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. EP14155956.7 in Anspruch, welche am 20. Februar 2014 eingereicht wurde, sowie die Priorität der Schweizerischen Patentanmeldung Nr. CH00950/14 , die am 23. Juni 2014 angemeldet wurde. Die Gesamtheit beider genannter Anmeldungen werden durch Verweisung ausdrücklich und explizit zur Gänze und in allen beliebigen Teilen, für alle Absichten und Zwecke, hier einbezogen, in gleicher Weise wie bei identischer vollständiger Aufnahme in der gegenständlichen Anmeldung.This application takes the priority of the preceding European patent application no. EP14155956.7 filed on 20 February 2014 and the priority of Swiss patent application no. CH00950 / 14 , which was registered on June 23, 2014. The entirety of both applications are hereby incorporated by reference expressly and explicitly in their entirety and in all arbitrary parts, for all purposes and purposes, in the same manner as in identical complete inclusion in the subject application.

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 claim 1 and to a method for operating an inductive charging device.

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 DE102010042395A1 offenbart ein Verfahren und Systeme zum induktiven Laden einer Batterie eines Fahrzeuges mittels einer induktiven Kopplung einer Primärspule einer Ladestation mit einer Sekundärspule des Fahrzeuges. Die DE102010042395A1 offenbart jedoch keinen der Primärspule vorangeschalteten Wechselrichter.The DE102010042395A1 discloses a method and systems for inductively charging a battery of a vehicle by means of an inductive coupling of a primary coil of a charging station to a secondary coil of the vehicle. However, DE102010042395A1 does not disclose any inverter upstream of the primary coil.

Die US6362463B1 bezieht sich auf ein gänzlich anderes Fachgebiet und offenbart einen Hochfrequenz-Heizapparat mit einer Schaltung zum Betreiben eines Magnetrons, z. B. eines Mikrowellenofens. Die Treiberschaltung umfasst eine Gleichspannungsquelle, zwei Schaltelemente, einen Streufeldtransformator mit einer Primär- und Sekundärseite, einen Gleichrichter und ein Magnetron. Das Magnetron ist durch den Streufeldtransformator von der (Gleich)Spannungsquelle galvanisch getrennt, d. h. die Übertragung der Energie erfolgt ausschließlich induktiv. Sekundärseitig wird durch den Gleichrichter eine Hoch-Volt Spannung für das Magnetron bereitgestellt. Über eine dritte Spule des Streufeldtransformators, die ebenfalls von der Primärseite galvanisch getrennt ist, wird hochfrequenter Strom zur Kathode des Magnetrons geleitet. Der Streufeldtransformator stellt in dieser Schaltung keinen Filter dar; vielmehr ist die Übertragung der hochfrequenten Spannung für den Betrieb des Magnetrons („Hochfrequenzheizung”) erforderlich. Aufgrund der (rein) induktiven Kopplung des Streufeldtransformators muss die gesamte elektrische Energie der Primärseite in magnetische Energie umgewandelt (und wieder rückgewandelt) werden. Dies erfordert, dass der Transformator leistungsstark und somit groß (raumfordernd) und kostspielig dimensioniert werden muss. Für das Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeuges ist dieser Druckschrift keine Lehre zu entnehmen.The US6362463B1 refers to a completely different field and discloses a high-frequency heating apparatus with a circuit for operating a magnetron, z. B. a microwave oven. The driver circuit comprises a DC voltage source, two switching elements, a stray field transformer with a primary and secondary side, a rectifier and a magnetron. The magnetron is galvanically isolated from the (DC) voltage source by the stray field transformer, ie the transmission of the energy is exclusively inductive. On the secondary side, a high-volt voltage for the magnetron is provided by the rectifier. High-frequency current is conducted to the cathode of the magnetron via a third coil of the stray field transformer, which is also galvanically isolated from the primary side. The stray field transformer is not a filter in this circuit; rather, the transmission of the high-frequency voltage for the operation of the magnetron ("high-frequency heating") is required. Due to the (purely) inductive coupling of the stray field transformer, the entire electrical energy of the primary side must be converted into magnetic energy (and reconverted again). This requires that the transformer must be powerful and thus large (space demanding) and costly dimensions. For loading an electrical energy storage device of a vehicle this document is no lesson.

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.
Compared to a similar filter arrangement with two uncoupled throttles, there are several advantages:
  • - 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:

1 schematisch das Grundprinzip beim induktiven Laden eines Fahrzeuges, 1 schematically the basic principle in the inductive charging of a vehicle,

2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, 2 a detail of a loading device according to the invention,

3 ein Beispiel eines Streufeldtransformators, 3 an example of a stray field transformer,

4 ein Ersatzschaltbild eines Streufeldtransformators, 4 an equivalent circuit diagram of a stray field transformer,

5 Spannungen und Ströme im bzw. nach dem Wechselrichter, 5 Voltages and currents in and after the inverter,

6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, 6 a further embodiment of a loading device according to the invention,

7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung, 7 a further embodiment of a loading device according to the invention,

