DE102021005981A1

DE102021005981A1 - Übertragerkopf zur berühungslosen Aufnahme von Energie, System zur berühungslosen Übertragung von Energie und Betriebsvefahren

Info

Publication number: DE102021005981A1
Application number: DE102021005981.6A
Authority: DE
Inventors: Leobald Podbielski; Harald Wolf
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Übertragerkopf (50) zur berührungslosen Aufnahme von Energie, umfassend mindestens eine Sekundärwicklung (L2), mindestens einen Sekundärkondensator (C2), welcher mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung (60), welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator (C2) und mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, wobei eine Schaltvorrichtung (70) parallel zu dem Sekundärkondensator (C2) geschaltet ist, mittels welcher der Sekundärkondensator (C2) kurzschließbar ist, und die Gleichrichterschaltung (60) eine erste Schalteinheit (V1), eine zweite Schalteinheit (V2), eine dritte Schalteinheit (V3) und eine vierte Schalteinheit (V4) aufweist, wobei die Schalteinheiten (V1, V2, V3, V4) jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter (S1, S2, S3, S4) und einer Diode (D1, D2, D3, D4) umfassen. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf (50) und eine Energiequelle (40), welche eine Stromquelle (42) und einen Primärleiter (L1) aufweist, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung (L2) und der Primärleiter (L1) induktiv gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems.

Description

Die Erfindung betrifft einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie, welcher mindestens eine Sekundärwicklung, mindestens einen Sekundärkondensator, welcher mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung, welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator und mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie, welches mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf umfasst, und ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems.
Zur Versorgung von mobilen Verbrauchern mit elektrischer Energie sind induktive Ladesysteme bekannt. Induktive Ladesysteme gestatten eine berührungslose Energieübertragung zu mobilen Verbrauchern. Bei den mobilen Verbrauchern handelt es sich insbesondere um autonom fahrende Fahrzeuge, die eine aufladbare Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie aufweisen.
Aus der DE 10 2004 055 154 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Stromquelle, die mit einem langgestreckten Primärleiter verbunden ist. Ein mobiler Verbraucher, der entlang dem Primärleiter bewegbar ist, weist einen Übertragerkopf auf. Der Übertragerkopf weist eine Wicklung auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Übertragerkopf des Verbrauchers übertragbar.
Die DE 10 2010 050 935 B4 offenbart eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung an ein Fahrzeug. Dabei wird Energie von einer stationären Spulenanordnung mit einer Spulenwicklung induktiv an eine in dem Fahrzeug vorgesehene Sekundärwicklung übertragen.
Aus der EP 2 223 408 B1 sind ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein zugehöriges Betriebsverfahren bekannt. Das System weist eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen und eine Mehrzahl von Sekundärkondensatoren auf, welche in Reihe zu einem Serienschwingkreis verschaltet sind. Die Sekundärwicklungen sind induktiv an einen stationär verlegten Primärleiter gekoppelt. Das System weist auch eine Gleichrichterschaltung auf, welche eingangsseitig mit dem Serienschwingkreis verschaltet ist.
Aus der DE 10 2015 210 825 A1 ist eine Transformatoranordnung bekannt, welche einen Primärkreis, einen Sekundärkreis und einen Gleichrichter aufweist. Eine Impedanz des Gleichrichters ist mittels einer Steuereinrichtung einstellbar.
Aus der JP 2012-19603 A ist ein berührungsloser Übertrager bekannt, welche eine Spule mit einem Kern und eine Gleichrichterschaltung aufweist.
