DE112019001196T5

DE112019001196T5 - Kontaktlose energieübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019001196T5
Application number: DE112019001196.0T
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Yusuke Kawai; Atsushi Nomura; Toshiyuki Zaitsu
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-12-17
Also published as: JP6904280B2; US11139693B2; WO2019171786A1; CN111712992A; CN111712992B; JP2019154196A; US20210013742A1

Abstract

Eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung (1) weist einen Empfänger (3) auf, welcher einen Resonanzkreis (20) aufweist, der elektrische Energie von einem Sender (2) empfängt. Der Empfänger (3) veranlasst als Reaktion auf einen Messwert einer Ausgangsspannung einer von dem Resonanzkreis (20) ausgegebenen elektrischen Energie, welche außerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt, eine Kurzschlussschaltung (30) dazu, den Resonanzkreis (20) kurzzuschließen, und überträgt Bestimmungsinformationen, welche angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung ausgibt. Als Reaktion auf die Bestimmungsinformationen erfasst der Sender (2) in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung (1) eine Schaltfrequenz einer Wechselstrom-Energie, welche einer Sendespule (14) von einer Energieversorgungsschaltung (10) zugeführt wird, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung gemäß einem Messwert eines Stroms durch die Sendespule (14) ausgibt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Es wurden Techniken zur kontaktlosen Energieübertragung (auch drahtlose Energieübertragung genannt) oder zum Übertragen elektrischer Energie durch einen Raum ohne die Verwendung von Metallkontakten oder anderen Verbindungen untersucht.
Bei einer kontaktlosen Energieübertragung variiert die Frequenz eines Wechselstroms, der an eine Sendespule angelegt wird, um eine hohe Energieübertragungseffizienz zu erreichen, gemäß dem Kopplungsgrad zwischen der Sendespule auf einer Primärseite (Senderseite) und einer Empfangsspule auf einer Sekundärseite (Empfängerseite). Der Kopplungsgrad zwischen der Sendespule und der Empfangsspule variiert gemäß der Positionsbeziehung zwischen den zwei Spulen. Es wurde daher eine Technik entwickelt, um einen Frequenzgang entsprechend dem Frequenzgang der Übertragungseffizienz durch ein Verarbeiten auf der Senderseite einfach und korrekt zu erhalten (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Eine in Patentliteratur 1 beschriebene Energieübertragungsvorrichtung führt einer Sendespule Wechselstrom-Energie bei einer konstanten Spannung oder mit einem konstanten Strom zu, während sie die Antriebsfrequenz eines Wechselrichters verändert. Die Energieübertragungsvorrichtung erhält dann den Frequenzgang eines Stromwerts, welcher einem Strom durch die Wechselstrom-Energie empfangende Sendespule zugeordnet ist, oder eines Spannungswerts, der einer an die Sendespule angelegten Spannung zugeordnet ist.
LISTE DER DOKUMENTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2015-12748
KURZFASSUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung kann einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführen, um zu ermöglichen, dass eine Empfängerseite eine konstante Spannung ausgibt. Elektronische Vorrichtungen werden in der Regel mit konstanter Spannung gesteuert. Daher soll eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung einer Lastschaltung eine konstante Spannung zuführen.
Obwohl die in Patentliteratur 1 beschriebene Technik auf der Senderseite die Frequenz einer Wechselstrom-Energie, welche an die Sendespule angelegt wird, bestimmen kann, um eine hohe Energieübertragungseffizienz zu erreichen, könnte diese Frequenz von der Frequenz abweichen, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt. Zudem variiert die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, gemäß dem Kopplungsgrad zwischen der Sendespule und der Empfangsspule. Daher soll die Frequenz der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, bestimmt werden.
Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung, welche die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie, bei der eine konstante Spannungsausgabe ausgegeben wird, korrekt erfassen kann.
LÖSUNG DER AUFGABE
Eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Sender und einen Empfänger, der elektrische Energie von dem Sender in einer kontaktlosen Weise empfängt, auf. Der Sender weist eine Sendespule, die dem Empfänger elektrische Energie zuführt, eine Energieversorgungsschaltung, die der Sendespule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zuführt, eine Stromerfassungsschaltung, die einen Strom durch die Sendespule misst und einen Messwert des Stroms bestimmt, eine Steuerschaltung, welche die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, steuert, und eine erste Kommunikationseinrichtung, die mit dem Empfänger kommuniziert, auf. Der Empfänger weist einen Resonanzkreis, der eine Empfangsspule, die elektrische Energie von dem Sender empfängt, und einen Resonanzkondensator, der mit der Empfangsspule als Reaktion auf eine elektrische Energie von dem Sender mitschwingt, aufweist, eine Gleichrichterschaltung, die eine von dem Resonanzkreis ausgegebene elektrische Energie gleichrichtet, eine Kurzschlussschaltung, die zwischen einem Kurzschließen und einem Öffnen des Resonanzkreises umschaltet, eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung einer von dem Resonanzkreis ausgegebenen elektrischen Energie misst und einen Messwert der Ausgangsspannung bestimmt, eine zweite Kommunikationseinrichtung, die mit dem Sender kommuniziert, und eine Bestimmungsschaltung, die bestimmt, ob der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt, und die Kurzschlussschaltung veranlasst, den Resonanzkreis kurzzuschließen, sowie die zweite Kommunikationseinrichtung veranlasst, Bestimmungsinformationen zu übertragen, welche angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung ausgibt, wenn der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt, auf. Die Steuerschaltung in dem Sender erfasst als Reaktion auf die von dem Empfänger durch die erste Kommunikationseinrichtung empfangenen Bestimmungsinformationen, welche angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung ausgibt, eine Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dem Messwert des Stroms eine konstante Spannung ausgibt.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie korrekt erfassen, bei der eine konstante Spannungsausgabe ausgegeben wird.
In der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung kann der Empfänger ferner eine Spule aufweisen, die mit der Empfangsspule zwischen dem Resonanzkreis und der Gleichrichterschaltung in Reihe geschaltet ist. Die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in dem Resonanzkreis in dem Empfänger können parallel geschaltet sein. Die Kurzschlussschaltung in dem Empfänger kann ein Ende aufweisen, das zwischen die mit der Empfangsspule in Reihe geschaltete Spule und die Gleichrichterschaltung geschaltet ist. Die Bestimmungsschaltung in dem Empfänger kann die Kurzschlussschaltung dazu veranlassen, den Resonanzkreis über die mit der Empfangsspule in Reihe geschaltete Spule kurzzuschließen, wenn der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie korrekt erfassen, bei der eine konstante Spannungsausgabe ausgegeben wird.
In der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung können die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in dem Resonanzkreis in dem Empfänger in Reihe geschaltet sein.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann eine höhere Energieübertragungseffizienz bei einer niedrigeren Ausgangsspannung aufweisen.
In der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung kann die Steuerschaltung in dem Sender bestimmen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung bei einer Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie ausgibt, bei welcher der Messwert des Stroms größer oder gleich einer vorbestimmten Schwelle ist.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie korrekt erfassen, bei der eine konstante Spannungsausgabe ausgegeben wird.
In der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung kann die Steuerschaltung in dem Sender bestimmen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung bei einer Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie ausgibt, bei welcher ein absoluter Wert einer Differenz zwischen einer Phase des Messwerts des Stroms und einer Phase der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule zugeführt wird, kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle ist.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann die Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie korrekt erfassen, bei der eine konstante Spannungsausgabe ausgegeben wird.
In der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung kann die Steuerschaltung in dem Sender, nachdem sie die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie erfasst hat, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, die erste Kommunikationseinrichtung dazu veranlassen, Erfassungsinformationen zu übertragen, welche die Erfassung der Schaltfrequenz angeben. Die Bestimmungsschaltung in dem Empfänger kann die Kurzschlussschaltung dazu veranlassen, den Resonanzkreis zu öffnen, nachdem sie die Erfassungsinformationen durch die zweite Kommunikationseinrichtung empfangen hat.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann eine Stromversorgung zu einer Lastschaltung rasch wiederaufnehmen.
In diesem Fall kann die Steuerschaltung in dem Sender, nachdem sie die erste Kommunikationseinrichtung dazu veranlasst hat, die Erfassungsinformationen zu übertragen, die Energieversorgungsschaltung steuern, die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule zugeführt wird, auf eine Spannung zu regeln, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung mit der vorangehend genannten Struktur kann einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung wiederaufnehmen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Ersatzschaltbild der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung.
3 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung für eine variierende Spannung, die an eine Sendespule angelegt wird, gemäß dem Kopplungsgrad in der in 3 gezeigten Simulation zeigt.