8 ein Beispiel einer Implementierung in ein Gesamtsystem. 8th an example of an implementation in an overall system.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine induktive Ladevorrichtung 1 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 3 eines Fahrzeuges 2. Dazu wird die Energie von einer Primärspule 4 (2) der Ladevorrichtung auf die fahrzeugseitig angeordnete Sekundärspule 21 übertragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärspule 21 im Boden des (nur rein schematisch angedeuteten) Elektrofahrzeuges angeordnet und mit dem Energiespeicher 3, insbesondere einer Batterie oder eines Akkumulators, über einen (nicht dargestellten) Gleichrichter verbunden. 1 shows a schematic representation of an inductive charging device 1 for charging an electrical energy store 3 of a vehicle 2 , This is done by the energy from a primary coil 4 ( 2 ) of the charging device on the vehicle side arranged secondary coil 21 transfer. In the illustrated embodiment, the secondary coil 21 in the bottom of the (only schematically indicated) electric vehicle and arranged with the energy storage 3 , in particular a battery or a rechargeable battery, connected via a (not shown) rectifier.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer induktiven Ladevorrichtung 1 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. Zwischen dem Gleichspannungseingang 6 und dem Wechselspannungsausgang 7 sind zwei Schalterstufen 8, 9 und zumindest ein Filter 13 geschaltet. Der Filter 13 umfasst einen Streufeldtransformator 10 mit einem ersten Wicklungsabschnitt 11 und einem zweiten Wicklungsabschnitt 12. Die Wicklungsabschnitte 11, 12 stellen jeweils Drosseln dar, die miteinander induktiv gekoppelt sind, wobei ein Anteil des Flusses als Streufluss den jeweils anderen Wicklungsabschnitt nicht durchdringt. Bevorzugt beträgt das Verhältnis zwischen der auf den jeweils anderen Wicklungsabschnitt 12, 11 bezogenen Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität eines Wicklungsabschnittes 11, 12 zumindest 1:100, vorzugsweise höchstens 1:20. Selbstverständlich kann dieses Streuinduktivitäts-Verhältnis auch Werte unterhalb bzw. oberhalb dieses bevorzugten Bereiches annehmen. 2 shows an embodiment of an inductive charging device 1 comprising a primary coil 4 and one of the primary coil 4 upstream inverter 5 for converting a DC voltage into an AC voltage, wherein the inverter 5 a DC input 6 and an AC output 7 includes. Between the DC input 6 and the AC output 7 are two switch stages 8th . 9 and at least one filter 13 connected. The filter 13 includes a stray field transformer 10 with a first winding section 11 and a second winding section 12 , The winding sections 11 . 12 each represent chokes, which are inductively coupled to each other, wherein a portion of the flow as leakage flux does not penetrate the respective other winding section. Preferably, the ratio between the on the other winding section 12 . 11 related stray inductance and the total inductance of a winding section 11 . 12 at least 1: 100, preferably at most 1:20. Of course, this leakage inductance ratio can also assume values below or above this preferred range.

Zwischen dem Gleichspannungseingang 6 und dem Wechselspannungsausgang 7 sind eine erste Schalterstufe 8 und eine zweite Schalterstufe 9 geschaltet. Die erste Schalterstufe 9 ist mit dem Wechselspannungsausgang 7 über den ersten Wicklungsabschnitt 11 des Streufeldtransformators 10 verbunden. Die zweite Schalterstufe 12 ist mit dem Wechselspannungsausgang 7 über den zweiten Wicklungsabschnitt 12 des Streufeldtransformators 10 verbunden.Between the DC input 6 and the AC output 7 are a first switch stage 8th and a second switch stage 9 connected. The first switch stage 9 is with the AC output 7 over the first winding section 11 of the stray field transformer 10 connected. The second switch stage 12 is with the AC output 7 over the second winding section 12 of the stray field transformer 10 connected.

Der erste Wicklungsabschnitt 11 und der zweite Wicklungsabschnitt 12 sind in Serie geschaltet. Ein Abgriff zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 11 und dem zweiten Wicklungsabschnitt 12 bildet einen Pol des Wechselspannungsausganges 7 bzw. ist mit einem Pol des Wechselspannungsausganges 7 verbunden.The first winding section 11 and the second winding section 12 are connected in series. A tap between the first winding section 11 and the second winding section 12 forms a pole of the AC output 7 or is one pole of the AC output 7 connected.

Um eine möglichst sinusförmige Spannung und damit wenig Oberwellenanteil zu erreichen, wird für die Ansteuerung der Primärspule 4 beispielsweise folgende Schaltung angewendet:
Die Schalterstufen 8, 9 bilden je eine gesteuerte Wechselrichter-Untereinheit; beide Schalterstufen 8, 9 liefern je ein im wesentlichen symmetrisches Rechtecksignal U1, U2 mit derselben Frequenz (vorzugsweise mit einem Tastverhältnis von 50%). Das Spannungssignal U1 ist gegenüber dem Spannungssignal U2 phasenverschoben. Vorzugsweise sind sowohl die Frequenz als auch die Phasenverschiebung durch entsprechende Ansteuerung der Schalterstufen 8, 9 einstellbar.
In order to achieve the most sinusoidal voltage possible and thus less harmonic content, is used for the control of the primary coil 4 For example, the following circuit is used:
The switch stages 8th . 9 each form a controlled inverter subunit; both switch stages 8th . 9 each deliver a substantially symmetrical square wave signal U 1 , U 2 with the same frequency (preferably with a duty cycle of 50%). The voltage signal U 1 is phase-shifted with respect to the voltage signal U 2 . Preferably, both the frequency and the phase shift by appropriate control of the switch stages 8th . 9 adjustable.

