CN105493375A - 用于感应式能量传输的设备和用于运行用于感应式能量传输的设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现具有附加运行状态的从初级线圈（12）到次级线圈（22）的感应式能量传输。通过这种两侧调节，按照预先确定的运行策略进行功率电子装置的初级侧和次级侧的操控。因此例如即使在不益的耦合系数的情况下也可以提高感应式能量传输的效率，在初级线圈（12）和次级线圈（22）之间的气隙中的磁场可以被最小化，并且所述感应式能量传输可以被优化。这种优化的运行策略能够通过新引入的空转状态被实现，所述空转状态借助于感应式能量传输***的次级侧（S5、S6）上的开关允许次级侧的周期性短接。本发明优选地在电动车辆（4）的电池充电时被使用，但是其它的应用也是可能的。

Description

用于感应式能量传输的设备和用于运行用于感应式能量传输的设备的方法

技术领域

本发明涉及用于感应式能量传输的设备以及用于运行用于感应式能量传输的设备的方法。

背景技术

电动车辆和插电式混合动力车辆是已知的，所述电动车辆和插电式混合动力车辆的驱动完全地或者至少部分地借助于电动机实现。在此用于驱动电动机的电能由电蓄能器、例如牵引电池提供。对于所述蓄能器的充电，存在不同的方案。

例如可能的是，借助于合适的充电线缆将电动车辆直流地（galvanisch）与充电站连接。对此用户必须建立电动车辆和充电站之间的电连接。这尤其在差的天气情况、诸如下雨时可能被感受为令人不快的。此外由于电动车辆和插电式混合动力车辆的非常受限制的电有效距离，这种线缆连接必须通过用户非常经常地被建立，这被很多用户感受为电动车辆相对于常规车辆的大缺点。

因此还存在用于在充电站和车辆之间能量传输的无线缆解决方案。在此情况下，能量从充电站通过交变磁场被传输给车辆。来自交变磁场的能量在车辆中被转换为电能，并且所述电能被输送给车辆的蓄能器。然而在所述解决方案中需要的是，所述车辆尽可能精确地被布置在充电站上方。根据充电站中的初级线圈和车辆中的次级线圈的间隔和定向，得到对无线缆充电***的不同的影响。在此线圈***的耦合系数可能强烈地波动。在该情况下存在危险：即所述充电***不在最优的工作点运行，这通常导致较差的效率和/或在初级线圈和次级线圈之间的气隙中的较高的交变磁场。

出版物DE102010055696A1公开用于无接触地传输的***，其中初级侧上的传输***的频率根据次级侧的状态参量被适配（anpassen）。除了纯适配初级侧上的***参数，此外还存在可能性：通过次级侧的或者两侧的功率调节适配感应式充电***的运行点。这样的***例如在出版物US2011/0231029A1中被描述，其中需要在次级侧上的附加的变压器。

因此此外存在对感应式能量传输的需求，所述感应式能量传输使得能够在可变的耦合系数情况下改善地适配能量传输。此外存在对在可变的耦合系数情况下高效地和成本低地实现感应式能量传输的需求。

发明内容

按照第一方面，本发明实现用于感应式能量传输的设备，具有次级线圈装置，所述次级线圈装置被设计用于，在输入耦合交变磁场时在两个连接点之间提供交变电压；整流器，所述整流器被设计用于，对由次级线圈装置提供的交变电压整流；和开关装置，所述开关装置被设计用于，将次级线圈装置的两个连接点彼此电连接。

按照另一方面，本发明实现用于运行用于感应式能量传输的设备的方法，具有步骤：在次级线圈装置的两个连接点之间提供交变电压，其中交变磁场输入耦合到所述次级线圈装置中；并且将次级线圈装置的两个连接点电连接，其中次级线圈装置的两个连接点在所提供的交变电压的每个半波期间在预先确定的时间区间内被彼此连接。

发明优点

本发明所基于的想法是，在次级侧上扩展用于感应式能量传输的***，使得附加的调节技术自由度被实现，所述自由度被使用用于优化各自的工作点。对此在次级侧上能够实现附加的空转状态，其方式是：通过有源开关替代整流器的两个下面的二极管。通过该新引入的空转状态的有针对性的充分使用，例如可以升高在大量工作点中的感应式能量传输的效率。

此外，所述感应式能量传输即使在不益的耦合系数的情况下也可以被运行，使得在初级线圈和次级线圈之间的气隙中，最大的磁场强度不被超过。因此由于太高的磁场强度、例如由于金属外来对象发热会发生的危险可以被避免。