5 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung für eine variierende Impedanz einer Schaltung, welche mit einem Resonanzkreis verbunden ist, bei konstantem Kopplungsgrad zeigt.
6 umfasst Graphen, welche eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung und dem Frequenzgang der Eingangsimpedanz in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung zeigen.
7 umfasst Graphen, welche eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung und dem Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie zeigen.
8 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers gemäß einer Modifizierung.
9 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers gemäß einer anderen Modifizierung.
10 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers gemäß noch einer anderen Modifizierung.
11 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche einen in 1 gezeigten Sender und den in 10 gezeigten Empfänger aufweist, zeigt.
12 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den in 1 gezeigten Sender und den in 10 gezeigten Empfänger aufweist, für eine variierende Impedanz einer Schaltung, welche mit einem Resonanzkreis verbunden ist, bei konstantem Kopplungsgrad zeigt.
13 ist ein Graph, welcher eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den in 1 gezeigten Sender und den in 10 gezeigten Empfänger aufweist, und dem Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung kann eine konstante Spannung basierend auf der gleichen Struktur wie der SPL-Topologie ausgeben, welche eine Drosselspule aufweist, die mit einer Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, welche mit einem Resonanzkondensator parallel mitschwingt. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung verwendet eine Resonanz auf der Empfängerseite, um Energie zu übertragen, ohne eine Resonanz auf der Senderseite zu verwenden und somit ohne eine Energieübertragungseffizienz bei einem niedrigen Kopplungsgrad zwischen einer Sendespule und der Empfangsspule zu verringern.
Bei dieser kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung festgestellt, dass ein Strom durch die Sendespule sein Maximum bei der Frequenz einer an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie erreicht, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, wenn eine mit einem Resonanzkreis auf der Empfängerseite verbundene Lastschaltung eine sehr kleine, vernachlässigbare Impedanz aufweist. Die Erfinder haben ebenso festgestellt, dass die Spannung der Wechselstrom-Energie die gleiche Phase aufweist wie der Strom durch die Sendespule.
Wenn die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung mehr ausgeben kann, da sich zum Beispiel die Positionsbeziehung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule verändert hat, schließt die Vorrichtung den Resonanzkreis auf der Empfängerseite über eine mit der Empfangsspule in dem Resonanzkreis in Reihe geschaltete Spule kurz. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung misst dann den Strom durch die Sendespule, während sie die Frequenz der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie verändert. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung erfasst die Frequenz, bei welcher der Messwert des Stroms sein Maximum erreicht oder die an die Sendespule angelegte Spannung die gleiche Phase aufweist wie der Strom durch die Sendespule. Die Vorrichtung legt dann Wechselstrom-Energie mit der erfassten Frequenz an die Sendespule an, um eine konstante Spannung auszugeben.
1 ist eine schematische Darstellung einer kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, weist eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 einen Sender 2 und einen Empfänger 3 zum kontaktlosen Empfangen einer Energie von dem Sender 2 durch einen Raum auf. Der Sender 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 10, eine Sendespule 14, einen Kondensator 15, eine Stromerfassungsschaltung 16, eine Kommunikationseinrichtung 17, einen Gate-Treiber 18 und eine Steuerschaltung 19 auf. Der Empfänger 3 weist einen Resonanzkreis 20, welcher eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Spule 23, eine Gleichrichter-Glättungsschaltung 24, die eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25 und einen Glättungskondensator 26 aufweist, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Bestimmungsschaltung 29, ein Relais 30, eine Kommunikationseinrichtung 31 und eine Ladungsspeicherschaltung 32 auf.
Die Energieversorgungsschaltung 10 führt der Sendespule 14 Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zu. Daher weist die Energieversorgungsschaltung 10 eine Energiequelle 11 mit variabler Spannung, einen Gleichstromwandler 12 und drei Schaltelemente 13-1 bis 13-3 auf.
Die Energiequelle 11 mit variabler Spannung führt eine Gleichstrom-Energie mit einer durch die Steuerschaltung 19 einstellbaren Spannung zu. Die Energiequelle 11 mit variabler Spannung kann einen beliebigen Schaltungsentwurf aufweisen, der eine Einstellung einer Versorgungsspannung ermöglicht. Während die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wird die von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführte Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie über die Schaltelemente 13-1 und 13-2 umgewandelt, bevor sie der Sendespule 14 zugeführt wird. Während die Schaltfrequenz eingestellt wird, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wird die von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführte Gleichstrom-Energie der Sendespule 14 über den Gleichstromwandler 12 und das Schaltelement 13-3 zugeführt.
Der Eingangsanschluss des Gleichstromwandlers 12 ist mit einem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 mit variabler Spannung verbunden und sein Ausgangsanschluss ist mit einem Ende des Kondensators 15 über eine Diode D und das Schaltelement 13-3 verbunden. Der Gleichstromwandler 12 senkt die Spannung der von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführten Gleichstrom-Energie auf eine vorbestimmte Spannung (z.B. 5 V).
Während die Schaltfrequenz eingestellt wird, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wird die von dem Gleichstromwandler 12 ausgegebene Spannung der Sendespule 14 über die Diode D, das Schaltelement 13-3 und den Kondensator 15 zugeführt.
Die Schaltelemente 13-1 bis 13-3 sind zum Beispiel n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Die Schaltelemente 13-1 und 13-2 sind zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 mit variabler Spannung in Reihe geschaltet. Das positive Elektrodenende der Energiequelle 11 mit variabler Spannung ist mit dem Schaltelement 13-1 verbunden und ihr negatives Elektrodenende ist mit dem Schaltelement 13-2 verbunden. Der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-1 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 mit variabler Spannung verbunden und sein Source-Anschluss ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 verbunden. Der Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 sind mit einem Ende der Sendespule 14 über den Kondensator 15 verbunden. Der Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 ist mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 mit variabler Spannung und dem anderen Ende der Sendespule 14 über die Stromerfassungsschaltung 16 verbunden.
Der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-3 ist mit dem Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers 12 verbunden und sein Source-Anschluss ist mit dem einen Ende der Sendespule 14 über den Kondensator 15 verbunden. Die Schaltelemente 13-1 ~ 13-3 weisen Gate-Anschlüsse auf, die mit dem Gate-Treiber 18 verbunden sind.
Die Schaltelemente 13-1 bis 13-3 werden durch die Steuerschaltung 19 gesteuert und durch den Gate-Treiber 18 ein- und ausgeschaltet. Die Ein/AusSteuerung für die Schaltelemente 13-1 bis 13-3 wird an späterer Stelle beschrieben.
Die Sendespule 14 überträgt von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführte Wechselstrom-Energie durch einen Raum an den Resonanzkreis 20 in dem Empfänger 3.
Der Kondensator 15 ist zwischen die Sendespule 14 und die Energieversorgungsschaltung 10 geschaltet. Der Kondensator 15 lädt und entlädt sich wiederholt als Reaktion auf ein Ein- und Ausschalten jedes Schaltelements bei der Schaltfrequenz und führt der Sendespule 14 Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz zu. Um zu verhindern, dass die Sendespule 14 und der Kondensator 15 als ein Resonanzkreis in dem einstellbaren Schaltfrequenzbereich arbeiten, kann die Kapazität des Kondensators 15 so festgelegt werden, dass ein Mitschwingen der Sendespule 14 und des Kondensators 15 bei einer Frequenz ermöglicht wird, welche kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 20 in dem Empfänger 3 und kleiner ist als die niedrigere Grenzfrequenz in dem einstellbaren Schaltfrequenzbereich.
Die Stromerfassungsschaltung 16 ist zwischen die Sendespule 14 und die Energieversorgungsschaltung 10 geschaltet, um einen Strom durch die Sendespule 14 zu messen. Die Stromerfassungsschaltung 16 gibt den Messwert des Stroms an die Steuerschaltung 19 aus. Die Stromerfassungsschaltung 16 kann zu dem Kondensator 15 zu der Sendespule 14 parallel geschaltet sein, zusammen mit einem Parallelkondensator (nicht gezeigt), der mit der Stromerfassungsschaltung 16 in Reihe geschaltet ist. In diesem Fall misst die Stromerfassungsschaltung 16 indirekt den Strom durch die Sendespule 14.
Die Kommunikationseinrichtung 17 entnimmt aus jedem von der Kommunikationseinrichtung 31 in dem Empfänger 3 empfangenen Funksignal Bestimmungsinformationen, welche zum Beispiel angeben, ob die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, und gibt die Informationen an die Steuerschaltung 19 aus. Die Kommunikationseinrichtung 17 erzeugt auch ein Funksignal, das von der Steuerschaltung 19 empfangene Erfassungsinformationen umfasst, welche angeben, dass die Schaltfrequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, erfasst wurde, und überträgt das Funksignal an die Kommunikationseinrichtung 31 in dem Empfänger 3. Die Kommunikationseinrichtung 17 umfasst daher zum Beispiel eine Antenne, die ein Funksignal überträgt und empfängt, das einem vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandard entspricht, und eine Kommunikationsschaltung, die ein Funksignal vor einer Übertragung moduliert oder ein empfangenes Funksignal demoduliert. Der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard ist zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke).
