DE102013212611A1

DE102013212611A1 - Induktionsladevorrichtung

Info

Publication number: DE102013212611A1
Application number: DE102013212611.5A
Authority: DE
Inventors: Juergen Mack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31
Also published as: CN104253467A; US20150002087A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Induktionsladevorrichtung, insbesondere von einer Primärinduktionsladevorrichtung, mit zumindest einer Ladeelektronikeinheit (12), die zumindest eine zwischen zumindest zwei Gleichstromzweigen (14, 16) angeordnete Frequenzeinheit (18), zumindest eine an einem Spannungsabgriff (20) der zumindest einen Frequenzeinheit (18) angeschlossene Ladespule (22) und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) aufweist, die in zumindest einem ersten Betriebszustand (b1) dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Frequenzeinheit (18) mit einer Frequenz zu betreiben. Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer (tb1) des ersten Betriebszustands (b1) gegenüber einer Betriebsperiode (p) zu steuern und/oder zu regeln.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Induktionsladevorrichtung vorgeschlagen worden mit zumindest einer Ladeelektronikeinheit, die zumindest eine zwischen zumindest zwei Gleichstromzweigen angeordnete Frequenzeinheit, zumindest eine an einem Spannungsabgriff der zumindest einen Frequenzeinheit angeschlossene Ladespule und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, die in zumindest einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Frequenzeinheit mit einer Frequenz zu betreiben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Induktionsladevorrichtung, insbesondere Primärinduktionsladevorrichtung, mit zumindest einer Ladeelektronikeinheit, die zumindest eine zwischen zumindest zwei Gleichstromzweigen angeordnete Frequenzeinheit, zumindest eine an einem Spannungsabgriff der zumindest einen Frequenzeinheit angeschlossene Ladespule und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, die in zumindest einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Frequenzeinheit mit einer Frequenz zu betreiben.
Es wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer des ersten Betriebszustands gegenüber einer Betriebsperiode zu steuern und/oder zu regeln. Das heißt insbesondere, dass bei der Pulsweitenmodulation der gesamte erste Betriebszustand als Impuls verstanden wird. Insbesondere wird über die Pulsweitenmodulation ein Verhältnis des ersten Betriebszustands zu der Betriebsperiode gesteuert und/oder geregelt. Bevorzugt ist die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen eine Leistungsabgabe über eine überlagerte Pulsweitenmodulation zu steuern und/oder zu regeln. Vorzugsweise ist die Induktionsladevorrichtung von einer Handwerkzeuginduktionsladevorrichtung gebildet. Ferner ist die Steuer- und/oder Regeleinheit vorzugsweise dazu vorgesehen, die Frequenzeinheit mit einer Resonanzfrequenz, insbesondere einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises der Ladespule, zu betreiben. Die Steuer- und/oder Regeleinheit kann grundsätzlich von zumindest zwei voneinander getrennten Teileinheiten gebildet sein, wovon zumindest eine Teileinheit in zumindest einem ersten Betriebszustand dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Frequenzeinheit mit einer Frequenz zu betreiben und wovon eine weitere Teileinheit dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer des ersten Betriebszustands gegenüber einer Betriebsperiode zu steuern und/oder zu regeln. Unter einer „Induktionsladevorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zum induktiven Laden von Induktionsakkuvorrichtungen verstanden werden. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit auf, die dazu vorgesehen ist, einen Ladevorgang zu steuern und/oder zu regeln. