WO2013107501A1 - Method for defining a switching frequency for operating an electric inverter of a primary system during wireless transfer of energy, and primary system - Google Patents

Method for defining a switching frequency for operating an electric inverter of a primary system during wireless transfer of energy, and primary system Download PDF

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WO2013107501A1 PCT/EP2012/050643 EP2012050643W WO2013107501A1 WO 2013107501 A1 WO2013107501 A1 WO 2013107501A1 EP 2012050643 W EP2012050643 W EP 2012050643W WO 2013107501 A1 WO2013107501 A1 WO 2013107501A1
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primary
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inverter
switching
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Michael Finkenzeller
Marek Galek
Thomas Komma
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • An inventive method is used to set an optimal switching frequency for the operation of an electrical inverter of a primary system in a wireless transmission of electrical energy from the primary system to a secondary system, wherein by means of the inverter from a dc electrical voltage, which between a first electrical potential and a an AC voltage is supplied to a primary coil of the primary system connected in series with a primary capacitor in that the inverter alternately switches between a first switching state, in which the primary capacitor is coupled to the first potential, by means of a control device is switched from the first switching state different second switching state with the switching frequency.
  • the switching frequency of the inverter 8 is initially set to a maximum value. turns and then gradually decreases.
  • the Steuereinrich ⁇ device 19 simultaneously detects the current strength of a current flowing through the primary coil 3 current I (see FIG 1), as is schematically indicated in Figure 1 with the arrow 23. In the control device 19 so the time course of the current of the current I is present.
  • the controller 19 evaluates the time course of the current I, which is shown by way of example in Fig. 5 As is apparent from FIG. 5, the current intensity of the current I increases in the first switching state ZI of FIG. 5

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Abstract

The invention relates to a method for defining a switching frequency for operating an electric inverter (8) of a primary system (1) during a wireless transfer of electrical energy from the primary system (1) to a secondary system (2). By means of the inverter (8), an alternating voltage (UW) on a primary coil (3) of the primary system (1), said primary coil being series-connected to a primary capacitor (5), is provided from an electrical direct voltage (UG) which drops between a first electrical potential (11) and a second electrical potential (12) that is lower than said first electrical potential, such that the inverter (8) is alternated between a first inverter state in which the primary capacitor (5) is coupled to the first potential (11) and a second inverter state which is different from the first inverter state by means of a control unit (19) and is switched with the switching frequency. In order to determine a final value for the switching frequency, said switching frequency is changed in a defined range of values and a temporal progression of the current intensity of a current (I) flowing through the primary coil (3) is detected by means of the control unit (19) and is evaluated for varying values of the switching frequency, such that the final value of the switching frequency is determined as a function of the progression of the current intensity of the current (I).

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Festlegen einer Schaltfrequenz für den Betrieb eines elektrischen Wechselrichters eines Primärsystems bei einer drahtlosen Übertragung von Energie und Primärsystem A method of determining a switching frequency for operation of an electrical inverter of a primary system in a wireless transmission of power and primary system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer optimalen Schaltfrequenz für den Betrieb eines elektrischen Wechselrichters eines Primärsystems bei einer drahtlosenThe invention relates to a method for determining an optimum switching frequency for the operation of an electrical inverter of a primary system in a wireless
Übertragung von elektrischer Energie von dem Primärsystem an ein Sekundärsystem. Mittels des Wechselrichters wird aus ei¬ ner elektrischen Gleichspannung, welche zwischen einem ersten elektrischen Potential und einem davon geringeren zweiten elektrischen Potential abfällt, eine Wechselspannung an einer mit einem Primärkondensator in Reihe geschalteten Primärspule des Primärsystems bereitgestellt. Zu diesem Zwecke wird der Wechselrichter mittels einer Steuereinrichtung abwechselnd zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem der Primär- kondensator mit dem ersten Potential elektrisch verbunden ist, und einem von dem ersten Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand mit der Schaltfrequenz geschaltet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Primärsystem, welches zum drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie an ein Sekun- därsystem ausgebildet ist. Transmission of electrical energy from the primary system to a secondary system. By means of the inverter is from ei ¬ ner electrical DC voltage which falls between a first electrical potential and a lower second electrical potential thereof, provided an AC voltage to a primary capacitor connected in series with a primary coil of the primary system. For this purpose, the inverter is alternately switched by means of a control device between a first switching state in which the primary capacitor is electrically connected to the first potential, and a second switching state different from the first switching state with the switching frequency. The invention also relates to a primary system which is designed for the wireless transmission of electrical energy to a secondary system.
Also richtet sich das Interesse vorliegend auf eine drahtlose Übertragung von elektrischer Energie von einem Primärsystem an ein Sekundärsystem. Solche Systeme, bei denen die Energie- Übertragung drahtlos erfolgt, sind bereits Stand der Technik. So können beispielsweise die Fahrzeugbatterien von Elektro- fahrzeugen - sei es Personenkraftwagen, sei es Nutzfahrzeugen, wie Gabelstaplern und der gleichen - drahtlos mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Ein weiteres Beispiel stellen elektronische Geräte - wie beispielsweise Mobiltele¬ fone - dar, welche ebenfalls drahtlos mit elektrischer Ener¬ gie aufgeladen werden können. Üblicherweise verfügen die bekannten drahtlosen Energieübertragungssysteme über einen Kom- munikationskanal zwischen dem Primärsystem und dem Sekundärsystem, über welchen eine drahtlose Datenkommunikation zwischen den beidseitigen Systemen durchgeführt werden kann. Hierbei werden Informationen ausgetauscht, die zur optimalen Impedanzanpassung und Kompensation des Übertragungssystems dienen. Ist das System nicht vollständig in seiner Impedanz angepasst, entsteht in der Primärspule ein Spannungsabfall, welcher eine vollständige Leistungsübertragung nicht mehr möglich macht. Thus, interest here is directed to wireless transmission of electrical energy from a primary system to a secondary system. Such systems, in which the energy transmission is wireless, are already state of the art. For example, the vehicle batteries of electric vehicles - whether passenger cars, commercial vehicles, forklifts or the like - can be charged wirelessly with electrical energy. A further example electronic devices - such as mobile tele ¬ fone - represents, which can also be wirelessly charged electric Ener gy ¬. Usually, the known wireless energy transmission systems have a com- communication channel between the primary system and the secondary system, via which a wireless data communication between the two-sided systems can be performed. This information is exchanged, which are used for optimal impedance matching and compensation of the transmission system. If the system is not completely matched in its impedance, a voltage drop occurs in the primary coil which makes complete power transmission impossible.