Aus der DE 10 2010 022 143 A1 ist eine Anordnung zur induktiven Energieübertragung an einen elektrischen Verbraucher bekannt. Die Anordnung umfasst einen Primärleiter, eine Sekundärwicklung und mehrere Kapazitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie, ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie und ein zugehöriges Betriebsverfahren weiterzubilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein System zur berührungslosen Übertragung von Energie mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Übertragerkopf zur berührungslosen Aufnahme von Energie umfasst mindestens eine Sekundärwicklung, mindestens einen Sekundärkondensator, welcher mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung, welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator und mit der Sekundärwicklung in Reihe schaltbar ist. Dabei ist eine Schaltvorrichtung parallel zu dem Sekundärkondensator geschaltet, mittels welcher der Sekundärkondensator kurzschließbar ist. Die Gleichrichterschaltung weist eine erste Schalteinheit, eine zweite Schalteinheit, eine dritte Schalteinheit und eine vierte Schalteinheit auf, wobei die Schalteinheiten jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter und einer Diode umfassen.
Wenn die Schaltvorrichtung geöffnet ist, so bilden der Sekundärkondensator und die Sekundärwicklung einen Schwingkreis. Ein erfindungsgemäßer Übertragerkopf ist je nach Ansteuerung der Schaltvorrichtung und der Schalter in mehreren Betriebszuständen zur Versorgung eines nachgeschalteten Verbrauchers betreibbar. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie. Ein von der Gleichrichterschaltung ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom ist dabei durch Wahl eines geeigneten Betriebszustandes vorgebbar.
Die Gleichrichterschaltung ist passiv betreibbar. Im passivem Betrieb der Gleichrichterschaltung sind die ansteuerbaren Schalter geöffnet, und die Gleichrichterschaltung wirkt wie ein B4-Brückengleichrichter. Positive Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch die erste Diode und die vierte Diode. Negative Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch die zweite Diode und die dritte Diode. Die Gleichrichterschaltung ist auch synchron betreibbar. Im synchronem Betrieb der Gleichrichterschaltung werden bei positiven Halbwellen des Sekundärstroms der erste Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der zweite Schalter sowie der dritte Schalter werden geöffnet. Bei negativen Halbwellen des Sekundärstroms werden der zweite Schalter sowie der dritte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der vierte Schalter werden geöffnet. Positive Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch den ersten Schalter und den vierten Schalter. Negative Halbwellen des Sekundärstroms fließen durch den zweiten Schalter und den dritten Schalter.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden bei geöffneter Schaltvorrichtung die Sekundärwicklung, der Sekundärkondensator und die Gleichrichterschaltung eine Reihenschaltung. Bei geschlossener Schaltvorrichtung bilden die Sekundärwicklung und die Gleichrichterschaltung eine Reihenschaltung. Der Sekundärkondensator ist bei geschlossener Schaltvorrichtung kurzgeschlossen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltvorrichtung einen ersten Schalttransistor und einen zweiten Schalttransistor auf, welche jeweils eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren Schaltstrecke und einer Inversdiode umfassen. Dabei sind der erste Schalttransistor und der zweite Schalttransistor derart verschaltet, dass die erste Inversdiode und die zweite Inversdiode antiseriell verschaltet sind. Durch die Schalttransistoren ist die Schaltvorrichtung verhältnismäßig schnell und mit verlustarm schaltbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schalteinheiten jeweils als MOSFET, also als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, ausgebildet, wobei jede der besagten Dioden eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit darstellt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind auch die Schalttransistoren jeweils als MOSFET ausgebildet, wobei jede der besagten Inversdioden eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit darstellt. Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren sind verhältnismäßig schnell und mit verlustarm schaltbar und dabei kostengünstig und zuverlässig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Gleichrichterschaltung ausgangsseitig mit einem Glättungskondensator verbunden. Dadurch wird ein von der Gleichrichterschaltung ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom geglättet, und Restwelligkeiten werden verringert.
Ein erfindungsgemäßes System zur berührungslosen Übertragung von Energie umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Übertragerkopf und eine Energiequelle, welche eine Stromquelle und einen Primärleiter aufweist. Dabei sind die mindestens eine Sekundärwicklung des Übertragerkopfs und der Primärleiter der Energiequelle induktiv gekoppelt. Die Sekundärwicklung und der Primärleiter bilden dabei einen Übertrager.