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer „Handwerkzeuginduktionsladevorrichtung“ insbesondere eine Induktionsladevorrichtung für eine Handwerkzeugmaschine verstanden werden. Dabei soll unter einer „Handwerkzeugmaschine“ insbesondere eine werkstückbearbeitende Maschine, vorteilhaft jedoch eine Bohrmaschine, ein Bohr- und/oder Schlaghammer, eine Säge, ein Hobel, ein Schrauber, eine Fräse, ein Schleifer, ein Winkelschleifer, ein Gartengerät, ein Multifunktionswerkzeug und/oder ein Messgerät verstanden werden. Unter einer „Primärinduktionsladevorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Induktionsladevorrichtung verstanden werden, die während eines Ladevorgangs eine Primärseite eines Ladesystems darstellt. Vorzugsweise soll darunter eine Induktionsladevorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, elektrische Energie in ein magnetisches Feld umzuwandeln, welches insbesondere von einer Sekundärseite wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer „Ladeelektronikeinheit“ insbesondere eine Elektronikeinheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine Ladekenngröße, wie insbesondere eine Ladespannung und/oder ein Ladestrom, zu beeinflussen. Dabei soll unter einer „Elektronikeinheit“ insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zumindest einen elektrischen Strom in einem Gas, in einem Leiter, in einem Vakuum und/oder vorteilhaft in einem Halbleiter beeinflusst. Vorzugsweise weist die Elektronikeinheit zumindest ein elektronisches Bauteil auf. Es sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende elektronische Bauteile denkbar, wie beispielsweise ein Kondensator, ein Widerstand, eine Spule und/oder eine Diode. Unter einem „Gleichstromzweig“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Teil, vorzugsweise ein Pfad, eines Stromkreises verstanden werden, in dem ein Strom gleichbleibenden Vorzeichens fließt. Unter einer „Frequenzeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine elektrische Einheit verstanden werden, die ein oszillierendes elektrisches Signal, vorzugsweise mit einer Frequenz, insbesondere mit einer variablen Frequenz, von zumindest 1 kHz, vorzugsweise von zumindest 10 kHz und besonders bevorzugt von zumindest 20 kHz für eine Schwingkreisschaltung und/oder insbesondere für die Ladespule erzeugt. Die Frequenzeinheit umfasst insbesondere zumindest einen Wechselrichter, der vorzugsweise zumindest zwei, vorzugsweise in Reihe geschaltete, bidirektionale unipolare Schalter aufweist, die insbesondere von einem Transistor und einer parallel geschalteten Diode gebildet sind. Besonders bevorzugt weist der Wechselrichter zudem zumindest jeweils eine parallel zu den bidirektionalen unipolaren Schaltern geschaltete Dämpfungskapazität auf, die insbesondere von zumindest einem Kondensator gebildet ist. Hierdurch kann eine hochfrequente Energieversorgung der Schwingkreisschaltung und/oder insbesondere der Ladespule bereitgestellt werden. Ein Spannungsabgriff der Frequenzeinheit ist insbesondere an einer gemeinsamen Kontaktstelle zweier bidirektionaler unipolarer Schalter angeordnet. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer „Ladespule“ insbesondere ein Element verstanden werden, das zumindest teilweise aus einem elektrischen Leiter, insbesondere einem gewickelten elektrischen Leiter, besteht, der zumindest teilweise in Form einer Kreisscheibe angeordnet ist. Vorzugsweise wird in dem elektrischen Leiter bei Anliegen eines magnetischen Felds eine Spannung induziert. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Des Weiteren soll in diesem Zusammenhang unter „vorgesehen“ insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer „Leistungsabgabe“ insbesondere eine Abgabe von Energie der Induktionsladevorrichtung an einen Akku und/oder an eine Umgebung über die Zeit verstanden werden. Des Weiteren soll in diesem Zusammenhang unter einer „Impulsdauer“ insbesondere die Dauer eines Impulses, insbesondere eines Strom- und/oder Spannungsimpulses, verstanden werden. Unter einer „Betriebsperiode“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein kleinstes Intervall verstanden werden, nach welchem sich ein Betriebszustand, insbesondere ein erster Betriebszustand, oder eine Folge von Betriebszuständen, wie insbesondere ein erster Betriebszustand und ein zweiter Betriebszustand, vollständig wiederholt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Induktionsladevorrichtung kann ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad realisiert werden. Ferner kann dadurch besonders einfach und kostengünstig eine Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsabgabe geregelt werden. Durch die Pulsweitenmodulation kann des Weiteren eine vorteilhaft hohe Dynamik bei einer Ansteuerung