Der Gate-Treiber 18 empfängt von der Steuerschaltung 19 ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten jedes der Schaltelemente 13-1 bis 13-3. Als Reaktion auf das Steuersignal verändert der Gate-Treiber 18 die an den Gate-Anschluss jedes der Schaltelemente 13-1 bis 13-3 angelegte Spannung. Insbesondere wenn ein Steuersignal zum Einschalten des Schaltelements 13-1 empfangen wird, legt der Gate-Treiber 18 eine relativ hohe Spannung an den Gate-Anschluss des Schaltelements 13-1 an, um das Schaltelement 13-1 einzuschalten. Wenn ein Steuersignal zum Ausschalten des Schaltelements 13-1 empfangen wird, legt der Gate-Treiber 18 eine relativ niedrige Spannung an den Gate-Anschluss des Schaltelements 13-1 an, um das Schaltelement 13-1 auszuschalten. Dies ermöglicht es dem Gate-Treiber 18, das Schaltelement 13-1 zu durch die Steuerschaltung 19 spezifizierten Zeiten ein- und auszuschalten. Ähnlich schaltet der Gate-Treiber 18 die Schaltelemente 13-2 und 13-3 ein und aus, indem er eine an die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 13-2 und 13-3 angelegte Spannung ändert.
Die Steuerschaltung 19 weist zum Beispiel nichtflüchtige und flüchtige Speicherschaltungen, eine arithmetische Schaltung und eine Schnittstellenschaltung zur Verbindung mit einer anderen Schaltung auf. Jedes Mal, wenn sie Bestimmungsinformationen von der Kommunikationseinrichtung 17 empfängt, steuert die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, gemäß den Bestimmungsinformationen.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt die Steuerschaltung 19, während die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, an den Gate-Treiber 18 ein Steuersignal aus, welches es anweist, den Aus-Zustand des Schaltelements 13-3 zu halten. Die Steuerschaltung 19 gibt an den Gate-Treiber 18 auch ein Steuersignal aus, das es anweist, die Schaltelemente 13-1 und 13-2 bei der Schaltfrequenz ein- und auszuschalten, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird. Genauer gesagt fließt, wenn das Schaltelement 13-1 eingeschaltet ist und das Schaltelement 13-2 ausgeschaltet ist, Strom durch die Sendespule 14, während der Kondensator 15 mit der von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung über das Schaltelement 13-1 zugeführten Energie geladen wird. Wenn das Schaltelement 13-1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement 13-2 eingeschaltet ist, entlädt sich der Kondensator 15, wodurch veranlasst wird, dass Strom durch die Sendespule 14 fließt.
Die Steuerschaltung 19 steuert die Schaltelemente 13-1 und 13-2, um sie für die gleiche Dauer innerhalb eines Zyklus entsprechend der Schaltfrequenz abwechselnd einzuschalten. Um zu verhindern, dass die Schaltelemente 13-1 und 13-2 gleichzeitig eingeschaltet werden und die Energiequelle 11 mit variabler Spannung kurzgeschlossen wird, kann die Steuerschaltung 19 eine Totzeit aufweisen, während welcher die Schaltelemente 13-1 und 13-2 beide ausgeschaltet sind, wenn sie ein- und ausgeschaltet werden.
Während die Schaltfrequenz eingestellt wird, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, gibt die Steuerschaltung 19 an den Gate-Treiber 18 ein Steuersignal aus, welches es anweist, den Aus-Zustand des Schaltelements 13-1 zu halten und die Schaltelemente 13-3 und 13-2 bei der Schaltfrequenz abwechselnd ein- und auszuschalten.
Wenn die Kommunikationseinrichtung 17 kein Funksignal von dem Empfänger 3 empfängt, kann der Empfänger 3 außerhalb des Bereichs zum Empfangen von Energie von dem Sender 2 angeordnet sein, oder der Sender 2 kann sich mit anderen Worten in einem Bereitschaftszustand befinden. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 19 die von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung ausgegebene Spannung auf ihren kleinsten möglichen Wert festlegen. Während des Bereitschaftszustands des Senders 2 wird die kleinste mögliche Spannung an die Sendespule 14 angelegt, um einen Energieverlust zu reduzieren.
Die Steuerung für die Spannung und die Schaltfrequenz einer an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wird an späterer Stelle ausführlich beschrieben.
Es wird nun der Empfänger 3 beschrieben.
Der Resonanzkreis 20 ist ein LC-Resonanzkreis, welcher die Empfangsspule 21 und den Resonanzkondensator 22 aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind. Die Empfangsspule 21 in dem Resonanzkreis 20 weist ein Ende auf, welches mit einem Ende des Resonanzkondensators 22 und auch mit einem Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 verbunden ist. Das andere Ende der Empfangsspule 21 ist mit dem anderen Ende des Resonanzkondensators 22 und auch mit dem anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 verbunden.
Die Empfangsspule 21 schwingt mit einem durch die Sendespule 14 in dem Sender 2 fließenden Wechselstrom mit, um Energie von der Sendespule 14 zu empfangen. Die Empfangsspule 21 gibt die empfangene Energie an die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über den Resonanzkondensator 22 und die Spule 23 aus. Die Empfangsspule 21 und die Sendespule 14 in dem Sender 2 können die gleiche Anzahl oder unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen.
Ein Ende des Resonanzkondensators 22 ist mit der Empfangsspule 21 und der Spule 23 verbunden und sein anderes Ende ist mit dem anderen Ende der Empfangsspule 21 und der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 verbunden. Der Resonanzkondensator 22 gibt die Energie, welche durch die Empfangsspule 21 empfangen wird, an die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 aus.
Die Spule 23 ist zwischen den Resonanzkreis 20 und die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Spule 23 an einem Ende mit der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22 in dem Resonanzkreis 20 verbunden, um mit der Empfangsspule 21 in Reihe zu sein, und an dem anderen Ende mit der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 verbunden. Die Spule 23 gibt Energie von dem Resonanzkreis 20 an die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 aus. Die Spule 23 reduziert harmonische Komponenten, die in der empfangenen Energie enthalten sind, in der gleichen Weise wie in der SPL-Topologie. Die Empfangsspule 21 und die Spule 23 können die gleiche Anzahl oder unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen.
Die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24, welche ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung darstellt, weist die Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25 mit vier brückenverbundenen Dioden und einen Glättungskondensator 26 auf. Die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 richtet gleich und glättet die durch den Resonanzkreis 20 empfangene und durch die Spule 23 ausgegebene Energie, um die Energie in Gleichstrom-Energie umzuwandeln. Die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 gibt die sich daraus ergebende Gleichstrom-Energie an die Lastschaltung 27 aus.
Die Spannungserfassungsschaltung 28 misst die Ausgangsspannung über der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 in vorbestimmten Abständen. Die Ausgangsspannung über der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 entspricht eins zu eins der Ausgangsspannung des Resonanzkreises 20. Der Messwert der Ausgangsspannung über der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 stellt daher indirekt den Messwert der Ausgangsspannung des Resonanzkreises 20 dar. Die Spannungserfassungsschaltung 28 kann eine beliebige bekannte Spannungserfassungsschaltung sein, die eine Gleichspannung erfassen kann. Die Spannungserfassungsschaltung 28 gibt an die Bestimmungsschaltung 29 ein Spannungserfassungssignal aus, welches den Messwert der Ausgangsspannung darstellt.
Die Bestimmungsschaltung 29 bestimmt, basierend auf dem Messwert der Ausgangsspannung, welcher von der Spannungserfassungsschaltung 28 empfangen wird, ob die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt und ob der Messwert der Ausgangsspannung während eines Ausgabevorgangs mit konstanter Spannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt. Die Bestimmungsschaltung 29 stellt das Bestimmungsergebnis an die Kommunikationseinrichtung 31 bereit. Die Bestimmungsschaltung 29 weist daher zum Beispiel eine Speicherschaltung, welche den zulässigen Spannungsbereich speichert, und eine arithmetische Schaltung, welche den Messwert der Ausgangsspannung mit dem zulässigen Spannungsbereich vergleicht, auf.
Während der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, schaltet die Bestimmungsschaltung 29 das Relais 30 ein, um die beiden Enden des Resonanzkreises 20 über die Spule 23 kurzzuschließen, und sie hält den kurzgeschlossenen Zustand über dem Resonanzkreis 20, bis sie von dem Sender 2 Erfassungsinformationen empfängt, welche angeben, dass die Schaltfrequenz erfasst wurde, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Die Impedanz einer mit dem Resonanzkreis 20 verbundenen Schaltung nimmt auf einen vernachlässigbaren Wert ab, während die Steuerschaltung 19 in dem Sender 2 die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie einstellt, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt.