Ein solches Energieübertragungssystem, bei welchem von dem Sekundärsystem Informationen an das Primärsystem übermittelt werden, ist beispielsweise der drahtlose Energiesender bq500100 sowie der dazugehörige drahtlose Energieempfänger bq51013 der Firma „Texas Instruments". Bei diesem bekannten Gerät wird die zur Ansteuerung notwendige Information auf der Sekundärseite auf den Strompfad moduliert und dann auf der Primärseite wieder demoduliert. Die dadurch gewonnenen Informationen fließen auf der Primärseite in die Festlegung der Schaltfrequenz des Wechselrichters mit ein, und es entsteht eine geschlossene Regelschleife. Such an energy transmission system, in which information is transmitted to the primary system by the secondary system, is, for example, the wireless energy transmitter bq500100 and the associated wireless energy receiver bq51013 from the company "Texas Instruments." In this known device, the information necessary for the control is displayed on the secondary side Current path is modulated and then demodulated on the primary side, the information thus obtained flows on the primary side into the definition of the switching frequency of the inverter, and a closed control loop is created.
An dem bekannten Stand der Technik ist als nachteilig der Umstand anzustehen, dass zur Impedanzanpassung bzw. zur Kompensation eines durch den Primärkondensator und eine Streuinduktivität der Primärspule gebildeten Schwingkreises eine Daten¬ übertragung von dem Sekundärsystem an das Primärsystem erfolgen muss. Somit müssen die beiden Systeme aufeinander abgestimmt werden, und die Kompatibilität zu anderen, nicht ange- passten Sekundärsystemen ist nicht gegeben. Diese Problematik wird derzeit durch die Definierung von neuen Normen zur Kommunikation ein wenig entschärft, ist jedoch nach wie vor präsent . Is of the known state of the art to be disadvantageous, the fact to be that for impedance matching and to compensate for a resonant circuit formed by the primary capacitor and a leakage inductance of the primary coil a data ¬ must be transferred from the secondary system to the primary system. Thus, the two systems must be matched and compatibility with other, non-adapted secondary systems is not given. This problem is currently somewhat alleviated by the definition of new communication standards, but it is still present.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung die Übertragung der elektrischen Energie von dem Primärsystem an das Sekundärsystem besonders zuverlässig und wirkungsvoll auch ohne eine Kommunikation zwischen den beiden Systemen erfolgen kann . It is an object of the invention to provide a solution, as in a method of the type mentioned the transmission of electrical energy from the primary system to the secondary system particularly reliable and effective can be done without communication between the two systems.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie durch ein Primärsystem mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Festlegen einer optimalen Schaltfrequenz für den Betrieb eines elektrischen Wechselrichters eines Primärsystems bei einer drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie von dem Primärsystem an ein Sekundärsystem, wobei mittels des Wechselrichters aus ei- ner elektrischen Gleichspannung, welche zwischen einem ersten elektrischen Potential und einem davon geringeren zweiten elektrischen Potential abfällt, eine Wechselspannung an eine mit einem Primärkondensator in Reihe geschalteten Primärspule des Primärsystems bereitgestellt wird, indem der Wechselrich- ter mittels einer Steuereinrichtung abwechselnd zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchen der Primärkondensator mit dem ersten Potential gekoppelt wird, und einem von dem ersten Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand mit der Schaltfrequenz geschaltet wird. Erfindungsgemäß ist vor- gesehen, dass zur Bestimmung eines endgültigen bzw. optimalen Werts für die Schaltfrequenz selbige Frequenz in einem vorgegebenen Wertebereich verändert wird sowie ein zeitlicher Verlauf der Stromstärke eines durch die Primärspule fließenden Stromes mittels der Steuereinrichtung erfasst und für unter- schiedliche Werte der Schaltfrequenz ausgewertet wird, sodass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke des Stromes festgelegt wird . Der erfindungsgemäße Effekt wird also dadurch erzielt, dass auf der Primärseite bzw. im Primärsystem der durch die Primärspule fließende elektrische Strom erfasst und die Schalt¬ frequenz für das Schalten des Wechselrichters - also die Fre- quenz der Wechselspannung - m Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke des elektrischen Stromes einge¬ stellt wird. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass der Verlauf der Stromstärke des Primärstromes eine ein¬ deutige Aussage darüber liefert, ob oder ob nicht eine Impe¬ danzanpassung zwischen dem Sekundärsystem und dem Primärsystem vorliegt bzw. ob oder ob nicht ein zusätzlicher Spannungsabfall an der Primärspule auftritt. Der zeitliche Ver¬ lauf der Stromstärke liefert nämlich eine Aussage darüber, ob aktuell eine vollständige Leistungsübertragung erfolgt oder nicht. Die Erfindung geht nun den Weg, den zeitlichen Verlauf der Stromstärke für unterschiedliche mögliche Werte der This object is achieved by a method and by a primary system with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures. An inventive method is used to set an optimal switching frequency for the operation of an electrical inverter of a primary system in a wireless transmission of electrical energy from the primary system to a secondary system, wherein by means of the inverter from a dc electrical voltage, which between a first electrical potential and a an AC voltage is supplied to a primary coil of the primary system connected in series with a primary capacitor in that the inverter alternately switches between a first switching state, in which the primary capacitor is coupled to the first potential, by means of a control device is switched from the first switching state different second switching state with the switching frequency. According to the invention, it is provided that to determine a final or optimum value for the switching frequency, the same frequency is changed within a predetermined value range and a time profile of the current intensity of a current flowing through the primary coil is detected by means of the control device and for different values of the switching frequency is evaluated so that the final value of the switching frequency is determined as a function of the time course of the current intensity of the current. The effect of the invention is thus achieved in that detected on the primary side or in the primary system, the current flowing through the primary coil electric current and the switching frequency ¬ for switching the inverter - that is, the frequency Frequency of the AC voltage - m Dependence of the time course of the current intensity of the electric current is turned ¬ is. The invention is based on the realization that the variation of the current intensity of the primary current provides a ¬ unambiguous statement as to whether or not a Impe ¬ danzanpassung between the secondary system and the primary system exists or whether or not an additional voltage drop at the primary coil occurs. The temporal Ver ¬ run of the current provides namely a statement about whether currently a complete power transfer takes place or not. The invention now goes the way, the time course of the current for different possible values of
Schaltfrequenz auszuwerten und den endgültigen Wert der Evaluate switching frequency and the final value of
Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke festzulegen. Auf diesem Wege gelingt es, die op¬ timale Schaltfrequenz auch ohne eine Datenkommunikation zwischen dem Sekundärsystem und dem Primärsystem einzustellen. Es erübrigt sich somit der Einsatz der Kommunikationskompo¬ nenten mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich der Kosten und des wertvollen Bauraums. Das erfindungsgemäße Ver¬ fahren hat außerdem den Vorteil, dass die Energieübertragung quasi an ein beliebiges Sekundärsystem erfolgen kann, sodass die Energieübertragung nicht ausschließlich auf kompatible Sekundärsysteme beschränkt ist. Set switching frequency as a function of the time course of the current. In this way it is possible to adjust the op ¬ timale switching frequency even without a data communication between the secondary system and the primary system. It is therefore unnecessary to use the Kommunikationskompo ¬ nents with the associated disadvantages in terms of cost and valuable space. The Ver ¬ drive according to the invention also has the advantage that the energy transfer can take place virtually to any secondary system, so that the energy transfer is not limited exclusively to compatible secondary systems.
In einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke derart eingestellt wird, dass ein durch den Primärkondensator und eine Streuinduktivität gebil¬ deter Schwingkreis kompensiert wird. Die Kapazität des Pri¬ märkondensators und die parasitäre Induktivität der Primär¬ spule bilden nämlich insgesamt einen Schwingkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, welcher bei einer bestimmten Schaltfrequenz des Wechselrichters kompensiert werden kann, sodass an der Primärspule kein zusätzlicher Spannungsabfall vorliegt, welcher zu einer Verringerung des gesamten Wirkungsgrades des Systems führen könnte. Wird nun die Schalt¬ frequenz des Wechselrichters so eingestellt, dass der Schwingkreis bestehend aus dem Primärkondensator und der Streuinduktivität kompensiert ist, so fällt an der Primärspu¬ le keine elektrische Spannung ab, und der Wirkungsgrad ist maximal. Das Primärsystem wird auf diese Weise stets in einem überresonanten Zustand betrieben, welcher sehr nah an der exakten Resonanz liegt. In one disclosed embodiment, the final value of the switching frequency as a function of the time pattern of the current intensity is adjusted such that a deterministic gebil ¬ by the primary capacitor and a leakage inductance of the resonant circuit is compensated for is provided. The capacity of the pri ¬ märkondensators and the parasitic inductance of the primary ¬ coil namely form a total of a resonant circuit with a specific resonant frequency, which can be compensated at a certain switching frequency of the inverter, so that there is no additional voltage drop at the primary coil, which leads to a reduction of the total Efficiency of the system could result. If now the switching frequency ¬ of the inverter is set so that the Resonant circuit is compensated consisting of the primary capacitor and the leakage inductance, so falls on the Primärspu ¬ le from no electrical voltage, and the efficiency is maximum. The primary system is thus always operated in an over-resonant state, which is very close to the exact resonance.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn zur Bestim¬ mung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Frequenz in dem vorgegebenen Wertebereich verringert wird. Diese Aus führungs form basiert auf der Erkenntnis, dass der Betrieb mit einer zu großen Schaltfrequenz für den primärsei- tigen Wechselrichter unbedenklich ist, während bei einer zu kleinen Schaltfrequenz ein kritischer Betriebspunkt des Wech- selrichters entstehen kann, welcher zu einer Zerstörung vonIt proves to be particularly advantageous when the same frequency is reduced in the predetermined range of values for the determina tion ¬ of the final value for the switching frequency. This embodiment is based on the recognition that operation with an excessively high switching frequency is harmless for the primary-side inverter, while if the switching frequency is too low, a critical operating point of the inverter can arise, which leads to destruction of the inverter
Halbleiterschaltern des Wechselrichters führen kann. Um einen sicheren primärseitig gesteuerten Betrieb zu ermöglichen, wird also bei dieser Aus führungs form vorgeschlagen, zur Bestimmung des optimalen Frequenzwertes die Schaltfrequenz in dem vorgegebenen Wertebereich zu verringern, also von einem höheren Wert auf einen geringeren Wert zu verkleinern. Somit wird der Wechselrichter geschont, und seine Lebensdauer wird auf ein Maximum gebracht. Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in dem vorgegebenen Wertebereich stufenweise verändert wird. So¬ mit kann der endgültige Wert besonders schnell aufgefunden werden, und die endgültige Schaltfrequenz kann rasch einge- stellt werden. Can lead semiconductor switches of the inverter. In order to enable safe operation on the primary side, in this embodiment it is proposed to reduce the switching frequency in the predetermined value range in order to determine the optimum frequency value, ie to reduce it from a higher value to a lower value. Thus, the inverter is spared, and its life is maximized. It can also be provided that, in order to determine the final value for the switching frequency, the same switching frequency is changed stepwise in the predetermined value range. So ¬ with the final value can be found very quickly, and the final switching frequency can be quickly adjusted.
Besonders bevorzugt wird als endgültiger Wert für die Schalt¬ frequenz derjenige Wert verwendet, bei welchem in dem ersten Schaltzustand des Wechselrichters - bei welchem der Primär- kondensator mit dem positiven ersten elektrischen Potential verbunden ist - die abfallende Stromstärke (also die geringer werdende Stromstärke) des Stromes einen vorgegebenen Schwell¬ wert unterschreitet, insbesondere erstmals einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Beim Schalten des Wechselrichters zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand wird nämlich auch der elektrische Strom abwechselnd erhöht und ver¬ ringert. Im ersten Schaltzustand des Wechselrichters steigt die Stromstärke an, während im zweiten Schaltzustand des Wechselrichters das magnetische Feld der Primärspule abgebaut wird und sich auch die Stromstärke verringert. Je nach Particularly preferred as the final value for the switching ¬ frequency of that value is used, in which in the first switching state of the inverter - in which the primary capacitor is connected to the positive first electrical potential - the falling current (ie the decreasing current) of the Current falls below a predetermined threshold ¬ value, especially for the first time a predetermined Threshold falls below. When switching the inverter between the first and the second switching state, namely, the electric current is alternately increased and ver ¬ reduced. In the first switching state of the inverter, the current increases, while in the second switching state of the inverter, the magnetic field of the primary coil is reduced and also reduces the current. Depending on
Schaltfrequenz des Wechselrichters kann jedoch die Stromstärke des Stromes im ersten Schaltzustand des Wechselrichters auf unterschiedliche Werte ansteigen. Bei dieser Ausführungs¬ form wird vorgeschlagen, die Schaltfrequenz des Wechselrichters auf einen solchen Wert einzustellen, bei welchem die Stromstärke des Stromes im ersten Schaltzustand des Wechsel¬ richters ihr Maximum erreichen kann. Dies ist dann gegeben, wenn im ersten Schaltzustand des Wechselrichters der zeitli¬ che Verlauf der Stromstärke des Stromes den Schwellwert un¬ terschreiten kann, also wenn sich die Stromstärke des Stromes auch im ersten Schaltzustand des Wechselrichters ein wenig verringert. Somit ist sichergestellt, dass die Stromstärke des Stromes das Maximum erreicht, sodass auch die Energie¬ übertragung mit einem optimalen Wirkungsgrad erfolgen kann. Switching frequency of the inverter, however, the current intensity of the current in the first switching state of the inverter can rise to different values. In this embodiment ¬ form is proposed to set the switching frequency of the inverter to such a value at which the current intensity of the current in the first switching state of the change ¬ judge can reach their maximum. This is the case if the current strength of the current can fallen short of the threshold un ¬ the inverter of zeitli ¬ che performance in the first switching state, so if the current strength of the current and the inverter in the first switching state a little reduced. This ensures that the current intensity of the current reaches its maximum, so that the energy ¬ transmission can take place with an optimum efficiency.
