WO2019211405A1 - Empfangseinheit und energieübertragungssystem zur drahtlosen energieübertragung - Google Patents

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WO2019211405A1
WO2019211405A1 PCT/EP2019/061304 EP2019061304W WO2019211405A1 WO 2019211405 A1 WO2019211405 A1 WO 2019211405A1 EP 2019061304 W EP2019061304 W EP 2019061304W WO 2019211405 A1 WO2019211405 A1 WO 2019211405A1
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receiving unit
switch
voltage
auxiliary supply
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PCT/EP2019/061304
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Samuel Vasconcelos Araujo
Michael JIPTNER
Original Assignee
Kardion Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a receiving unit, which is set up to cooperate for wireless energy transmission with a transmitting unit separated from the receiving unit, and to a power transmission system having such a receiving unit and a transmitting unit for wireless energy transmission.
  • a wireless, in particular inductive, energy transfer can be used.
  • a magnetic field can be generated in a transmitting unit with a primary coil, which induces a voltage and thus a current flow in a receiving unit with a secondary coil.
  • transcutaneous energy transfer in which the receiving unit is arranged or implanted under the skin in a human body.
  • transcutaneous energy transmission is advantageous, for example, in circulatory or cardiac assist systems (so-called VAD systems, or "Ventricular Assist Device”), because then there is no permanent wound in the skin through which a cable is guided.
  • a power transmission system can then be provided in the body to be arranged in the receiving unit, a power unit for supplying a load or for charging an energy storage unit, which is powered by the voltage induced in the secondary coil.
  • a power unit for supplying a load or for charging an energy storage unit which is powered by the voltage induced in the secondary coil.
  • the object of the invention is to further improve the systems known in the prior art for wireless energy transmission and to avoid unstable operating states, in particular during the starting process or start-up.
  • the invention is based on a receiving unit which is set up to cooperate for wireless energy transmission with a transmitting unit separate from the receiving unit, or of an energy transmission system for wireless energy transmission with a transmitting unit and such a receiving unit separate from the transmitting unit.
  • the transmitting unit has a primary coil, which can be supplied with a supply voltage.
  • an inverter for example with suitable semiconductor switches, is provided in order to generate an oscillation of the voltage in the primary coil with a supply voltage present as a direct voltage. This can be generated by means of the transmitting unit, a magnetic alternating field.
  • the receiving unit accordingly has a secondary coil to which a first intermediate circuit capacitor or generally a DC link capacitor is connected via a rectifier.
  • the rectifier may in particular be a passive rectifier with suitable diodes.
  • an active rectifier with, for example, suitable semiconductor switches is also advantageous.
  • the first DC link capacitor which is charged in the case of energy transfer, is used in particular for smoothing the alternating voltage induced in the secondary coil and then rectified.
  • this type of wireless energy transmission involves an inductive energy transmission.
  • a power unit (or a power stage) is provided in the receiving unit, to which a consumer and / or an energy store are connected. While the power unit may in particular be a step-down converter with, for example, suitable semiconductor switches, an accumulator or a rechargeable battery may be considered as the energy store.
  • the power stage is usually connected directly to the (single) DC link capacitor and above to the rectifier, so that the power unit with active transmitting unit - by means of wireless or inductive energy transmission - supplied with voltage or energy becomes.
  • the receiving unit if the receiving unit has no energy store or if it has to be disconnected due to an error, for example, the receiving unit (in particular with integrated electronics) must start up automatically as soon as the transmitting unit begins to transmit energy.
  • a start-up or start-up of an auxiliary supply with, for example, signal electronics, control electronics and the like must take place, which is supplied directly from the DC link of the resonant converter or via the DC link capacitor.
  • an unstable operating condition may occur which may destroy the system, i. the receiving unit, can lead.
  • the receiving unit has a second intermediate capacitor, to which the power unit is connected, wherein the first intermediate circuit capacitor and the second intermediate circuit capacitor are separably connected to one another via a switch.
  • the DC link capacitance is therefore divided into two parts, so to speak, which can be connected and disconnected by the switch.
  • the first and second DC link capacitance are connected in parallel when the switch is closed.
  • a switch here is a semiconductor switch, in particular a MOSFET or IGBT, into consideration. Conceivable, however, are also other circuit breakers.