erreicht werden. Des Weiteren kann dadurch insbesondere eine hohe lastabhängige Stabilität erreicht werden. Vorzugsweise kann dadurch ferner eine Anzahl von Bauteilen gering gehalten werden. Es werden insbesondere keine weiteren Bauteile benötigt um beispielsweise eine Spannung direkt zu steuern und/oder zu regeln. Dadurch können insbesondere Kosten und Bauraum für zusätzliche Bauteile eingespart werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann an den Gleichstromzweigen insbesondere eine konstante Zwischenkreisspannung anliegen. Dadurch kann auf eine Modulation der Spannung vor der Frequenzeinheit verzichtet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer des ersten Betriebszustand gegenüber einer konstanten Betriebsperiode zu steuern und/oder zu regeln. Unter einer „konstanten Betriebsperiode“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Betriebsperiode mit einer konstanten Periodendauer verstanden werden. Dadurch kann ein vorteilhaft hoher Wirkungsgrad realisiert werden. Insbesondere kann dadurch besonders einfach und kostengünstig eine Steuerung und/oder Regelung einer Leistungsabgabe geregelt werden. Durch die konstante Betriebsperiode kann insbesondere eine vorteilhaft einfache Auslegbarkeit realisiert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass eine Spannung an den Gleichstromzweigen konstant ist. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Steuerung und/oder Regelung erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Betriebsperiode aus dem impulsbildenden ersten Betriebszustand und einem von einem Nullspannungs-Betriebszustand gebildeten zweiten Betriebszustand besteht. Das heißt insbesondere, dass die Vorrichtung in zwei zumindest teilweise idealen Zuständen arbeitet. Einem Zustand, in dem die Ladespule mit einer Frequenz, vorzugsweise mit einer Resonanzfrequenz, angeregt wird und einem Zustand, in dem eine Anregung unterbrochen ist bzw. keine Anregung stattfindet. Durch die lediglich zwei Betriebszustände kann eine besonders einfache Auslegung des Systems erreicht werden. Ferner kann durch die lediglich zwei Betriebszustände ein besonders flacher Wirkungsgradverlauf über den gesamten Leistungsbereich erreicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass eine Periodendauer der Betriebsperiode zumindest 1 ms beträgt. Vorzugsweise beträgt die Dauer der Betriebsperiode zumindest 5 ms. Bevorzugt beträgt die Dauer der Betriebsperiode zumindest 10 ms. Besonders bevorzugt erfolgt die Pulsweitenmodulation mit einer Frequenz, die wesentlich kleiner ist als eine Resonanzfrequenz. Unter „wesentlich kleiner“ soll dabei insbesondere zumindest 100-mal, vorzugsweise zumindest 500-mal und besonders bevorzugt zumindest 1000-mal kleiner verstanden werden. Dadurch kann vorteilhaft eine Reaktionszeit der Steuer- und/oder Regeleinheit gering gehalten werden, wodurch wiederum Kosten für die Steuer- und/oder Regeleinheit gering gehalten werden können. Ferner kann durch eine große Differenz zwischen der Frequenz der Pulsweitenmodulation und der Resonanzfrequenz ein Tastgrad vorteilhaft fein eingestellt werden. Dadurch können wiederum auch besonders kleine Energiemengen gesteuert bzw. übertragen werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass eine minimale Impulsdauer der Pulsweitenmodulation der Steuer- und/oder Regeleinheit unter einem Wert der Einschwingdauer liegt. Unter einer „minimalen Impulsdauer“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine kürzeste durch die Steuer- und/oder Regeleinheit schaltbare Dauer des ersten Betriebszustands während einer Betriebsperiode während der Pulsweitenmodulation verstanden werden. Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer „Einschwingdauer“ insbesondere eine Dauer verstanden werden, die ein Stromkreis, insbesondere ein Schwingkreis, bei Anregung mit einer Resonanzfrequenz benötigt, bis sich ein eingeschwungener Zustand einstellt. Dadurch kann insbesondere ein Burst-Modus realisiert werden. Vorzugsweise kann dadurch insbesondere ein Stand-By-Modus realisiert werden, bei dem eine Leistungsaufnahme vorteilhaft gering gehalten werden kann. Ferner können dadurch eine Empfängerseite und/oder eine Hilfsspannungsquelle mit vorteilhaft niedriger Energie versorgt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Frequenzeinheit zumindest ein Teil einer Halbbrücke bildet. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Induktionsladevorrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere können dadurch Standardbauteile und Standardschaltungen für die Induktionsladevorrichtung verstanden werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Frequenzeinheit zumindest zwei Halbleiterschalter aufweist. Vorzugsweise weist die Frequenzeinheit zumindest zwei Halbleiterleistungsschalter auf. Unter einem „Halbleiterschalter“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Schaltelement verstanden werden, das von einem Halbleiterbauelement gebildet ist. Es sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Halbleiterschalter denkbar, wie insbesondere IGBTs und/oder besonders bevorzugt MOSFETs. Dabei soll unter einem „Schaltelement“ insbesondere ein elektrisches Bauteil verstanden werden, das zumindest zwei Steuerkontakte und zumindest zwei Leistungskontakte aufweist, wobei vorteilhaft einer der Steuerkontakte und einer der Leistungskontakte intern zumindest leitend miteinander verbunden, vorzugsweise kurzgeschlossen, sind und wobei das Schaltelement dazu vorgesehen ist, eine Leitfähigkeit zwischen den Leistungskontakten in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal zwischen den Steuerkontakten einzustellen. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Frequenzeinheit bereitgestellt werden. Insbesondere kann dadurch eine vorteilhafte schnell schaltbare Frequenzeinheit bereitgestellt werden. Zudem kann dadurch ein Verschleiß gering gehalten werden. Ferner können dadurch insbesondere hohe Ströme geschalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit zumindest eine Schnittstelle aufweist, die während eines Ladebetriebs zu einer Aufnahme von Informationen eines Ladezustands und/oder eines Energiebedarfs eines zu ladenden Objekts vorgesehen ist. Unter einer „Schnittstelle“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zu einem Austausch von Daten vorgesehen ist. Insbesondere weist die Schnittstelle zumindest einen Informationseingang und zumindest einen Informationsausgang auf. Vorzugsweise weist die Schnittstelle zumindest zwei Informationseingänge und zumindest zwei Informationsausgänge auf, wobei jeweils zumindest ein Informationseingang und zumindest ein Informationsausgang zu einer Verbindung mit einem physischen System vorgesehen sind. Besonders bevorzugt soll darunter eine Schnittstelle zwischen zumindest zwei physischen Systemen, wie insbesondere zwischen der Induktionsladevorrichtung und zumindest einem zu ladenden Objekt, wie insbesondere einem Akku, verstanden werden. Es sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Schnittstellen denkbar. Insbesondere soll darunter jedoch eine drahtlose Schnittstelle wie beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle, eine WLAN-Schnittstelle, eine UMTS-Schnittstelle, eine NFC-Schnittstelle und/oder besonders bevorzugt eine Schnittstelle zum Empfang und/oder zur Erzeugung eines Rückkanals verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich soll darunter insbesondere eine Schnittstelle verstanden werden, die zumindest teilweise durch eine Lade- und Empfangsspule realisiert ist. Dabei kann insbesondere durch eine Lastmodulation auf einer Sekundärseite eine Datenübermittlung erfolgen. Vorzugsweise ist die Lade- und Empfangsspule von der Ladespule gebildet. Dadurch kann eine durch die Steuer- und/oder Regeleinheit gesteuerte Leistungsabgabe vorteilhaft an ein zu ladendes Objekt angepasst werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, einen Tastgrad der Pulsweitenmodulation an einen Ladezustand und/oder an einen Energiebedarf eines zu ladenden Objekts anzupassen. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine die Steuer- und/oder Regeleinheit gesteuerte und/oder geregelte Leistungsabgabe vorteilhaft an ein zu ladendes Objekt angepasst werden. Ferner kann dadurch eine besonders vorteilhaft einfache Anpassung erreicht werden. Zudem kann bei einer entsprechenden Anpassung eine Amplitude einer Spannung unverändert bleiben. Eine zu übertragende Energiemenge kann dabei über eine Veränderung einer Dauer des ersten Betriebszustands gegenüber der Betriebsperiode gesteuert und/oder geregelt werden.
