DE102018213181A1 - Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung verbunden sind - Google Patents

Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung verbunden sind Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung (U1; U2) bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung (L1, L2), deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung (3) verbunden sind, die einen ersten Eingangsanschluss (10) und einen zweiten Eingangsanschluss (11) und einen ersten Ausgangsanschluss (12) für ein hohes Potential und einen zweiten Ausgangsanschluss (13) für ein niederes Potential aufweist, bei der eine Spannungsmesseinrichtung (8) mit ihrem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss (10) der Gleichrichterschaltung (3) und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss (11) oder dem zweiten Ausgangsanschluss (13) der Gleichrichterschaltung (3) verbunden ist.

Description

  • Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen Energie in Form einer Wechselspannung und eines Wechselstroms übertragen wird, jedoch als Gleichspannung und Gleichstrom an einem Verbraucher beispielsweise zum Laden eines Energiespeichers, etwa einer Batterie, zur Verfügung stehen soll. Die hierfür verwendete Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung kann dabei induktiv etwa in Form eines Transformators, kapazitiv in Form von einander gegenüberliegender leitender Platten oder Folien oder auch konduktiv mittels Leitungen ausgeführt sein.
  • Die DE 10 2014 207 854 A1 offenbart beispielsweise eine induktive Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung mit einer Primärspule und einer über einen Luftspalt gekoppelten Sekundärspule. Die Primärspule soll dabei an einem Stellplatz für ein Kraftfahrzeug verbaut, beispielsweise in den Stellplatzboden eingelassen oder auf diesen aufgelegt sein. Die Sekundärspule soll üblicherweise im Fahrzeugboden angeordnet sein.
  • Sowohl der Primärkreis als auch die Sekundärkreis werden dabei häufig in Resonanz betrieben, um eine bessere Leistungsübertragung zu gewährleisten, wobei geeignete Schaltungen die Wechselspannung für den Primärkreis zur Verfügung stellen und die Wechselspannung des Sekundärkreises in eine für den verwendeten Energiespeicher passende Gleichspannung umformen. Hierfür werden zumindest Gleichrichter verwendet, wobei zwar auch Einweggleichrichter verwendet werden können, jedoch zumeist in vorteilhafter Weise Vollweggleichrichter zur Anwendung kommen.
  • Bei Elektrofahrzeugen haben die Energiespeicher meist eine hohe Spannung von einigen Hundert Volt, bilden also ein Hochvoltnetz, in dem häufig nicht nur die Elektromotoren sondern auch andere Hochvoltverbraucher versorgt werden. Dabei kann es sinnvoll sein, wenn der Energiespeicher vom Hochvoltnetz getrennt werden kann.
  • Zwar gibt es Schütze, die den Energiespeicher vom Hochvoltnetz trennen können, jedoch gibt es meist keine zusätzlichen Schütze, die die Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung vom Hochvoltnetz des Fahrzeugs trennen können. In den meisten Fahrzeugzuständen wie z.B. Fahren, Stehen mit Zündung an, Laden, usw. liegt deshalb die Spannung des Energiespeichers am Ausgang der Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung an.
  • Erst wenn genügend Leistung in die Sekundärspule der Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung eingekoppelt wird, steigt die Wechselspannung vor dem Gleichrichter soweit an, dass sie die Spannung am Energiespeicher erreicht, die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden überwindet und ein Ladestrom fließen kann.
  • Ausgangsspannung und -Strom der Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung müssen dabei stets zur aktuellen Anforderung des Energiespeicher-Managementsystems, das den Ladevorgang und die erforderliche Ladung des Energiespeichers regelt, passen. Um ein Einregeln auf bestimmte Sollwerte zu ermöglichen, wird die Spannung ausgangsseitig abgegriffen, mit Hilfe eines Messkanals gemessen und z.B. via CAN übermittelt.
  • Diese Messung erfolgt dabei in der Nähe des Ausgangs der Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, da deren Ausgangsspannung die relevante Größe darstellt. Falls sich hinter dem Gleichrichter noch Filter befinden, ist die Spannung an dieser Stelle bereits gefiltert, was die Messung erleichtert.
  • Der für die Messung zum Einsatz kommende Messkanal kann je nach Anforderung einen Spannungsteiler enthalten, aber auch weitere Elemente wie Filter, Begrenzer, Wandler, etc. Auch eine galvanische Trennung kann integriert werden, falls diese für eine Isolierung zwischen einem Hochvoltbereich und einem Niedervoltbereich notwendig ist. Aktive Elemente des Messkanals müssen dann von einer galvanisch getrennten Hilfsspannungsquelle versorgt werden.