  • the receiving unit has an auxiliary supply unit, which is connected to the rectifier for supplying voltage, and which is set up to close the switch for connecting the first intermediate circuit capacitor to the second intermediate circuit capacitor, that is to turn the switch on when an output voltage of the auxiliary power supply unit exceeds a predetermined threshold value.
  • This threshold value is preferably 15 V, since then all the components of the auxiliary supply unit operate in their rated voltage range and a stable operating point for starting up is ensured.
  • the second intermediate circuit capacitor - and therefore the power unit - are initially not connected to the secondary coil and the rectifier, but that at the beginning of the energy transmission from the transmitting unit to the receiving unit, initially only the first intermediate circuit capacitor is charged and the auxiliary supply unit are supplied with voltage. Only when the output voltage provided by the auxiliary supply unit exceeds the threshold value, that is, the second intermediate circuit capacitor and thus the power unit are connected or connected.
  • the auxiliary supply unit has an optical coupler, via which the switch can be controlled.
  • a voltage comparator can then be provided which is set up to control the optical coupler for closing the switch if the output voltage of the auxiliary supply unit exceeds the predetermined threshold value.
  • the switch is designed in particular as an N-MOSFET.
  • the optical coupler can have a photodiode and an integrated driver.
  • the auxiliary supply unit has a voltage divider for generating the output voltage, which is connected with its voltage divider output to a switching terminal of the switch.
  • the output voltage results in particular by dividing the voltage at the first DC link capacitor.
  • the voltage divider is then in particular connected so that the switch is closed when the output voltage exceeds the predetermined threshold.
  • the switch is designed in particular as P-MOSFET, at its gate terminal, i. at its switching connection, the voltage divider output is connected.
  • Both versions allow a particularly safe and fast start-up of the receiving unit and can be used as required.
  • the semiconductor switches used may in both cases in particular have a voltage class of 20 V. In particular, values of, for example, 1 ⁇ W are considered as a resistance for drain-source in order to reduce losses.
  • charging the first intermediate circuit capacitor when the energy storage unit is connected by the intrinsic diode of the MOSFETs can be achieved, which may be necessary, for example, in the regular operation of the receiving unit.
  • the invention further provides an energy transmission system for wireless energy transmission with a receiving unit according to the invention and a separate transmitting unit which has a primary coil which can be supplied with a predetermined supply voltage.
  • the presented receiving unit and the presented energy transmission system for any type of wireless or inductive energy transmission are advantageous, it is particularly useful if the receiving unit is designed to below a skin in a human or animal body arranged, in particular implanted to become, and / or when the transmitting unit is adapted to be placed on a skin outside of a human or animal body.
  • the energy transmission system (or the receiving unit as part of it) serves the transcutaneous energy transmission mentioned above.
  • Fig. 1 shows schematically an inventive energy transfer system in a preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows an inventive energy transmission system 300 for wireless energy transmission in a preferred embodiment.
  • the energy transmission system in this case has a transmitting unit 100 and a separate receiving unit 200, wherein the receiving unit 200 is designed as a receiving unit according to the invention in a preferred embodiment.
  • the transmitting unit 100 has a primary coil Li, to which an inverter 110, which has four semiconductor switches designated by Si to S 4 , for example MOSFETs or bipolar transistors, can be connected to a supply voltage Uv or with this supply voltage is available.
  • a pre-filter 120 with unspecified components and a compensation capacitance between the inverter 1 10 and the primary coil Li are connected.
  • the compensation capacitance serves as a reactive power compensation for resonant control (control with the design frequency).
  • the receiving unit 200 has a secondary coil l_2, to which a first intermediate-circuit capacitor Cz , i is connected via a compensation capacitor and a rectifier 210.
  • a second intermediate circuit capacitor Cz , 2 is connected to the first intermediate circuit capacitor Cz , i via a switch S7.
  • the switch S7 is designed as an N-MOSFET, with drain terminal D, source terminal S, and gate terminal G.
  • a power unit or power stage 240 Connected to the second DC link capacitor Cz , 2 is a power unit or power stage 240, which in this case may be two semiconductor switches S5 and S6, which may be formed, for example, as MOSFETs, IGBTs or bipolar transistors, and together with an inductance and a capacitor serve as a buck converter has.
