DE102014220224A1 - Method and system for the contactless charging of a battery-operated object - Google Patents

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Jan Riedel
Felix Stewing
Tobias Diekhans
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar, welches eine Primärspulenanordnung (12) einer Ladestation (6) und eine Sekundärspulenanordnung (22) des batteriebetriebenen Objekts (4) umfasst, wobei ein Inverter über eine von einem ersten Gleichrichter erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung (12) anregt und wobei an der Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten bereitgestellt wird. Ferner ist vorgesehen, dass die Anschlusspunkte während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die Zwischenkreisspannung so geregelt wird, dass Schaltpunkte des Inverters im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung (12) liegen, so dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, ein System (100), eine Ladestation (6) und ein batteriebetriebenes Objekt(4), welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.The invention relates to a method for the non-contact charging of a battery-operated object (4) via a magnetically coupled coil pair, which comprises a primary coil arrangement (12) of a charging station (6) and a secondary coil arrangement (22) of the battery-operated object (4), wherein an inverter via a is powered by a first rectifier generated DC link voltage and the primary coil assembly (12) excites and wherein at the secondary coil assembly (22) an AC voltage between two connection points is provided. It is further provided that the connection points are connected to each other during each half cycle of the AC voltage for a predetermined time interval and the DC link voltage is controlled so that switching points of the inverter in the range of a zero crossing of a current of the primary coil assembly (12), so that the inverter is driven soft switching , Further aspects of the invention relate to a computer program, a system (100), a charging station (6) and a battery-operated object (4), which are set up to carry out the method.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, ein System, eine Ladestation und ein batteriebetriebenes Objekt, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind. The invention relates to a method for contactless charging of a battery-operated object via a magnetically coupled coil pair. Further aspects of the invention relate to a computer program, a system, a charging station and a battery-operated object, which are set up to carry out the method.

Beim berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts erfolgt eine Übertragung von elektrischer Leistung über einen Luftspalt. Hierzu wird ein Spulenpaar verwendet, das über ein magnetisches Wechselfeld induktiv miteinander gekoppelt ist. In das batteriebetriebene Objekt ist dabei eine der Spulen integriert, die andere Spule ist einer Ladestation zugeordnet. Bei dem batteriebetriebenen Objekt handelt es sich zum Beispiel um ein Elektrofahrzeug oder um ein Plug-in-Hybridfahrzeug, dessen Antrieb ganz oder zumindest teilweise mittels eines Elektromotors erfolgt. Weitere Anwendungsfälle können beispielsweise das berührungslose Aufladen von elektrischen Werkzeugen oder Consumer-Geräten betreffen. When a battery-powered object is charged without contact, electrical power is transmitted via an air gap. For this purpose, a coil pair is used, which is inductively coupled to each other via a magnetic alternating field. One of the coils is integrated into the battery-operated object, the other coil is assigned to a charging station. The battery-operated object is, for example, an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle whose drive is entirely or at least partially by means of an electric motor. Other applications may include, for example, the non-contact charging of electrical tools or consumer devices.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum berührungslosen Aufladen von Fahrzeugen bekannt, bei denen Energie aus dem magnetischen Wechselfeld einer Primärspule entnommen wird und in einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird anschließend einem Energiespeicher des Fahrzeugs zugeführt. Dabei ist es jedoch erforderlich, dass das Fahrzeug möglichst präzise über der Ladestation angeordnet wird. In Abhängigkeit vom Abstand und Ausrichtung der Primärspule in der Ladestation und der Sekundärspule in dem Fahrzeug ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf das berührungslose Ladesystem. Dabei kann der Koppelfaktor des Spulensystems stark schwanken. Various methods and devices for contactless charging of vehicles are known from the prior art, in which energy is taken from the alternating magnetic field of a primary coil and is converted into electrical energy in a secondary coil associated with the vehicle. The electrical energy is then supplied to an energy storage of the vehicle. However, it is necessary that the vehicle is arranged as precisely as possible above the charging station. Depending on the distance and orientation of the primary coil in the charging station and the secondary coil in the vehicle, different influences on the non-contact charging system arise. The coupling factor of the coil system can vary greatly.

In diesem Fall besteht die Gefahr, dass das System zum berührungslosen Laden nicht in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, was in der Regel zu einem schlechteren Wirkungsgrad und/oder einem höheren magnetischen Wechselfeld im Luftspalt zwischen Primärspule und Sekundärspule führt. In this case, there is a risk that the non-contact charging system is not operated at an optimum operating point, which generally leads to a poorer efficiency and / or a higher alternating magnetic field in the air gap between the primary coil and secondary coil.