Am Ausgang jeder Wechselrichter-Untereinheit ist je eine Wicklung 11, 12 eines symmetrischen Streufeldtrafos 10 angeschlossen. Dieser ist somit aus zwei Spulen bzw. Induktivitäten L1, L2 aufgebaut, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Der Streufeldtransformator 10 ist hinsichtlich des ersten Wicklungsabschnittes 11 und des zweiten Wicklungsabschnittes 12 symmetrisch ausgebildet (selbe Wicklungsanzahl).At the output of each inverter subunit is one winding each 11 . 12 a symmetrical stray field transformer 10 connected. This is thus composed of two coils or inductors L 1 , L 2 , which are wound on a common core. The stray field transformer 10 is with respect to the first winding section 11 and the second winding section 12 symmetrically formed (same number of turns).

3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Streufeldtransformators 10 und 4 zeigt das Ersatzschaltbild, wobei die ohmschen Widerstände der Einfachheit halber weggelassen wurden. Zur Vereinfachung der Betrachtungen ist der Streufeldtransformator 10 als ,idealer Trafo' mit den ,idealen' Induktivitäten L1H, L2H zusätzlich mit seinen Streuinduktivitäten L1S, L2S dargestellt. Die Streuinduktivität kommt dadurch zustande, dass der Transformator so konstruiert ist, dass nur ein Teil des durch die erste Wicklung erzeugten magnetischen Flusses die zweite Wicklung durchdringt und umgekehrt. 3 shows a possible structure of a stray field transformer 10 and 4 shows that Equivalent circuit diagram, wherein the ohmic resistances have been omitted for the sake of simplicity. To simplify the considerations, the stray field transformer is 10 as an 'ideal transformer' with the 'ideal' inductors L 1H , L 2H additionally shown with its leakage inductances L 1S , L 2S . The leakage inductance is due to the fact that the transformer is designed such that only part of the magnetic flux generated by the first winding penetrates the second winding and vice versa.

Unabhängig von den jeweiligen anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Streufeldtransformator 10 folgende bevorzugte Merkmale aufweisen: Der Streufeldtransformator 10 umfasst vorzugsweise einen Kern, der eine ringartige Kontur aufweist. Zusätzlich kann von einer (Längs)Seite des Kerns ein Vorsprung in Richtung der anderen (Längs)Seite des Kerns ragen (in 3 von oben nach unten). Dabei ist vorzugsweise zwischen dem Vorsprung und der anderen (Längs)Seite des Kerns ein Luftspalt vorgesehen. Die Wicklungsabschnitte 11, 12 überlappen in der dargestellten Ausführungsform nicht (d. h. sie sind nicht übereinander gewickelt). Der Vorsprung des Kerns befindet sich dabei zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 11 und dem zweiten Wicklungsabschnitt 12, die vorzugsweise um zumindest die Breite des Vorsprunges voneinander beabstandet sind.Regardless of the respective other preferred embodiments of the invention, the stray field transformer 10 have the following preferred features: The stray field transformer 10 preferably comprises a core having an annular contour. In addition, from one (longitudinal) side of the core, a protrusion may protrude toward the other (longitudinal) side of the core (in FIG 3 from top to bottom). In this case, an air gap is preferably provided between the projection and the other (longitudinal) side of the core. The winding sections 11 . 12 do not overlap in the illustrated embodiment (ie, they are not wrapped over each other). The projection of the core is located between the first winding section 11 and the second winding section 12 , which are preferably spaced from each other by at least the width of the projection.

Der Filter 13 umfasst zumindest eine Filter-Kapazität 14, die zusammen mit den durch den Streufeldtransformator 10 gebildeten Induktivitäten ein LC-Filter bildet. Dabei bilden die Streuinduktivitäten L1S, L2S bilden zusammen mit dem Kondensator 14 einen Schwingkreis, welcher vorzugsweise auf eine Frequenz unterhalb der minimalen Arbeitsfrequenz des induktiven Übertragungssystems abgestimmt ist, vorzugsweise auf höchstens 85% der minimalen Arbeitsfrequenz, z. B. auf etwa 82% der minimalen Arbeitsfrequenz. Dadurch werden alle Frequenzen oberhalb der Arbeitsfrequenz weggefiltert, also auch die Oberwellen der Rechtecksignale U1, U2, sodass die Ausgangswechselspannung UA und der Ausgangswechselstrom IA praktisch sinusförmig sind. UA wird dem induktiven Übertragungssystem, d. h. der Primärspule 4, zugeführt.The filter 13 includes at least one filter capacity 14 , which together with through the stray field transformer 10 formed inductors forms an LC filter. The stray inductances L 1S , L 2S form together with the capacitor 14 a resonant circuit, which is preferably tuned to a frequency below the minimum operating frequency of the inductive transmission system, preferably at most 85% of the minimum operating frequency, z. B. to about 82% of the minimum operating frequency. As a result, all frequencies are filtered away above the working frequency, including the harmonics of the square wave signals U 1 , U 2 , so that the AC output voltage U A and the AC output current I A are practically sinusoidal. U A is the inductive transmission system, ie the primary coil 4 , fed.