Als Reaktion auf die von dem Sender 2 durch die Kommunikationseinrichtung 31 empfangenen Erfassungsinformationen schaltet die Bestimmungsschaltung 29 das Relais 30 aus und öffnet die beiden Enden des Resonanzkreises 20. Dies veranlasst, dass die Impedanz der Schaltung, die mit dem Resonanzkreis 20 verbunden ist, einen Wert gemäß dem Widerstand der Lastschaltung 27 aufweist. Wenn der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt oder, genauer gesagt, die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, hält die Bestimmungsschaltung 29 das Relais 30 in dem Aus-Zustand oder hält, genauer gesagt, die beiden Enden des Resonanzkreises 20 in dem offenen Zustand. Die Bestimmungsschaltung 29 stellt der Kommunikationseinrichtung 31 das Bestimmungsergebnis bereit, welches angibt, dass der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Das Relais 30 ist ein Beispiel für eine Kurzschlussschaltung. Ein Ende des Relais 30 ist zwischen die Spule 23 und einen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 geschaltet und sein anderes Ende ist zwischen den Resonanzkreis 20 und den anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Relais 30, welches ein für gewöhnlich ausgeschaltetes Relais ist, gemäß einer Steuerung durch die Bestimmungsschaltung 29 eingeschaltet. Wenn das Relais 30 eingeschaltet wird, wird der Resonanzkreis 20 über die Spule 23 kurzgeschlossen. Die Impedanz der mit dem Resonanzkreis 20 verbundenen Schaltung nimmt auf einen vernachlässigbaren Wert ab.
Die Kommunikationseinrichtung 31 erzeugt in vorbestimmten Abständen gemäß dem Bestimmungsergebnis von der Bestimmungsschaltung 29 ein Funksignal, das Bestimmungsinformationen umfasst, welche angeben, ob die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt und ob der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt. Die Kommunikationseinrichtung 31 überträgt dann das Funksignal hin zu der Kommunikationseinrichtung 17 in dem Sender 2. Die Kommunikationseinrichtung 31 empfängt das Funksignal, das Erfassungsinformationen umfasst, von der Kommunikationseinrichtung 17 in dem Sender 2 und gibt die Erfassungsinformationen an die Bestimmungsschaltung 29 aus. Die Kommunikationseinrichtung 31 umfasst daher zum Beispiel eine Antenne, die ein Funksignal überträgt und empfängt, das einem vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandard entspricht, und eine Kommunikationsschaltung, die ein Funksignal vor einer Übertragung moduliert und ein empfangenes Funksignal demoduliert. Wie in der Kommunikationseinrichtung 17, ist der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke).
Die Ladungsspeicherschaltung 32 lädt sich mit der über die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 ausgegebenen Energie auf. Die Ladungsspeicherschaltung 32 führt der Bestimmungsschaltung 29 Energie zu, um das Relais 30 in dem Ein-Zustand zu halten. Die Ladungsspeicherschaltung 32 umfasst daher zum Beispiel einen Kondensator, der mit einem Ende mit dem Ausgangsanschluss der positiven Elektrode der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über eine Diode zur Vorwärtsvorspannung verbunden ist, und dessen anderes Ende geerdet ist. Während der Empfänger 3 Energie von dem Sender 2 empfängt, lädt sich der Kondensator in der Ladungsspeicherschaltung 32 mit der über die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 ausgegebenen Energie auf. Wenn die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 keine konstante Spannung ausgibt und das Relais 30 eingeschaltet wird, um die über die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 ausgegebene Energie zu sperren, verwendet die Bestimmungsschaltung 29 die von dem Kondensator in der Ladungsspeicherschaltung 32 abgegebene Energie, um das Relais 30 in dem Ein-Zustand zu halten.
Die Ladungsspeicherschaltung 32 kann eine sich von einem Kondensator unterscheidende Schaltung aufweisen, welche Energie speichern kann. Zum Beispiel kann die Ladungsspeicherschaltung 32 einen Akkumulator anstelle eines Kondensators aufweisen. In diesem Fall kann die Energie, die in der Ladungsspeicherschaltung 32 geladen wird, verwendet werden, um die Bestimmungsschaltung 29 und die Kommunikationseinrichtung 31 anzusteuern.
Es wird der Betrieb der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 ausführlich beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform stellt die Steuerschaltung 19 in dem Sender 2 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule 14 zugeführt wird, ein, um zu ermöglichen, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wenn die von der Kommunikationseinrichtung 17 empfangenen Bestimmungsinformationen angeben, dass der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt oder, genauer gesagt, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 keine konstante Spannung ausgibt.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet keine Resonanz auf der Senderseite. Der Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 ähnelt daher dem Frequenzgang der Ausgangsspannung für die erhöhte Kapazität des mit der Sendespule in Reihe geschalteten Kondensators und der verringerten Resonanzfrequenz des Resonanzkreises auf der Senderseite in einer kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche die SPL-Topologie einsetzt, einschließlich einer Drosselspule, die mit der Spule in dem Resonanzkreis auf der Empfängerseite in Reihe geschaltet ist.
2 ist ein Ersatzschaltbild der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1. In einer Ersatzschaltung 100 ist die Sendespule 14 auf der Senderseite mit der Empfangsspule 21 in dem Resonanzkreis 20 auf der Empfängerseite gekoppelt, um einen idealen Transformator von n:1 zu bilden. In dieser Schaltung ist Lr die Streuinduktivität der Sendespule 14 auf der Senderseite und Lm ist die Magnetisierungsinduktivität der Sendespule 14. Eine Induktivität Lp der Sendespule 14 auf der Senderseite ist gleich (Lm + Lr) und Lr = (1-k)Lp und Lm = kLp, wobei k der Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ist. Ri ist der Spulenwiderstand auf der Senderseite und Ris ist der Spulenwiderstand auf der Empfängerseite. Cp ist die Kapazität des Resonanzkondensators 22, der zu der Empfangsspule 21 in dem Resonanzkreis 20 auf der Empfängerseite parallel geschaltet ist. Lop ist die Induktivität der Spule 23, die mit der Empfangsspule 21 in Reihe geschaltet ist. Rac ist der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 und Rac = (8/π²) × Ro.
3 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
In 3 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. In dieser Simulation gilt Lp = 174 µH, Cp = 20 nF, Lop = 3Lp, Ri = Ris = 0,3 Ω, n = 1, Vin = 200 V und Ro = 200 Ω (Rac ≈ 162,1 Ω). Ein Graph 301 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 302 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 303 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 304 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 305 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 306 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt.
Wie in 3 gezeigt, umfasst der Graph für jeden Kopplungsgrad (in der Figur an drei Punkten 311 bis 313) die Kombination aus der Frequenz und der Ausgangsspannung, die dazu führt, dass eine Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant ist (oder eine konstante Spannungsausgabe veranlasst), im Gegensatz zu einem variierenden Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 bei konstantem Kopplungsgrad k. Dies zeigt, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung für einen variierenden Widerstand der Lastschaltung 27 ausgeben kann, wenn die Sendespule 14 Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz empfängt, bei der die Sendespule 14 nicht mitschwingt. Obwohl die Ausgangsspannung, die im Gegensatz zu dem variierenden Widerstand der Lastschaltung 27 konstant ist, in Abhängigkeit von dem Kopplungsgrad abweicht, wie durch die Punkte 311 bis 313 angegeben, kann ein Einstellen der an die Sendespule 14 angelegten Spannung diese Differenz in der Ausgangsspannung eliminieren und ermöglichen, dass die Ausgangsspannung bei jedem Kopplungsgrad im Wesentlichen konstant ist.
4 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung für eine variierende Spannung, die an die Sendespule 14 angelegt wird, gemäß dem Kopplungsgrad in der in 3 gezeigten Simulation zeigt. In 4 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. Ein Graph 401 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac und eine an die Sendespule angelegte Spannung Vin beträgt. Ein Graph 402 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) und eine an die Sendespule angelegte Spannung Vin beträgt. Ein Graph 403 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac und eine an die Sendespule angelegte Spannung (0,47 * Vin) beträgt. Ein Graph 404 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10* Rac) und eine an die Sendespule angelegte Spannung (0,47* Vin) beträgt. Ein Graph 405 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac und eine an die Sendespule angelegte Spannung (0,19 * Vin) beträgt. Ein Graph 406 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10* Rac) und eine an die Sendespule angelegte Spannung (0,19* Vin) beträgt.