Vorzugsweise wird der Schwellwert in Abhängigkeit von der er- fassten Stromstärke im Betrieb dynamisch eingestellt. In Ab¬ hängigkeit von der sekundärseitigen Last verändert sich nämlich auch der mögliche Maximalwert des primärseitigen Stro¬ mes. Durch die dynamische Anpassung des Schwellwertes kann also für jede sekundärseitige Last die Schaltfrequenz so ein¬ gestellt werden, dass die Stromstärke im ersten Schaltzustand ihr Maximum erreicht. Somit kann das Primärsystem stets im überresonanten Zustand betrieben werden, welcher sehr nah an der exakten Resonanz liegt. Das System ist dann optimal ange- passt, um eine vollständige Leistungsübertragung zu gewährleisten . The threshold value is preferably set dynamically in operation as a function of the detected current intensity. In From ¬ dependence of the secondary-side load, namely, the possible maximum value of the primary-side Stro ¬ mes changed. By dynamically adjusting the threshold so the switching frequency can be set as a ¬ for each secondary-side load that the current in the first switching state reached its maximum. Thus, the primary system can always be operated in the over-resonant state, which is very close to the exact resonance. The system is then optimally adapted to ensure complete power transfer.
Die Einstellung des Schwellwertes kann beispielsweise so aus¬ sehen, dass der durch die Primärspule fließende Strom mittels eines Spitzengleichrichters gleichgerichtet wird und der Schwellwert in Abhängigkeit von dem gleichgerichteten Strom eingestellt wird. Beispielsweise kann der Schwellwert dem Gleichrichtwert des Stromes entsprechen. Somit kann der The setting of the threshold value can, for example, as seen from ¬ that the current flowing through the primary coil current is rectified by means of a peak rectifier and Threshold is set in dependence on the rectified current. For example, the threshold value may correspond to the rectification value of the current. Thus, the
Schwellwert ohne viel Aufwand dynamisch eingestellt werden, und zwar jeweils auf einen solchen Wert, bei welchem die op¬ timale Schaltfrequenz rasch aufgefunden werden kann. Threshold be set dynamically without much effort, and in each case to such a value at which the op ¬ timale switching frequency can be found quickly.
Zur Bestimmung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz kann die Schaltfrequenz beispielsweise in einem Wertebereich von 120 kHz bis 200 kHz verändert werden. Somit kann das Primärsystem an verschiedenste Sekundärsysteme angepasst werden. To determine the final value for the switching frequency, the switching frequency can be changed, for example, in a value range from 120 kHz to 200 kHz. Thus, the primary system can be adapted to a wide variety of secondary systems.
Wie bereits ausgeführt, besteht ein Vorteil des erfindungsge¬ mäßen Verfahren darin, dass auf einen Datenübertragungskanal zwischen dem Primärsystem und dem Sekundärsystem verzichtet werden kann, weil die Schaltfrequenz ausschließlich anhand von primärseitigen Informationen gesteuert werden kann. In einer Aus führungs form ist deshalb auch vorgesehen, dass unter Verzicht auf eine Datenübertragung zwischen dem Primärsystem und dem Sekundärsystem der endgültige Wert für die Schaltfre¬ quenz im Primärsystem festgelegt wird. Der technische Aufwand bei der drahtlosen Energieübertragung ist somit auf ein Minimum reduziert. As already stated, an advantage of the erfindungsge ¬ MAESSEN method that can be dispensed to a data transmission channel between the primary system and the secondary system because the switching frequency can be controlled solely based on the primary-side information. In one disclosed embodiment, therefore, it is also provided that is the final value for the Schaltfre acid sequence in the primary system determined by dispensing with a data transfer between the primary system and the secondary system. The technical effort in wireless energy transmission is thus reduced to a minimum.
Ein erfindungsgemäßes Primärsystem ist zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie an ein Sekundärsystem ausgebildet. Das Primärsystem umfasst eine Serienschaltung aus ei¬ ner Primärspule und einem Primärkondensator, wie auch einen Wechselrichter, der dazu ausgelegt ist, aus einer elektrischen Gleichspannung, die zwischen einem ersten elektrischen Potential und einem davon geringeren zweiten elektrischen Potential abfällt, eine Wechselspannung an der Serienschaltung bereitzustellen. Das Primärsystem umfasst auch eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, zur Bereitstellung der Wechselspannung den Wechselrichter abwechselnd zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem der Primärkondensator mit dem ersten Potential verbunden ist, und einem von dem ersten Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand mit einer Schaltfrequenz zu schalten. Die Steuereinrichtung ist auch dazu eingerichtet, zur Bestimmung eines endgültigen Wertes für die Schaltfrequenz , bei welchem die Energieübertra¬ gung erfolgen soll, selbige Schaltfrequenz in einem vorgegebenen Wertebereich zu verändern sowie einen zeitlichen Verlauf der Stromstärke eines durch die Primärspule fließenden Stromes zu erfassen und für unterschiedliche Werte der A primary system according to the invention is designed for the wireless transmission of electrical energy to a secondary system. The primary system comprises a series circuit of egg ¬ ner primary coil and a primary capacitor, as well as an inverter which is designed to provide an AC voltage to the series circuit from a DC electrical voltage which falls between a first electrical potential and a lower second electrical potential , The primary system also comprises a control device, which is set up to provide the alternating voltage, the inverter alternately between a first switching state, in which the primary capacitor is connected to the first potential, and a different from the first switching state second switching state to switch a switching frequency. The control means is also arranged for the determination of a final value of the switching frequency, wherein the Energieübertra ¬ cleaner should be made to change selbige switching frequency in a predetermined range of values and to detect a time profile of the current strength of a current flowing through the primary coil current and for different Values of
Schaltfrequenz auszuwerten, sodass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke festlegbar ist. Evaluate switching frequency so that the final value of the switching frequency as a function of the time course of the current is fixed.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestell¬ ten bevorzugten Aus führungs formen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Primärsystem. Leadership shape with respect to the inventive method presented Vice ¬ th preferred Off and the advantages thereof apply mutatis mutandis to the invention primary system.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. All the features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungs¬ beispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. The invention will now be explained with reference to a preferred embodiment ¬ example, as well as with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: Show it:
FIG 1 in schematischer Darstellung ein Primärsystem gemäß einer Aus führungs form der Erfindung mit einem Sekundärsystem; 1 shows a schematic representation of a primary system according to an embodiment of the invention with a secondary system;
FIG 2 ein Ersatzschaltbild eines durch das Primärsystem und das Sekundärsystem gebildeten Gesamtsystem; und 2 shows an equivalent circuit diagram of an overall system formed by the primary system and the secondary system; and
FIG 3 bis 6 einen zeitlichen erlauf des Schaltens eines Wech- selrichters sowie einen zeitlichen Verlauf der Stromstärke eines durch eine Primärspule fließenden Stromes . FIG 3 to 6 show a time course of the switching of an inverter and a time profile of the current intensity of a current flowing through a primary coil.