Die erfindungsgemäße Induktionsladevorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Induktionsladevorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Induktionsladevorrichtung mit einer Ladeelektronikeinheit, die eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, und ein zu ladendes Objekt in einer schematischen Darstellung,
2 ein Schaltbild der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung und des zu ladenden Objekts,
3 einen Zeitbalken aus aufeinanderfolgenden Betriebsperioden, mit jeweils einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand, der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung,
4 einen Zeitverlauf einer Ansteuerungsspannung einer Frequenzeinheit der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung und einen Zeitverlauf einer Spannung einer Ladespule der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm in einem ersten Ansteuerungsbeispiel,
5 einen Zeitverlauf der Ansteuerungsspannung der Frequenzeinheit der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung und einen Zeitverlauf der Spannung der Ladespule der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm in einem zweiten Ansteuerungsbeispiel,
6 einen Zeitverlauf der Ansteuerungsspannung der Frequenzeinheit der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung und einen Zeitverlauf der Spannung der Ladespule der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm in einem dritten Ansteuerungsbeispiel und
7 einen Zeitverlauf der Ansteuerungsspannung der Frequenzeinheit der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung und einen Zeitverlauf der Spannung der Ladespule der Ladeelektronikeinheit der erfindungsgemäßen Induktionsladevorrichtung in einem schematischen Diagramm in einem vierten Ansteuerungsbeispiel.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine erfindungsgemäße Induktionsladevorrichtung 10 und ein zu ladendes Objekt 34. Die Induktionsladevorrichtung 10 ist von einer Primärinduktionsladevorrichtung gebildet. Die Induktionsladevorrichtung 10 bildet folglich die Primärseite eines Ladesystems 36. Ferner ist die Induktionsladevorrichtung 10 von einer Handwerkzeuginduktionsladevorrichtung gebildet. Die Induktionsladevorrichtung 10 ist dazu vorgesehen Handwerkzeugakkus oder Handwerkzeugmaschinen mit eingebauten Akkus zu laden. Das zu ladende Objekt 34 ist von einem Handwerkzeugakku gebildet. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, mit der Induktionsladevorrichtung 10 andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Akkus zu laden. 1 zeigt die Induktionsladevorrichtung 10 und das zu ladende Objekt 34 in einem Ladebetrieb. Dabei ist das zu ladende Objekt 34 auf einer Oberseite eines Gehäuses 38 der Induktionsladevorrichtung 10 aufgestellt und wird über eine Ladespule 22 der Induktionsladevorrichtung 10 drahtlos geladen.
Die Induktionsladevorrichtung 10 weist eine Ladeelektronikeinheit 12 auf. Die Ladeelektronikeinheit 12 weist einen Anschluss 40 zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle 42 auf. Der Anschluss 40 ist von einem Steckverbinder der Induktionsladevorrichtung 10 gebildet. Der Anschluss 40 ist direkt mit einem Gleichrichter 44 verbunden, der eine Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 42 in eine Gleichspannung richtet. An einer Ausgangsseite des Gleichrichters 44 liegt eine Ausgangsspannung U_AUS an. Auf einer Ausgangsseite des Gleichrichters 44 schließt eine Zwischenkreisschaltung 46 an. An der Zwischenkreisschaltung 46 liegt eine Zwischenkreisspannung U_ZK an. Die Zwischenkreisspannung U_ZK entspricht der Gleichspannung U_EIN. Ferner weist die Ladeelektronikeinheit 12 eine zwischen zumindest zwei Gleichstromzweigen 14, 16 angeordnete Frequenzeinheit 18 auf. Die Gleichstromzweige 14, 16 bilden ein Teil der Zwischenkreisschaltung 46. Die Frequenzeinheit 18 weist zwei Halbleiterschalter 28, 30 und einen zwischen den Halbleiterschaltern 28, 30 angeordneten Spannungsabgriff 20 auf. Die Ladeelektronikeinheit 12 weist des Weiteren eine an dem Spannungsabgriff 20 der Frequenzeinheit 18 angeschlossene Ladespule 22 auf. Die Ladespule 22 bildet einen Teil einer Schwingkreisschaltung 48. Die Schwingkreisschaltung 48 weist die Ladespule 22 und einen Kondensator 50 auf. Die Schwingkreisschaltung 48 ist parallel zu einem Halbleiterschalter 30 der Halbleiterschalter 28, 30 der Frequenzeinheit 18 geschalten. Die Frequenzeinheit 18 bildet ein Teil einer Halbbrücke 26. Die Frequenzeinheit 18 und die Schwingkreisschaltung 48 bilden die Halbbrücke 26. Die Halbbrücke 26 ist zwischen den Gleichstromzweigen 14, 16 der Zwischenkreisschaltung 46 angeordnet. Die Halbbrücke 26 schließt die Zwischenkreisschaltung 46 (2).