通过在次级侧上有针对性地充分使用附加的空转状态，能够在耦合系数的非常宽的公差范围中实现感应式能量传输。然而因此尤其即使在常规的***中不允许或者仅允许非常差的感应式能量传输的耦合系数情况下也能够执行高效的感应式能量传输。即使在其它不益的工作点中运行时、诸如在部分负载运行时，效率也可以决定性地被改善。

此外，按照本发明的感应式能量传输也能够在故障情况下通过有针对性地和持久地短接次级侧实现附加的保护功能。因此可以例如防止初级电流的不允许高的升高，所述升高在不受控制的次级侧负载下降的情况下将会发生。

在一种实施方式中，谐振电容器器与初级线圈装置和/或次级线圈装置串联地布线。

按照另一实施方式，所述开关装置包括至少一个半导体开关。优选地，所述半导体开关是MOSFET或者IGBT。这样的半导体开关能够实现在长持续时间上开关装置的可靠的、快速的和低损耗的切换。

按照另一实施方式，所述开关装置在所提供的交变电压的每个半波期间在预先确定的时间区间内将次级线圈装置的两个连接点连接。通过在所提供的交变电压的每个半波期间对于确定的相位角周期性短接次级线圈装置的输出端，附加的新引入的运行模式可以有针对性地***控。

在另一实施方式中，所述时间区间基于初级线圈装置和/或次级线圈装置中的电流强度被确定，在所述时间区间中，次级线圈装置的两个连接点被彼此电连接。以这种方式，出现的电流能够有针对性地被调节。

在还有另一实施方式中，所述时间区间在能量传输期间适应性地被适配，在所述时间区间中，次级线圈装置的两个连接点被彼此电连接。因此即使在可变的耦合系数的情况下，由于在感应式能量传输期间的变化，也可以连续地实现运行模式的最优适配。在此情况下可能的优化参量例如是感应式传输***的效率。

按照另一实施方式，只有当初级线圈装置中的初级电流超过预先确定的值时，开关装置才将次级线圈装置的两个连接点彼此电连接。

本发明此外包括能量传输设备，具有初级线圈装置，所述初级线圈装置被设计用于，提供交变磁场；以及用于感应式能量传输的按照本发明的设备，其中所提供的交变磁场输入耦合到所述设备中。

此外，本发明包括具有用于感应式能量传输的按照本发明的设备的、电动车辆用的充电设备。

本发明的实施方式的其它特征和优点参考附图由以下描述得出。

附图说明

图1示出按照一种实施方式用于感应式能量传输的设备的电路图的示意图；

图2示出按照一种实施方式在全负载情况下在初级线圈装置和次级线圈装置中的电流和电压变化过程的示意图；

图3示出在部分负载情况下在初级线圈装置和次级线圈装置中的电流和电压变化过程的示意图；

图4示出按照另一实施方式在部分负载情况下在初级线圈装置和次级线圈装置中的电流和电压变化过程的示意图；

图5示出按照本发明的一种实施方式用于具有能量传输设备的电动车辆的充电设备的示意图；和

图6示出如本发明的另一实施方式所基于的用于运行感应式能量传输的方法的示意图。

具体实施方式

即使本发明以下优选地参考用于对电动车辆进行充电的电能量传输被描述，按照本发明的感应式能量传输也从而不限制于所述应用。此外同样可能的是，也将按照本发明的能量传输扩展到每个任意的其它应用情况。此外在所描述的设备的输出端提供的输出电压除了对电池充电外也可以被使用用于任意的其它应用。

图1示出如本发明的一种实施方式所基于的用于感应式能量传输的电路装置的示意图。所述电路装置包括初级侧1和次级侧2。所述初级侧1由直流电压源10馈电。可替代地，具有紧接着的整流的通过交变电压源馈电是可能的。所述初级侧1此外在需要时也可以包括用于调整输入电压U_in的电压水平的合适的升压转换器或者降压转换器。所述输入电压U_in被输送给逆变器电路11。所述逆变器电路11可以例如是具有四个开关元件S1至S4的全桥。这些开关元件S1至S4中的每个可以被并联连接空转二极管D1至D4。（矩形的）交变电压U₁被输送给具有串联谐振电路的初级线圈装置12。该串联谐振电路例如包括感应式传输***的初级线圈L₁和谐振电容器C₁。由逆变器11提供的交变电压U₁在此优选地与串联谐振电路的谐振频率ω₀相协调。

