DE102019106720A1

DE102019106720A1 - Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102019106720A1
Application number: DE102019106720.0A
Authority: DE
Inventors: Jörg Heinrich; David Maier; Nejila Parspour
Original assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US11201504B2; CN111697709A; US20200295604A1

Abstract

Eine Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite auf eine Sekundärseite ist gekennzeichnet durch einen primärseitigen autoresonanten, parallel kompensierten Leistungsoszillator mit einer Primärinduktivität (205) und einer Mehrzahl von seriell kompensierten Sekundärseiten mit jeweils einer Sekundärinduktivität (225, 235, 245).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite auf eine Sekundärseite.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So geht beispielsweise aus der DE 20 2009 009 689 U1 eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit mindestens einer Primärinduktivität zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug mit mindestens einer Sekundärinduktivität hervor. Die DE 10 2015 005 871 A1 beschreibt ein System zur kontaktlosen Energieübertragung von einem bodenverlegten Primärleiter an ein insbesondere auf dem Boden stehendes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine an dem Primärleiter induktiv koppelbare Sekundärwicklungsanordnung aufweist.
Im industriellen Bereich werden Sensoren und Aktoren an Befestigungselementen angeordnet, die beispielsweise als sogenannte aktive Stangen ausgebildet sind, durch welche Energie und/oder Daten mittels eines elektromagnetischen Kopplungsverfahrens an beispielsweise Sensoren übertragen werden. Ein solches Befestigungselement geht aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2018 109 267.9 der Anmelderin hervor.
Es ist in der industriellen Anwendung vorteilhaft, wenn mehrere Sensoren an einem einzigen Befestigungselement, beispielsweise in Form einer Stange von beispielsweise 70 cm Länge und 8 cm Durchmesser angeordnet sind. Die Übertragung der Energie kann dabei als Punkt-zu-Punkt-System realisiert werden. Bei einer solchen Übertragung als Punkt-zu-Punkt-System muss pro sekundärseitigem Abnehmer, also beispielsweise Sensor, eine Leistungselektronik auf der Primärseite vorgesehen sein. Eine stufenlose Positionierung längs des Trägers, also beispielweise einer Stange, ist hiermit nicht möglich. Ob eine drehbare Positionierung möglich ist, hängt von dem rotatorischen Freiheitsgrad ab, der durch die Ausführung der Wicklung bestimmt wird. Es sind unterschiedliche Wicklungsarten bekannt, beispielsweise kreis-/rechteck-/solenoid-förmige Wicklungen.
An einer solchen Stange sollen möglichst mehrere Sensoren und/oder Aktoren frei positionier- und drehbar angeordnet werden. Dabei müssen die Sensoren und Aktoren mit elektrischer Energie versorgt werden. Darüber hinaus muss ein Datentransfer stattfinden.
Aus dem Stand der Technik sind auch bereits Schaltungen bekannt, die einen autoresonanten Royer-Converter aufweisen, bei dem eine Primärseite induktiv eine Sekundärseite mit elektrischer Energie versorgt. Dabei wird primärseitig eine parallele Blindleistungskompensation verwendet. Eine solche Schaltung geht beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2007 011745 U1 hervor.
In 1 ist schematisch ein aus dem Stand der Technik bekannter autoresonanter Royer-Converter dargestellt, wie er beispielsweise aus dem genannten Gebrauchsmuster hervorgeht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung bereitzustellen, welche mittels einer Primärseite die Versorgung von einem oder mehreren sekundärseitigen Abnehmern in einem induktiven Energieübertragungssystem ermöglicht. Auf diese Weise soll es möglich sein, ein Sensorsystem mit mehreren Sensoren zu versorgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite auf eine Sekundärseite gelöst durch einen primärseitigen autoresonanten, parallel kompensierten Leistungsoszillator mit einer Primärinduktivität und einer Mehrzahl von seriell kompensierten Sekundärseiten mit jeweils einer Sekundärinduktivität.
Grundidee der Erfindung ist es, einen Royer-Converter um mehrere Sekundärseiten zu erweitern. An jeder Sekundärseite ist eine eigene Last angeschlossen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass die Sekundärseiten völlig unabhängig voneinander betrieben werden können.