  • An energy storage unit 220 and a consumer 225 are then connected by way of example to the power unit 240.
  • the energy storage unit can be separated from the power unit 240 by means of an unspecified switch 221, for example in the case of a fault.
  • the energy storage unit 220 may in particular be an accumulator or a rechargeable battery.
  • a voltage L t with a current t can be set using the mentioned buck converter.
  • the rectifier 210 is designed as a passive rectifier with four unspecified diodes. It is also conceivable, however, the use of an acti rect rectifier with, for example, Flalbleiterschaltern.
  • the receiving unit 200 has a fly-power supply unit 250, which is connected to the rectifier 210, for example, by means of a switch, a diode, and a capacitor, which is not shown, and functions similarly as the power unit 240 as a step-down converter.
  • the auxiliary supply unit 250 itself can be directly supplied with the voltage induced in the secondary coil L2 and produce a predetermined regulated output voltage U 0U t, H.
  • the regulation of the output voltage U 0U t, H takes place by means of the so-called pulse width modulation, ie via the switch-on time of the active switch of the auxiliary supply unit 250 in relation to the switching period.
  • a (conventional) voltage comparator 252 is provided, to which the output voltage U 0U t, H of the auxiliary supply unit 250 is applied, and which is connected to an optical coupler 251.
  • the optical coupler 251 in turn is connected, inter alia, to the gate terminal G of the switch or N-MOSFET S7.
  • the voltage comparator 252 and the optical coupler 251 are adapted to turn on or off the switch S7, and so on second DC link capacitor Cz , 2 together with the power unit 240 to the first DC link capacitor Cz , i connect when the output voltage U 0U t, H exceeds a threshold that can be suitably specified or set.
  • the voltage comparator 252 acts non-inverting and switches its output voltage on reaching a positive threshold (preferably about 15 V) at the input.
  • the receiving unit 200 can now be configured in particular to be arranged or implanted under a skin, which is indicated here by 310, and used, for example, for a circulation or cardiac support system.
  • the energy storage unit 220 can be used for the energy supply of such a circulatory or cardiac assistance system.
  • the transmitting unit is controlled or operated such that an alternating magnetic field is generated by means of the primary coil Li, a voltage or a current flow in the secondary coil L2 is induced by the coupling. This in turn causes the first intermediate circuit capacitor Cz , i to be charged and the auxiliary supply unit 250 to be supplied with voltage.
  • the power unit 240 is connected to the following components and also supplied with voltage. In this way, a safe startup of the receiving unit 200 can be achieved.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Empfangseinheit (200), die dazu eingerichtet ist, zur drahtlosen Energieübertragung mit einer von der Empfangseinheit getrennten Sendeeinheit (100) zusammenzuwirken, welche Sendeinheit (100) eine primäre Spule (L1) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (UV) versorgbar ist, wobei die Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2), an die über einen Gleichrichter (210) ein erster Zwischenkreiskondensator (CZ,1) angebunden ist, und eine Leistungseinheit (240), an die ein Verbraucher (225) und/oder ein Energiespeicher (220) angebunden sind, aufweist, wobei die Empfangseinheit (200) einen zweiten Zwischenkreiskondensator (CZ,2) aufweist, an den die Leistungseinheit (240) angebunden ist, wobei der erste Zwischenkreiskondensator (CZ,1) und der zweite Zwischenkreiskondensator (CZ,2) über einen Schalter (S7) trennbar miteinander verbunden sind, und wobei die Empfangseinheit (200) eine Hilfsversorgungseinheit (250) aufweist, die zur Spannungsversorgung an den Gleichrichter (210) angebunden ist, und die dazu eingerichtet ist, den Schalter (S) zur Verbindung des ersten Zwischenkreiskondensators (CZ,1) mit dem zweiten Zwischenkreiskondensator (CZ,2) zu schließen, wenn eine Ausgangsspannung (Uout,H) der Hilfsversorgungseinheit (250) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Description

Empfangseinheit und Energieübertragungssystem zur drahtlosen Energieübertragung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Empfangseinheit, die dazu eingerichtet ist, zur drahtlosen Energieübertragung mit einer von der Empfangseinheit ge- trennten Sendeeinheit zusammenzuwirken, sowie ein Energieübertragungs- system mit einer solchen Empfangseinheit und einer Sendeeinheit zur draht- losen Energieübertragung.