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 5 dargestellten Diagramm ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ersichtlich: durch die transformatorische Kopplung und die damit verbundene Untersetzung kann die Amplitude des Ausgangsstroms IA deutlich höher sein als die der Eingangsströme I1, I2. Man erkennt außerdem, dass der Ausgangswechselstrom IA und die Ausgangswechselspannung UA praktisch sinusförmig sind, obwohl der Eingang des Filters 13 mit rechteckförmigen Spannungen U1, U2 angesteuert wird.From the in 5 represented diagram is a significant advantage of the system according to the invention can be seen: by the transformer coupling and the associated reduction, the amplitude of the output current I A can be significantly higher than that of the input currents I 1 , I 2 . It can also be seen that the output AC current I A and the output AC voltage U A are practically sinusoidal, although the input of the filter 13 is driven with rectangular voltages U 1 , U 2 .

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 13 bzw. des daraus gebildeten Resonanzkreises der Strom und die Spannung in Phase sind bzw. sich leicht „induktiv” verhalten (cosφ > 0.95).The control or the control method is as follows: The control is carried out with two symmetrical square wave signals (and a duty cycle of 50%). The performance of the system is adjusted by changing the phase shift of the two input signals U 1 , U 2 . The frequency is thus preferably adjusted so that at the input of the filter 13 or the resonant circuit formed therefrom, the current and the voltage are in phase or slightly "inductive" behavior (cosφ> 0.95).

6 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der die Primärspule 4 zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 11 und dem zweiten Wicklungsabschnitt 12 des Streufeldtransformators 10 geschaltet ist. Somit wird die Primärseite des induktiven Übertragungssystems (d. h. die Primärspule 4) zwischen die beiden Transformatorwicklungen geschaltet. Die zweite Wicklung 12 wird dabei in Bezug zur Ausführungsform aus 2 „umgedreht” bzw. verläuft gegensinnig, d. h. die Einspeisung der Rechtecksignale erfolgt bei den Wicklungs-Anfängen, die Ausgangsspannung liegt zwischen den beiden Wicklungs-Enden an. 6 shows a variant of the invention, in which the primary coil 4 between the first winding section 11 and the second winding section 12 of the stray field transformer 10 is switched. Thus, the primary side of the inductive transmission system (ie, the primary coil 4 ) connected between the two transformer windings. The second winding 12 is doing in relation to the embodiment 2 "Reversed" or runs in opposite directions, ie the supply of rectangular signals takes place at the winding beginnings, the output voltage is between the two winding ends.

Diese Schaltung hat den Vorteil, dass keine Hauptfeld-Magnetisierung erfolgt und kein Gleichstrom durch die Wicklungen 11, 12 fließen kann. Damit ist eine stärkere magnetische Aussteuerung möglich.This circuit has the advantage that there is no main field magnetization and no DC current through the windings 11 . 12 can flow. For a stronger magnetic modulation is possible.

In der in 6 dargestellten Ausführungsform wurde als weitere Variante ein (dem Wechselrichter 5 nachgeschalteter) aus Resonanz-Kapazitäten gebildeter kapazitiver Spannungsteiler 15 im induktiven Übertragungssystem angedeutet (gestrichelter Kondensator). Damit kann die Impedanz des induktiven Übertragungssystems erhöht und so an die größere Ausgangsimpedanz des Filters 13 angepasst werden.In the in 6 illustrated embodiment was a further variant of a (the inverter 5 downstream) formed from resonant capacitances capacitive voltage divider 15 Indicated in inductive transmission system (dashed capacitor). Thus, the impedance of the inductive transmission system can be increased and so on the larger output impedance of the filter 13 be adjusted.