Ein erfindungsgemäßes System ist vorteilhaft zur Versorgung eines dem Übertragerkopf nachgeschalteten Verbrauchers mit elektrischer Energie einsetzbar. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie. Dabei ist Energie von der Energiequelle induktiv zu dem Übertragerkopf übertragbar. Der Übertragerkopf ist dabei in mehreren Betriebszuständen betreibbar, und ein ausgangsseitig gelieferter Ausgangsstrom ist durch Wahl eines geeigneten Betriebszustandes vorgebbar.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems zur berührungslosen Übertragung von Energie wird der Primärleiter von einem von der Stromquelle gelieferten Primärstrom mit einer Grundfrequenz und einer Grundperiode durchflossen; in der Sekundärwicklung wird dadurch ein Sekundärstrom induziert. An der Gleichrichterschaltung fällt ausgangsseitig eine Ausgangsspannung ab, und von der Gleichrichterschaltung wird ausgangsseitig ein Ausgangsstrom geliefert, insbesondere zur Versorgung eines dem Übertragerkopf nachgeschalteten Verbrauchers.
Die Grundperiode ist dabei der Kehrwert der Grundfrequenz. Dabei wird Energie von der Energiequelle induktiv zu dem Übertragerkopf übertragen, und ein dem Übertragerkopf nachgeschalteter Verbraucher wird mit elektrischer Energie versorgt. Bei dem Verbraucher handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, einen Antriebsumrichter oder um eine aufladbare Batterie.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem ersten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geschlossen. Die Gleichrichterschaltung wird passiv oder synchron betrieben.
In dem ersten Betriebszustand erfolgt ein nicht resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Der Sekundärkondensator ist dabei kurzgeschlossen. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so ist die Ausgangsspannung konstant. Bei variablem Widerstand fällt die Ausgangsspannung mit abnehmendem Widerstand. Im Leerlauf ist die Ausgangsspannung maximal. Im Kurzschlussfall ist der Strom durch eine Streuinduktivität des Übertragers begrenzt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem zweiten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geschlossen. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, sind der zweite Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der dritte Schalter sind geöffnet. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.
In dem zweiten Betriebszustand erfolgt ein nicht resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Der Sekundärkondensator ist dabei kurzgeschlossen. In dem ersten Zeitraum, wenn der zweite Schalter und der vierte Schalter geschlossen sind, ist die Gleichrichterschaltung eingangsseitig kurzgeschlossen. In dem zweiten Zeitraum läuft sich die Streuinduktivität des Übertragers gegen den Glättungskondensator frei. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so hängt die Ausgangsspannung von dem Verhältnis aus dem zweiten Zeitraum zu der Summe des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums ab. Je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung ist dabei kleiner oder gleich der Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand. Wenn der zweite Zeitraum unendlich groß ist, so wird die Gleichrichterschaltung ständig passiv oder synchron betrieben, wie im ersten Betriebszustand.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem dritten Betriebszustand betrieben. Dabei wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, ist die Schaltvorrichtung geschlossen. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, ist die Schaltvorrichtung geöffnet.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.
In dem dritten Betriebszustand erfolgt ein abschnittsweise resonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Wenn eine ohmsche Last mit konstantem Widerstand als Verbraucher angeschlossen ist, so ist hängt die Ausgangsspannung von dem Verhältnis des zweiten Zeitraums zu dem ersten Zeitraum ab. Je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung ist dabei größer oder gleich der Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand. Wenn der erste Zeitraum unendlich groß ist, so ist die Schaltvorrichtung ständig geschlossen, wie im ersten Betriebszustand.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem vierten Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geöffnet. Die Gleichrichterschaltung wird passiv oder synchron betrieben.
