DE112015000884T5 - Inductive charging device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive Ladevorrichtung (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (3) eines Fahrzeuges (2), umfassend eine Primärspule (4) und einen der Primärspule (4) vorangeschalteten Wechselrichter (5) zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, wobei der Wechselrichter (5) einen Gleichspannungseingang (6) und einen Wechselspannungsausgang (7) umfasst und wobei zwischen dem Gleichspannungseingang (6) und dem Wechselspannungsausgang (7) zumindest eine Schalterstufe (8, 9) und zumindest ein Filter (13) geschaltet sind. Zur Erzeugung einer möglichst sinusförmigen Wechselspannung ohne Oberwellen, wobei der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung nicht beeinträchtigt werden soll, umfasst der Filter (13) einen Streufeldtransformator (10) mit einem ersten Wicklungsabschnitt (11) und einem zweiten Wicklungsabschnitt (12).The invention relates to an inductive charging device (1) for charging an electrical energy store (3) of a vehicle (2), comprising a primary coil (4) and an inverter (5) connected upstream of the primary coil (4) for converting a DC voltage into an AC voltage , wherein the inverter (5) comprises a DC voltage input (6) and an AC voltage output (7) and wherein between the DC voltage input (6) and the AC output (7) at least one switch stage (8, 9) and at least one filter (13) are connected , In order to generate as sinusoidal alternating voltage without harmonics, wherein the efficiency of the power transmission should not be affected, the filter (13) comprises a stray field transformer (10) having a first winding section (11) and a second winding section (12).
Description
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der vorhergehenden Europäischen Patentanmeldung Nr.
Die Erfindung betrifft eine induktive Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer induktiven Ladevorrichtung.The invention relates to an inductive charging device for charging an electrical energy storage device of a vehicle according to the preamble of
Aufgrund Ihrer Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit kommen zunehmend Systeme für induktive Energieübertragung zum kontaktlosen Laden von Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Dabei wird Energie von einer mit Wechselspannung beaufschlagten Primärspule auf eine fahrzeugseitig angeordnete Sekundärspule mit nachgeschaltetem Gleichrichter übertragen.Due to their flexibility and user-friendliness, inductive energy transfer systems are increasingly being used for contactless charging of electric vehicles. In this case, energy is transmitted from a primary coil subjected to alternating voltage to a secondary coil arranged on the vehicle side with a downstream rectifier.
In einem solchen System wird üblicherweise ein magnetisches Wechselfeld im Frequenzbereich von 25 kHz bis 150 kHz erzeugt, wobei die bevorzugte Frequenz in dem durch die Normengremien festgelegten Band zwischen 80 und 90 kHz liegt. Dabei muss beachtet werden, dass außerhalb dieses Frequenzbandes die Grenzwerte für die Emission elektromagnetischer Wellen durch international gültige Normen festgelegt sind. Um diese Grenzwerte einzuhalten, ist es entscheidend, dass das magnetische Wechselfeld mit der Grundschwingung im Bereich von 25 kHz bis 150 kHz arbeitet und nur einen sehr geringen Anteil an Oberwellen enthält. Anderseits soll aber der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung möglichst hoch sein. Deshalb wird mit elektronischen Schaltern ein Rechtecksignal mit der Grundfrequenz des magnetischen Wechselfeldes erzeugt, wodurch die Verluste gering gehalten werden können. Das Rechtecksignal enthält aber einen beträchtlichen Anteil an unerwünschten Oberwellen. Letztere werden im Stand der Technik mittels eines entsprechend dimensionierten LC-Filters ausgefiltert. Allerdings erfordern derartige Filter, insbesondere aufgrund der Dimensionierung der Induktivität, ein beträchtliches Volumen (Platzbedarf), worin einer der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile liegt. Zudem können vielfach die Oberwellen nicht in ausreichendem Maß beseitigt werden.In such a system, an alternating magnetic field is usually generated in the frequency range of 25 kHz to 150 kHz, with the preferred frequency in the band set by the standardization bodies being between 80 and 90 kHz. It should be noted that outside of this frequency band, the limits for the emission of electromagnetic waves are defined by internationally valid standards. To comply with these limits, it is crucial that the alternating magnetic field works with the fundamental in the range of 25 kHz to 150 kHz and contains only a very small proportion of harmonics. On the other hand, however, the efficiency of the power transmission should be as high as possible. Therefore, a square wave signal with the fundamental frequency of the alternating magnetic field is generated with electronic switches, whereby the losses can be kept low. However, the square wave signal contains a significant amount of unwanted harmonics. The latter are filtered out in the prior art by means of a suitably dimensioned LC filter. However, such filters, in particular due to the dimensioning of the inductance, require a considerable volume (space requirement), which is one of the disadvantages resulting from the prior art. In addition, the harmonics can often not be eliminated sufficiently.
Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, diese Nachteile zu beseitigen und eine Ladevorrichtung bereitzustellen, bei der sichergestellt ist, dass die Oberwellen in ausreichendem Maße eliminiert werden und die an der Primärspule anliegende Wechselspannung einer idealen Sinusform möglichst nahe kommt. Gleichzeitig soll mit der Erfindung die Möglichkeit geschaffen werden, die Ladevorrichtung, insbesondere den Wechselrichter mit dem Filter, platzsparend zu dimensionieren, wodurch die Anordnung und/oder Anwendung einer induktiven Ladevorrichtung höhere Flexibilität aufweist.The object of the present invention is thus to eliminate these disadvantages and to provide a charging device which ensures that the harmonics are sufficiently eliminated and the alternating voltage applied to the primary coil comes as close as possible to an ideal sinusoidal shape. At the same time to be created with the invention, the possibility of dimensioning the charging device, in particular the inverter with the filter, space-saving, whereby the arrangement and / or application of an inductive charging device has higher flexibility.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs genannten induktiven Ladevorrichtung dadurch gelöst, dass das Filter einen Streufeldtransformator mit einem ersten Wicklungsabschnitt und einem zweiten Wicklungsabschnitt umfasst.This object is achieved with an inductive charging device mentioned above in that the filter comprises a stray field transformer having a first winding section and a second winding section.
Der erste Wicklungsabschnitt und der zweite Wicklungsabschnitt sind miteinander induktiv gekoppelt und vorzugsweise auf demselben Kern gewickelt. Im Grunde handelt es sich bei dem Streufeldtransformator um gekoppelte Drosseln. Allerdings ist die Kopplung derart, dass nur ein Teil des von einem Wicklungsabschnitt (bzw. einer Drossel) erzeugten Flusses durchdringt auch den anderen Wicklungsabschnitt (bzw. die andere Drossel) und umgekehrt. Der andere (die jeweils andere Drossel nicht durchdringende) Teil des Flusses wird Streufluss oder Streufeld genannt.The first winding section and the second winding section are mutually inductive coupled and preferably wound on the same core. Basically, the stray field transformer is a coupled choke. However, the coupling is such that only a part of the flow generated by one winding section (or a throttle) also penetrates the other winding section (or the other throttle) and vice versa. The other (the other non-penetrating) part of the river is called leakage flux or stray field.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Wicklungsabschnitt und der zweite Wicklungsabschnitt des Transformators auf einem Kern derart gewickelt, dass sie nicht überlappen (d. h. nicht übereinander gewickelt sind). Besonders bevorzugt sind die Wicklungsabschnitte auf dem Kern voneinander beabstandet.In a preferred embodiment, the first winding section and the second winding section of the transformer are wound on a core so that they do not overlap (i.e., are not wound over each other). Particularly preferably, the winding sections are spaced apart on the core.
Im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung umfasst der Begriff Streufeldtransformator auch Transformatoren, bei denen das Streufeld bzw. die Streuinduktivität im Verhältnis zum Gesamtfeld bzw. zur Gesamtinduktivität kleine Werte annimmt. Bevorzugt wird, wenn die Streuinduktivität des Transformators bzw. der jeweiligen Wicklungsabschnitte im Bereich zwischen 0.5% und 10% seiner Gesamtinduktivität, ganz besonders bevorzugt zwischen 1% und 5% seiner Gesamtinduktivität liegt.In the context of the present invention, the term stray field transformer also encompasses transformers in which the stray field or the stray inductance assumes small values in relation to the total field or to the total inductance. It is preferred if the leakage inductance of the transformer or of the respective winding sections lies in the range between 0.5% and 10% of its total inductance, very particularly preferably between 1% and 5% of its total inductance.