In einer weiteren Ausführungsform (7) wird zumindest eine Schalterstufe 8, 9 des Wechselrichters 5 aus zwei, eine Halbbrücke bildenden Schaltelementen 17, 18; 19, 20 gebildet. Dabei bilden das obere Schaltelement 17 und das untere Schaltelement 18 eine Schalterstufe 8; und das obere Schaltelement 19 und das untere Schaltelement 20 eine Schalterstufe 9 (siehe auch 8). In 7 umfasst eine Schalterstufe des Wechselrichters 5 eine aus IGBTs gebildete Halbbrücke vorzugsweise mit antiparallelen Dioden und eine andere Schalterstufe eine aus MOSFETs gebildete Halbbrücke. Um die Darstellung zu vereinfachen, wurden L1 und L2 nicht mehr in Streu- und Hauptinduktivität aufgeteilt. Gegenüber der Ausführungsform aus 6 bestehen folgende Unterschiede:
Der ursprüngliche eine Filterkondensator 14 wurde auf vier Kondensatoren 14 (C1A, C1B, C2A, C2B) aufgeteilt, die als Vollbrücke angeordnet sind, wobei deren oberer bzw. unterer Anschluss mit den beiden Polen des Gleichspannungseinganges 6 (DC-Versorgungsspannung) verbunden sind. Die Hauptinduktivität von L1 bzw. L2 bildet nun zusammen mit den Kapazitäten 14 ein Filter 13, welches eine Common-Mode-Aussteuerung der Primärspule 4 wirksam verhindert. Die differenzielle Filterwirkung zur Erzeugung des Sinussignals basiert auf den Streuinduktivitäten wie bei der Schaltung aus 2 und 6.
In a further embodiment ( 7 ) is at least one switch stage 8th . 9 of the inverter 5 from two, a half-bridge forming switching elements 17 . 18 ; 19 . 20 educated. In this case, the upper switching element 17 and the lower switching element 18 a switch stage 8th ; and the upper switching element 19 and the lower switching element 20 a switch stage 9 (see also 8th ). In 7 includes a switch stage of the inverter 5 a half-bridge formed of IGBTs preferably with anti-parallel diodes and another switch stage a half-bridge formed of MOSFETs. To simplify the illustration, L 1 and L 2 did not more divided into stray and main inductance. Compared to the embodiment 6 the following differences exist:
The original one filter capacitor 14 was on four capacitors 14 (C 1A , C 1B , C 2A , C 2B ) are arranged, which are arranged as a full bridge, wherein the upper and lower terminal to the two poles of the DC input 6 (DC supply voltage) are connected. The main inductance of L 1 and L 2 now forms together with the capacitances 14 a filter 13 , which is a common-mode modulation of the primary coil 4 effectively prevented. The differential filtering effect for generating the sine signal is based on the leakage inductances as in the circuit 2 and 6 ,

Die elektronischen Schalterstufen 8, 9 der vorhergehenden Ausführungsformen wurden in einer beispielhaften Ausführung als IGBT-Halbbrücke (Q1A, Q1B) mit antiparallelen Dioden (D1A, D1B) bzw. als MOSFET-Halbbrücke (Q2A, Q2B) dargestellt. Da insbesondere die Schaltelemente Q2A, Q2B bei hohen Strömen abschalten, kann die Steilheit der Schaltflanke durch Einführung von (zu den jeweiligen Schaltelementen parallel geschalteten) Kondensatoren C3A, C3B vermindert werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.The electronic switch stages 8th . 9 of the previous embodiments have been illustrated in an exemplary embodiment as an IGBT half-bridge (Q 1A , Q 1B ) with anti-parallel diodes (D 1A , D 1B ) and as a MOSFET half-bridge (Q 2A , Q 2B ). In particular, since the switching elements Q 2A , Q 2B turn off at high currents, the transconductance of the switching edge can be reduced by introducing capacitors C 3A , C 3B (parallel to the respective switching elements), which improves the electromagnetic compatibility.

Zur Stützung des Gleichspannungs-Zwischenkreises dient der Kondensator 16 (Gleichspannungs-Zwischenkreis-Kapazität) zwischen den Polen des Gleichspannungseinganges 6.The capacitor is used to support the DC link 16 (DC link capacitance) between the poles of the DC input 6 ,

Wie aus den 2, 6 und 7 ersichtlich sind die Schalterstufen 8, 9 (bzw. deren transformatorseitigen Ausgänge bzw. Pole) mit dem Wechselspannungsausgang 7 jeweils über einen Wicklungsabschnitt 11, 12 des Streufeldtransformators 10 galvanisch verbunden. In den dargestellten Ausführungsformen bildet der erste Wicklungsabschnitt 11 des Streufeldtransformators 10 eine galvanische Verbindung zwischen der ersten Schalterstufe 8 und dem einen Pol des Wechselspannungsausgangs 7 und bildet der zweite Wicklungsabschnitt 12 des Streufeldtransformators 10 eine galvanische Verbindung zwischen der zweiten Schalterstufe 9 und dem anderen Pol des Wechselspannungsausgangs 7.Like from the 2 . 6 and 7 the switch stages are visible 8th . 9 (or their transformer-side outputs or poles) with the AC voltage output 7 each over a winding section 11 . 12 of the stray field transformer 10 galvanically connected. In the illustrated embodiments, the first winding section forms 11 of the stray field transformer 10 a galvanic connection between the first switch stage 8th and one pole of the AC output 7 and forms the second winding section 12 of the stray field transformer 10 a galvanic connection between the second switch stage 9 and the other pole of the AC output 7 ,