Zur Energieversorgung von Verbrauchern und insbesondere zum Laden von Energiespeichern kann eine drahtlose, insbesondere induktive Energieüber- tragung verwendet werden. Bei dieser Ad der Energieübertragung kann in ei- ner Sendeeinheit mit einer primären Spule ein magnetisches Feld erzeugt wer- den, das in einer Empfangseinheit mit einer sekundären Spule eine Spannung und damit einen Stromfluss induziert.
Diese Art der Energieübertragung kann insbesondere bei der sog. transkuta- nen Energieübertragung, bei der die Empfangseinheit unter der Haut in einem menschlichen Körper angeordnet bzw. implantiert ist, verwendet werden. Eine solche transkutane Energieübertragung ist beispielsweise bei Kreislauf- oder Herzunterstützungssystemen (sog. VAD-Systemen, von engl. "Ventricular Assist Device") vorteilhaft, da dann keine dauerhafte Wunde in der Haut vor- handen ist, durch welche ein Kabel geführt ist.
Bei einem solchen Energieübertragungssystem kann dann in der im Körper anzuordnenden Empfangseinheit eine Leistungseinheit zur Versorgung eines Verbrauchers bzw. zum Laden einer Energiespeichereinheit vorgesehen sein, die über die in der sekundären Spule induzierte Spannung versorgt wird. Prob- lematisch kann hierbei jedoch sein, dass bei Beginn der Energieübertragung die Leistungseinheit oder andere Teile gestört werden, insbesondere wenn beispielsweise keine Energieversorgungseinheit vorhanden ist oder diese ge- rade getrennt ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Systeme zur drahtlosen Energieübertragung weiter zu verbessern und instabile Betriebszustände insbesondere beim Startvorgang bzw. Hochfahren zu vermeiden.
Erfindungsgemäß werden eine Empfangseinheit sowie ein Energieübertra- gungssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorge- schlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einer Empfangseinheit, die dazu eingerichtet ist, zur drahtlosen Energieübertragung mit einer von der Empfangseinheit ge- trennten Sendeeinheit zusammenzuwirken, bzw. von einem Energieübertra- gungssystem zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer solchen, von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit. Die Sendein- heit weist dabei eine primäre Spule auf, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist. Hierzu ist in der Regel auch ein Wechselrichter, beispielsweise mit geeigneten Halbleiterschaltern, vorgesehen, um mit einer als Gleichspan- nung vorliegenden Versorgungsspannung eine Oszillation der Spannung in der primären Spule zu erzeugen. Damit kann mittels der Sendeeinheit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
Die Empfangseinheit weist entsprechend eine sekundäre Spule auf, an die über einen Gleichrichter ein erster Zwischenkreiskondensator bzw. allgemein eine Zwischenkreiskapazität angebunden ist. Bei dem Gleichrichter kann es sich insbesondere um einen passiven Gleichrichter mit geeigneten Dioden handeln. Vorteilhaft ist jedoch auch ein aktiver Gleichrichter mit beispielsweise geeigneten Halbleiterschaltern. Der erste Zwischenkreiskondensator, der im Falle der Energieübertragung geladen wird, dient insbesondere zum Glätten der in der sekundären Spule induzierten und dann gleichgerichteten Wechsel- spannung. Bei dieser Art der drahtlosen Energieübertragung handelt sich da- mit, wie eingangs schon erwähnt, um eine induktive Energieübertragung.
Zudem ist in der Empfangseinheit eine Leistungseinheit (bzw. eine Leistungs- stufe) vorgesehen, an die ein Verbraucher und/oder ein Energiespeicher an- gebunden sind. Während es sich bei der Leistungseinheit insbesondere um einen Tiefsetzsteller mit beispielswiese geeigneten Halbleiterschaltern han- deln kann, kommt als Energiespeicher insbesondere ein Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie in Betracht.