Ferner weist die Ladeelektronikeinheit 12 eine Steuer- und Regeleinheit 24 auf. Die Steuer- und Regeleinheit 24 kann grundsätzlich auch lediglich als Steuereinheit oder als Regeleinheit ausgebildet sein. Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, die Halbleiterschalter 28, 30 der Frequenzeinheit 18 anzusteuern und zu schalten. Die Steuer- und Regeleinheit 24 wird von einer Hilfsspannungsversorgung 52 nicht weiter sichtbar mit Energie versorgt. Die Hilfsspannungsversorgung 52 ist parallel zu der Zwischenkreisschaltung 46 geschalten. Alternativ oder zusätzlich wäre denkbar, dass zwischen der Zwischenkreisschaltung 46 und der Hilfsspannungsversorgung 52 ein DC/DC-Wandler geschalten ist, der die Zwischenkreisspannung U_ZK bzw. die Gleichspannung U_EIN für die Hilfsspannungsversorgung 52 nach unten transformiert, um sie an eine Anforderung der Steuer- und Regeleinheit 24 anzupassen. Die Steuerund Regeleinheit 24 weist ferner mehrere Informationseingänge 54, 54’, 54’’, 54’’’, 54’’’’ auf, über welche die Steuer- und Regeleinheit 24 Informationen zu einer Auswertung für eine Steuerung erhält. Die Steuer- und Regeleinheit 24 weist einen ersten Informationseingang 54 auf, über welchen die Zwischenkreisspannung U_ZK ermittelt wird. Ferner weist die Steuer- und Regeleinheit 24 einen zweiten Informationseingang 54’ auf, über welchen ein Zwischenkreisstrom I_ZK ermittelt wird. Des Weiteren weist die Steuerund Regeleinheit 24 einen dritten Informationseingang 54’’ auf, über welchen eine Kondensatorspannung U_C des Kondensators 50 ermittelt wird. Ferner weist die Steuerund Regeleinheit 24 einen vierten Informationseingang 54’’’ auf, über welchen eine Ladespulenspannung U_L der Ladespule 22 ermittelt wird. Des Weiteren weist die Steuer- und Regeleinheit 24 einen fünften Informationseingang 54’’’’ auf, über welchen ein Schwingkreisstrom I_SK der Schwingkreisschaltung 48 ermittelt wird. Ferner weist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 eine Schnittstelle 32 auf, die während eines Ladebetriebs zu einer Aufnahme von Informationen eines Ladezustands und eines Energiebedarfs des zu ladenden Objekts 34 vorgesehen ist. Die Schnittstelle 32 ist von einer NFC-Schnittstelle gebildet. Grundsätzlich sind jedoch auch andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltungen der Schnittstelle 32 denkbar (2).
Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist in einem ersten Betriebszustand b₁ dazu vorgesehen, die Frequenzeinheit 18 mit einer Frequenz zu betreiben. Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, die Frequenzeinheit 18 zu einer Erzeugung einer Frequenz in der Schwingkreisschaltung 48 anzusteuern. Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, die Frequenzeinheit 18 zu einer Erzeugung einer Resonanzfrequenz in der Schwingkreisschaltung 48 anzusteuern. Die Steuer- und Regeleinheit 24 steuert dazu die zwei Halbleiterschalter 28, 30 der Frequenzeinheit 18 an. Ferner ermittelt die Steuer- und Regeleinheit 24 in regelmäßigen Abständen eine Resonanzfrequenz, um die Frequenzeinheit 18 in einer Resonanzfrequenz zu betreiben. Die Frequenzeinheit 18 dient als Wechselrichter und richtet die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung U_ZK in eine Wechselspannung für die Schwingkreisschaltung 48 um. Die Schwingkreisschaltung 48 wird durch die Wechselspannung in Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt. Schwingt die Schwingkreisschaltung 48, wird durch die Ladespule 22 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das zu einer Energieübertragung auf das zu ladende Objekt 34 dient (2).