所述次级侧2包括具有振荡回路的次级侧线圈装置22，所述振荡回路包括感应式传输***的次级线圈L₂和串联连接的谐振电容器C₂。次级侧的线圈装置22的两个端子与整流器21的输入端连接，所述整流器由二极管D5至D8组成，其中开关元件S5或者S6分别与整流器21的两个下面的二极管D7和D8并联地布置。所述开关元件S5和S6优选地是半导体开关元件。例如MOSFET或者IGBT可以被用作这样的半导体开关元件。所述二极管D7和D8不必分立地被实施，而是也可以是半导体开关元件的本征二极管。所述半导体开关元件能够通过大数量的切换过程实现快速的和低损耗的切换。然而其它开关元件、尤其其它半导体开关元件同样地是可能的。整流器的输出电压U_out可以可选地通过平滑电容器C₃被平滑。

如从图1可识别的，通过闭合两个开关元件S5和S6，次级侧线圈装置22的两个输出端彼此被电连接。所述半导体开关元件S5和S6可以例如通过控制设备23有针对性地***控。所述控制设备23可以通过合适的传感器检测、分析来自初级侧1或者次级侧2的电流值或者电压值，并且基于此操控开关元件S5和S6。优选地初级侧1上的存在的传感器在此通过无线无线电接口与控制设备23耦合。因此例如在初级侧或者次级侧上的电流和/或电压可以被检测和分析。基于所述电流和/或电压或者必要时还有其它的参数，控制设备23可以因此操控开关元件S5和S6用于优化地运行，如这在以下被进一步描述的那样。

为了从初级侧1到次级侧2的感应式能量传输，通过在初级侧线圈装置21处施加交变电压U₁由初级线圈L₁产生交变磁场。所述交变磁场输入耦合到次级侧振荡回路的线圈L₂中，并且在那里感应交变电压。在次级侧线圈装置22的输出端处的交变电压通过整流器21被整流，必要时通过平滑电容器C₃被平滑，并且然后在输出端作为输出电压U-_out被提供。所述输出电压U_out可以例如被使用用于在电动车辆中对电池充电。

图2示出在全负载运行中在初级或者次级线圈装置12和22中的电流和电压的变化过程。初级线圈装置12中的U₁的基波的振幅在此可以通过半导体开关S1至S4的操控之间的相位角被调整。从中得到如在上面的图表中所示的逆变器11的输出电压。所述角度a在此表示电压U₁的脉冲宽度。a=180°的角度在此对应于纯矩形电压。电压U₁的基波的振幅在谐振频率ω情况下在此计算为：

在第一运行模式中，在此两个次级侧半导体开关S5和S6持久地保持断开。所述次级侧功率电子装置因此如纯无源整流器那样表现。在所述运行模式中，电流和电压的基波的振幅在谐振频率ω情况下在图解2中按照数值计算为：

在此，初级电流I-₁仅与输出电压U_out和由初级线圈L₁和次级线圈L₂组成的线圈***的互感M有关。所述初级电流I₁不能通过调节整流器11的脉冲宽度a被影响。

图3在上面的图表中示出在部分负载运行中初级电压U₁和初级电流I₁的时间变化过程的示意图，以及在下面的图表中示出次级电压U₂和次级电流I₂的示意图，如在持久地断开的半导体开关S5和S6的情况下在感应式能量传输期间发生的那样。所述运行模式对应于电流变化过程或者电压变化过程，如也在常规的感应式能量传输时利用纯初级侧调节和在次级侧上的无源整流器发生的那样。这里初级侧上的电流I₁也不能通过调节逆变器11中的全桥被影响。这导致，例如在部分负载运行中或者在初级侧上的不益的耦合系数的情况下通过初级电流I₁引起高的损耗。

图4此外在上面的图表中示出在另一运行模式下在部分负载运行中初级电压U₁和初级电流I₁的变化过程，以及在下面的图表中示出次级电压U₂和次级电流I₂的变化过程，其中在所述另一运行模式时次级侧电子装置的开关S5和S6现在有针对性地周期性地被闭合。在该空转状态中，谐振电流I₂此外通过次级侧线圈L₂和串联谐振电容器C₂循环。在所述开关S5和S6再次被断开之后，所述谐振电流通过可选的平滑电容器C₃流入连接在次级侧2的输出端上的负载、诸如电池中。