8 zeigt die mögliche Integration in ein Gesamtsystem. Dem Netzeingang 22 ist ein Netzfilter 23 nachgeschaltet. Zwischen dem Netzfilter 23 und einer PFC(power correction factor)-Stufe 25 ist ein Netzgleichrichter 24 geschaltet. Mit dem Ausgang der PFC-Stufe 25 ist der Gleichspannungseingang 6 des Wechselrichters 5 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 26 sind die Treiber für die Schalterstufen 8, 9 bzw. für die einzelnen Schaltelemente der Schalterstufen 8, 9 bezeichnet. Die Treiber werden von einem Controller 27 gesteuert. 8th shows the possible integration into an overall system. The network entrance 22 is a line filter 23 downstream. Between the mains filter 23 and a PFC (power correction factor) stage 25 is a power rectifier 24 connected. With the output of the PFC stage 25 is the DC input 6 of the inverter 5 connected. With the reference number 26 are the drivers for the switch stages 8th . 9 or for the individual switching elements of the switch stages 8th . 9 designated. The drivers are from a controller 27 controlled.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb einer induktiven Ladevorrichtung 1 näher beschrieben. Dabei wird am Gleichspannungseingang 6 des Wechselrichters 5 eine Gleichspannung angelegt. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass eine Wechselspannung z. B. aus der Steckdose, gleichgerichtet wird. Die Schalterstufen bzw. deren Schaltelemente werden mit einem Ansteuerungssignal angesteuert, um am Wechselspannungsausgang 7 eine Wechselspannung zu erzeugen. Vorzugsweise wird die zumindest eine Schalterstufe derart angesteuert, dass die Wechselspannung am Wechselspannungsausgang eine Frequenz zwischen 10 kHz und 180 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 150 kHz aufweist.The following is a preferred method for operating an inductive charging device 1 described in more detail. It is at the DC voltage input 6 of the inverter 5 a DC voltage applied. This can be z. B. be done by an AC voltage z. B. from the socket, is rectified. The switch stages or their switching elements are driven with a drive signal to the AC output 7 to generate an AC voltage. Preferably, the at least one switch stage is controlled such that the AC voltage at the AC output has a frequency between 10 kHz and 180 kHz, preferably between 25 kHz and 150 kHz.

Die beiden Schalterstufen 8, 9 werden mit derselben Frequenz und zueinander phasenverschoben betrieben. Die Frequenz und die Phase des Ansteuerungssignals der Schaltelemente sind vorzugsweise veränderbar.The two switch stages 8th . 9 are operated at the same frequency and out of phase with each other. The frequency and the phase of the drive signal of the switching elements are preferably variable.

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 4 zur Verfügung stehende Leistung kann durch eine Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Ansteuerungssignalen der beiden Schalterstufen eingestellt werden. Die Frequenz der Ansteuerungssignale der Schalterstufen wird vorzugsweise so eingestellt wird, dass am Eingang des durch den Filter 13 gebildeten Schwingkreises Strom und Spannung in Phase sind oder der Cosinus des Phasenunterschiedes zwischen Strom und Spannung größer als 0.95 ist.The at the primary coil 4 available power can be adjusted by changing the phase shift between the drive signals of the two switch stages. The frequency of the drive signals of the switch stages is preferably adjusted so that at the input of the filter 13 formed oscillator circuit current and voltage in phase or the cosine of the phase difference between current and voltage is greater than 0.95.

Der durch den Filter 13 gebildete Schwingkreis wird auf eine Frequenz unterhalb der minimalen Arbeitsfrequenz der induktiven Ladevorrichtung 1 abgestimmt, vorzugsweise auf höchstens 85%, besonders bevorzugt höchstens etwa 82% der minimalen Arbeitsfrequenz.The through the filter 13 The resonant circuit formed is at a frequency below the minimum operating frequency of the inductive charging device 1 tuned, preferably to at most 85%, more preferably at most about 82% of the minimum operating frequency.

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 stage 8th
1818
(Unteres) Schaltelement der ersten Schalterstufe 8 (Lower) switching element of the first switch stage 8th
1919
(Oberes) Schaltelement der zweiten Schalterstufe 9 (Upper) switching element of the second switch stage 9
2020
(Unteres) Schaltelement der zweiten Schalterstufe 9 (Lower) switching element of the second 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

Claims (17)