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist ferner dazu vorgesehen, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ gegenüber einer Betriebsperiode p zu regeln. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, eine Leistungsabgabe der Ladespule 22 an das zu ladende Objekt 34 über die Pulsweitenmodulation der Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ gegenüber der konstanten Betriebsperiode p zu regeln. Die Betriebsperiode p ist dabei zeitlich konstant. Eine Periodendauer T der Betriebsperiode p bleibt unverändert und wird über die Pulsweitenmodulation nicht moduliert. Die Periodendauer T der Betriebsperiode p beträgt 10 ms. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere Periodendauer T denkbar. Insbesondere ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Periodendauer T der Betriebsperiode p zumindest 100-mal, vorzugsweise zumindest 500-mal größer ist als eine Periodendauer der Resonanzfrequenz, insbesondere einer während eines regulären Betriebs maximal möglichen Resonanzfrequenz. Die Betriebsperiode p besteht aus dem impulsbildenden ersten Betriebszustand b₁ und einem von einem Nullspannungs-Betriebszustand gebildeten zweiten Betriebszustand b₂. Die Betriebsperiode p besteht aus dem ersten Betriebszustand b₁ und dem zweiten Betriebszustand b₂, der auf den ersten Betriebszustand b₁ folgt. Die Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ und eine Dauer t_b2 des zweiten Betriebszustands ergeben zusammen die Periodendauer T der Betriebsperiode p. Während eines Betriebs folgen mehrere Betriebsperioden p aufeinander. Die Betriebsperioden p können während eines Betriebs ständig moduliert werden. Über die Pulsweitenmodulation der Steuer- und Regeleinheit 24 wird ein Verhältnis zwischen dem ersten Betriebszustand b₁ und dem zweiten Betriebszustand b₂ während einer Betriebsperiode p moduliert. Der zweiten Betriebszustand b₂ist von einem Nullspannungs-Betriebszustand gebildet, also einem Betriebszustand, in dem keine Spannung an die Schwingkreisschaltung 48 übertragen wird. In dem zweiten Betriebszustand b₂ sind beide Halbleiterschalter 28, 30 geöffnet. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass in dem zweiten Betriebszustand b₂ der Halbleiterschalter 28 geöffnet ist und der Halbleiterschalter 30 geschlossen ist.
Über die Pulsweitenmodulation können verschiedene Verhältnisse zwischen dem ersten Betriebszustand b₁ und dem zweiten Betriebszustand b₂ erzeugt werden. Eine minimale Impulsdauer t_b1 der Pulsweitenmodulation der Steuer- und Regeleinheit 24 liegt dabei unter einem Wert der Einschwingdauer. Eine minimale Impulsdauer t_b1 der Pulsweitenmodulation der Steuer- und Regeleinheit 24 liegt dabei unter einem Wert der Einschwingdauer der Schwingkreisschaltung 48. Die Einschwingdauer der Schwingkreisschaltung 48 liegt bei annähernd zehn Perioden der Resonanzfrequenz. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einschwingdauer denkbar. Eine Einschwingdauer von annähernd zehn Perioden soll hierbei insbesondere als beispielhaft verstanden werden. Die minimale Impulsdauer t_b1 kann bis zu einer Periode der Resonanzfrequenz herunterreichen.
Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, einen Tastgrad der Pulsweitenmodulation an einen Ladezustand und an einen Energiebedarf des zu ladenden Objekts 34 anzupassen. Die Steuer- und Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, einen Tastgrad zwischen dem impulsbildenden ersten Betriebszustand b₁ und der Betriebsperiode p an einen Ladezustand und an einen Energiebedarf des zu ladenden Objekts 34 anzupassen. Die Schnittstelle 32 der Steuer- und Regeleinheit 24 nimmt während eines Ladebetriebs Informationen eines Ladezustands und eines Energiebedarfs des zu ladenden Objekts 34 auf. Die Informationen werden von der Steuer- und Regeleinheit 24 verarbeitet. Liegt ein hoher Energiebedarf vor, wird ein hoher Tastgrad eingestellt. Liegt ein niedriger Energiebedarf vor, wie beispielsweise in einem Stand-By-Modus, oder ist das zu ladende Objekt 34 aufgeladen, wird ein niedriger Tastgrad eingestellt.
3 zeigt einen Zeitbalken aus mehreren aufeinanderfolgenden Betriebsperioden p, mit jeweils dem ersten Betriebszustand b₁ und einem zweiten Betriebszustand b₂. 3 zeigt dabei, in welcher zeitlichen Abfolge die Frequenzeinheit 18 mit welchem Betriebszustand von der Steuer- und Regeleinheit 24 angesteuert wird. Die 3 zeigt die Betriebsperiode p mit einem beispielhaften Tastgrad. Die Betriebsperioden p folgen dabei während eines Betriebs ständig, ohne Unterbrechung aufeinander. Eine Steuerung und Regelung erfolgt lediglich über eine Änderung des Tastgrads für alle folgenden Betriebsperioden p.
Die 4 bis 7 zeigen jeweils ein Diagramm eines Zeitverlaufs einer Anregungsspannung U_AN der Schwingkreisschaltung 48 und einer daraus resultierenden Kondensatorspannung U_c der Schwingkreisschaltung 48. Die Diagramme zeigen dabei jeweils einen Teil der Betriebsperiode p mit dem ersten Betriebszustand b₁ und einem Teil des zweiten Betriebszustands b₂. Bei den Diagrammen ist jeweils auf einer x-Achse die Zeit aufgetragen und auf einer y-Achse eine Spannung.