Die Kombinationen aus der Frequenz und der Ausgangsspannung an drei Punkten 411 bis 413 entsprechen den Kombinationen an den drei Punkten 311 bis 313, die in 3 gezeigt sind, welche dazu führen, dass eine Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant ist (oder eine konstante Spannungsausgabe veranlassen), im Gegensatz zu einem variierenden Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 bei konstantem Kopplungsgrad k. Die Ausgangsspannungen an den Punkten 411 bis 413 sind zueinander im Wesentlichen gleich.
Dies zeigt, dass es ein angemessenes Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie ermöglicht, dass die Ausgangsspannung unabhängig von dem variierenden Widerstand der Lastschaltung 27 oder dem variierenden Kopplungsgrad im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Erfinder haben ebenso festgestellt, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine minimale Eingangsimpedanz bei der Frequenz aufweist, bei welcher die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, wenn die Lastschaltung 27 in dem Empfänger 3 einen voreingestellten Widerstand aufweist. Die Erfinder haben auch festgestellt, dass die Frequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, die gleiche Phase aufweist wie die Frequenz, bei der die Ausgangsspannung ihr Maximum erreicht, wenn die Lastschaltung 27 einen kleinen, vernachlässigbaren Widerstand aufweist, und ebenso wie die Frequenz, bei der die Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 ihr Minimum erreicht.
5 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung für eine variierende Impedanz der Schaltung, welche mit dem Resonanzkreis 20 verbunden ist, bei konstantem Kopplungsgrad zeigt. In 5 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. Ein Graph 501 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 502 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 503 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 504 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt. Bei der Simulation wurden die gleichen Parameterwerte wie für die bei der Simulation in 3 gezeigten Schaltungselemente verwendet.
Wie in 5 gezeigt, erreicht die Ausgangsspannung, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstandswert der Lastschaltung 27 auf extrem kleine Werte verringert ist, die durch die Graphen 503 und 504 angegeben sind, ihr Maximum bei einer Frequenz f0, bei der die im Wesentlichen gleichen Ausgangswerte für die Wechselstrom-Ersatzwiderstände der Lastschaltung 27, welche Rac und (10 * Rac) betragen, beobachtet werden. Dies basiert auf dem folgenden Formelsatz, der gilt, wenn die Lastschaltung 27 einen Wechselstrom-Ersatzwiderstand von im Wesentlichen 0 aufweist.
Formel 1: $\begin{array}{l} \frac{1}{\frac{1}{ω L_{r 2} + ω C_{p}}} + ω L_{o p} = 0 \\ ω = 2 π f, L_{r 2} = L_{2} (1 - k^{2}) \end{array}$
wobei Lop die Induktivität der Spule 23, die mit der Empfangsspule 21 in Reihe geschaltet ist, Cp die Kapazität des Resonanzkondensators 22, L2 die Eigeninduktivität der Empfangsspule 21, k der Kopplungsgrad, Lr2 die Induktivität der Empfangsspule 21, wenn die Sendespule 14 kurzgeschlossen ist, und f die Frequenz der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie ist. Daher erreicht die Ausgangsspannung ihr Maximum bei der Frequenz f0, das durch die folgende Formel dargestellt ist, die durch Lösen der Formel (1) für die Frequenz f erhalten wird.
Formel 2: $f0 = \frac{\sqrt{\frac{L_{r 2} + L_{o p}}{L_{r 2} L_{o p} c_{p}}}}{2 π}$
Die Ausgangsspannung ist niedriger als die Frequenz f0, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) oder (0,01 * Rac) beträgt, wenn er Rac ist. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Lastschaltung 27 mit einem extrem viel kleineren Wechselstrom-Ersatzwiderstand ermöglicht, dass mehr Strom fließt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Spannungsabfalls erhöht wird.
6 umfasst Graphen, welche eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung und dem Frequenzgang der Eingangsimpedanz in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung zeigen. In dem oberen Graphen in 6 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. In dem unteren Graphen in 6 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Eingangsimpedanz dar. Bei der Simulation wurden auch die gleichen Parameterwerte wie für die bei der Simulation in 3 gezeigten Schaltungselemente verwendet. In dem oberen Diagramm stellt Graph 601 (der zu dem Graphen 501 in 5 identisch ist) den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 602 (der zu dem Graphen 502 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 603 (der zu dem Graphen 503 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 604 (der zu dem Graphen 504 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (0,01 * Rac) beträgt.
In dem unteren Diagramm stellt ein Graph 611 den Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 612 stellt den Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 613 stellt den Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 614 stellt den Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt.
Wie in 6 gezeigt, ist bei einem kleineren Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 die Frequenz, bei der die Eingangsimpedanz ihr Minimum erreicht, näher zu der Frequenz f0, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Insbesondere wenn die Lastschaltung 27 einen Wechselstrom-Ersatzwiderstand von (0,01 * Rac) aufweist, erreicht die Eingangsimpedanz ihr Minimum bei der Frequenz f0. Mit anderen Worten erreicht der Strom durch die Sendespule 14 sein Maximum bei der Frequenz f0.
7 umfasst Graphen, welche eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung und dem Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie zeigen. In dem oberen Graphen in 7 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. In dem unteren Graphen in 7 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Phasenverzögerung dar. In dem Graphen gibt die Phasenverzögerung mit einem positiven Wert an, dass die Phase des Stroms relativ zu der Phase der Spannung verzögert ist. Bei der Simulation wurden die gleichen Parameterwerte wie für die bei der Simulation in 3 gezeigten Schaltungselemente verwendet. In dem oberen Diagramm stellt Graph 701 (der zu dem Graphen 501 in 5 identisch ist) den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 702 (der zu dem Graphen 502 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 703 (der zu dem Graphen 503 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 704 (der zu dem Graphen 504 in 5 identisch ist) stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand 27 der Lastschaltung (0,01 * Rac) beträgt.
Ein Graph 711 in dem unteren Diagramm stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 712 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 713 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 714 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt.
Wie in 7 gezeigt, ist bei einem kleineren Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 die Frequenz, bei der die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie 0 beträgt, näher zu der Frequenz f0, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Insbesondere, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt, ist die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie bei der Frequenz f0 0 oder, genauer gesagt, ist der Leistungsfaktor 1. Genauer gesagt, beträgt die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie bei Frequenzen, die höher sind als die Frequenz f0, einen positiven Wert, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt. Dies stellt eine induktive Ansteuerung dar. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 ermöglicht es daher, dass die Energieversorgungsschaltung 10 und die Sendespule 14 einen sanft schaltenden Vorgang (Soft-Switching-Vorgang) in einem Frequenzband mit der Phasenverzögerung von 0 bis 90° durchführen. Bei Frequenzen, die niedriger sind als die Frequenz f0, beträgt die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie einen negativen Wert. Dies stellt eine kapazitive Ansteuerung dar. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 veranlasst daher, dass die Energieversorgungsschaltung 10 und die Sendespule 14 einen hart schaltenden Vorgang (Hard-Switching-Vorgang) vor allem in einem Frequenzband mit der Phasenverzögerung von 0 bis -90° durchführen, bei dem die Energieübertragungseffizienz verringert wird.
Die Steuerschaltung 19 steuert die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie in der im Folgenden beschriebenen Weise, um einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung zu ermöglichen.
Wenn die Bestimmungsinformationen, die in dem von dem Empfänger 3 über die Kommunikationseinrichtung 17 empfangenen Funksignal enthalten sind, angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 keine konstante Spannung ausgibt, hält die Steuerschaltung 19, durch den Gate-Treiber 18, das Schaltelement 13-1 in dem Aus-Zustand und schaltet die Schaltelemente 13-3 und 13-2 abwechselnd ein und aus, um der Sendespule 14 über den Gleichstromwandler 12 Energie zuzuführen. Die Steuerschaltung 19 steuert die Energiequelle 11 mit variabler Spannung, sodass sie eine Spannung mit einem vorbestimmten Wert der Sendespule 14 über den Gleichstromwandler 12 zuführt. Die Steuerschaltung 19 reduziert die von dem Sender 2 an den Empfänger 3 zugeführte Energie um einen Grad, der keinen Ausfall des Empfängers 3 veranlasst.