In FIG 1 ist einerseits ein Primärsystem 1 gemäß einer Aus¬ führungsform der Erfindung und andererseits ein Sekundärsys¬ tem 2 dargestellt. Es erfolgt eine drahtlose Übertragung von elektrischer Energie von dem Primärsystem 1 an das Sekundärsystem 2. Zu diesem Zweck weist das Primärsystem 1 eine Primärspule 3 auf, während das Sekundärsystem 2 eine Sekundär¬ spule 4 aufweist. Um die drahtlose Energieübertragung zu er¬ möglichen, wird die Sekundärspule 4 in unmittelbare Nähe der Primärspule 3 gebracht. In FIG 1 is on the one hand, a primary system 1 according to an off ¬ guide of the invention and on the other hand a Sekundärsys ¬ system 2 is shown. There is a wireless transmission of electrical energy from the primary system 1 to the secondary system 2. For this purpose, the primary system 1 has a primary coil 3, while the secondary system 2 has a secondary coil 4 ¬ . To the wireless energy transmission to he ¬ possible, the secondary coil is brought into close proximity of the primary coil 3. 4
Das in FIG 1 dargestellte Gesamtsystem kann beispielsweise zum Aufladen von Energiespeichern in Elektrofahrzeugen dienen. Hierbei ist das Primärsystem 1 ein Bestandteil einer La¬ destation, während das Sekundärsystem 2 in einem Elektrofahr- zeug verbaut ist. Dieses Elektrofahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder aber ein Nutzfahrzeug sein, etwa ein Gabelstapler oder dergleichen. Das Primärsystem 1 kann aber auch zum drahtlosen Laden von kleineren elektronischen Geräten dienen, wie beispielsweise von Mobiltelefonen und dergleichen . The overall system shown in FIG. 1 can serve, for example, for charging energy stores in electric vehicles. Here, the primary system 1 is a part of a La ¬ destation, while the secondary system 2 generating in an electric vehicles is installed. This electric vehicle may be, for example, a passenger car or a commercial vehicle, such as a forklift or the like. The primary system 1 may also serve for wireless charging of smaller electronic devices, such as mobile phones and the like.
Die Primärspule 3 des Primärsystems 1 ist mit einem Primär¬ kondensator 5 in Reihe geschaltet, sodass insgesamt eine Se¬ rienschaltung 6 aus dem Primärkondensator 5 und der Primärspule 3 vorliegt. Einerseits ist der Primärkondensator 5 also mit der Primärspule 3 verbunden; andererseits ist der Primär¬ kondensator 5 mit einem ersten Ausgangsanschluss 7 eines Wechselrichters 8 direkt verbunden. Die Primärspule 3 ist an¬ dererseits mit einem zweiten Ausgangsanschluss 9 des Wechsel¬ richters 8 verbunden. An dem Ausgang des Wechselrichters 8, also zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss 7, 9 liegt eine Wechselspannung UW an. Diese Wechselspannung UW erzeugt der Wechselrichter 8 aus einer elektrischen Gleich- Spannung UG, welche mittels einer Spannungsquelle 10 bereit¬ gestellt wird. Diese Spannungsquelle 10 kann beispielsweise ein Kondensator, eine Batterie und dergleichen sein. Die Gleichspannung UG fällt zwischen einem ersten Pol 11 und ei- nem zweiten Pol 12 ab, wobei an dem ersten Pol 11 ein positives erstes Potenzial bereitgestellt ist, während an dem zwei¬ ten Pol 12 ein geringeres Potenzial anliegt, etwa ein Bezugs¬ potenzial (Masse) . The primary coil 3 of the primary system 1 is connected with a primary ¬ capacitor 5 in series so that a total of Se ¬ rien circuit 6 from the primary capacitor 5 and the primary coil 3 is present. On the one hand, the primary capacitor 5 is thus connected to the primary coil 3; On the other hand, the primary ¬ capacitor 5 is connected directly to a first output terminal 7 of an inverter. 8 The primary coil 3 is connected at ¬ other hand to a second output terminal 9 of the exchange ¬ judge. 8 At the output of the inverter 8, that is between the first and the second output terminal 7, 9 an AC voltage UW is applied. This alternating voltage UW is generated by the inverter 8 from an electrical DC voltage. Voltage UG, which is provided ¬ by means of a voltage source 10 ¬ . This voltage source 10 may be, for example, a capacitor, a battery, and the like. The DC voltage UG drops between a first pole 11 and a second pole 12, wherein a positive first potential is provided at the first pole 11, while a lower potential is applied to the two ¬ th pole 12, such as a reference potential ¬ ( Dimensions) .
Der Wechselrichter 8 beinhaltet im Ausführungsbeispiel vier elektrische Schalter Sl bis S4, welche beispielsweise als Halbleiterschalter ausgebildet sind. Die Schalter Sl bis S4 sind paarweise in Reihe geschaltet, sodass der erste Schalter Sl und der zweite Schalter S2 eine Reihenschaltung bilden. Entsprechend bilden auch der dritte und der vierte Schalter S3, S4 eine Reihenschaltung. Der erste Schalter Sl ist einerseits mit dem ersten Pol 11 verbunden; andererseits ist der erste Schalter Sl mit einem Knoten 13 verbunden. Der zweite Schalter S2 ist einerseits mit dem Knoten 13 und andererseits mit dem zweiten Pol 12 verbunden. Entsprechend ist auch der dritte Schalter S3 einerseits mit dem ersten Pol 11 und ande¬ rerseits mit einem Knoten 14 verbunden, während der vierte Schalter S4 einerseits mit dem Knoten 14 und andererseits mit dem zweiten Pol 12 verbunden ist. Weiterhin ist der Knoten 13 mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 des Wechselrichters 8 di¬ rekt verbunden, während der Knoten 14 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 9 des Wechselrichters 8 verbunden ist. The inverter 8 includes in the exemplary embodiment four electrical switches Sl to S4, which are formed for example as a semiconductor switch. The switches Sl to S4 are connected in pairs in series, so that the first switch Sl and the second switch S2 form a series circuit. Accordingly, the third and fourth switches S3, S4 form a series circuit. The first switch Sl is connected on the one hand to the first pole 11; On the other hand, the first switch Sl is connected to a node 13. The second switch S2 is connected on the one hand to the node 13 and on the other hand to the second pole 12. Accordingly, the third switch S3 is connected on one side to the first pole 11 and at the other ¬ hand, to a node 14, while the fourth switch S4 is on the one hand to the node 14 and the other hand to the second pole of the 12th Furthermore, the node 13 is di ¬ rectly connected to the first output terminal 7 of the inverter 8, while the node 14 is connected to the second output terminal 9 of the inverter 8.