Diese besondere Ausgestaltung des Filters in einem Wechselrichter sorgt für eine effiziente Filterung der Oberwellen einer eingehenden Signalform, insbesondere eines Rechtecksignals, für den Betrieb eines induktiven Ladesystems. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines nahezu sinusförmigen Ausgangssignals. Gleichzeitig kann die Ladevorrichtung aufgrund des Einsatzes eines Streufeldtransformators sehr kompakt und platzsparend gebaut werden. Schlussendlich sorgt die einfache und elegante Beschattung für eine verlustarme Spannungswandlung bzw. -übertragung.This particular embodiment of the filter in an inverter ensures efficient filtering of the harmonics of an incoming signal, in particular a rectangular signal, for the operation of an inductive charging system. This allows the provision of a nearly sinusoidal output signal. At the same time, the charging device can be built very compact and space-saving due to the use of a stray field transformer. Finally, the simple and elegant shading ensures low-loss voltage conversion or transmission.
Gegenüber einer gleichartigen Filteranordnung mit zwei ungekoppelten Drosseln ergeben sich mehrere Vorteile:
- – Beide Wicklungen (bzw. Wicklungsabschnitte) werden auf den gemeinsamen Kern gewickelt, benutzen also insbesondere denselben magnetischen Rückschluss, was Platz und Gewicht spart.
- – Die sehr große Hauptinduktivität des Streufeld-Transformators bewirkt zusammen mit den Filterkondensatoren, dass die Gleichtakt-Signale von der Ladespule praktisch ferngehalten werden, was die Störsignale stark verringert. Eine sonst zusätzlich erforderliche „Common Mode Filterdrossel” entfällt damit.
- – Durch die induktive Kopplung der beiden Wicklungsabschnitte werden die Halbleiter mit deutlich geringerem Stromrippel beaufschlagt, was die Verluste minimiert.
- - Both windings (or winding sections) are wound on the common core, so in particular use the same magnetic yoke, which saves space and weight.
- - The very large main inductance of the stray field transformer, together with the filter capacitors, that the common mode signals are kept practically away from the charging coil, which greatly reduces the interference signals. An otherwise additionally required "common mode filter choke" is thus eliminated.
- - Through the inductive coupling of the two winding sections, the semiconductors are subjected to significantly lower current ripple, which minimizes the losses.
Unter Schalterstufe wird eine Schalteinheit bzw. eine Schaltstrecke verstanden, die zumindest einen ansteuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, wie MOSFETs, IGBTs, Transistoren, etc., aufweist, verstanden, die ein von der Ansteuerung der Schalterstufe abhängiges Ausgangssignal liefert, z. B. ein Rechtecksignal bzw. eine ,zerhackte' Gleichspannung.Switch level is understood to mean a switching unit or a switching path which has at least one controllable switch, in particular semiconductor switches, such as MOSFETs, IGBTs, transistors, etc., which supplies an output signal which is dependent on the activation of the switch stage, e.g. B. a square wave signal or a 'chopped' DC voltage.
Bevorzugt wird, wenn die zumindest eine Schalterstufe (bzw. deren transformatorseitiger Ausgang bzw. Pol) mit dem Wechselspannungsausgang über einen Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators galvanisch verbunden ist. Der Strom kann somit durchgehend vom transformatorseitigen Ausgang der zumindest einer Schalterstufe über eine der Wicklungen des Streufeldtransformators bis zum Wechselspannungsausgang fließen. Diese Maßnahme bewirkt, dass nur ein (kleiner) Teil der elektrischen Energie im Streufeldtransformator in magnetische Energie umgewandelt wird. Dadurch kann der Filter bzw. der Streufeldtransformator wesentlich kleiner, leichter und kostengünstiger dimensioniert werden. Gleichzeitig (d. h. trotz der vorteilhaften Dimensionierung des Filters) können durch die erfindungsgemäße Schaltung die bereits oben erwähnten Vorteile hinsichtlich effizienter Filterung der Oberwellen, somit Eliminierung hochfrequenter Anteile, erreicht werden.When the at least one switch stage (or its transformer-side output or pole) is galvanically connected to the AC voltage output via a winding section of the stray field transformer, it is preferred. The current can thus flow continuously from the transformer-side output of the at least one switch stage via one of the windings of the stray field transformer to the alternating voltage output. This measure has the effect that only a (small) part of the electrical energy in the stray field transformer is converted into magnetic energy. As a result, the filter or the stray field transformer can be dimensioned much smaller, lighter and more cost-effective. At the same time (i.e., despite the advantageous dimensioning of the filter), the circuit according to the invention can achieve the already mentioned advantages with regard to efficient filtering of the harmonics, thus elimination of high-frequency components.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Gleichspannungseingang und dem Wechselspannungsausgang eine erste Schalterstufe und eine zweite Schalterstufe geschaltet sind und dass die erste Schalterstufe mit dem Wechselspannungsausgang über den ersten Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators verbunden ist und die zweite Schalterstufe mit dem Wechselspannungsausgang über den zweiten Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators verbunden ist. Auf diese Weise können zwei, durch die jeweilige Schalterstufe geformte Signalformen (insbesondere Rechtecksignale) miteinander kombiniert werden, wodurch die Ausgangsleistung, z. B. über Variation der Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalformen, regelbar wird.A preferred embodiment is characterized in that between the DC voltage input and the AC output, a first switch stage and a second switch stage are connected and that the first switch stage is connected to the AC output via the first winding section of the leakage transformer and the second switch stage with the AC output via the second Winding portion of the stray field transformer is connected. In this way, two, formed by the respective switch stage waveforms (in particular rectangular signals) are combined with each other, whereby the output power, z. B. via variation of the phase shift between the two waveforms, is adjustable.