In dem vierten Betriebszustand erfolgt ein vollresonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Die Ausgangsspannung ist zumindest annähernd konstant und zumindest annähernd unabhängig von dem Widerstand einer ohmschen Last, die als Verbraucher angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung ist dabei größer als die Ausgangsspannung im ersten Betriebszustand.
Der vierte Betriebszustand entspricht dem dritten Betriebszustand, wenn der zweite Zeitraum unendlich groß ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das System in einem fünften Betriebszustand betrieben. Dabei ist die Schaltvorrichtung geöffnet. In einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode ist, sind der zweite Schalter sowie der vierte Schalter geschlossen, und der erste Schalter sowie der dritte Schalter sind geöffnet. In einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode ist, wird die Gleichrichterschaltung passiv oder synchron betrieben.
Der erste Zeitraum ist vorzugsweise gleich der Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Grundperiode. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise gleich der halben Grundperiode oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Grundperiode.
In dem fünften Betriebszustand erfolgt ein vollresonanter Betrieb des erfindungsgemäßen Systems mit Verstärkung. Die Ausgangsspannung hängt von dem Verhältnis aus der Summe des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums zu dem zweiten Zeitraum ab. In dem ersten Zeitraum, wenn der zweite Schalter und der vierte Schalter geschlossen sind, ist die Gleichrichterschaltung eingangsseitig kurzgeschlossen, und die Sekundärwicklung und der Sekundärkondensator bilden einen Parallelschwingkreis ohne Last. Der Parallelschwingkreis schwingt auf, wobei ein hoher Sekundärstrom erzeugt wird. In dem zweiten Zeitraum entlädt sich die in dem Parallelschwingkreis enthaltene Energie weitgehend über die Gleichrichterschaltung in den Glättungskondensator und die angeschlossene Last.
Unabhängig von dem aktuellen Betriebszustand des Systems wird die Schaltvorrichtung vorzugsweise zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, wenn eine an dem Sekundärkondensator anliegende Spannung einen Nulldurchgang hat.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Übertragung von Energie. Das System umfasst eine Energiequelle 40 und einen Übertragerkopf 50. Innerhalb des Systems ist Energie berührungslos von der Energiequelle 40 zu dem Übertragerkopf 50 übertragbar. Der Übertragerkopf 50 ist mittels elektrischer Leitungen mit einem Verbraucher 80 verbunden und überträgt elektrische Energie über die besagten elektrischen Leitungen zu dem Verbraucher 80.
Der Übertragerkopf 50 ist Teil eines mobilen Geräts. Bei dem mobilen Gerät handelt es sich vorliegend um ein autonom fahrendes Fahrzeug. Der Übertragerkopf 50 dient zur berührungslosen Aufnahme von Energie für das mobile Gerät, insbesondere für den Verbraucher 80. Bei dem Verbraucher 80 handelt es sich beispielsweise um eine ohmsche Last, insbesondere eine Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Antriebsmotors des mobilen Geräts oder um eine Lichtquelle. In diesem Fall wird die von dem Übertragerkopf 50 übertragene elektrische Energie unmittelbar von dem Verbraucher 80 verbraucht. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbraucher 80 um eine aufladbare Batterie. In diesem Fall wird die von dem Übertragerkopf 50 übertragene elektrische Energie in dem Verbraucher 80 gespeichert und später durch andere Komponenten des mobilen Geräts verbraucht.
Die Energiequelle 40 weist eine Stromquelle 42 und einen Primärleiter L1 auf. Der Primärleiter L1 ist dabei in Form einer Leiterschleife gelegt und weist eine erste Induktivität auf. Der Primärleiter L1 ist beispielsweise in einem Boden verlegt, auf welchem das mobile Gerät sich bewegt. Beispielsweise ist der Primärleiter L1 auch in einer Fahrschiene verlegt, an welcher sich das mobile Gerät bewegt. Das mobile Gerät fährt auf dem Boden, beispielsweise in einer technischen Anlage wie einem Produktionswerk. Der Primärleiter L1 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt. Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts befindet sich dabei in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Primärleiter L1 und ist insbesondere entlang des Primärleiters L1 bewegbar.