Bei einer herkömmlichen Empfangseinheit ist die Leistungsstufe dabei in der Regel direkt an den (einzigen) Zwischenkreiskondensator und darüber an den Gleichrichter angebunden, sodass die Leistungseinheit bei aktiver Sendeein- heit - mittels der drahtlosen bzw. induktiven Energieübertragung - mit Span- nung bzw. Energie versorgt wird.
Besitzt die Empfangseinheit jedoch keinen Energiespeicher oder muss dieser beispielsweise aufgrund eines Fehlers abgetrennt werden, so muss die Emp- fangseinheit (insbesondere mit integrierter Elektronik) selbständig hochfahren, sobald die Sendeeinheit anfängt, Energie zu übertragen. Dies bedeutet, dass ein Hochfahren bzw. Aufstarten einer Hilfsversorgung mit beispielsweise Sig- nalelektronik, Steuerelektronik und dergleichen erfolgen muss, welche direkt aus dem Zwischenkreis des Resonanzwandlers bzw. über den Zwischenkreis- kondensator versorgt wird. Während dieses transienten Startvorgangs, kann es zu einem instabilen Betriebszustand kommen, der zur Zerstörung des Sys- tems, d.h. der Empfangseinheit, führen kann.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Empfangseinheit einen zwei- ten Zwischen kreiskondensator aufweist, an den die Leistungseinheit angebun- den ist, wobei der erste Zwischenkreiskondensator und der zweite Zwischen- kreiskondensator über einen Schalter trennbar miteinander verbunden sind. Die Zwischenkreiskapazität wird also sozusagen in zwei Teile geteilt, die durch den Schalter verbindbar und trennbar sind. Insbesondere sind die erste und zweite Zwischenkreiskapazität parallel geschaltet, wenn der Schalter ge- schlossen ist. Als Schalter kommt hierbei ein Halbleiterschalter, insbesondere ein MOSFET oder IGBT, in Betracht. Denkbar sind jedoch auch andere Leis- tungsschalter.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Empfangseinheit eine Hilfsversorgungsein- heit aufweist, die zur Spannungsversorgung an den Gleichrichter angebunden ist, und die dazu eingerichtet ist, den Schalter zur Verbindung des ersten Zwi- schenkreiskondensators mit dem zweiten Zwischenkreiskondensator zu schließen, also den Schalter leitend zu schalten, wenn eine Ausgangsspan- nung der Hilfsversorgungseinheit einen vorgegebenen Schwellwert über- schreitet. Dieser Schwellwert beträgt vorzugweise 15 V, da dann alle Kompo- nenten der Hilfsversorgungseinheit in ihrem Nennspannungsbereich arbeiten und ein stabiler Arbeitspunkt für das Aufstarten gewährleistet wird. Damit wird also erreicht, dass der zweite Zwischenkreiskondensator - und damit die Leis- tungseinheit - zunächst nicht an die sekundäre Spule und den Gleichrichter angebunden sind, sondern dass bei Beginn der Energieübertragung von der Sendeeinheit auf die Empfangseinheit zunächst nur der erste Zwischenkreis- kondensator geladen und die Hilfsversorgungseinheit mit Spannung versorgt werden. Erst wenn die durch die Hilfsversorgungseinheit bereitgestellte Aus- gangsspannung den Schwellwert überschreitet, werden also der zweite Zwi- schenkreiskondensator und damit die Leistungseinheit angebunden bzw. zu- geschaltet.
Auf diese Weise kann also sichergestellt werden, dass kein instabiler Zustand beim Hochfahren eintritt, was meist durch unkontrolliertes Takten von Leis- tungsschaltern in der Leistungseinheit hervorgerufen wird, weil eine relativ hohe Spannung (meist mehr als 10 V) bereits am Leistungsschalter liegt, wäh- rend die übrigen Komponenten wie Mikrokontroller und Treibereinheiten noch nicht ordentlich gestartet wurden. Mit der vorgeschlagenen Empfangseinheit hingegen können Komponenten wie Mikrokontroller und Treiberschaltung zu nächst vollständig hochgefahren wurden. Dadurch wird der instabile Zustand verhindert.