Auch die Sekundärspule 4 des Sekundärsystems 2 ist mit einem Sekundärkondensator 15 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung aus dem Sekundärkondensator 15 und der Sekundärspule 4 ist mit einem Gleichrichter 16 gekoppelt, welcher an seinem Ausgang eine elektrische Gleichspannung UG' bereitstellt, die zwischen zwei Anschlüssen 17, 18 anliegt. Diese Gleichspannung UG' kann nun im Sekundärsystem 2 abgegriffen werden, nämlich beispielsweise für einen elektrischen Energiespeicher . Der Wechselrichter 8 wird mit Hilfe einer elektronischen Steuereinrichtung 19 angesteuert. Dies bedeutet, dass die Steuereinrichtung 19 die Schalter Sl bis S4 ansteuert und hierbei den Wechselrichter 8 zwischen einem ersten Schaltzu- stand und einem zweiten Schaltzustand schaltet. Im erstenThe secondary coil 4 of the secondary system 2 is connected in series with a secondary capacitor 15. This series circuit of the secondary capacitor 15 and the secondary coil 4 is coupled to a rectifier 16 which provides at its output a DC electrical voltage UG ', which rests between two terminals 17, 18. This DC voltage UG 'can now be tapped in the secondary system 2, namely, for example, for an electrical energy storage. The inverter 8 is controlled by means of an electronic control device 19. This means that the control device 19 actuates the switches S1 to S4 and in this case switches the inverter 8 between a first switching state and a second switching state. In the first
Schaltzustand des Wechselrichters 8 sind die Schalter Sl und S4 geschlossen und die Schalter S2 und S3 geöffnet. Im zweiten Schaltzustand hingegen sind die Schalter Sl und S4 ausge¬ schaltet, während die Schalter S2 und S3 eingeschaltet sind. Die drahtlose Übertragung der elektrischen Energie an das Sekundärsystem 2 erfolgt derart, dass die Steuereinrichtung 19 den Wechselrichter 8 abwechselnd zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand schaltet, und zwar mit einer Schaltfre¬ quenz. An dieser Stelle sei angemerkt, dass im ersten Schalt- zustand des Wechselrichters der Primärkondensator 5 mit dem ersten Pol 11 und somit mit dem größeren Potenzial der Ener¬ giequelle 10 verbunden ist. Im zweiten Schaltzustand hingegen ist der Primärkondensator 5 mit dem zweiten Pol 12 und somit mit dem geringeren Potenzial verbunden. Switching state of the inverter 8, the switches Sl and S4 are closed and the switches S2 and S3 open. In the second switching state, however, the switches Sl and S4 be ¬ switches, while the switches S2 and S3 are on are. The wireless transfer of electric power to the secondary system 2 is performed such that the controller 19 to the inverter 8 alternately switches between the first and the second switching state, with a Schaltfre acid sequence. It should be noted that in the first switching state of the inverter of the primary capacitor 5 to the first pole 11 and is thus connected to the larger potential of the source, which makes Ener ¬ 10th In the second switching state, however, the primary capacitor 5 is connected to the second pole 12 and thus to the lower potential.
Bevor die Schaltfrequenz des Wechselrichters 8 bei der draht¬ losen Energieübertragung auf einen endgültigen Wert eingestellt wird, wird der optimale Wert für diese Schaltfrequenz zunächst dynamisch am Anfang des jeweiligen Übertragungsvor- gangs aufgefunden. Before the switching frequency of the inverter 8 is set to a final value at the wire ¬ energy transfer, the optimal value for this switching frequency is first dynamically discovered at the beginning of each transmission procedure.
In FIG 2 ist ein Ersatzschaltbild des Gesamtsystems gemäß FIG 1 dargestellt. Wie aus FIG 2 hervorgeht, beinhaltet das Ersatzschaltbild eine Hauptinduktivität 34, wie auch zwei Streuinduktivitäten 20, 21, nämlich eine erste Streuinduktivität 20 im Primärsystem 1 sowie eine zweite Streuinduktivität 21 im Sekundärsystem 2. FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the overall system according to FIG. As shown in FIG. 2, the equivalent circuit diagram includes a main inductance 34, as well as two stray inductances 20, 21, namely a first stray inductance 20 in the primary system 1 and a second stray inductance 21 in the secondary system 2.
Zum Auffinden des optimalen Werts für die Schaltfrequenz für die drahtlose Energieübertragung verändert die Steuereinrichtung 19 zunächst die Schaltfrequenz von einem größeren Wert - etwa 200 kHz - stufenweise auf einen geringeren Wert, etwa 120 kHz. Die optimale Schaltfrequenz wird so gewählt, dass der Serienschwingkreis bestehend aus der Serienkapazität des Primärkondensators 5 und der Streuinduktivität 20 vollständig kompensiert wird. Dadurch wird ein primärseitiger Spannungs¬ abfall vermieden. Bemerkbar macht sich dieser nur an der Gleichspannung UG' des sekundärseitigen Gleichrichters 16. Die Information über die Spannung UG' am Ausgang des Gleichrichters 16 steht in der Steuereinrichtung 19 jedoch nicht zur Verfügung. Der Betrieb mit einer zu großen Schaltfrequenz ist für den primärseitigen Wechselrichter 8 nicht bedenklich. Ist die Schaltfrequenz aber zu klein gewählt, entsteht ein kritischer Betriebspunkt des Wechselrichters 8, welcher zur Zerstörung der elektrischen Schalter Sl bis S4 führen kann. Um einen si- cheren Primärseitig gesteuerten betrieb des Wechselrichters 8 zu ermöglichen, wird deshalb bei der Veränderung der Schaltfrequenz zum Auffinden des optimalen Werts mit der höchsten Schaltfrequenz (beispielsweise 200 kHz) begonnen. Diese wird dann stufenweise verkleinert, bis ein vorbestimmtes Ereignis detektiert ist, wie nachfolgend mit Bezug auf die FIG 3 bis 6 beschrieben : To find the optimum value for the switching frequency for the wireless energy transmission, the control device 19 initially changes the switching frequency from a larger value - about 200 kHz - gradually to a lower value, about 120 kHz. The optimal switching frequency is chosen so that the series resonant circuit consisting of the series capacitance of the primary capacitor 5 and the leakage inductance 