Der Primärleiter L1 ist mit der Stromquelle 42 elektrisch verbunden und wird von einem Primärstrom 11 durchflossen, den die Stromquelle 42 liefert. Der Primärstrom 11 ist ein mittelfrequenter Wechselstrom und hat vorliegend eine Grundfrequenz F0 von 50 kHz. Eine Stromstärke des Primärstroms 11 beträgt vorliegend 60 A. Auch andere Grundfrequenzen, beispielsweise von 25 kHz bis 100 kHz, sowie andere Stromstärken, beispielsweise von 30 A bis 90 A, sind denkbar.
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Sekundärwicklung L2 und einen Sekundärkondensator C2. Die Sekundärwicklung L2 weist eine zweite Induktivität auf. Der Sekundärkondensator C2 ist mit der Sekundärwicklung L2 in Reihe schaltbar. Dabei bilden der Sekundärkondensator C2 und die Sekundärwicklung L2 einen Reihenschwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises entspricht dabei der Grundfrequenz F0 des Primärstroms 11.
Der Übertragerkopf 50 ist derart angeordnet, dass die Sekundärwicklung L2 und der Primärleiter L1 über eine magnetische Kopplung M induktiv gekoppelt sind. Die Sekundärwicklung L2 und der Primärleiter L1 bilden dabei einen Übertrager. Somit ist Energie von der Energiequelle 40 zu der Sekundärwicklung L2 des Übertragerkopfs 50 und damit zu dem mobilen Gerät, insbesondere während der Fahrt des mobilen Geräts entlang des Primärleiters L1, übertragbar. Die magnetische Kopplung M eines offenen Übertragers ist abstandsbedingt und geometriebedingt verhältnismäßig schwach und weist typischerweise einen Kopplungsfaktor K von etwa 0,5 bis 0,9 auf.
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Gleichrichterschaltung 60. Die Gleichrichterschaltung 60 weist einen ersten Eingang 61, welcher mit dem Sekundärkondensator C2 verbunden ist, und einen zweiten Eingang 62, welcher mit der Sekundärwicklung L2 verbunden ist, auf. Die Gleichrichterschaltung 60 ist in der hier gezeigten Darstellung somit eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator C2 und mit der Sekundärwicklung L2, also mit dem Reihenschwingkreis, in Reihe geschaltet.
Die Gleichrichterschaltung 60 weist einen positiven Ausgang 63 und einen negativen Ausgang 64 auf. Zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 fällt eine Ausgangsspannung UA ab. Der Übertragerkopf 50 weist einen Glättungskondensator CA auf, der zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 angeschlossen ist.
Die Gleichrichterschaltung 60 ist somit ausgangsseitig mit dem Glättungskondensator CA verbunden, an welchem die Ausgangsspannung UA anliegt.
Auch der Verbraucher 80 ist zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung 60 ist somit ausgangsseitig mit dem Verbraucher 80 verbunden, an welchem ebenfalls die Ausgangsspannung UA anliegt. Die Gleichrichterschaltung 60 liefert ausgangsseitig einen Ausgangsstrom IA. Bei dem Ausgangsstrom IA handelt es sich weitgehend um einen Gleichstrom. Der Ausgangsstrom IA fließt daher fast ausschließlich durch den Verbraucher 80.
Die Gleichrichterschaltung 60 weist eine erste Schalteinheit V1, eine zweite Schalteinheit V2, eine dritte Schalteinheit V3 und eine vierte Schalteinheit V4 auf. Die erste Schalteinheit V1 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren ersten Schalter S1 und einer ersten Diode D1. Die zweite Schalteinheit V2 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren zweiten Schalter S2 und einer zweiten Diode D2. Die dritte Schalteinheit V3 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren dritten Schalter S3 und einer dritten Diode D3. Die vierte Schalteinheit V4 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren vierten Schalter S4 und einer vierten Diode D4.