  • In bestimmten Fällen ist es nun wünschenswert, die von der Sekundärspule erzeugte Spannung zu messen, obwohl die eingespeiste Leistung nicht ausreicht, die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden zu überwinden. Dies kann z.B. beim Herantasten an bestimmte Sollwerte, was aus Sicherheitsgründen von unten her erfolgen muss, erforderlich sein, da die Energiespeicher-Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen. Eine andere Situation kann eintreten, wenn die Primär- und Sekundärspule vorab verwendet werden, um durch getaktetes An- und Abschalten Information zu übertragen oder beim Positionieren des Fahrzeugs, um den Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärspule und damit den Wirkungsgrad der Energieübertragung zu messen und zu optimieren.
  • Da in diesen Fällen die Sekundärspulen-Spannung die Spannung am Energiespeicher nicht erreicht, ist sie hinter dem Gleichrichter nicht messbar.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung verbunden sind, anzugeben, bei der dies möglich ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Demnach ist bei einer Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung verbunden sind, die einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss für ein hohes Potential und einen zweiten Ausgangsanschluss für ein niederes Potential aufweist, eine Spannungsmesseinrichtung mit ihrem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss der Gleichrichterschaltung und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss oder dem zweiten Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung verbunden.
  • Durch die erfindungsgemäße Verschaltung der Spannungsmesseinrichtung vor der Gleichrichterschaltung ist es möglich, die Spannung an der Sekundärspule zu erfassen, selbst wenn diese geringer als die Spannung am Energiespeicher ist.
  • In einer Ausbildung der Erfindung ist die Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung induktiv und weist eine Primär- und eine Sekundärspule auf.
  • Dies ist die derzeitige Ausbildung beim kontaktlosen Laden von Batterien bei zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Spannungsmesseinrichtung ein induktiver Übertrager, bei dem die Anschlüsse von dessen Primärspule den ersten und den zweiten Anschluss der Spannungsmesseinrichtung bilden, wobei dieser zweite Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss der Gleichrichterschaltung verbunden ist, und bei dem an den Anschlüssen einer Sekundärspule eine der zu messenden Spannung entsprechende Spannung abgreifbar ist. Das Verhältnis der zu messenden Spannung zu dieser entsprechenden Spannung wird dabei in erster Linie durch das Übersetzungsverhältnis des Übertragers, aber möglicherweise auch durch nachgeschaltete Spannungsteiler oder sonstige Schaltungen bestimmt.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine galvanische Trennung zwischen dem Hochvoltbereich und dem Messbereich erfolgt, dessen Spannungen zumeist unter 10 Volt liegen.
  • In einer alternativen Ausbildung ist die Spannungsmesseinrichtung mit einem Spannungsteiler gebildet, der zwischen den Anschlüssen der Spannungsmesseinrichtung verschaltet ist, wobei der zweite Anschluss mit dem zweiten Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung verbunden ist, und bei dem an einem Verbindungspunkt zweier Widerstände des Spannungsteilers eine der zu messenden Spannung entsprechende Spannung abgreifbar ist.
  • Durch diese Verschaltung liegt der Fußpunkt der Spannungsmesseinrichtung an der Masse des Hochvoltnetzes, so dass ein Massebezug vorhanden ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann dem Spannungsteiler eine Schaltung zur galvanischen Trennung nachgeschaltet werden, an deren Ausgang die zu messende Spannung abgreifbar ist.
  • Damit ist nicht nur ein Massebezug sondern auch eine galvanische Trennung realisiert.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Gleichrichterschaltung mit einem Vollbrückengleichrichter gebildet.
  • Bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine weitere Spannungsmesseinrichtung zwischen den Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung verschaltet, so dass nicht nur die Spannung vor der Gleichrichterschaltung sondern auch die Spannung hinter der Gleichrichterschaltung gemessen werden kann.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
    • 1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
    • 2 eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
    • 3 eine dritte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
    • 4 eine vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Die 1 zeigt eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung U1 bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung, die mit einer Primärspule L1 und einer Sekundärspule L2 gebildet ist. Dabei soll die Primärspule L1 Teil eines Primärkreises 1 sein, der außerdem beispielsweise einen - nicht dargestellten - Kondensator und - ebenfalls nicht dargestellte - Schaltungen zum Erzeugen der den so gebildeten Resonanzkreis ansteuernden Hochfrequenzschwingung. Die Sekundärspule L2 ist Teil eines Sekundärkreises 2, der außerdem zumindest mit einer Gleichrichterschaltung 3 gebildet ist. Der Sekundärkreis 2 kann außerdem, beispielsweise zur Bildung eines Resonanzkreises, einen - nicht dargestellten - Kondensator enthalten.