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, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (13) einen Streufeldtransformator (10) mit einem ersten Wicklungsabschnitt (11) und einem zweiten Wicklungsabschnitt (12) umfasst.Inductive charging device ( 1 ) for charging an electrical energy store ( 3 ) of a vehicle ( 2 ) comprising a primary coil ( 4 ) and one of the primary coil ( 4 ) upstream inverter ( 5 ) for converting a DC voltage into an AC voltage, wherein the inverter ( 5 ) a DC input ( 6 ) and an AC output ( 7 ) and wherein between the DC input ( 6 ) and the AC output ( 7 ) at least one switch stage ( 8th . 9 ) and at least one filter ( 13 ), characterized in that the filter ( 13 ) a stray field transformer ( 10 ) with a first winding section ( 11 ) and a second winding section ( 12 ). Ladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schalterstufe (8, 9) mit dem Wechselspannungsausgang (7) über einen Wicklungsabschnitt (11, 12) des Streufeldtransformators (10) galvanisch verbunden ist.Loading device according to claim 1, characterized in that the at least one switch stage ( 8th . 9 ) with the AC output ( 7 ) via a winding section ( 11 . 12 ) of the stray field transformer ( 10 ) is galvanically connected. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichspannungseingang (6) und dem Wechselspannungsausgang (7) eine erste Schalterstufe (8) und eine zweite Schalterstufe (9) geschaltet sind und dass die erste Schalterstufe (9) mit dem Wechselspannungsausgang (7) über den ersten Wicklungsabschnitt (11) des Streufeldtransformators (10) verbunden ist und die zweite Schalterstufe (12) mit dem Wechselspannungsausgang (7) über den zweiten Wicklungsabschnitt (12) des Streufeldtransformators (10) verbunden ist.Charging device according to claim 1 or 2, characterized in that between the DC voltage input ( 6 ) and the AC output ( 7 ) a first switch stage ( 8th ) and a second switch stage ( 9 ) and that the first switch stage ( 9 ) with the AC output ( 7 ) over the first winding section ( 11 ) of the stray field transformer ( 10 ) and the second switch stage ( 12 ) with the AC output ( 7 ) over the second winding section ( 12 ) of the stray field transformer ( 10 ) connected is. Ladevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wicklungsabschnitt (11) des Streufeldtransformators (10) eine galvanische Verbindung zwischen der ersten Schalterstufe (8) und dem Wechselspannungsausgang (7) bildet und/oder dass der zweite Wicklungsabschnitt (12) des Streufeldtransformators (10) eine galvanische Verbindung zwischen der zweiten Schalterstufe (9) und dem Wechselspannungsausgang (7) bildet.Loading device according to claim 3, characterized in that the first winding section ( 11 ) of the stray field transformer ( 10 ) a galvanic connection between the first switch stage ( 8th ) and the AC output ( 7 ) forms and / or that the second winding section ( 12 ) of the stray field transformer ( 10 ) a galvanic connection between the second switch stage ( 9 ) and the AC output ( 7 ). Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wicklungsabschnitt (11) und der zweite Wicklungsabschnitt (12) in Serie geschaltet sind und dass ein Abgriff zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt (11) und dem zweiten Wicklungsabschnitt (12) einen Pol des Wechselspannungsausganges (7) bildet oder mit einem Pol des Wechselspannungsausganges (7) verbunden ist.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the first winding section ( 11 ) and the second winding section ( 12 ) are connected in series and that a tap between the first winding section ( 11 ) and the second winding section ( 12 ) one pole of the AC output ( 7 ) or with one pole of the AC output ( 7 ) connected is. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (4) zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt (11) und dem zweiten Wicklungsabschnitt (12) des Streufeldtransformators (10) geschaltet ist.Loading device according to one of the preceding claims, characterized in that the primary coil ( 4 ) between the first winding section ( 11 ) and the second winding section ( 12 ) of the stray field transformer ( 10 ) is switched. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der auf den jeweils anderen Wicklungsabschnitt (12, 11) bezogenen Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität eines Wicklungsabschnittes (11, 12) zumindest 1:200, vorzugsweise zumindest 1:100 beträgt, und/oder dass das Verhältnis zwischen der auf den jeweils anderen Wicklungsabschnitt (12, 11) bezogenen Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität eines Wicklungsabschnittes (11, 12) höchstens 1:10, vorzugsweise höchstens 1:20 beträgt.Loading device according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio between the on the other winding section ( 12 . 11 ) related leakage inductance and the total inductance of a winding section ( 11 . 12 ) is at least 1: 200, preferably at least 1: 100, and / or that the ratio between the on the other winding section ( 12 . 11 ) related leakage inductance and the total inductance of a winding section ( 11 . 12 ) is at most 1:10, preferably at most 1:20. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streufeldtransformator (10) hinsichtlich des ersten Wicklungsabschnittes (11) und des zweiten Wicklungsabschnittes (12) symmetrisch ausgebildet ist.Loading device according to one of the preceding claims, characterized in that the stray field transformer ( 10 ) with regard to the first winding section ( 11 ) and the second winding section ( 12 ) is formed symmetrically. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (13) zumindest eine Filter-Kapazität (14) umfasst, die zusammen mit den durch den Streufeldtransformator (10) gebildeten Induktivitäten ein LC-Filter bildet, und dass vorzugsweise der Filter (13) zumindest vier Filter-Kapazitäten (14) umfasst, die zwischen dem Gleichspannungseingang (6) und dem Wechselspannungsausgang (7) eine Vollbrücke bilden.Loading device according to one of the preceding claims, characterized in that the filter ( 13 ) at least one filter capacity ( 14 ), which together with the stray field transformer ( 10 ) forms an LC filter, and that preferably the filter ( 13 ) at least four filter capacities ( 14 ) connected between the DC input ( 6 ) and the AC output ( 7 ) form a full bridge. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wechselrichter (10) ein kapazitiver Spannungsteiler (15) nachgeschaltet ist, und/oder dass zwischen den Polen des Gleichspannungseinganges (6) eine Kapazität (16) geschaltet ist.