstand 33a auf. Zudem weist der zweite Spannungsbegrenzer 42b einen vierten Schalter 16d und einen zweiten Widerstand 33b auf. Der dritte Schalter 16c und der vierte Schalter 16d weisen, wie die Schalter 16a, 16b der Vorrichtung 8, einen ersten Schalteranschluss 17 und einen zweiten Schalteranschluss 18 sowie einen Steueranschluss 19 auf. Das heißt, dass der dritte Schalter 16c einen ersten Drittschalteranschluss 17c, einen zweiten Drittschalteranschluss 18c und einen Drittschalter-Steueranschluss 19c aufweist. Zudem weist der vierte Schalter 16d einen ersten Viertschalteranschluss 17d, einen zweiten Viertschalteranschluss 18d und einen Viertschalter-Steueranschluss 19d auf. Der jeweilige Widerstand 33 weist zwei Widerstandanschlüsse 34, 35 auf. Das heißt, dass der erste Widerstand 33a einen ersten Erstwiderstandanschluss 34a und einen zweiten Erstwiderstandanschluss 35a aufweist. Zudem weist der zweite Widerstand 33b einen ersten Zweitwiderstandanschluss 34b und einen zweiten Zweitwiderstandanschluss 35b auf. Wie beispielsweise
Wie
Wie in den
Mit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung 1 ist es möglich, eine präzise und einfache aktive Anpassung der Kapazität der zugehörigen Induktionsladevorrichtung 1 vorzunehmen, wobei zugleich Resonanzen vermieden werden können, sodass die Effizienz der Energieübertragung erhöht ist. Ferner können auf diese Weise erhöhte Betriebsspannungen der Induktionsladevorrichtung 1, insbesondere Betriebsspannungen von über 600 Volt, beispielsweise zwischen 600 Volt und 1200 Volt, realisiert werden. Dabei sind die Durchlassverluste aufgrund der möglichen niedrigen Durchlassspannungen der eingesetzten Dioden 22 und Schalter 16 reduziert.With the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102010022143A1 (en) | 2010-05-20 | 2011-11-24 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg | Arrangement and method for operating an arrangement for inductive energy transmission to an electrical consumer |
EP3365958B1 (en) | 2015-10-22 | 2020-05-27 | WiTricity Corporation | Dynamic tuning in wireless energy transfer systems |
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2022
- 2022-02-16 DE DE102022201626.2A patent/DE102022201626A1/en active Pending
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