  • Die Gleichrichterschaltung 3 weist zwei Eingangsanschlüsse 10, 11 und zwei Ausgangsanschlüsse 12, 13 auf und ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Vollbrückengleichrichter mit vier herkömmlich verschalteten Gleichrichterdioden 3a, 3b, 3c, 3d gebildet.
  • Die beiden Eingangsanschlüsse 10, 11 der Gleichrichterschaltung 3 sind mit den Anschlüssen der Sekundärspule L2 verbunden, die beiden Ausgangsanschlüsse 12, 13 der Gleichrichterschaltung 3 sind über jeweils einen Schütz 5 bzw. 6 mit den Anschlüssen eines Energiespeichers, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Polen einer Batterie 4 verbunden.
  • Zum Laden der Batterie 4 wird eine Wechselspannung an die Primärspule L1 angelegt, die über einen Luftspalt mit der Sekundärspule L2 gekoppelt ist und dort eine Sekundärspannung U1 induziert, die über die Gleichrichterschaltung 3 zu einer Ladung der Batterie 4 führt, falls die Spannung U2 an den Ausgangsanschlüssen 12, 13 der Gleichrichterschaltung 3 größer ist als die Spannung der Batterie 4.
  • In diesem Fall könnte auf die Spannung an den Eingangsanschlüssen 10, 11 der Gleichrichterschaltung 3 aufgrund der Kenntnis des Spannungsabfalls an den Gleichrichterdioden 3a, 3b, 3c, 3d zurückgeschlossen werden, wodurch die Sekundärspannung U1 an den Anschlüssen der Sekundärspule L2 ermittelt werden könnte.
  • Falls jedoch die Sekundärspannung U1 kleiner als die Spannung an der Batterie 4 plus der Durchlassspannung der Gleichrichterdioden 3a, 3b, 3c, 3d ist, stimmt dieser Zusammenhang nicht mehr und es kann daher am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 die Sekundärspannung U1 nicht ermittelt werden.
  • Daher ist in erfindungsgemäßer Weise zwischen den Eingangsanschlüssen 10, 11 der Gleichrichterschaltung 3 eine Spannungsmessvorrichtung 8 in Form eines Transformators verschaltet, wobei die Anschlüsse der Primärspule L3 dieses Transformators mit den Eingangsanschlüssen 10, 11 der Gleichrichterschaltung 3 verbunden sind. An den Anschlüssen der Sekundärspule L4 des Transformators liegt eine Spannung U3 an, die der zu messenden Sekundärspannung U1 proportional ist und ggf. gleichgerichtet, geglättet, gefiltert oder einer sonstigen Verarbeitung unterworfen werden kann.
  • Damit kann in vorteilhafter Weise die Sekundärspannung U1 an den Anschlüssen der Sekundärspule L2 der Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung ermittelt werden, auch wenn diese kleine Werte aufweist.
  • Dies kann beispielsweise aus folgenden Gründen der Fall sein:
    • • Regelungstechnische Gründe (Herantasten an Sollwerte von unten)
    • • Nutzung des Energieübertragungspfades zur Nachrichtenübertragung
    • • Luftspaltvermessung bei drahtloser Energieübertragung
    • • Unterstützung gewisser Test-Pulse/Test-Modi, bevor der Energietransfer gestartet wird
    • • Diagnosefunktionen, um auch (fast) ohne Energieübertragung Fehler finden zu können
    • • Überprüfung von Sicherheitsfunktionen (Predrive-Check von Abschaltpfaden etc.)