Auch bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt, wenn der erste Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators eine galvanische Verbindung zwischen der ersten Schalterstufe und dem Wechselspannungsausgang (bzw. dem ersten Pol des Wechselspannungsausganges) bildet und/oder der zweite Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators eine galvanische Verbindung zwischen der zweiten Schalterstufe und dem Wechselspannungsausgang (bzw. dem zweiten Pol des Wechselspannungsausganges) bildet. D. h. die Schalterstufen (bzw. deren transformatorseitige Ausgänge bzw. Pole) sind mit dem Wechselspannungsausgang jeweils über einen Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators galvanisch verbunden. Auch durch diese Maßnahme ergeben sich die bereits oben erwähnten Vorteile hinsichtlich platzsparender, leichterer und kostengünstiger Dimensionierung des Filters, da nicht die gesamte elektrische Energie in magnetische Energie umgewandelt werden muss (wie dies bei einer galvanischen Trennung bzw. einer rein induktiven Kopplung der Fall wäre).Also in this embodiment it is preferred if the first winding section of the stray field transformer makes a galvanic connection between the first Forming switch stage and the AC voltage output (or the first pole of the AC voltage output) and / or the second winding section of the stray field transformer forms a galvanic connection between the second switch stage and the AC output (or the second pole of the AC output). Ie. the switch stages (or their transformer-side outputs or poles) are galvanically connected to the AC output in each case via a winding section of the stray field transformer. Also by this measure, the above-mentioned advantages in terms of space-saving, lighter and more cost-effective dimensioning of the filter, since not the entire electrical energy must be converted into magnetic energy (as would be the case with a galvanic isolation or a purely inductive coupling) ,
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Wicklungsabschnitt und der zweite Wicklungsabschnitt in Serie geschaltet sind (d. h. innerhalb des Streufeldtransformators galvanisch verbunden) und dass ein Abgriff zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt und dem zweiten Wicklungsabschnitt einen Pol des Wechselspannungsausganges bildet oder mit einem Pol des Wechselspannungsausganges verbunden ist. Damit kann eine besonders einfache Schaltung realisiert werden, bei der die Ausgangsspannung nahezu sinusförmig ist und bei der die Ausgangsströme deutlich höher sein können als die Eingangsströme. Auch können mit einer solchen Schaltung ,common-mode'-Effekte unterdrückt werden.A preferred embodiment is characterized in that the first winding section and the second winding section are connected in series (ie galvanically connected within the stray field transformer) and that a tap between the first winding section and the second winding section forms one pole of the AC output or with one pole of the AC output is connected. Thus, a particularly simple circuit can be realized in which the output voltage is almost sinusoidal and in which the output currents can be significantly higher than the input currents. Also, with such a circuit, common-mode effects can be suppressed.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Primärspule zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt und dem zweiten Wicklungsabschnitt des Streufeldtransformators geschaltet ist. D. h. das Ende des ersten Wicklungsabschnittes ist mit dem einen Pol des Wechselspannungsausganges verbunden und das Ende des zweiten Wicklungsabschnittes ist mit dem anderen Pol des Wechselspannungsausganges verbunden. Die Wicklungsabschnitte sind somit parallel zueinander bzw. im Streufeldtransformator voneinander galvanisch getrennt. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass keine Hauptfeld-Magnetisierung erfolgt und kein Gleichstrom durch die Wicklungen fließen kann. Damit ist eine stärkere magnetische Aussteuerung möglich.A preferred embodiment is characterized in that the primary coil is connected between the first winding section and the second winding section of the stray field transformer. Ie. the end of the first winding section is connected to one pole of the AC output and the end of the second winding section is connected to the other pole of the AC output. The winding sections are thus parallel to each other or galvanically separated from each other in the stray field transformer. This circuit has the advantage that there is no main field magnetization and no direct current can flow through the windings. For a stronger magnetic modulation is possible.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis zwischen der auf den jeweils anderen Wicklungsabschnitt bezogenen Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität eines Wicklungsabschnittes zumindest 1:200, besonders bevorzugt zumindest 1:100 beträgt.A preferred embodiment is characterized in that the ratio between the leakage inductance related to the respective other winding section and the total inductance of a winding section is at least 1: 200, particularly preferably at least 1: 100.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen der auf den jeweils anderen Wicklungsabschnitt bezogenen Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität eines Wicklungsabschnittes höchstens 1:10, besonders bevorzugt höchstens 1:20.In a preferred embodiment, the ratio between the leakage inductance related to the respective other winding section and the total inductance of a winding section is at most 1:10, particularly preferably at most 1:20.