Gemäß einem sehr vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der primärseitige autoresonante, parallel kompensierte Leistungsoszillator ein autoresonanter Royer-Oszillator ist.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die seriell kompensierten Sekundärseiten jeweils ihren eigenen Gleichrichter aufweisen.
Damit die Sekundärseiten völlig unabhängig voneinander betrieben werden können, ist vorgesehen, dass eine Abstimmung auf eine vorgegebene, identische Resonanzfrequenz, nachfolgend auch Design-Resonanzfrequenz genannt, zwischen den sekundärseitigen Abnehmern und der Primärseite erfolgt.
Die übertragene Leistung zwischen den einzelnen Abnehmern kann variieren, hierfür können die Induktivitäten der Abnehmer unabhängig voneinander angepasst werden, sofern eine Abstimmung auf die gleiche Design-Resonanzfrequenz erfolgt.
Die Sekundärinduktivitäten, das heißt die Windungszahlen der Sekundärinduktivitäten können abhängig von einer abzunehmenden Leistung variiert und gewählt werden.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Primärseite und die Sekundärseiten so ausgelegt werden, dass die gemittelte elektrische Energie, welche sämtliche Sekundärseiten entnehmen, kleiner oder gleich der primärseitig zur Verfügung gestellten Energie ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung eines Royer-Converters.
2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite auf sekundärseitige Abnehmer.
3a zeigt das Systemverhalten und 3b den Frequenzgang der in 2 dargestellten Schaltung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Royer-Converter dargestellt, der mit MOSFET's realisiert ist. Ein solcher Royer-Converter stellt einen autoresonanten Leistungsoszillator dar, er geht beispielsweise aus der DE 20 2007 011 745 U1 , auf die vorliegend Bezug genommen wird, hervor.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite 210 auf drei sekundärseitig angeordnete Abnehmer 220, 230, 240.
Die Primärseite ist als autoresonanter Royer-Oszillator realisiert mit einer Primärinduktivität 205, die elektrische Energie auf sekundärseitige Induktivitäten 225, 235, 245 überträgt. Jede Sekundärseite 220, 230, 240 weist ihre eigene Kompensationsschaltung und ihren eigenen Gleichrichter auf. An jeder Sekundärseite 220, 230, 240 ist eine eigene Last R2.1, R2.2, R2.3 angeschlossen. Die Sekundärseiten können völlig unabhängig voneinander betrieben werden. Ein Kriterium, welches erfüllt sein muss, ist eine Abstimmung auf eine identische Design-Resonanzfrequenz zwischen den sekundärseitigen Abnehmern und der Primärseite. Die übertragene Leistung zwischen den einzelnen sekundärseitigen Abnehmern kann variieren. Hierfür können die Induktivitäten 225, 235, 245 der Abnehmer unabhängig voneinander angepasst werden, beispielsweise durch Verändern der Wicklungszahl der sekundärseitigen Wicklungen. Die Veränderung muss allerdings so erfolgen, dass die Abstimmung auf die gleiche Design-Resonanzfrequenz erfolgt.
Sämtliche Abnehmer müssen seriell kompensiert werden, eine parallele Kompensation mit mehreren Abnehmern ist aufgrund des Systemverhaltens nicht möglich.
Das Systemverhalten ist in 3a dargestellt. 3b zeigt den Frequenzgang des primärseitig parallel und sekundärseitig seriell kompensierten Systems, kurz 1p2s-System genannt. In 1a sind die Spannungsübertragungsfunktion und die Stromübertragungsfunktion M_u dargestellt. Die Spannungsübertragungsfunktion und die Stromübertragungsfunktion des Systems lauten für die Resonanzfrequenz ω_r0 $\begin{matrix} | {\underline{Z}}_{IN} | = \frac{R_{2} L_{1}}{L_{2} k^{2}} & M_{U} = k \sqrt{\frac{L_{2}}{L_{1}}} \end{matrix}$
und für die Resonanzfrequenzen ω_r1r2 $\begin{matrix} | {\underline{Z}}_{IN} | = \frac{ω_{d}^{2} L_{1} L_{2} (1 - k^{2})}{R_{2}} & M_{U} = \frac{R_{2}}{ω_{d} \sqrt{L_{1} L_{2} (1 - k^{2})}} \end{matrix}$
Die Design-Resonanzfrequenz ωd ist bestimmt durch $C_{1 p} = \frac{1}{ω_{d}^{2} L_{1}}$
und $C_{2 s} = \frac{1}{ω_{d}^{2} L_{2} (1 - k^{2})} .$
Damit die Resonanzfrequenz konstant bleibt, ist gemäß 3b der Betrieb bei einem Lastwiderstand von R2>R2,c notwendig, wobei Index c für den charakteristischen Widerstand steht, an welchem es zur Fallunterscheidung der Resonanzfrequenzen wr0, wr1, wr2 kommt. Die Summe aller Lastwiderstände (Parallelschaltung) muss deshalb das Kriterium R2>R2,c erfüllen, damit die Resonanzfrequenz für alle Abnehmer identisch ist. Im Ausnahmefall/Fehlerfall, beispielsweise Kurzschluss, können einzelne Abnehmer das Kriterium R2>R2,c verletzten, sofern die Energieabnahme des einzelnen Abnehmers klein gegenüber der zur Verfügung stehenden Gesamtleistung der Primärseite ist.