Die erste Schalteinheit V1 ist zwischen den ersten Eingang 61 und den positiven Ausgang 63 geschaltet. Die zweite Schalteinheit V2 ist zwischen den ersten Eingang 61 und den negativen Ausgang 64 geschaltet. Die dritte Schalteinheit V3 ist zwischen den zweiten Eingang 62 und den positiven Ausgang 63 geschaltet. Die vierte Schalteinheit V4 ist zwischen den zweiten Eingang 62 und den negativen Ausgang 64 geschaltet. Die besagten Schalteinheiten V1, V2, V3, V4 sind dabei derart orientiert, dass die zugehörigen Dioden D1, D2, D3, D4 einen Brückengleichrichter zwischen den Eingängen 61, 62 und den Ausgängen 63, 64 bilden.
Die besagten Schalteinheiten V1, V2, V3, V4 sind jeweils als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet, beispielsweise als normalsperrender n-Kanal MOSFET. Jede der besagten Dioden D1, D2, D3, D4 stellt dabei eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit V1, V2, V3, V4 dar. Es ist aber auch denkbar, dass die Dioden D1, D2, D3, D4 als von den Schaltern S1, S2, S3, S4 separate Schaltelemente ausgebildet sind.
Der Übertragerkopf 50 des mobilen Geräts umfasst eine Schaltvorrichtung 70. Die Schaltvorrichtung 70 ist parallel zu dem Sekundärkondensator C2 geschaltet. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geöffnet ist, so bilden der Sekundärkondensator C2 und die Sekundärwicklung L2 einen Schwingkreis. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geschlossen ist, so ist der Sekundärkondensator C2 kurzgeschlossen. Der Sekundärkondensator C2 ist somit mittels der Schaltvorrichtung 70 kurzschließbar.
Die Schaltvorrichtung 70 weist einen ersten Schalttransistor V5 und einen zweiten Schalttransistor V6 auf. Der erste Schalttransistor V5 umfasst eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren ersten Schaltstrecke S5 und einer ersten Inversdiode D5. Der zweite Schalttransistor V6 umfasst eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren zweiten Schaltstrecke S6 und einer zweiten Inversdiode D6.
Der erste Schalttransistor V5 und der zweite Schalttransistor V6 sind derart verschaltet, dass die fünfte Inversdiode D5 und die sechste Inversdiode D6 antiseriell verschaltet sind. Das bedeutet, eine der besagten Inversdiode D5, D6 ist immer in Sperrrichtung geschaltet. Wenn die erste Schaltstrecke S5 und die zweite Schaltstrecke S6 geöffnet sind, so ist die Schaltvorrichtung 70 geöffnet. Wenn die erste Schaltstrecke S5 und die zweite Schaltstrecke S6 geschlossen sind, so ist die Schaltvorrichtung 70 geschlossen.
Die besagten Schalttransistoren V5, V6 der Schaltvorrichtung 70 sind jeweils als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet, beispielsweise als normalsperrender n-Kanal MOSFET. Jede der besagten Inversdioden D5, D6 stellt dabei eine Body-Diode des jeweiligen Schalttransistors V5, V6 dar.
Der Übertragerkopf 50 weist eine hier nicht dargestellte Steuereinheit zum Ansteuern der Schalter S1, S2, S3, S4 sowie der Schaltstrecken S5, S6 auf. Die Steuereinheit ist beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers ausgebildet.
Der Primärleiter L1 wird, wie bereits erwähnt, von dem Primärstrom 11 durchflossen, den die Stromquelle 42 liefert. Durch die magnetische Kopplung M wird dadurch ein Sekundärstrom 12 in der Sekundärwicklung L2 induziert. Der Sekundärstrom 12 hat dabei die gleiche Grundfrequenz F0 wie der Primärstrom 11. Der Sekundärstrom 12 fließt durch die Eingänge 61, 62 in die Gleichrichterschaltung 60.