Das Verhältnis 1:100 entspricht dabei einem Kopplungsfaktor von 0.99; das Verhältnis 1:20 einem Kopplungsfaktor von 0.95.The ratio 1: 100 corresponds to a coupling factor of 0.99; the ratio 1:20 a coupling factor of 0.95.
Besonders bevorzugt ist es also, wenn die Streuinduktivität des Transformators bzw. der jeweiligen Wicklungsabschnitte im Bereich zwischen 0.5% und 10%, besonders bevorzugt zwischen 1% und 5% seiner Gesamtinduktivität liegt.It is therefore particularly preferred if the leakage inductance of the transformer or the respective winding sections is in the range between 0.5% and 10%, particularly preferably between 1% and 5% of its total inductance.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Streufeldtransformator hinsichtlich des ersten Wicklungsabschnittes und des zweiten Wicklungsabschnittes symmetrisch ausgebildet ist. D. h. beide Wicklungsabschnitte weisen dieselbe Anzahl an Wicklungen auf. Bei symmetrischen und gleichen Eingangssignalen, insbesondere Rechtecksignalen, wird dadurch eine besonders gute Annäherung an ein Sinussignal am Ausgang erreicht.A preferred embodiment is characterized in that the stray field transformer is formed symmetrically with respect to the first winding section and the second winding section. Ie. both winding sections have the same number of windings. With symmetrical and identical input signals, in particular square-wave signals, this achieves a particularly good approximation to a sinusoidal signal at the output.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Filter zumindest eine Kapazität umfasst, die zusammen mit den durch den Streufeldtransformator gebildeten Induktivitäten ein LC-Filter bildet. Dieses filtert aufgrund seiner bevorzugten Kennlinie Oberwellen besonders effizient heraus. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff Kapazität umfasst selbstverständlich Kondensatoren; bzw. wird eine Kapazität durch einen Kondensator realisiert.A preferred embodiment is characterized in that the filter comprises at least one capacitor which forms an LC filter together with the inductances formed by the stray field transformer. Due to its preferred characteristic, this filters out harmonics particularly efficiently. The term capacitance used in the present specification naturally includes capacitors; or a capacity is realized by a capacitor.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Filter zumindest vier Kapazitäten umfasst, die zwischen dem Gleichspannungseingang und dem Wechselspannungsausgang eine Vollbrücke bilden. Die Hauptinduktivitäten der jeweiligen Wicklungsabschnitte bilden nun zusammen mit diesen vier Kapazitäten ein Filter, welches eine Common-Mode-Aussteuerung der Primärspule wirksam verhindert. Besonders günstig ist die Ausführung mit vier gleich großen Kapazitäten, denn durch die so erreichte symmetrische Stromaufteilung ist die Rückwirkung auf den Gleichspannungs-Zwischenkreis besonders gering.A preferred embodiment is characterized in that the filter comprises at least four capacitances which form a full bridge between the DC voltage input and the AC voltage output. The main inductances of the respective winding sections together with these four capacitances now form a filter which effectively prevents common mode modulation of the primary coil. Particularly favorable is the design with four equal capacities, because by the symmetrical current distribution thus achieved, the reaction to the DC link is particularly low.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass dem Wechselrichter ein (aus Resonanz-Kapazitäten gebildeter) kapazitiver Spannungsteiler nachgeschaltet ist. Damit kann die Impedanz des induktiven Übertragungssystems erhöht und so an die größere Ausgangsimpedanz des Filters angepasst werden.A preferred embodiment is characterized in that the inverter is followed by a capacitive voltage divider (formed from resonance capacitors). Thus, the impedance of the inductive transmission system can be increased and adapted to the larger output impedance of the filter.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Polen des Gleichspannungseinganges eine Kapazität geschaltet ist. Dies dient zur Stützung des Gleichspannungs-Zwischenkreises.A preferred embodiment is characterized in that between the poles of the DC input, a capacity is switched. This serves to support the DC intermediate circuit.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Schalterstufe des Wechselrichters aus zwei, eine Halbbrücke bildenden Halbleiter-Schaltelementen gebildet wird.A preferred embodiment is characterized in that at least one switch stage of the inverter is formed from two, a half-bridge forming semiconductor switching elements.