In dem Diagramm aus 4 wird der erste Betriebszustand b₁ über 5 Perioden der Resonanzfrequenz hinweg gehalten bis der zweite Betriebszustand b₂ folgt. Die Resonanzfrequenz liegt hierbei beispielhaft bei 100kHz. Daraus ergibt sich eine Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ pro Betriebsperiode p von 0,05 ms. Daraus ergibt sich wiederum ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation von 0,5%, bei einer Frequenz der Pulsweitenmodulation von 100Hz.
In dem Diagramm aus 5 wird der erste Betriebszustand b₁ über 9 Perioden der Resonanzfrequenz hinweg gehalten bis der zweite Betriebszustand b₂ folgt. Die Resonanzfrequenz liegt hierbei wieder beispielhaft bei 100kHz. Daraus ergibt sich eine Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ pro Betriebsperiode p von 0,09 ms. Daraus ergibt sich wiederum ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation von 0,9%, bei einer Frequenz der Pulsweitenmodulation von 100Hz.
In dem Diagramm aus 6 wird der erste Betriebszustand b₁ über 13 Perioden der Resonanzfrequenz hinweg gehalten bis der zweite Betriebszustand b₂ folgt. Die Resonanzfrequenz liegt hierbei beispielhaft bei 100kHz. Daraus ergibt sich eine Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ pro Betriebsperiode p von 0,13 ms. Daraus ergibt sich wiederum ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation von 1,3%, bei einer Frequenz der Pulsweitenmodulation von 100Hz.
In dem Diagramm aus 7 wird der erste Betriebszustand b₁ über 5 Perioden der Resonanzfrequenz hinweg gehalten bis der zweite Betriebszustand b₂ folgt. Die Resonanzfrequenz liegt hierbei beispielhaft bei 100kHz. Daraus ergibt sich eine Impulsdauer t_b1 des ersten Betriebszustands b₁ pro Betriebsperiode p von 0,38 ms. Daraus ergibt sich wiederum ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation von 3,8%, bei einer Frequenz der Pulsweitenmodulation von 100Hz.

Claims

Induktionsladevorrichtung, insbesondere Primärinduktionsladevorrichtung, mit zumindest einer Ladeelektronikeinheit (12), die zumindest eine zwischen zumindest zwei Gleichstromzweigen (14, 16) angeordnete Frequenzeinheit (18), zumindest eine an einem Spannungsabgriff (20) der zumindest einen Frequenzeinheit (18) angeschlossene Ladespule (22) und zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) aufweist, die in zumindest einem ersten Betriebszustand (b₁) dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Frequenzeinheit (18) mit einer Frequenz zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer (t_b1) des ersten Betriebszustand (b₁) gegenüber einer Betriebsperiode (p) zu steuern und/oder zu regeln.
Induktionsladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, eine Leistungsabgabe über eine Pulsweitenmodulation einer Impulsdauer (t_b1) des ersten Betriebszustands (b₁) gegenüber einer konstanten Betriebsperiode (p) zu steuern und/oder zu regeln.
Induktionsladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsperiode (p) aus dem impulsbildenden ersten Betriebszustand (b₁) und einem von einem Nullspannungs-Betriebszustand gebildeten zweiten Betriebszustand (b₂) besteht.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periodendauer (T) der Betriebsperiode (p) zumindest 1 ms beträgt.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Impulsdauer (t_b1) der Pulsweitenmodulation der Steuer- und/oder Regeleinheit (24) unter einem Wert der Einschwingdauer liegt.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Frequenzeinheit (18) zumindest ein Teil einer Halbbrücke (26) bildet.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Frequenzeinheit (18) zumindest zwei Halbleiterschalter (28, 30) aufweist.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) zumindest eine Schnittstelle (32) aufweist, die während eines Ladebetriebs zu einer Aufnahme von Informationen eines Ladezustands und/oder eines Energiebedarfs eines zu ladenden Objekts (34) vorgesehen ist.
Induktionsladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, einen Tastgrad der Pulsweitenmodulation an einen Ladezustand und/oder an einen Energiebedarf eines zu ladenden Objekts (34) anzupassen.
Verfahren zu einer Modulation und/oder Steuerung einer Energieübertragung einer Induktionsladevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.