Wie in dargestellt, ist der Betriebspunkt der Schaltung auf der rechten Seite bei der Resonanzfrequenz ω=ω_r0 zu wählen. In diesem ist die Ausgangsspannung konstant und nur eine Funktion des Koppelfaktors. Dies stellt kein Problem dar, da für das gewünschte System der Koppelfaktor nahezu konstant ist und geringe Abweichungen durch eine hier nicht dargestellte, an sich bekannte Spannungsstabilisierung beseitigt werden können.
Wie in 3 dargestellt ist, existiert nur eine Resonanzfrequenz auf der rechten Seite, auf die alle Abnehmer abgestimmt (kompensiert) werden können.
Die Systemauslegung und die Wahl der Kompensationskondensatoren folgen zudem dem Ziel, dass die Resonanzfrequenz lastunabhängig ist. Das bedeutet, dass der autoresonante Leistungsoszillator seine Betriebsfrequenz nicht ändert, sofern die Last den charakteristischen Widerstand nicht unterschreitet. Das muss bei der Systemauslegung beachtet werden. Das bedeutet, dass der Betriebspunkt jedes Abnehmers in den Bereich der konstanten Spannungsübertragungsfunktion gelegt wird, der in rechts bei ω=ω-r0 dargestellt ist. Während des Einschaltvorgangs oder im Fall eines Kurzschlusses wird dieses Kriterium zwar verletzt. Aufgrund der Auslegung der Primärseite für n Abnehmer führt der Kurzschlussfall eines Abnehmers jedoch nicht zu einer merklichen Veränderung der Betriebsfrequenz, da die primärseitige Blindleistung im System viel größer ist als in einem sekundärseitigen Abnehmer. Würden mehrere sekundärseitige Abnehmer den Lastwiderstand unterschreiten, käme es zu einer spürbaren lastabhängigen Frequenzänderung (ω_r1,r2 ist eine lastabhängige Resonanzfrequenz), welche dann zu einem Problem im Matching bei Abnehmern mit einem Lastwiderstand größer R2,c führt, wie oben dargestellt.
Aufgrund der Systemauslegung, insbesondere des niedrigen Koppelfaktors wird das Problem der Frequenzänderung bereits durch die Auslegung vermieden. Der Einfluss der Sekundärseite auf die frequenzgebende Primärseite nimmt mit steigender Kopplung zwischen Sekundär- und Primärseite zu. Da die Kopplung aber zwischen einem einzelnen sekundärseitigen Abnehmer und der Primärseite gering ist, ist auch der Einfluss auf die Frequenzänderung im Fehlerfall gering. Weiterhin kann die Sekundärseite derart ausgelegt werden, dass sie im Fehlerfall hochohmig wird.
Die dargestellte erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es, ohne zusätzlichen Regelaufwand einen oder mehrere sekundärseitige Abnehmer mit einer primärseitigen autoresonanten Leistungselektronik zu versorgen, wobei jeder Abnehmer im Nenn-Betriebspunkt betrieben wird und eine beliebige Menge an Leistung abnehmen kann, ohne die anderen Abnehmer zu beeinflussen, sofern der Nenn-Betriebspunkt aller Sekundärseiten im Bereich ω=ω_r0 liegt. (Parallelschaltung von einzelnen Abnehmern, ergibt kleineres R2_„gesamt‟, 8 Abnehmer mit R2=R2c würde nicht funktionieren, da der resultierende Widerstand, welcher die Primärseite sieht, dann viel kleiner als R2,c ist.)
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 202009009689 U1 [0003]
DE 102015005871 A1 [0003]
DE 102018109267 [0004]
DE 202007011745 U1 [0007, 0019]

Claims

Schaltung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer Primärseite auf eine Sekundärseite, gekennzeichnet durch einen primärseitigen autoresonanten, parallel kompensierten Leistungsoszillator mit einer Primärinduktivität (205) und einer Mehrzahl von seriell kompensierten Sekundärseiten mit jeweils einer Sekundärinduktivität (225, 235, 245).
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige autoresonante, parallel kompensierte Leistungsoszillator ein autoresonanter Royer-Oszillator ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die seriell kompensierten Sekundärseiten jeweils einen Gleichrichter aufweisen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite und die Sekundärseiten auf eine vorgebbare Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahl der Sekundärinduktivitäten (225, 235, 245) abhängig von einer abzurufenden Leistung variierbar sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige autoresonante Leistungsoszillator und die Sekundärseiten so ausgelegt werden, dass die gemittelte elektrische Energie, welche sämtliche Sekundärseiten entnehmen, kleiner oder gleich der primärseitig zur Verfügung gestellten Energie ist, und sich der Betriebspunkt aller Sekundärseiten zusammengefasst im Bereich R2>R2,c befindet.