Bevorzugt weist zumindest eine Schalterstufen-Halbbrücke antiparallele Dioden auf.Preferably, at least one switch stage half bridge has antiparallel diodes.
Bevorzugt weist zumindest eine Schalterstufen-Halbbrücke parallel zu den einzelnen Schalterelementen der Halbbrücke geschaltete Kapazitäten auf. Im Hinblick darauf, dass einzelne Schaltelemente bei hohen Strömen abschalten können, kann die Steilheit der Schaltflanke durch Einführung dieser Kapazitäten (bzw. Kondensatoren) vermindert werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.Preferably, at least one switch stage half-bridge has capacitors connected in parallel to the individual switch elements of the half-bridge. In view of the fact that individual switching elements can switch off at high currents, the steepness of the switching edge can be reduced by introducing these capacitors (or capacitors), which improves the electromagnetic compatibility.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Schalterstufe des Wechselrichters eine aus IGBTs gebildete Halbbrücke, vorzugsweise mit antiparallelen Dioden, umfasst und/oder dass zumindest eine Schalterstufe eine aus MOSFETs gebildete Halbbrücke, vorzugsweise mit parallel zu den einzelnen Schalterelementen der Halbbrücke geschalteten Kapazitäten, umfasst.A preferred embodiment is characterized in that at least one switch stage of the inverter comprises a half bridge formed of IGBTs, preferably with anti-parallel diodes, and / or that at least one switch stage comprises a half bridge formed of MOSFETs, preferably with capacitors connected in parallel to the individual switch elements of the half bridge , includes.
Die Aufgabe wird auch mit einem Verfahren zum Betreiben einer induktiven Ladevorrichtung nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen erreicht, wobei am Gleichspannungseingang des Wechselrichters eine Gleichspannung angelegt wird und die zumindest eine Schalterstufe mit einem Ansteuerungssignal angesteuert wird, um am Wechselspannungsausgang eine Wechselspannung zu erzeugen, wobei vorzugsweise die zumindest eine Schalterstufe derart angesteuert wird, dass die Wechselspannung am Wechselspannungsausgang eine Frequenz zwischen 10 kHz und 180 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 150 kHz aufweist, wobei die bevorzugte Frequenz in dem (durch die Normengremien festgelegten) Band zwischen 80 und 90 kHz liegt.The object is also achieved with a method for operating an inductive charging device according to one of the embodiments described above, wherein a DC voltage is applied to the DC input of the inverter and the at least one switch stage is driven by a drive signal to generate an AC voltage at the AC output, preferably the at least one switch stage is controlled in such a way that the AC voltage at the AC output has a frequency between 10 kHz and 180 kHz, preferably between 25 kHz and 150 kHz, the preferred frequency being between 80 and 90 kHz in the band (defined by the standard committees) ,
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Schalterstufen mit derselben Frequenz und zueinander phasenverschoben betrieben werden, wodurch sich ein besonders ,sinus-nahes' Ausgangssignal ergibt.A preferred embodiment is characterized in that the two switch stages are operated at the same frequency and out of phase with one another, which results in a particularly 'sinusoidal' output signal.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Frequenz und die Phase des Ansteuerungssignals steuerbar sind. Dies erhöht die Flexibilität und den Anwendungsbereich einer induktiven Ladevorrichtung.A preferred embodiment is characterized in that the frequency and the phase of the drive signal are controllable. This increases the flexibility and scope of an inductive charging device.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Schalterstufen derart angesteuert werden, dass an deren Ausgang jeweils ein im Wesentlichen symmetrisches Rechtecksignal anliegt, vorzugsweise mit einem Tastverhältnis von im Wesentlichen 50%, wodurch sich ebenfalls ein oberwellen-armes und symmetrisches Ausgangssignal ergibt.A preferred embodiment is characterized in that the switch stages are controlled such that at their output in each case a substantially symmetrical square wave signal is applied, preferably with a duty cycle of substantially 50%, which also results in a harmonic-poor and symmetrical output signal.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die an der Primärspule zur Verfügung stehende Leistung durch eine Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Ansteuerungssignalen der beiden Schalterstufen eingestellt wird.A preferred embodiment is characterized in that the power available at the primary coil is set by a change in the phase shift between the drive signals of the two switch stages.