20 is completely compensated. As a result, a primary-side voltage ¬ waste is avoided. It is noticeable that this is only at the DC voltage UG 'of the secondary side rectifier 16. The information about the voltage UG' at the output of the rectifier 16 is not available in the control device 19, however. The operation with too high a switching frequency is not questionable for the primary-side inverter 8. If the switching frequency but chosen too small, creates a critical operating point of the inverter 8, which can lead to the destruction of the electrical switch Sl to S4. In order to enable a safe primary-side-controlled operation of the inverter 8, therefore, when changing the switching frequency to find the optimum value with the highest switching frequency (for example, 200 kHz) is started. This is then gradually reduced until a predetermined event is detected, as described below with reference to FIGS. 3 to 6:
In FIG 3 ist ein zeitlicher Verlauf des Schaltzustands des Schalters Sl (und S4) dargestellt, während in FIG 4 der zeit- liehe Verlauf des Schaltens des Schalters S2 (und S3) gezeigt ist. Die logische „Eins" der beiden Verläufe entspricht hier dem geschlossenen Zustand der jeweiligen Schalter, während die logische „Null" dem offenen Zustand des Schalters ent¬ spricht. Dabei ist in FIG 6 der jeweilige Schaltzustand des Wechselrichters 8 angegeben, also abwechselnd der erste In FIG 3, a timing of the switching state of the switch Sl (and S4) is shown, while in FIG 4, the time Liehe course of the switching of the switch S2 (and S3) is shown. The logical "one" of the two courses here corresponds to the closed state of the respective switches, while the logic "zero" the open state of the switch speaks ent ¬. In this case, the respective switching state of the inverter 8 is indicated in FIG. 6, that is to say alternately the first one
Schaltzustand (mit „ZI" bezeichnet) und der zweite Schaltzu¬ stand (mit „Z2" bezeichnet) . In FIG 6 sind zwischen dem ers¬ ten und dem zweiten Schaltzustand des Wechselrichters 8 auch Totzeiten dargestellt, welche insgesamt mit 22 bezeichnet sind. In den FIG 3 bis 6 ist mit „t" die Zeit bezeichnet. Switching state (denoted by "ZI") and the second Schaltzu ¬ stand (with "Z2"). In FIG 6 are also shown dead times, which are generally indicated at 22 between the ers ¬ th and the second switching state of the inverter. 8 In FIGS. 3 to 6, "t" denotes the time.
Wie aus den FIG 3 und 4 hervorgeht, wird die Schaltfrequenz des Wechselrichters 8 zunächst auf einen höchsten Wert einge- stellt und dann schrittweise verringert. Die Steuereinrich¬ tung 19 erfasst gleichzeitig die Stromstärke eines durch die Primärspule 3 fließenden Stroms I (siehe FIG 1), wie dies in FIG 1 schematisch mit der Pfeildarstellung 23 angedeutet ist. In der Steuereinrichtung 19 liegt also der zeitliche Verlauf der Stromstärke des Stromes I vor. Für jeden Wert der Schalt¬ frequenz des Wechselrichters 8 wertet die Steuereinrichtung 19 den zeitlichen Verlauf des Stromes I, der beispielhaft in FIG 5 dargestellt ist. Wie aus FIG 5 hervorgeht, steigt die Stromstärke des Stromes I im ersten Schaltzustand ZI desAs can be seen from FIGS. 3 and 4, the switching frequency of the inverter 8 is initially set to a maximum value. turns and then gradually decreases. The Steuereinrich ¬ device 19 simultaneously detects the current strength of a current flowing through the primary coil 3 current I (see FIG 1), as is schematically indicated in Figure 1 with the arrow 23. In the control device 19 so the time course of the current of the current I is present. For each value of the switching frequency of the inverter ¬ 8, the controller 19 evaluates the time course of the current I, which is shown by way of example in Fig. 5 As is apparent from FIG. 5, the current intensity of the current I increases in the first switching state ZI of FIG
Wechselrichters 8 etwa sinusförmig an und fällt dann im zwei¬ ten Schaltzustand Z2 des Wechselrichters 8 relativ rasch wie¬ der ab. Die Schaltfrequenz wird dabei solange stufenweise verkleinert, bis in dem ersten Schaltzustand ZI des Wechsel- richters 8 der zeitliche Verlauf der kleiner werdenden Stromstärke einen Schwellwert 24 unterschreitet. Das gesuchte Er¬ eignis (in FIG 5 mit „GE" bezeichnet) ist also der Zeitpunkt der Unterschreitung des Schwellwerts 24 innerhalb des ersten Schaltzustands des Wechselrichters 8. Dieses Unterschreiten des Schwellwerts 24 ist im ersten Schaltzustand nur dann mög¬ lich, wenn die Stromstärke des Stromes I ein Maximum 25 er¬ reicht und dann immer noch im ersten Schaltzustand wieder ein wenig abfällt. Dieser Wert der Schaltfrequenz , bei welchem erstmals die Stromstärke des Stromes I im ersten Schaltzu- stand des Wechselrichters 8 den Schwellwert 24 unterschrei¬ tet, ist ein Betriebspunkt im überresonanten Betrieb, welcher sehr nah an der exakten Resonanz liegt. Das System ist dann optimal angepasst, um eine vollständige Leistungsübertragung zu gewährleisten. Inverter 8 approximately sinusoidal and then falls in the two ¬ th switching state Z2 of the inverter 8 relatively quickly as ¬ from. In this case, the switching frequency is reduced in stages until, in the first switching state ZI of the inverter 8, the time profile of the decreasing current intensity falls below a threshold value 24. The sought He ¬ eignis (in FIG 5 with "GE") is therefore the time of falling below the threshold 24 within the first switching state of the inverter 8. This falls below the threshold 24 is in the first switching state only mög ¬ exist if the current strength he ¬ ranges of the current I a maximum 25 and then still in the first switching state again a little drops. This value of the switching frequency, wherein the first time the current intensity of the current I the threshold value falls tet ¬ of the inverter 8 in the first switching state 24, an operating point in superresonant operation, which is very close to the exact resonance, and the system is then optimally adapted to ensure complete power transmission.