Vorzugsweise weist die Hilfsversorgungseinheit einen optischen Koppler auf, über welchen der Schalter ansteuerbar ist. Zudem kann dann ein Spannungs- komparator vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, den optischen Koppler zum Schließen des Schalters anzusteuern, wenn die Ausgangsspannung der Hilfsversorgungseinheit den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In die- sem Fall ist der Schalter insbesondere als N-MOSFET ausgebildet. Der opti- sche Koppler kann dabei eine Fotodiode und einen integrierten Treiber auf- weisen.
Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn die Hilfsversorgungseinheit einen Span- nungsteiler zur Erzeugung der Ausgangsspannung aufweist, der mit seinem Spannungsteilerausgang an einen Schaltanschluss des Schalters angebun- den ist. Die Ausgangsspannung ergibt sich dabei insbesondere durch Teilung der Spannung am ersten Zwischenkreiskondensator. Der Spannungsteiler ist dann insbesondere so verschaltet, dass der Schalter geschlossen wird, wenn die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In die sem Fall ist der Schalter insbesondere als P-MOSFET ausgebildet, an dessen Gate-Anschluss, d.h. an dessen Schaltanschluss, der Spannungsteileraus- gang angebunden ist.
Beide Varianten ermöglichen ein besonders sicheres und schnelles Hochfah- ren der Empfangseinheit und können je nach Bedarf verwendet werden. Die verwendeten Halbleiterschalter können in beiden Fällen insbesondere eine Spannungsklasse von 20 V aufweisen. Als Widerstand für Drain-Source kom- men insbesondere Werte von beispielsweise 1 itiW in Betracht, um Verluste zu reduzieren. Ebenso kann in beiden Fällen ein Laden des ersten Zwischen- kreiskondensators bei angebundener Energiespeichereinheit durch die intrinsische Diode der MOSFETs erreicht werden, was beispielsweise im re- gulären Betrieb der Empfangseinheit nötig sein kann.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Energieübertragungssystem zur drahtlosen Energieübertragung mit einer erfindungsgemäßen Empfangsein- heit und einer davon getrennten Sendeeinheit, die eine primäre Spule auf- weist, die mit einer vorgegebenen Versorgungsspannung versorgbar ist.
Wenngleich die vorgestellte Empfangseinheit sowie das vorgestellte Energie- Übertragungssystem für beliebige Arten der drahtlosen bzw. induktiven Ener- gieübertragung vorteilhaft sind, ist es dennoch besonders zweckmäßig, wenn die Empfangseinheit dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Haut in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet, insbesondere implantiert, zu werden, und/oder wenn die Sendeeinheit dazu ausgebildet ist, auf einer Haut außerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden. Damit dient das Energieübertragungssystem (bzw. die Empfangseinheit als Teil davon) der eingangs erwähnten transkutanen Energieübertragung.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- schreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung sche- matisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich- nung beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertragungs- system in einer bevorzugten Ausführungsform.
In Figur 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssys- tem 300 zur drahtlosen Energieübertragung in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform dargestellt. Das Energieübertragungssystem weist hierbei eine Sendeeinheit 100 und eine davon getrennte Empfangseinheit 200 auf, wobei die Empfangseinheit 200 als erfindungsgemäße Empfangseinheit in einer be- vorzugten Ausführungsform ausgebildet ist.
Die Sendeeinheit 100 weist eine primäre Spule Li auf, an die über einen Wech- selrichter 1 10, der vier mit Si bis S4 bezeichnete Halbleiterschalter, beispiels weise MOSFETs oder Bipolartransistoren, aufweist, an eine Versorgungs- spannung Uv anbindbar bzw. mit dieser Versorgungsspannung versorgbar ist. Zudem sind ein Vorfilter 120 mit nicht näher bezeichneten Komponenten sowie eine Kompensationskapazität zwischen den Wechselrichter 1 10 und die pri märe Spule Li geschaltet. Die Kompensationskapazität dient bei resonanter Ansteuerung (Ansteuerung mit der Auslegungsfrequenz) als Blindleistungs kompensation .