Dies ermöglicht eine besonders einfache Regelung, die aufgrund des Streufeldtransformators, leistungsunabhängig Ausgangssignale mit einem sehr geringen Oberwellenanteil ermöglicht.This allows a particularly simple control, which allows output signals with a very low harmonic content due to the stray field transformer, independent of power.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Frequenz und/oder die Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale der Schalterstufen so eingestellt wird, dass am Ausgang des Filters bzw. am Eingang des induktiven Übertragungssystems (Primärspule) Strom und Spannung in Phase sind oder der Cosinus des Phasenunterschiedes zwischen Strom und Spannung auf einen definierten bzw. vorgegebenen Wert, vorzugsweise auf einen Wert größer-gleich 0.95, z. B. 0.95, geregelt werden, wobei der Strom der Spannung leicht nacheilt. Damit ergibt sich eine besonders niedrige Strombelastung der Primärspule des induktiven Übertragungssystems, was sowohl einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht als auch die magnetische Feldstärke möglichst niedrig und damit unter den zulässigen Grenzwerten hält.A preferred embodiment is characterized in that the frequency and / or the phase shift of the control signals of the switch stages is set so that at the output of the filter or at the input of the inductive transmission system (primary coil) current and voltage are in phase or the cosine of the phase difference between current and voltage to a defined or predetermined value, preferably to a value greater than or equal to 0.95, z. B. 0.95, with the current lagging slightly behind the voltage. This results in a particularly low current load of the primary coil of the inductive transmission system, which both enables high efficiency and keeps the magnetic field strength as low as possible and thus below the permissible limits.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der durch das Filter gebildete Schwingkreis auf eine Frequenz unterhalb der minimalen Arbeitsfrequenz der induktiven Ladevorrichtung abgestimmt ist, vorzugsweise auf höchstens 85%, besonders bevorzugt auf höchstens etwa 82% der minimalen Arbeitsfrequenz. Die abgestimmte Frequenz kann vorzugsweise die Resonanzfrequenz oder leicht über dieser liegend sein. Dadurch werden alle Frequenzen oberhalb der Arbeitsfrequenz besonders wirksam weggefiltert, also auch die Oberwellen der Rechtecksignale, sodass Ausgangsspannung und -strom praktisch sinusförmig sind.A preferred embodiment is characterized in that the resonant circuit formed by the filter is tuned to a frequency below the minimum operating frequency of the inductive charging device, preferably at most 85%, more preferably at most about 82% of the minimum operating frequency. The tuned frequency may preferably be the resonant frequency or slightly above it. As a result, all frequencies above the operating frequency are filtered out particularly effectively, including the harmonics of the square wave signals, so that output voltage and current are practically sinusoidal.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which embodiments of the invention are described with reference to the drawings. In this case, the features mentioned in the claims and in the description each individually by itself or in any combination essential to the invention.
Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung. Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.The list of reference numerals is part of the disclosure. The figures are described coherently and comprehensively. The same reference symbols denote the same components, reference symbols with different indices indicate functionally identical or similar components.
Es zeigen dabei:It shows:
Zwischen dem Gleichspannungseingang
Der erste Wicklungsabschnitt
Um eine möglichst sinusförmige Spannung und damit wenig Oberwellenanteil zu erreichen, wird für die Ansteuerung der Primärspule
Die Schalterstufen
The switch stages
Am Ausgang jeder Wechselrichter-Untereinheit ist je eine Wicklung
Unabhängig von den jeweiligen anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Streufeldtransformator
Der Filter
Die Frequenz und die Phasenverschiebung von U1 und U2 werden so eingestellt, dass sich ein optimaler Betrieb des angeschlossenen induktiven Übertragungssystems ergibt.The frequency and the phase shift of U 1 and U 2 are adjusted so that an optimal operation of the connected inductive transmission system results.