    • • kontrolliertes Vorwärmen von Bauteilen
    • • kontrolliertes Aufladen von Kapazitäten (zur Vermeidung übergroßer Einschaltströme)
    • • gezieltes (geringes) Belasten der Quelle ohne Energieabgabe an die Senke.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführung einer Spannungsmesseinrichtung 3 bei einer ansonsten gleichen Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung und Gleichrichterschaltung 3 gezeigt. Dort ist die Spannungsmesseinrichtung 8 mit einem Spannungsteiler gebildet, der zwei in Serie geschaltete Widerstände R1, R2 umfasst, an deren Verbindungspunkt eine der zu messenden Spannung U1 entsprechende Spannung U4 abgreifbar ist. Auch diesem Verbindungspunkt können weitere Schaltungen zur Verarbeitung der ermittelten Spannung U4 wie Filter, Gleichrichter etc. nachgeschaltet sein.
  • Die Spannungsmesseinrichtung 8 der 2 ist zwischen dem ersten Eingangsanschluss 10 und dem zweiten Ausgangsanschluss 13 der Gleichrichterschaltung 3 angeordnet und hat somit einen Massebezug zum Hochvoltnetz am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3. Allerdings ist sie nicht galvanisch entkoppelt wie der Transformator der 1. Außerdem weist die ermittelte Spannung U4 am Verbindungspunkt des Spannungsteilers R1, R2 nur die positiven Halbwellen der Sekundärspannung U1 auf.
  • Die 3 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung gemäß 2, bei der dem Spannungsteiler R1, R2 eine Schaltung zur galvanischen Trennung 7 nachgeschaltet ist, an deren Ausgang eine der zu messenden Spannung U1 entsprechende Spannung U5 abgreifbar ist. Diese Variante der erfindungsgemäßen Anordnung vereint also die Vorteile der Ausführungsbeispiele der 1 und 2.
  • In 4 ist ein Detail einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer weiteren Spannungsmessvorrichtung mit einem Spannungsteiler mit zwei Widerständen R3 und R4 gezeigt, die zwischen den Ausgangsanschlüssen 12, 13 der Gleichrichterschaltung 3 angeordnet ist und zusätzlich zu den in den 1 bis 3 gezeigten Spannungsmessvorrichtungen 8 verwendet werden kann, um auch die Spannung U2 an den Ausgangsanschlüssen 12, 13 der Gleichrichterschaltung 3 zu erfassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014207854 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Anordnung zum Messen zumindest einer Spannung (U1; U2) bei einer Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung (L1, L2), deren Ausgangsanschlüsse mit einer Gleichrichterschaltung (3) verbunden sind, die einen ersten Eingangsanschluss (10) und einen zweiten Eingangsanschluss (11) und einen ersten Ausgangsanschluss (12) für ein hohes Potential und einen zweiten Ausgangsanschluss (13) für ein niederes Potential aufweist, bei der eine Spannungsmesseinrichtung (8) mit ihrem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss (10) der Gleichrichterschaltung (3) und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss (11) oder dem zweiten Ausgangsanschluss (13) der Gleichrichterschaltung (3) verbunden ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Wechselspannungs-Energieübertragungsvorrichtung (L1, L2) induktiv ist und eine Primär- (L1) und eine Sekundärspule (L2) aufweist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungsmesseinrichtung (8) ein induktiver Übertrager (L3, L4) ist, bei dem die Anschlüsse dessen Primärspule (L3) den ersten und den zweiten Anschluss der Spannungsmesseinrichtung (8) bilden, wobei dieser zweite Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss (11) der Gleichrichterschaltung (3) verbunden ist, und bei dem an den Anschlüssen einer Sekundärspule (L4) eine der zu messenden Spannung (U1) entsprechende Spannung (U3) abgreifbar ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungsmesseinrichtung (3) ein Spannungsteiler ist, der zwischen den Anschlüssen der Spannungsmesseinrichtung (3) verschaltet ist, wobei deren zweiter Anschluss mit dem zweiten Ausgangsanschluss (13) der Gleichrichterschaltung (3) verbunden ist, und bei dem an einem Verbindungspunkt zweier Widerstände (R1, R2) des Spannungsteilers eine der zu messenden Spannung (U1) entsprechende Spannung (U4) abgreifbar ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der dem Spannungsteiler (R1, R2) eine Schaltung zur galvanischen Trennung (7) nachgeschaltet ist, an deren Ausgang eine der zu messenden Spannung (U1) entsprechende Spannung (U5) abgreifbar ist.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Gleichrichterschaltung (3) ein Vollbrückengleichrichter (3a, 3b, 3c, 3d) ist.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine weitere Spannungsmesseinrichtung (R3, R4) zwischen den Ausgangsanschlüssen (12, 13) der Gleichrichterschaltung (3) verschaltet ist.
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