电角度b在此表示电压U₂的脉冲宽度（参见图4）。这对应于时间，在所述时间期间开关S5和S6断开。次级侧电压U₂的基波的振幅因此计算为：

初级侧电压的基波的振幅此外得出为：

因此按照数值地得到次级电流I₂和初级电流I₁的峰值为：

通过在次级侧2上新引入的空转状态，因此现在不仅初级侧电流I₁而且次级侧电流I₂可以有针对性地被调整。由此可以在分别最优的工作点运行感应式能量传输，并且在此即使在从初级线圈L₁到次级线圈L₂的不同的气隙或者偏移（Versatz）的情况下以及也在部分负载运行中分别最优地适配所述感应式能量传输。

为了在开关S5和S6断开期间确定电角度的角度参量b，在此不同的运行策略是可能的。对于第一运行策略，例如可以在初级侧1和次级侧2上使用相同的脉冲宽度。也即，用于操控初级侧1上的逆变器11的角度a对应于用于操控次级侧2上的开关S5和S6的角度b。在预先给定的工作点中，因此计算角度a和b为：

在此，ω表示在感应式能量传输期间的运行频率，P_soll表示要传输的功率，U_in表示初级侧上的输入直流电压并且U_out表示次级侧上的输出直流电压，以及M表示初级线圈L₁和次级线圈L₂之间的互感。在该情况下，不需要用于确定其它参数的附加的测量技术。唯一的前提是用于在初级侧1和次级侧2之间通信的接口。所述接口优选地被实施为无线缆的。此外所述调节参量、诸如电池充电电流必须被检测和分析。

如果在绕组L₁和L₂的不益的彼此定位的情况下，互感M明显地比在最优的定位情况下小，那么具有无源整流的在初级侧被调节的常规***必须利用明显较高的初级电流I₁被运行，以便在降低的耦合的情况下传输相同的功率P_soll。这将会导致初级侧上的损耗的明显升高。通过按照本发明操控次级侧上的两个开关S5和S6，这种初级电流提高可以在减少的耦合的情况下有较小的结果。虽然不仅初级电流I₁而且次级电流I₂被提高，但是在该工作点中的总***损耗与具有无源整流器的常规初级侧操控相比可以总地被减少。类似的观察也适用于在部分负载运行中感应式能量传输的运行或者负载阻抗的其它变化。

按照另一运行策略，初级电流I₁与次级电流I₂的比例被调整到恒定的值。在此，相位角a和b例如被选择为使得以下的条件适用于具有额定电压U_Nenn和具有当前的电池电压U_Bat的电池的次级侧充电：

除了之前已经描述的优点，在此实际的电池电压U_Bat通过次级侧2与***去耦，使得在初级侧1上和在次级侧2上与在额定点中相同的电流流动，其中对于所述额定点，所述***被优化。因此通过有源的次级侧2进行负载的阻抗适配，而对此不需要附加的直流变压器。

在另一运行策略中可以适应性地适配工作点。在此最优的工作点适应性地被调整为使得需要的功率P_Soll在给定的耦合系数和给定的电池电压U_Bat的情况下可以被传输，并且同时优化参量被最大化或者最小化。工作点的这样的适应性适配可以基于附加的自由度被实现，其中按照本发明的两侧的调节能够实现所述自由度。例如（测量的）***效率可以用作优化参量，但是其它的优化参量也是可设想的。因为在电池的充电过程期间，工作点仅非常缓慢地变化，所以所述适应性适配从调节技术的观点看可以相对于内部的调节回路缓慢地进行。

此外也可以如此适配所述工作点，使得在初级线圈L₁和次级线圈L₂之间的气隙中，磁场尽可能变得最小。在线圈对L₁、L₂的气隙中的交变磁场导致通过感应的涡流使金属对象的发热，所述金属对象可能处于初级线圈L₁和次级线圈L₂之间的区域中。在高的磁场的情况下，这表示高的安全风险。例如在所述区域中的金属物体在能量传输期间可能非常强烈地发热。通过按照本发明使在初级线圈L₁和次级线圈L₂之间的气隙中的磁场最小化，所述安全风险可以被降低。可替代地，即使在保持最大的磁场强度时，线圈对L₁、L₂也可以较小地被确定尺寸。因此需要的结构空间和构建用于感应式能量传输的这样的***的成本减小。