Der Schwellwert 24 wird auch dynamisch im Betrieb eingestellt und an den jeweiligen Laststrom angepasst. Zu diesem Zwecke wird beispielsweise eine Spitzengleichrichtung des Stromes I durchgeführt, und der Schwellwert 24 kann auf den Gleich- richtwert des Stromes I eingestellt werden. Somit kann stets - für alle möglichen Sekundärsysteme - der jeweils optimale Betriebspunkt gefunden werden, welcher sehr nah an der exakten Resonanz liegt. The threshold value 24 is also set dynamically in operation and adapted to the respective load current. For this purpose, for example, a peak rectification of the current I is performed, and the threshold value 24 can be set to the rectified value of the current I. Thus, always the optimum operating point can be found for all possible secondary systems, which is very close to the exact resonance.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Festlegen einer Schaltfrequenz für den Betrieb eines elektrischen Wechselrichters (8) eines Primärsys- tems (1) bei einer drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie von dem Primärsystem (1) an ein Sekundärsystem (2), wobei mittels des Wechselrichters (8) aus einer elektrischen Gleichspannung (UG) , welche zwischen einem ersten elektrischen Potential (11) und einem davon geringeren zweiten elektrischen Potential (12) abfällt, eine Wechselspannung (UW) an einer mit einem Primärkondensator (5) in Reihe geschalteten Primärspule (3) des Primärsystems (1) bereitge¬ stellt wird, indem der Wechselrichter (8) mittels einer Steuereinrichtung (19) abwechselnd zwischen einem ersten Schalt- zustand, in welchem der Primärkondensator (5) mit dem ersten Potential (11) gekoppelt wird, und einem von dem ersten 1. A method for determining a switching frequency for the operation of an electrical inverter (8) of a primary system (1) in a wireless transmission of electrical energy from the primary system (1) to a secondary system (2), wherein by means of the inverter (8) from an electrical DC voltage (UG) which drops between a first electrical potential (11) and a lower second electrical potential (12), an alternating voltage (UW) at a primary coil (3) of the primary capacitor (5) connected in series Primary system (1) bereitge ¬ is made by the inverter (8) by means of a control device (19) alternately between a first switching state, in which the primary capacitor (5) is coupled to the first potential (11), and one of the first
Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand mit der Schaltfrequenz geschaltet wird, Switching state different second switching state is switched to the switching frequency,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zur Bestimmung eines endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in einem vorgegebenen Wertebereich verändert wird, und dass ein zeitlicher Verlauf der Strom¬ stärke eines durch die Primärspule (3) fließenden Stromes (I) mittels der Steuereinrichtung (19) erfasst und für unter- schiedliche Werte der Schaltfrequenz ausgewertet wird, so dass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem Verlauf der Stromstärke des Stromes (I) festgelegt wird . for determining a final value for the switching frequency selbige switching frequency is changed in a predetermined range of values, and that a time course of the current ¬ strength of a primary coil (3) flowing current (I) by means of the control device (19) detected and for different Values of the switching frequency is evaluated, so that the final value of the switching frequency is determined as a function of the course of the current intensity of the current (I).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der Stromstärke des Stromes (I) derart eingestellt wird, dass ein durch den Primärkondensator (5) und eine Streuinduktivität (20) gebildeter Schwingkreis kompensiert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the final value of the switching frequency as a function of the current intensity of the current (I) is adjusted such that a through the primary capacitor (5) and a leakage inductance (20) formed resonant circuit is compensated.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in dem vorgegebenen Wertebereich verringert wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for determining the final value for the switching frequency selbige switching frequency is reduced in the predetermined range of values.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in dem vorgegebenen Wertebereich stufenweise verändert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for determining the final value for the switching frequency selbige switching frequency in the predetermined value range is changed stepwise.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als endgültiger Wert für die Schaltfre¬ quenz derjenige Wert verwendet wird, bei welchem in dem ers¬ ten Schaltzustand des Wechselrichters (8) die geringer wer¬ dende Stromstärke des Stromes (I), insbesondere erstmals, ei¬ nen vorgegebenen Schwellwert (24) unterschreitet. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that is used as the final value for the Schaltfre ¬ frequency of that value, in which in the ers ¬ th switching state of the inverter (8) the lower ¬ ing current intensity of the current (I) , in particular for the first time, falls below a predetermined threshold value (24).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (24) in Abhängigkeit von der erfassten Stromstärke im Betrieb dynamisch eingestellt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the threshold value (24) is set dynamically in operation as a function of the detected current intensity.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Primärspule (3) fließende Strom (I) mittels ei¬ nes Spitzengleichrichters gleichgerichtet wird und der 7. The method according to claim 6, characterized in that by the primary coil (3) flowing current (I) is rectified by means of ei ¬ nes peak rectifier and the
Schwellwert (24) in Abhängigkeit von dem gleichgerichteten Strom (I) eingestellt wird. Threshold (24) is set in dependence on the rectified current (I).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in einem Wertebereich von 120 kHz bis 200 kHz verändert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for determining the final value for the switching frequency selbige switching frequency is changed in a range of values from 120 kHz to 200 kHz.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verzicht auf eine Datenübertragung zwischen dem Primärsystem (1) und dem Sekundärsystem (2) der endgültige Wert für die Schaltfrequenz im Primärsystem (1) festgelegt wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that waiving a data transfer between the primary system (1) and the secondary system (2), the final value for the switching frequency in the primary system (1) is set.
10. Primärsystem (1) zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie an ein Sekundärsystem (2), mit einer Serien- Schaltung (6) aus einer Primärspule (3) und einem Primärkondensator (5), mit einem Wechselrichter (8), der dazu ausgelegt ist, aus einer elektrischen Gleichspannung (UG) , welche zwischen einem ersten elektrischen Potential (11) und einem davon geringeren zweiten elektrischen Potential (12) abfällt, eine Wechselspannung (UW) an der Serienschaltung (6) bereitzustellen, und mit einer Steuereinrichtung (19), welche dazu eingerichtet ist, zur Bereitstellung der Wechselspannung (UW) den Wechselrichter (8) abwechselnd zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem der Primärkondensator (5) mit dem ersten Potential (11) verbunden ist, und einem von dem ersten Schaltzustand verschiedenen zweiten Schaltzustand mit einer Schaltfrequenz zu schalten, 10. primary system (1) for the wireless transmission of electrical energy to a secondary system (2), with a series Circuit (6) comprising a primary coil (3) and a primary capacitor (5), having an inverter (8) which is designed to consist of a direct electrical voltage (UG) which is between a first electrical potential (11) and one of them lower second electrical potential (12) drops to provide an AC voltage (UW) to the series circuit (6), and with a control device (19) which is adapted to provide the AC voltage (UW), the inverter (8) alternately between a first Switching state, in which the primary capacitor (5) is connected to the first potential (11), and to switch a second switching state different from the first switching state with a switching frequency,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung eines endgültigen Werts für die Schaltfrequenz selbige Schaltfrequenz in einem vorgegebenen Wertebereich zu verändern sowie einen zeitlichen Verlauf der Stromstärke eines durch die Primärspule (3) fließenden Stromes (I) zu erfassen und für unterschiedliche Werte der Schaltfrequenz auszuwerten, so dass der endgültige Wert der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem Verlauf der Stromstärke des Stromes (I) fest¬ legbar ist. the control device (19) is set up to change the same switching frequency in a predetermined value range to determine a final value for the switching frequency and to detect a time profile of the current intensity of a current (I) flowing through the primary coil (3) and for different values Evaluate switching frequency, so that the final value of the switching frequency as a function of the course of the current intensity of the current (I) is fixed ¬ legible.
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