Aus dem in
Die Ansteuerung bzw. das Regelverfahren erfolgt folgendermaßen: Die Ansteuerung erfolgt mit zwei symmetrischen Rechtecksignalen (und einem Tastverhältnis von 50%). Die Leistung des Systems wird durch eine Veränderung der Phasenverschiebung der beiden Eingangssignale U1, U2 eingestellt. Die Frequenz wird so vorzugsweise so eingestellt, dass am Eingang des Filters
Diese Schaltung hat den Vorteil, dass keine Hauptfeld-Magnetisierung erfolgt und kein Gleichstrom durch die Wicklungen
In der in
In einer weiteren Ausführungsform (
Der ursprüngliche eine Filterkondensator
The original one
Die elektronischen Schalterstufen
Zur Stützung des Gleichspannungs-Zwischenkreises dient der Kondensator
Wie aus den
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb einer induktiven Ladevorrichtung
Die beiden Schalterstufen
Die Schalterstufen werden derart angesteuert, dass an deren Ausgang jeweils ein im Wesentlichen symmetrisches Rechtecksignal anliegt, vorzugsweise mit einem Tastverhältnis von im Wesentlichen 50%.The switch stages are controlled such that at their output in each case a substantially symmetrical square wave signal is applied, preferably with a duty cycle of substantially 50%.
Die an der Primärspule
Der durch den Filter
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des Erfindungsgedankens eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. Ebenso ist es möglich, durch Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the described embodiments and the aspects highlighted therein. Rather, within the concept of the invention a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action. It is also possible, by combining the means and features mentioned to realize further embodiments, without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Induktive LadevorrichtungInductive charging device
- 22
- Fahrzeugvehicle
- 33
- Elektrischer EnergiespeicherElectric energy storage
- 44
- Primärspuleprimary coil
- 55
- Wechselrichterinverter
- 66
- GleichspannungseingangDC input
- 77
- WechselspannungsausgangAC output
- 88th
- Erste SchalterstufeFirst switch level
- 99
- Zweite SchalterstufeSecond switch level
- 1010
- StreufeldtransformatorLeakage transformer
- 1111
- Erster WicklungsabschnittFirst winding section
- 1212
- Zweiter WicklungsabschnittSecond winding section
- 1313
- Filterfilter
- 1414
- Filter-KapazitätFilter capacity
- 1515
- Resonanz-Kapazität/kapazitiver SpannungsteilerResonant Capacitance / Capacitive Voltage Divider
- 1616
- Gleichspannungs-Zwischenkreis-KapazitätDC voltage intermediate circuit capacitor
- 1717
-
(Oberes) Schaltelement der ersten Schalterstufe
8 (Upper) switching element of the first switch stage8th - 1818
-
(Unteres) Schaltelement der ersten Schalterstufe
8 (Lower) switching element of the first switch stage8th - 1919
-
(Oberes) Schaltelement der zweiten Schalterstufe
9 (Upper) switching element of thesecond switch stage 9 - 2020
-
(Unteres) Schaltelement der zweiten Schalterstufe
9 (Lower) switching element of thesecond switch stage 9 - 2121
- Sekundärspulesecondary coil
- 2222
- Netzeingangpower input
- 2323
- NetzfilterLine filter
- 2424
- NetzgleichrichterMains rectifier
- 2525
- PFC-StufePFC stage
- 2626
- Treiber für die SchaltelementeDriver for the switching elements
- 2727
- Controllercontroller
- C1A, C1B, C2A, C2B, C3A, C3B C 1A , C 1B , C 2A , C 2B , C 3A , C 3B
- Kapazitäten bzw. KondensatorenCapacitors or capacitors
- D1A, D1B D 1A , D 1B
- Diodendiodes
- L1, L2; L1H, L2H; L1S, L2S L 1 , L 2 ; L 1H , L 2H ; L 1S , L 2S
- Induktivitäteninductors
- N1, N2 N 1 , N 2
- Wicklungszahlenwinding numbers
- Q1A, Q1B; Q2A, Q2B Q 1A , Q 1B ; Q 2A , Q 2B
- Schaltelemente (MOSFETs, IGBTs)Switching elements (MOSFETs, IGBTs)
- I1, I2 I 1 , I 2
- Eingangsströmeinput currents
- U1, U2 U 1 , U 2
- Eingangsspannungeninput voltages
- IA I A
- AusgangswechselstromAC output
- UA U A
- AusgangswechselspannungAC output voltage
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-
2015
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