Wenn die Schaltvorrichtung 70 geöffnet ist, so fließt der Sekundärstrom 12 durch den aus dem Sekundärkondensator C2 und der Sekundärwicklung L2 gebildeten Schwingkreis. Wenn die Schaltvorrichtung 70 geschlossen ist, so fließt der Sekundärstrom 12 durch die Sekundärwicklung L2 und durch die Schaltvorrichtung 70, aber nicht nennenswert durch den Sekundärkondensator C2.
Die Gleichrichterschaltung 60 ist passiv betreibbar. Dabei sind die ansteuerbaren Schalter S1, S2, S3, S4 geöffnet, und die Gleichrichterschaltung 60 wirkt wie ein B4-Brückengleichrichter. Positive Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch die erste Diode D1, die vierte Diode D4 und die Ausgänge 63, 64. Negative Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch die zweite Diode D2, die dritte Diode D3 und die Ausgänge 63, 64. Die Ausgangsspannung UA zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 ist somit immer positiv.
Die Gleichrichterschaltung 60 ist auch synchron betreibbar. Dabei werden bei positiven Halbwellen des Sekundärstroms 12 der erste Schalter S1 sowie der vierte Schalter S4 geschlossen, und der zweite Schalter S2 sowie der dritte Schalter S3 werden geöffnet. Bei negativen Halbwellen des Sekundärstroms 12 werden der zweite Schalter S2 sowie der dritte Schalter S3 geschlossen, und der erste Schalter S1 sowie der vierte Schalter S4 werden geöffnet. Positive Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch den ersten Schalter S1, den vierten Schalter S4 und die Ausgänge 63, 64. Negative Halbwellen des Sekundärstroms 12 fließen durch den zweiten Schalter D2, den dritten Schalter D3 und die Ausgänge 63, 64. Die Ausgangsspannung UA zwischen dem positiven Ausgang 63 und dem negativen Ausgang 64 ist somit immer positiv.
Bei passivem Betrieb der Gleichrichterschaltung 60 fällt an den Dioden D1, D2, D3, D4 jeweils eine Durchlassspannung ab. Bei synchronem Betrieb der Gleichrichterschaltung 60 fällt an den Schaltern S1, S2, S3, S4 eine Durchlassspannung ab, welche geringer ist als die Durchlassspannung der Dioden D1, D2, D3, D4. Somit ist die Ausgangsspannung UA bei synchronem Betrieb höher als bei passivem Betrieb.
Bezugszeichenliste

40: Energiequelle
42: Stromquelle
50: Übertragerkopf
60: Gleichrichterschaltung
61: erster Eingang
62: zweiter Eingang
63: positiver Ausgang
64: negativer Ausgang
70: Schaltvorrichtung
80: Verbraucher
V1...V4: erste ... vierte Schalteinheit
D1...D4: erste ... vierte Diode
S1...S4: erster ... vierter Schalter
V5...V6: erster ... zweiter Schalttransistor
D5...D6: erste ... zweite Inversdiode
S5...S6: erste ... zweite Schaltstrecke
CA: Glättungskondensator
C2: Sekundärkondensator
L1: Primärleiter
L2: Sekundärwicklung
M: magnetische Kopplung
11: Primärstrom
12: Sekundärstrom
IA: Ausgangsstrom
UA: Ausgangsspannung
F0: Grundfrequenz
T0: Grundperiode
K: Kopplungsfaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004055154 B4 [0003]
DE 102010050935 B4 [0004]
EP 2223408 B1 [0005]
DE 102015210825 A1 [0006]
JP 2012019603 A [0007]
DE 102010022143 A1 [0008]

Claims

Übertragerkopf (50) zur berührungslosen Aufnahme von Energie, umfassend mindestens eine Sekundärwicklung (L2), mindestens einen Sekundärkondensator (C2), welcher mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, und eine Gleichrichterschaltung (60), welche eingangsseitig mit dem Sekundärkondensator (C2) und mit der Sekundärwicklung (L2) in Reihe schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltvorrichtung (70) parallel zu dem Sekundärkondensator (C2) geschaltet ist, mittels welcher der Sekundärkondensator (C2) kurzschließbar ist, und dass die Gleichrichterschaltung (60) eine erste Schalteinheit (V1), eine zweite Schalteinheit (V2), eine dritte Schalteinheit (V3) und eine vierte Schalteinheit (V4) aufweist, wobei die Schalteinheiten (V1, V2, V3, V4) jeweils eine Parallelschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter (S1, S2, S3, S4) und einer Diode (D1, D2, D3, D4) umfassen.