Bei angelegter Versorgungsspannung Uv und geeigneter Ansteuerung des Wechselrichters kann also mittels der Spule Li ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
Die Empfangseinheit 200 weist eine sekundäre Spule l_2 auf, an die über eine Kompensationskapazität und einen Gleichrichter 210 ein erster Zwischen- kreiskondensator Cz,i angebunden ist. An den ersten Zwischenkreiskonden- sator Cz,i ist über einen Schalter S7 ein zweiter Zwischen kreiskondensator Cz,2 angebunden. Mittels des Schalters S7 können die beiden Zwischenkreiskon- densatoren also parallel geschaltet oder voneinander getrennt werden. Der Schalter S7 ist im vorliegenden Beispiel als N-MOSFET ausgebildet, mit Drain- Anschluss D, Source-Anschluss S und Gate- bzw. Schaltanschluss G.
An den zweiten Zwischenkreiskondensator Cz,2 wiederum ist eine Leistungs- einheit bzw. Leistungsstufe 240 angebunden, die hier zwei Halbleitschalter S5 und S6, die beispielsweise als MOSFETs, IGBTs oder Bipolartransistoren aus- gebildet sein können, und zusammen mit einer Induktivität und einer Kapazität insbesondere als Tiefsetzsteller dienen, aufweist. An die Leistungseinheit 240 sind dann beispielhaft eine Energiespeicherein- heit 220 sowie ein Verbraucher 225 angebunden. Die Energiespeichereinheit ist beispielhaft mittels eines nicht näher spezifizierten Schalters 221 von der Leistungseinheit 240 trennbar, beispielsweise im Fall eines Fehlers. Bei der Energiespeichereinheit 220 kann es sich insbesondere um einen Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie handeln. An der Energiespeichereinheit kann beispielsweise - unter der Verwendung des erwähnten Tiefsetzstellers - eine Spannung L t mit einem Strom t eingestellt werden.
Der Gleichrichter 210 ist als passiver Gleichrichter mit vier nicht näher bezeich- neten Dioden ausgebildet. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines akti ven Gleichrichters mit beispielsweise Flalbleiterschaltern.
Weiterhin weist die Empfangseinheit 200 eine Flilfsversorgungseinheit 250 auf, die beispielhaft unter anderem mittels eines nicht näher bezeichneten Schal- ters, einer Diode und eines Kondensators an den Gleichrichter 210 angebun- den ist und ähnlich wie die Leistungseinheit 240 als Tiefsetzsteller funktioniert. Auf diese Weise kann die Hilfsversorgungseinheit 250 selbst direkt mit der in der sekundären Spule L2 induzierten Spannung versorgt werden und eine vor- gegebene geregelte Ausgangsspannung U0Ut,H erzeugen. Die Regelung der Ausgangsspannung U0Ut,H erfolgt anhand der so genannten Pulsbreitenmodu- lation, d.h. über die Einschaltzeit des aktiven Schalters der Hilfsversorgungs- einheit 250 im Verhältnis zur Schaltperiode.
Weiterhin ist ein (herkömmlicher) Spannungskomparator 252 vorgesehen, an den die Ausgangsspannung U0Ut,H der Hilfsversorgungseinheit 250 anliegt, und der mit einem optischen Koppler 251 verbunden ist. Der optische Koppler 251 wiederum ist unter anderem an den Gate-Anschluss G des Schalters bzw. N- MOSFETs S7 angebunden.
Dabei sind der Spannungskomparator 252 und der optische Koppler 251 dazu eingerichtet, den Schalter S7 leitend zu schalten bzw. zu schließen und so den zweiten Zwischenkreiskondensator Cz,2 zusammen mit der Leistungseinheit 240 an den ersten Zwischenkreiskondensator Cz,i anzubinden, wenn die Aus- gangsspannung U0Ut,H einen Schwellwert, der geeignet vorgegeben bzw. ein- gestellt werden kann, überschreitet. Der Spannungskomparator 252 wirkt nicht-invertierend und schaltet seine Ausgangsspannung bei Erreichen eines positiven Schwellwerts (vorzugsweise ca.15 V) am Eingang.
Die Empfangseinheit 200 kann nun insbesondere dazu ausgebildet sein, unter einer Haut, die hier mit 310 angedeutet ist, angeordnet bzw. implantiert zu sein, und beispielsweise für ein Kreislauf- oder Herzunterstützungssystem ver- wendet werden. Insbesondere kann die Energiespeichereinheit 220 zur Ener- gieversorgung eines solchen Kreislauf- oder Herzunterstützungssystems ver- wendet werden.