Die Steuerschaltung 19 überwacht dann, während die Schaltfrequenz verändert wird, den Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 mit der Stromerfassungsschaltung 16 und erfasst die Schaltfrequenz, bei welcher der Messwert des Stroms sein Maximum erreicht. Wie in der vorliegenden Ausführungsform wird der Resonanzkreis 20 in dem Empfänger 3 über die Spule 23 kurzgeschlossen, während die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 keine konstante Spannung ausgibt, wodurch die Impedanz einer mit dem Resonanzkreis 20 verbundenen Schaltung auf einen vernachlässigbaren Wert gesenkt wird. In diesem Fall verändert sich, wie in 6 gezeigt, nahe der Schaltfrequenz, bei welcher der Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 sein Maximum erreicht, der Messwert des Stroms schnell als Reaktion auf eine Veränderung der Schaltfrequenz. Die Steuerschaltung 19 kann daher die Schaltfrequenz, bei welcher der Messwert des Stroms eine vorbestimmte Schwelle oder einen Wert größer der Schwelle erreicht, als die Schaltfrequenz, bei welcher der Messwert des Stroms sein Maximum erreicht, erfassen. Die vorbestimmte Schwelle kann zum Beispiel einen Wert betragen, welcher einem Wert für den Strom durch die Sendespule 14 bei einer Schaltfrequenz beträgt, die um eine vorbestimmte Toleranz von der Schaltfrequenz verschoben ist, bei welcher der Wert des Stroms durch die Sendespule 14 sein Maximum erreicht.
Die Schaltfrequenz, bei welcher der Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 sein Maximum erreicht, ist die Frequenz, bei der die Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1 ihr Minimum erreicht, wie etwa die in 6 gezeigte Frequenz f0, oder, genauer gesagt, die Frequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Wenn die Schaltfrequenz erfasst wird, bei welcher der Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 sein Maximum erreicht, steuert die Steuerschaltung 19 den Ein/Aus-Zustand der Schaltelemente 13-1 und 13-2 durch den Gate-Treiber 18, um Energie von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung der Sendespule 14 bei der Schaltfrequenz zuzuführen. Die Steuerschaltung 19 schaltet das Schaltelement 13-3 aus. Auf die vorangehend beschriebene Weise ermöglicht die Steuerschaltung 19, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Die Steuerschaltung 19 stellt dann der Kommunikationseinrichtung 17 Erfassungsinformationen bereit, welche angeben, dass die Schaltfrequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt, erfasst wurde, und veranlasst, dass die Kommunikationseinrichtung 17 an die Kommunikationseinrichtung 31 in dem Empfänger 3 ein Funksignal überträgt, welches die Erfassungsinformationen umfasst.
Daraufhin steuert die Steuerschaltung 19 die Energiequelle 11 mit variabler Spannung in der Energieversorgungsschaltung 10, sodass sie der Sendespule 14 eine Spannung entsprechend der Schaltfrequenz zuführt und sie ermöglicht, dass der Messwert der Ausgangsspannung von dem Resonanzkreis 20 in dem Empfänger 3 innerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt. Die Steuerschaltung 19 bestimmt die Spannung der Energie, die von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführt wird, indem sie zum Beispiel auf eine Referenztabelle Bezug nimmt, welche die Entsprechung zwischen jeder Schaltfrequenz und der Spannung der Energie, die von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführt wird, angibt. Die Referenztabelle ist zum Beispiel in einem Speicher vorgespeichert, der in der Steuerschaltung 19 enthalten ist.
Nachdem die Steuerschaltung 19 von dem Empfänger 3 Bestimmungsinformationen empfangen hat, welche angeben, dass der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt, kann sie die Schaltfrequenz für einen vorbestimmten Zeitraum von einem Übertragen der Erfassungsinformationen an den Empfänger 3 bis zu einem Verändern der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie auf die Spannung, die der Schaltfrequenz entspricht, nicht bestimmen. Dies verhindert, dass die Steuerschaltung 19 immer wieder nach der Schaltfrequenz sucht, nachdem sie die Schaltfrequenz erfasst hat, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt.
Die Steuerschaltung 19 könnte sich nicht auf die Referenztabelle beziehen, sondern stattdessen die Spannung der von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung zugeführten Energie graduell verändern, bis die Bestimmungsinformationen, welche in dem von dem Empfänger 3 durch die Kommunikationseinrichtung 17 empfangenen Funksignal enthalten sind, angeben, dass der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
In einer Modifizierung kann die Steuerschaltung 19, während sie die Schaltfrequenz verändert, den Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 mit der Stromerfassungsschaltung 16 überwachen und die Schaltfrequenz erfassen, bei der die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie 0 beträgt. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 19 die Phase der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie basierend auf zum Beispiel dem Zeitpunkt eines Ein- und Ausschaltens der Schaltelemente 13-3 und 13-2 und der Zeitkonstante entsprechend der Induktivität der Sendespule 14 und der Kapazität des Kondensators 15 identifizieren. Die Steuerschaltung 19 kann die Phase des Stroms durch die Sendespule 14 basierend auf dem in der Zeit variierenden Messwert des Stroms durch die Sendespule 14 bestimmen, der mit der Stromerfassungsschaltung 16 erhalten wird.
Wie in 7 gezeigt, ist die Schaltfrequenz, bei der die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie 0 beträgt, die Frequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 eine konstante Spannung ausgibt. Wenn die Schaltfrequenz erfasst wird, bei der die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie 0 beträgt, steuert die Steuerschaltung 19 wie in der vorangehenden Ausführungsform den Ein/Aus-Zustand der Schaltelemente 13-1 und 13-2 und des Schaltelements 13-3 auf den Aus-Zustand durch den Gate-Treiber 18, um Energie von der Energiequelle 11 mit variabler Spannung der Sendespule 14 bei der erfassten Schaltfrequenz zuzuführen. Auch in dieser Modifizierung kann die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz, bei welcher der absolute Wert der Differenz zwischen den Phasen der Spannung und des Stroms der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie die Schwelle oder einen Wert kleiner der Schwelle erreicht, als die Schaltfrequenz erfassen, bei der die Phasenverzögerung des Stroms der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie relativ zu der Spannung 0 beträgt.
Wie vorangehend beschrieben, misst die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung den Strom durch die Sendespule in dem Sender, während der Resonanzkreis in dem Empfänger über die mit der Empfangsspule in Reihe geschaltete Spule kurzgeschlossen wird, und sie erfasst die Schaltfrequenz der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie, bei welcher der Strom sein Maximum erreicht oder die Spannung über der Sendespule die gleiche Phase aufweist wie der Strom durch die Sendespule. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung kann daher die Schaltfrequenz korrekt erfassen, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung stellt daraufhin die Spannung der an die Sendespule angelegten Wechselstrom-Energie ein, um eine konstante Spannung bei der erfassten Schaltfrequenz auszugeben, nachdem der Resonanzkreis offen ist. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung kann somit eine konstante Spannung bei einem nicht konstanten Kopplungsgrad zwischen der Sendespule und der Empfangsspule oder bei einem nicht konstanten Widerstand der Lastschaltung ausgeben.
In einer Modifizierung kann der Empfänger 3, getrennt von dem Resonanzkreis, der mit der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie mitschwingt, eine Ausgangsspule zum Ausgeben übertragener Energie aufweisen.
8 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers 4 gemäß einer Modifizierung. Wie in 8 gezeigt, weist der Empfänger 4 gemäß der Modifizierung einen Resonanzkreis 20, welcher eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Spule 23, eine Gleichrichter-Glättungsschaltung 24, die eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25 und einen Glättungskondensator 26 aufweist, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Bestimmungsschaltung 29, ein Relais 30, eine Kommunikationseinrichtung 31, eine Ladungsspeicherschaltung 32 und eine Ausgangsspule 33 auf. Der Empfänger 4 gemäß der Modifizierung weicht von dem Empfänger 3 in der vorangehenden Ausführungsform dahingehend ab, dass er die Ausgangsspule 33 aufweist und übertragene Energie von der Ausgangsspule 33 statt von dem Resonanzkreis 20 ausgibt. Die Unterschiede und damit verbundenen Teile werden nun beschrieben.
Die Ausgangsspule 33 ist angeordnet, um mit der Empfangsspule 21 in dem Resonanzkreis 20 elektromagnetisch gekoppelt zu sein. Zum Beispiel sind die Ausgangsspule 33 und die Empfangsspule 21 um den gleichen Kerndraht gewickelt. Die Ausgangsspule 33 bildet daher zusammen mit der Empfangsspule 21 einen Transformator, welcher es ermöglicht, durch die Empfangsspule 21 empfangene Energie von der Ausgangsspule 33 auszugeben. Ein Ende der Ausgangsspule 33 ist mit einem Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 verbunden. Das andere Ende der Ausgangsspule 33 ist ebenso mit dem anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 verbunden. Die von der Ausgangsspule 33 über den Resonanzkreis 20 ausgegebene Energie wird der Lastschaltung 27 über die Spule 23 und die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 zugeführt. In dieser Modifizierung ist der Resonanzkreis 20 mit der Spule 23 und der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 nicht direkt verbunden.