在另一运行策略中可以通过在次级侧上主动调节来扩展用于感应式能量传输的***的工作范围。在此，次级侧2上的两个附加的开关S5和S6在正常运行期间保持关断。所述次级侧功率电子装置21在此首先如无源整流器那样表现。如果初级电流I₁超过确定的阈值，那么附加的开关元件S5和S6的操控被激活。由此即使在不益的框架条件、诸如差的耦合系数的情况下，阻抗适配也是可能的。因此即使以常规方式最大的初级电流I₁被超过并且所述***必须被切断，用于感应式能量传输的***也能继续地被运行。

图5示出用于电动车辆4的充电设备3的示意图。所述充电设备3在此包括结合图1描述的组件。尤其充电设备3在机动车辆4中在此包括具有附加的开关元件S5和S6的电路装置，以便使所述次级侧线圈装置22在输出端处电短接和因此能够实现附加的按照本发明的空转状态。此外用于其它应用、如对在机动车辆中的电池充电等的充电设备当然也是可能的。

图6示出如本发明所基于的用于运行用于感应式能量传输的设备的方法100的示意图。在步骤110中，交变电压在次级线圈装置22的两个连接点之间被提供，其中交变磁场输入耦合到所述次级线圈装置22中。在步骤120中，次级线圈装置22的两个连接点被彼此电连接，其中次级线圈装置22的两个连接点在所提供的交变电压的每个半波期间在预先确定的时间区间内被彼此连接。

所述预先确定的时间区间在此如在上面已经描述的那样可以基于不同的运行策略被确定，在所述时间区间期间，次级线圈装置22的两个连接点被彼此电连接。

概括而言，本发明涉及具有两侧调节和附加的运行状态的从初级线圈到次级线圈的感应式能量传输。通过所述两侧调节实现按照预先确定的运行策略对功率电子装置的初级侧和次级侧的操控。因此例如即使在不益的耦合系数的情况下，感应式能量传输的效率也可以被提高，在初级线圈和次级线圈之间的气隙中的磁场可以被减小，并且感应式能量传输可以被优化。在本发明中，所述被优化的运行策略通过新引入的空转状态能够实现，所述空转状态允许次级侧的周期性短接。

Claims (10)

1.用于感应式能量传输的设备，具有

次级线圈装置（22），所述次级线圈装置（22）被设计用于，在输入耦合交变磁场的情况下在两个连接点之间提供交变电压；

整流器（21），所述整流器（21）被设计用于，对由次级线圈装置（22）提供的交变电压整流；和

开关装置（S5、S6），所述开关装置（S5、S6）被设计用于，将次级线圈装置（22）的两个连接点彼此电连接。

2.按照权利要求1所述的设备，其中谐振电容器与初级线圈装置和/或次级线圈装置串联地布线。

3.按照权利要求1或2所述的设备，其中所述开关装置（S5、S6）包括至少一个半导体开关，优选地MOSFET或者IGBT。

4.按照权利要求1至3之一所述的设备，其中所述开关装置（S5、S6）被设计用于，在所提供的交变电压的每个半波期间在预先确定的时间区间内将次级线圈装置（22）的两个连接点彼此电连接。

5.按照权利要求4所述的设备，其中所述时间区间基于在初级线圈装置（12）和/或次级线圈装置（22）中的测量的电参量被确定，在所述时间区间中，次级线圈装置（22）的两个连接点被彼此电连接。

6.按照权利要求4或5所述的设备，其中所述时间区间在能量传输期间适应性地被适配，在所述时间区间中，次级线圈装置（22）的两个连接点被彼此电连接。

7.按照权利要求1至6之一所述的设备，其中只有当初级线圈装置（12）中的初级电流超过预先确定的值，所述开关装置才将次级线圈装置（22）的两个连接点彼此电连接。

8.能量传输设备（3），具有

初级线圈装置（12），所述初级线圈装置（12）被设计用于，提供交变磁场；和

按照权利要求1至7之一所述的设备，其中所提供的交变磁场至少部分地输入耦合到次级线圈装置（22）中。

9.具有按照权利要求1至7之一所述的用于感应式能量传输的设备的、电动车辆（4）用的充电设备。

10.用于运行用于感应式能量传输的设备的方法（100），具有步骤：

在次级线圈装置（22）的两个连接点之间提供（100）交变电压；

将次级线圈装置（22）的两个连接点电连接（120），其中次级线圈装置（22）的两个连接点在所提供的交变电压的每个半波期间在预先确定的时间区间内被彼此连接。