Übertragerkopf (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffneter Schaltvorrichtung (70) die Sekundärwicklung (L2), der Sekundärkondensator (C2) und die Gleichrichterschaltung (60) eine Reihenschaltung bilden, und dass bei geschlossener Schaltvorrichtung (70) die Sekundärwicklung (L2) und die Gleichrichterschaltung (60) eine Reihenschaltung bilden.
Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (70) einen ersten Schalttransistor (V5) und einen zweiten Schalttransistor (V6) aufweist, welche jeweils eine Parallelschaltung aus einer ansteuerbaren Schaltstrecke (S5, S6) und einer Inversdiode (D5, D6) umfassen, wobei der erste Schalttransistor (V5) und der zweite Schalttransistor (V6) derart verschaltet sind, dass die erste Inversdiode (D5) und die zweite Inversdiode (D6) antiseriell verschaltet sind.
Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (V1, V2, V3, V4) jeweils als MOSFET ausgebildet sind, wobei jede der besagten Dioden (D1, D2, D3, D4) eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit (V1, V2, V3, V4) darstellt, und/oder dass die Schalttransistoren (V5, V6) jeweils als MOSFET ausgebildet sind, wobei jede der besagten Inversdioden (D5, D6) eine Body-Diode der jeweiligen Schalteinheit (V5, V6) darstellt.
Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig mit einem Glättungskondensator (CA) verbunden ist.
System zur berührungslosen Übertragung von Energie, umfassend mindestens einen Übertragerkopf (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche und eine Energiequelle (40), welche eine Stromquelle (42) und einen Primärleiter (L1) aufweist, wobei die mindestens eine Sekundärwicklung (L2) und der Primärleiter (L1) induktiv gekoppelt sind.
Verfahren zum Betrieb eines Systems nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter (L1) von einem von der Stromquelle (42) gelieferten Primärstrom (11) mit einer Grundfrequenz (F0) und einer Grundperiode (T0) durchflossen wird; in der Sekundärwicklung (L2) ein Sekundärstrom (12) induziert wird; an der Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig eine Ausgangsspannung (UA) abfällt, und von der Gleichrichterschaltung (60) ausgangsseitig ein Ausgangsstrom (IA) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem ersten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem zweiten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, der zweite Schalter (S2) sowie der vierte Schalter (S4) geschlossen sind, und der erste Schalter (S1) sowie der dritte Schalter (S3) geöffnet sind, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem dritten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, die Schaltvorrichtung (70) geschlossen ist, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem vierten Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist, und wobei die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System in einem fünften Betriebszustand betrieben wird, wobei die Schaltvorrichtung (70) geöffnet ist, und wobei in einem ersten Zeitraum, welcher größer oder gleich der Grundperiode (T0) ist, der zweite Schalter (S2) sowie der vierte Schalter (S4) geschlossen sind, und der erste Schalter (S1) sowie der dritte Schalter (S3) geöffnet sind, und wobei in einem zweiten Zeitraum, welcher mindestens halb so groß wie die Grundperiode (T0) ist, die Gleichrichterschaltung (60) passiv oder synchron betrieben wird.