In der Modifizierung können die Empfangsspule 21 und die Ausgangsspule 33 die gleiche Anzahl oder unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen. Zum Beispiel kann die ausgegebene Energie eine niedrigere Spannung bei hoher Energieübertragungseffizienz aufweisen, wenn die Empfangsspule 21 mehr Windungen aufweist als die Ausgangsspule 33. In dieser Modifizierung wird, wenn die Empfangsspule 21 mehr Windungen aufweist als die Ausgangsspule 33, eine Schaltung zum Senken der Spannung, wie etwa ein Gleichstromwandler, für die Lastschaltung 27 mit einer niedrigen oberen Grenze für die empfangbare Spannung verwendet.
Auch in der Modifizierung kann ein Ende des Relais 30 zwischen die Spule 23 und einen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 geschaltet sein und sein anderes Ende kann zwischen den Resonanzkreis 20 und den anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 geschaltet sein. Wenn die durch die Spannungserfassungsschaltung 28 gemessene Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt, kann die Bestimmungsschaltung 29 das Relais 30 einschalten, um die beiden Enden der Ausgangsspule 33 über die Spule 23 kurzzuschließen. Der Resonanzkreis 20 wird daher über die Spule 23 kurzgeschlossen. Die Impedanz einer mit dem Resonanzkreis 20 verbundenen Schaltung nimmt auf einen vernachlässigbaren Wert ab. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dieser Modifizierung kann die Schaltfrequenz, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird, auf die gleiche Weise wie die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung in der Ausführungsform korrekt erfassen.
In einer anderen Modifizierung kann das Relais 30 ein für gewöhnlich eingeschaltetes Relais sein.
9 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers 5 gemäß einer anderen Modifizierung. Wie in 9 gezeigt, weist der Empfänger 5 gemäß dieser Modifizierung einen Resonanzkreis 20, welcher eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Spule 23, eine Gleichrichter-Glättungsschaltung 24, die eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25 und einen Glättungskondensator 26 aufweist, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Bestimmungsschaltung 29, ein Relais 30, eine Kommunikationseinrichtung 31, eine Ladungsspeicherschaltung 32 und eine Ausgangsspule 33 auf. Der Empfänger 5 weicht in dieser Modifizierung von dem Empfänger 4 in der vorangehenden Modifizierung dahingehend ab, dass er eine andere Art von Relais 30 aufweist und die Position der Energiequelle, welche der Ladungsspeicherschaltung 32 Energie zuführt, eine andere ist. Die Unterschiede und damit verbundenen Teile werden nun beschrieben.
In dieser Modifizierung wird das Relais 30, welches ein für gewöhnlich eingeschaltetes Relais ist, durch die Bestimmungsschaltung 29 angesteuert, sodass es ausgeschaltet ist, wenn die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, oder, genauer gesagt, der durch die Spannungserfassungsschaltung 28 gemessene Ausgangsspannungswert innerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt. Wenn die durch die Spannungserfassungsschaltung 28 gemessene Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt, schaltet die Bestimmungsschaltung 29 das Relais 30 ein. Wenn die Bestimmungsschaltung 29 nachfolgend von dem Sender 2 durch die Kommunikationseinrichtung 31 eine Benachrichtigung empfängt, welche angibt, dass die Senderseite die Schaltfrequenz erfasst hat, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, schaltet sie das Relais 30 unter Verwendung einer in der Ladungsspeicherschaltung 32 geladenen Energie aus.
Die Ladungsspeicherschaltung 32 lädt sich mit Energie auf, welche von zwei Enden der Ausgangsspule 33 zugeführt und durch eine Diode gleichgerichtet wird, während der Empfänger 5 Energie von dem Sender 2 empfängt. In diesem Beispiel kann sich, wenn das Relais 30 eingeschaltet ist und die beiden Enden der Ausgangsspule 33 kurzschließt, die Ladungsspeicherschaltung 32, welche unmittelbar nach der Ausgangsspule 33 verbunden ist, weiterhin mit übertragener Energie aufladen, während nach der Schaltfrequenz gesucht wird. Die in der Ladungsspeicherschaltung 32 geladene Energie wird verwendet, um das Relais 30, wie vorangehend beschrieben, auszuschalten.
Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dieser Modifizierung kann auch den Resonanzkreis 20 über die Spule 23 kurzschließen, während nach der Schaltfrequenz der an die Sendespule 14 angelegten Energie gesucht wird, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird. Die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dieser Modifizierung kann daher die Schaltfrequenz, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird, ähnlich zu der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung in der vorangehenden Ausführungsform korrekt erfassen.
In noch einer anderen Modifizierung können die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in dem Resonanzkreis in dem Empfänger in Reihe geschaltet sein. Auch in diesem Fall kann die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführen. Wie in der vorangehenden Ausführungsform und den Modifizierungen kann die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung in dieser Modifizierung die Schaltfrequenz erfassen, bei der eine konstante Spannung ausgegeben wird, indem sie den Strom durch die Sendespule misst, während der Resonanzkreis kurzgeschlossen ist.
10 ist eine schematische Darstellung eines Empfängers 6 gemäß dieser Modifizierung. Wie in 10 gezeigt, weist der Empfänger 6 gemäß dieser Modifizierung einen Resonanzkreis 20a, welcher eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Gleichrichter-Glättungsschaltung 24, die eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25 und einen Glättungskondensator 26 aufweist, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Bestimmungsschaltung 29, ein Relais 30, eine Kommunikationseinrichtung 31, eine Ladungsspeicherschaltung 32 und eine Ausgangsspule 33 auf. Der Empfänger 6 gemäß dieser Modifizierung weicht von dem in 1 gezeigten Empfänger 3 dahingehend ab, dass der Resonanzkreis 20a mit einem unterschiedlichen Entwurf verwendet und die Spule 23 weggelassen wird. Die Unterschiede und damit verbundenen Teile werden nun beschrieben.
In dem Resonanzkreis 20a sind die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 miteinander in Reihe geschaltet. Die über die Empfangsspule 21 empfangene Energie wird an die Gleichrichter-Glättungsschaltung 24 über den Resonanzkondensator 22 ausgegeben. In diesem Fall weist die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, den gleichen Entwurf wie primäre in Reihe geschaltete und sekundäre in Reihe geschaltete Kondensatoren (hiernach SS-Topologie) auf, um einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen. Im Gegensatz zu der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, die auf der SPL-Topologie basiert, veranlasst der Resonanzkreis 20a in diesem Beispiel eine Reihenresonanz, wodurch die Spule 23 eliminiert wird. Im Gegensatz zu einem System, das auf der SS-Topologie basiert, kann die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, die Resonanz der Sendespule 14 auf der Senderseite nicht verwenden.
Die Energieübertragungseffizienz bei einer kontaktlosen Energieübertragung wird ausgedrückt als das Produkt des Kopplungsgrades k zwischen einer Sendespule und einer Empfangsspule und dem Qualitätsfaktor (Q-Faktor), der ein Index einer Resonanzstärke ist. Um die Energieübertragungseffizienz zu verbessern, muss der Q-Faktor erhöht werden. In dieser Modifizierung arbeitet der Empfänger 6, wie vorangehend beschrieben, als RLC-Reihenresonanzkreis. In diesem Fall wird der Q-Faktor unter Verwendung der folgenden Formel geschrieben.
Formel 3: $Q = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}}$
wobei C die Kapazität des Resonanzkondensators 22, L die Induktivität der Empfangsspule 21 und R die Impedanz einer mit dem Resonanzkreis 20a verbundenen Schaltung ist. Aus Formel (3) ergibt sich, dass der Q-Faktor niedriger ist, je größer die Impedanz der Lastschaltung 27 ist. Für die Lastschaltung 27, welche Energie mit einer konstanten Rate verbraucht, müssen die von dem Resonanzkreis 20a ausgegebene Spannung und die Impedanz der Lastschaltung 27 verringert werden, um den Q-Faktor zu erhöhen. Umgekehrt zu dem Resonanzkreis 20 in der vorangehenden Ausführungsform und den Modifizierungen, in welchen die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 parallel mitschwingen, kann der Empfänger 6 eine größere Induktivität der Empfangsspule 21 und eine kleinere Kapazität des Resonanzkondensators 22 aufweisen, um den Q-Faktor zu erhöhen, wie aus Formel (3) klar wird.
11 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, zeigt. In 11 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. In dieser Simulation gilt Lp = 174 µH, Cp = 20 nF, Ri = Ris = 0,1 Ω, n = 1, Vin = 300 V und Ro = 200 Ω (Rac ≈ 162,1 Ω). Ein Graph 1101 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 1102 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 1103 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac und die an die Sendespule 14 angelegte Spannung (0,5 * Vin) beträgt. Ein Graph 1104 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,3, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10* Rac) und die an die Sendespule 14 angelegte Spannung (0,5* Vin) beträgt. Ein Graph 1105 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac und die an die Sendespule 14 angelegte Spannung (0,25 * Vin) beträgt. Ein Graph 1106 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,6, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10* Rac) und die an die Sendespule 14 angelegte Spannung (0,25* Vin) beträgt.