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter ( 10 ) a capacitive voltage divider ( 15 ), and / or that between the poles of the DC input ( 6 ) a capacity ( 16 ) is switched. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schalterstufe (8, 9) des Wechselrichters (5) aus zwei, eine Halbbrücke bildenden Schaltelementen (17, 18; 19, 20) gebildet wird.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one switch stage ( 8th . 9 ) of the inverter ( 5 ) of two, a half-bridge forming switching elements ( 17 . 18 ; 19 . 20 ) is formed. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 umfasst.Charging device according to one of the preceding claims, 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. Verfahren zum Betrieb einer induktiven Ladevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gleichspannungseingang (6) des Wechselrichters (5) eine Gleichspannung angelegt wird und die zumindest eine Schalterstufe (8, 9) mit einem Ansteuerungssignal angesteuert wird, um am Wechselspannungsausgang (7) eine Wechselspannung zu erzeugen, wobei vorzugsweise die zumindest eine Schalterstufe (8, 9) derart angesteuert wird, dass die Wechselspannung am Wechselspannungsausgang eine Frequenz zwischen 10 kHz und 180 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 150 kHz, besonders bevorzugt zwischen 80 kHz und 90 kHz aufweist.Method for operating an inductive charging device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at the DC input ( 6 ) of the inverter ( 5 ) a DC voltage is applied and the at least one switch stage ( 8th . 9 ) is driven with a drive signal to the AC output ( 7 ) to generate an alternating voltage, wherein preferably the at least one switch stage ( 8th . 9 ) is driven such that the AC voltage at the AC output has a frequency between 10 kHz and 180 kHz, preferably between 25 kHz and 150 kHz, more preferably between 80 kHz and 90 kHz. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schalterstufen (8, 9) mit derselben Frequenz und zueinander phasenverschoben betrieben werden.Method according to claim 13, characterized in that the two switch stages ( 8th . 9 ) are operated at the same frequency and out of phase with each other. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und/oder die Phase des Ansteuerungssignals einer Schalterstufe (8, 9) steuerbar sind, und dass vorzugsweise die an der Primärspule (4) zur Verfügung stehende Leistung durch eine Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Ansteuerungssignalen der beiden Schalterstufen (8, 9) eingestellt wird.A method according to claim 13 or 14, characterized in that the frequency and / or the phase of the drive signal of a switch stage ( 8th . 9 ) are controllable, and that preferably at the primary coil ( 4 ) available power by a change in the phase shift between the drive signals of the two switch stages ( 8th . 9 ) is set. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterstufen (8, 9) derart angesteuert werden, dass an deren Ausgang jeweils ein im Wesentlichen symmetrisches Rechtecksignal anliegt, vorzugsweise mit einem Tastverhältnis von im Wesentlichen 50%.Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that the switch stages ( 8th . 9 ) are driven such that at their output in each case a substantially symmetrical square wave signal is applied, preferably with a duty cycle of substantially 50%. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Ansteuerungssignale der Schalterstufen (8, 9) so eingestellt wird, dass am Ausgang des Filters (13) bzw. am Eingang der Primärspule (4) Strom und Spannung in Phase sind oder der Cosinus des Phasenunterschiedes zwischen Strom und Spannung auf einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise auf einen Wert größer-gleich 0.95, z. B. 0.95, geregelt wird, wobei der Strom der Spannung leicht nacheilt, und/oder dass der durch den Filter (13) gebildete Schwingkreis auf eine Frequenz unterhalb der minimalen Arbeitsfrequenz der induktiven Ladevorrichtung (1) abgestimmt ist, vorzugsweise auf höchstens 85%, besonders bevorzugt auf höchstens etwa 82% der minimalen Arbeitsfrequenz.Method according to one of claims 13 to 16, characterized in that the frequency of the drive signals of the switch stages ( 8th . 9 ) is adjusted so that at the output of the filter ( 13 ) or at the input of the primary coil ( 4 ) Current and voltage in phase or the cosine of the phase difference between current and voltage to a predetermined value, preferably to a value greater than or equal to 0.95, z. B. 0.95, wherein the current of the voltage lags slightly, and / or that by the filter ( 13 ) resonant circuit to a frequency below the minimum operating frequency of the inductive charging device ( 1 ), preferably at most 85%, more preferably at most about 82% of the minimum operating frequency.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019217246A1 (en) * 2019-11-07 2021-05-12 Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh Loading device
CN112910106A (en) * 2021-01-27 2021-06-04 安徽农业大学 Wireless charging system of express delivery scanning rifle

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017005863A1 (en) * 2015-07-09 2017-01-12 Constructions Electroniques + Telecommunications High power density inverter (i)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US63624A (en) 1867-04-09 emerson
WO2000008898A2 (en) * 1998-08-06 2000-02-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. High frequency heating apparatus
DE102010042395A1 (en) 2010-10-13 2012-04-19 Continental Automotive Gmbh Method for inductive charging of battery in vehicle e.g. electric car, involves performing the inductive coupling of primary coil in loading station and secondary coil of vehicle while maintaining preset gap between coils
DE102013102433A1 (en) * 2012-03-13 2013-09-19 Sma Solar Technology Ag Inverter i.e. solar inverter, for feeding electrical power from photovoltaic generator into AC network, has interface circuitry activated to apply direct voltage to series arrangement, and converter operated in frequency within preset range

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019217246A1 (en) * 2019-11-07 2021-05-12 Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh Loading device
CN112910106A (en) * 2021-01-27 2021-06-04 安徽农业大学 Wireless charging system of express delivery scanning rifle

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