Bei entsprechend außerhalb bzw. auf der Haut 310 positionierter Sendeeinheit 100 wird - bei entsprechender Positionierung - eine Kopplung zwischen der primären Spule Li der Sendeeinheit 100 und der sekundären Spule L2 der Empfangseinheit 200 erreicht.
Wird nun die Sendeinheit derart angesteuert bzw. betrieben, dass mittels der primären Spule Li ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wird durch die Kopplung eine Spannung bzw. ein Stromfluss in der sekundären Spule L2 in- duziert. Dies wiederum führt dazu, dass der erste Zwischenkreiskondensator Cz,i geladen wird und dass die Hilfsversorgungseinheit 250 mit Spannung ver- sorgt wird.
Sobald dann die Ausgangsspannung U0Ut,H der Hilfsversorgungseinheit den Schwellwert überschreitet, wird, wie erwähnt, die Leistungseinheit 240 mit den nachfolgenden Komponenten angebunden und ebenfalls mit Spannung ver- sorgt. Auf diese Weise kann ein sicheres Hochfahren der Empfangseinheit 200 erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Empfangseinheit (200), die dazu eingerichtet ist, zur drahtlosen Ener- gieübertragung mit einer von der Empfangseinheit getrennten Sende- einheit (100) zusammenzuwirken, welche Sendeinheit (100) eine pri märe Spule (Li) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist,
wobei die Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2), an die über einen Gleichrichter (210) ein erster Zwischenkreiskondensator (Cz,i) angebunden ist, und eine Leistungseinheit (240), an die ein Ver- braucher (225) und/oder ein Energiespeicher (220) angebunden sind, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (200) einen zweiten Zwischenkreiskondensator (Cz,2) aufweist, an den die Leis- tungseinheit (240) angebunden ist, wobei der erste Zwischenkreiskon- densator (Cz,i) und der zweite Zwischenkreiskondensator (Cz,2) über einen Schalter (S7) trennbar miteinander verbunden sind, und dass die Empfangseinheit (200) eine Hilfsversorgungseinheit (250) aufweist, die zur Spannungsversorgung an den Gleichrichter (210) an- gebunden ist, und die dazu eingerichtet ist, den Schalter (S7) zur Ver- bindung des ersten Zwischenkreiskondensators (Cz,i) mit dem zweiten Zwischenkreiskondensator (Cz,2) zu schließen, wenn eine Ausgangs- spannung (U0Ut,H) der Hilfsversorgungseinheit (250) einen vorgegebe- nen Schwellwert überschreitet.
2. Empfangseinheit (200) nach Anspruch 1 , wobei der Schalter (S7) als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET, ausgebildet ist.
3. Empfangseinheit (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hilfsversor- gungseinheit (250) einen optischen Koppler (251 ) aufweist, über wel- chen der Schalter (S7) ansteuerbar ist. Empfangseinheit (200) nach Anspruch 3, wobei die Hilfsversorgungs- einheit (250) weiterhin einen Spannungskomparator (252) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den optischen Koppler (251 ) zum Schließen des Schalters (S7) anzusteuern, wenn die Ausgangsspannung (U0Ut,H) der Hilfsversorgungseinheit (250) den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Empfangseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hilfsversorgungs- einheit einen Spannungsteiler zum Erzeugen der Ausgangsspannung (Uout.H) aufweist.
Empfangseinheit nach Anspruch 5, die derart ausgebildet ist, dass der Schalter geschlossen wird, wenn die Ausgangsspannung den vorge- gebenen Schwellwert überschreitet.
Empfangseinheit (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo- bei die Leistungseinheit (240) einen Tiefsetzsteller aufweist.
8. Empfangseinheit (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Haut (310) in einem menschli- chen oder tierischen Körper angeordnet zu werden.
9. Energieübertragungssystem (300) zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit (100) und einer davon getrennten Empfangs- einheit (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Send- einheit (100) eine primäre Spule (Li) aufweist, die mit einer vorgege- benen Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist.
10. Energieübertragungssystem (300) nach Anspruch 9, wobei die Sende- einheit (100) dazu ausgebildet ist, auf einer Haut (310) außerhalb ei- nes menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden.
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