Wie in 11 gezeigt, umfasst der Graph für jeden Kopplungsgrad k (in der Figur an drei Punkten 1111 bis 1113) die Kombination aus der Frequenz und der Ausgangsspannung, die dazu führt, dass eine Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant ist (oder eine konstante Spannungsausgabe veranlasst), im Gegensatz zu einem variierenden Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 bei konstantem Kopplungsgrad k. Daher kann die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dieser Modifizierung auch eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung bei einem beliebigen Kopplungsgrad bereitstellen, indem sie die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie einstellt.
12 ist ein Graph, welcher Beispielsimulationsergebnisse für den Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, für eine variierende Impedanz einer Schaltung, welche mit dem Resonanzkreis 20a verbunden ist, bei konstantem Kopplungsgrad zeigt. In 12 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Ausgangsspannung dar. Ein Graph 1201 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 1202 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 1203 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 1204 stellt den Frequenzgang der Ausgangsspannung dar, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt. Bei der Simulation wurden die gleichen Parameterwerte wie für die bei der Simulation in 11 gezeigten Schaltungselemente verwendet.
Wie in 12 gezeigt, erreicht die Ausgangsspannung, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstandswert der Lastschaltung 27 auf extrem kleine Werte verringert ist, die durch die Graphen 1203 und 1204 angegeben sind, ihr Maximum bei der Frequenz f0, bei der die im Wesentlichen gleichen Ausgangswerte für die Wechselstrom-Ersatzwiderstände der Lastschaltung 27, welche Rac und (10 * Rac) betragen, beobachtet werden. Daher ist bei einem kleineren Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 die Frequenz, bei der die Eingangsimpedanz ihr Minimum erreicht oder, genauer gesagt, der Strom durch die Sendespule 14 sein Maximum erreicht, näher zu der Frequenz f0.
13 ist ein Graph, welcher eine Beispielbeziehung zwischen dem Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, und dem Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie zeigt. In 13 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Phasenverzögerung dar. In dem Graphen gibt die Phasenverzögerung mit einem positiven Wert an, dass die Phase des Stroms relativ zu der Phase der Spannung verzögert ist. Auch bei dieser Simulation wurden die gleichen Parameterwerte wie für die bei der Simulation in 11 gezeigten Schaltungselemente verwendet.
Ein Graph 1311 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac beträgt. Ein Graph 1312 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (10 * Rac) beträgt. Ein Graph 1313 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,1 * Rac) beträgt. Ein Graph 1314 stellt den Frequenzgang einer Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie dar, welcher erhalten wird, wenn der Kopplungsgrad k = 0,15 und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt.
Wie in 13 gezeigt, ist bei einem kleineren Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 die Frequenz, bei der die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie 0 beträgt, näher zu der Frequenz f0, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt. Insbesondere, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 (0,01 * Rac) beträgt, ist die Phasenverzögerung des Stroms relativ zu der Spannung für die an die Sendespule 14 angelegte Wechselstrom-Energie bei der Frequenz f0 im Wesentlichen 0 oder, genauer gesagt, ist der Leistungsfaktor im Wesentlichen 1.
Daher steuert auch in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung, welche den Sender 2 und den Empfänger 6 aufweist, die Steuerschaltung 19 in dem Sender 2 einfach die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie in der gleichen Weise wie in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist. Die Bestimmungsschaltung 29 in dem Empfänger 6 überträgt auch in der gleichen Weise wie in der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, Bestimmungsinformationen an den Sender 2 durch die Kommunikationseinrichtung 31 und empfängt Erfassungsinformationen von dem Sender 2, um das Relais 30 zu steuern.
In noch einer anderen Modifizierung können zwei in Reihe geschaltete MOSFETs als Kurzschlussschaltung anstelle eines Relais verwendet werden. In diesem Fall können die Source-Anschlüsse oder Drain-Anschlüsse der beiden MOSFETs miteinander verbunden sein. Um den Resonanzkreis 20 (oder Resonanzkreis 20a) kurzzuschließen, kann die Bestimmungsschaltung 29 eine Spannung an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs anlegen, um die MOSFETs einzuschalten. Um den Resonanzkreis 20 (oder Resonanzkreis 20a) zu öffnen, kann die Bestimmungsschaltung 29 eine Spannung an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs anlegen, um die MOSFETs einzuschalten.
Wie vorangehend beschrieben, können Fachleute auf dem Gebiet verschiedene Änderungen gemäß Ausführungsformen vornehmen, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden.

Claims

Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung, umfassend: einen Sender; und einen Empfänger, der eingerichtet ist, um elektrische Energie von dem Sender in einer kontaktlosen Weise zu empfangen, wobei der Sender aufweist: eine Sendespule, die eingerichtet ist, um dem Empfänger elektrische Energie zuzuführen, eine Energieversorgungsschaltung, die eingerichtet ist, um der Sendespule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zuzuführen, eine Stromerfassungsschaltung, die eingerichtet ist, um einen Strom durch die Sendespule zu messen und einen Messwert des Stroms zu bestimmen, eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, um die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, zu steuern, und eine erste Kommunikationseinrichtung, die eingerichtet ist, um mit dem Empfänger zu kommunizieren, wobei der Empfänger aufweist: einen Resonanzkreis, der eine Empfangsspule, die eingerichtet ist, um elektrische Energie von dem Sender zu empfangen, und einen Resonanzkondensator, der eingerichtet ist, um mit der Empfangsspule als Reaktion auf eine elektrische Energie von dem Sender mitzuschwingen, aufweist, eine Gleichrichterschaltung, die eingerichtet ist, um eine von dem Resonanzkreis ausgegebene elektrische Energie gleichzurichten, eine Kurzschlussschaltung, die eingerichtet ist, um zwischen einem Kurzschließen und einem Öffnen des Resonanzkreises umzuschalten, eine Spannungserfassungsschaltung, die eingerichtet ist, um eine Ausgangsspannung einer von dem Resonanzkreis ausgegebenen elektrischen Energie zu messen und einen Messwert der Ausgangsspannung zu bestimmen, eine zweite Kommunikationseinrichtung, die eingerichtet ist, um mit dem Sender zu kommunizieren, und eine Bestimmungsschaltung, die eingerichtet ist, um zu bestimmen, ob der Messwert der Ausgangsspannung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt, und die Kurzschlussschaltung zu veranlassen, den Resonanzkreis kurzzuschließen, sowie die zweite Kommunikationseinrichtung zu veranlassen, Bestimmungsinformationen zu übertragen, welche angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung ausgibt, wenn der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt, und wobei die Steuerschaltung in dem Sender als Reaktion auf die von dem Empfänger durch die erste Kommunikationseinrichtung empfangenen Bestimmungsinformationen, welche angeben, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung keine konstante Spannung ausgibt, eine Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie erfasst, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß dem Messwert des Stroms eine konstante Spannung ausgibt.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Empfänger ferner eine Spule aufweist, die mit der Empfangsspule zwischen dem Resonanzkreis und der Gleichrichterschaltung in Reihe geschaltet ist, die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in dem Resonanzkreis parallel geschaltet sind, die Kurzschlussschaltung ein Ende aufweist, das zwischen die Spule und die Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und die Bestimmungsschaltung die Kurzschlussschaltung dazu veranlasst, den Resonanzkreis über die Spule kurzzuschließen, wenn der Messwert der Ausgangsspannung außerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in dem Resonanzkreis in Reihe geschaltet sind.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerschaltung in dem Sender bestimmt, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung bei einer Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie ausgibt, bei welcher der Messwert des Stroms größer oder gleich einer vorbestimmten Schwelle ist.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerschaltung in dem Sender bestimmt, dass die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung bei einer Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie ausgibt, bei welcher ein absoluter Wert einer Differenz zwischen einer Phase des Messwerts des Stroms und einer Phase der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule zugeführt wird, kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwelle ist.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerschaltung in dem Sender, nachdem sie die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie erfasst hat, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt, die erste Kommunikationseinrichtung dazu veranlasst, Erfassungsinformationen zu übertragen, welche die Erfassung der Schaltfrequenz angeben, und die Bestimmungsschaltung in dem Empfänger die Kurzschlussschaltung dazu veranlasst, den Resonanzkreis zu öffnen, nachdem sie die Erfassungsinformationen durch die zweite Kommunikationseinrichtung empfangen hat.
Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Steuerschaltung in dem Sender, nachdem sie die erste Kommunikationseinrichtung dazu veranlasst hat, die Erfassungsinformationen zu übertragen, die Energieversorgungsschaltung steuert, die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule zugeführt wird, auf eine Spannung zu regeln, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung eine konstante Spannung ausgibt.