Aus DE 10 2010 055 696 A1 ist ein System zur kontaktlosen Übertragung von Energie bekannt, wobei die Frequenz des Übertragungssystems auf der Primärseite in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Sekundärseite angepasst wird. Neben einer reinen Anpassung der Systemparameter auf der Primärseite besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, durch eine sekundärseitige oder beidseitige Leistungsregelung den Betriebspunkt des induktiven Ladesystems anzupassen. Ein derartiges System wird beispielsweise in der Druckschrift US 2011/0231029 A1 beschrieben, wobei ein zusätzlicher Spannungswandler auf der Sekundärseite benötigt wird. Out DE 10 2010 055 696 A1 a system for the contactless transmission of energy is known, wherein the frequency of the transmission system is adapted to the primary side in dependence on state variables of the secondary side. In addition to a mere adaptation of the system parameters on the primary side, there is also the possibility of adjusting the operating point of the inductive charging system by means of a secondary-side or two-sided power control. Such a system is described for example in the document US 2011/0231029 A1 described, with an additional voltage transformer on the secondary side is needed.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass entweder eine einseitige Leistungsregelung erfolgt, was zu einer erhöhten Verlustleistung in ungünstigen Arbeitspunkten führt, oder es werden zusätzliche Spannungswandler im System benötigt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad reduziert und der Aufwand erhöht wird.A disadvantage of the prior art is that either a one-sided power control takes place, which leads to an increased power loss in unfavorable operating points, or additional voltage transformers are required in the system, whereby the overall efficiency is reduced and the cost is increased.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar vorgeschlagen. Das Spulenpaar umfasst eine Primärspulenanordnung einer Ladestation und eine Sekundärspulenanordnung des batteriebetriebenen Objekts, wobei ein Inverter über eine von einem ersten Gleichrichter erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung anregt. Des Weiteren wird an der Sekundärspulenanordnung eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten bereitgestellt, wobei vorgesehen ist, dass die Anschlusspunkte während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die Zwischenkreisspannung am Eingang so geregelt wird, dass die Schaltpunkte des Inverters im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung liegen, so dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird. A method for non-contact charging of a battery operated object via a magnetically coupled coil pair is proposed. The coil pair comprises a primary coil arrangement of a charging station and a secondary coil arrangement of the battery-powered object, wherein an inverter is fed via an intermediate circuit voltage generated by a first rectifier and excites the primary coil arrangement. Furthermore, an alternating voltage is provided between two connection points on the secondary coil arrangement, it being provided that the connection points are connected to each other during each half cycle of the alternating voltage for a predetermined time interval and the DC link voltage at the input is controlled so that the switching points of the inverter in the range of a zero crossing a current of the primary coil arrangement, so that the inverter is driven soft switching.

Bei dem Verfahren befindet sich das batteriebetriebene Objekt mit seiner Sekundärspulenanordnung im Bereich eines von der Primärspulenanordnung der Ladestation erzeugten magnetischen Wechselfeldes. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung ist dabei von verschiedenen Parametern abhängig. Diese Parameter umfassen insbesondere die Größe des Luftspalts zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspulenanordnung sowie Strom und Spannung auf der Sekundärseite. Da die Sekundärseite in der Regel mit einem elektrischen Energiespeicher wie eine Batterie verbunden ist, ist der Arbeitspunkt von einer Spannung dieses Energiespeichers und somit vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers abhängig. Im Fall einer Batterie als elektrischen Energiespeicher steigt mit zunehmendem Ladestand eine Spannung Ubat der Batterie an, während der Ladestrom der Batterie sinkt. Wird die Batterie über einen zweiten Gleichrichter, beispielsweise über einen Brückengleichrichter, mit der Sekundärspulenanordnung verbunden, so ist dadurch auch die Ausgangsspannung der fahrzeugseitigen Spulenanordnung festgelegt.In the method, the battery-operated object with its secondary coil arrangement is located in the region of an alternating magnetic field generated by the primary coil arrangement of the charging station. The efficiency of energy transfer depends on various parameters. In particular, these parameters include the size of the air gap between the primary coil assembly and the secondary coil assembly as well as current and voltage on the secondary side. Since the secondary side is usually connected to an electrical energy storage such as a battery, the operating point of one Voltage of this energy storage and thus the state of charge of the electrical energy storage dependent. In the case of a battery as an electrical energy storage increases with increasing charge a voltage U bat the battery, while the charging current of the battery decreases. If the battery is connected via a second rectifier, for example via a bridge rectifier, to the secondary coil arrangement, this also determines the output voltage of the vehicle-side coil arrangement.

Um den elektrischen Arbeitspunkt und damit das berührungslose Laden unabhängig vom elektrischen Energiespeicher, insbesondere unabhängig von Ladezustand und Ladeleistung der Batterie, einstellen zu können, ist vorgesehen, dass für ein vorbestimmtes Zeitintervall während jeder Halbwelle der Wechselspannung die Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden. Während die Anschlusspunkte miteinander verbunden sind, kann ein Strom durch die Sekundärspulenanordnung fließen, ohne dass der elektrische Energiespeicher beteiligt ist. Die Dioden des Brückengleichrichters verhindern hierbei, dass der elektrische Energiespeicher kurz geschlossen wird.In order to set the electrical operating point and thus the non-contact charging independent of the electrical energy storage, in particular independent of state of charge and charging power of the battery, it is provided that for a predetermined time interval during each half cycle of the AC voltage, the connection points of the secondary coil assembly are interconnected. While the connection points are connected to each other, a current can flow through the secondary coil arrangement, without the electrical energy storage being involved. The diodes of the bridge rectifier prevent this, that the electrical energy storage is shorted.

Durch das Verbinden der Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall kann der Strom durch die Sekundärspule und damit der Arbeitspunkt insbesondere unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers eingestellt werden. Dieser Freiheitsgrad kann somit eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung zu steigern.By connecting the connection points of the secondary coil arrangement during each half-wave of the alternating voltage for a predetermined time interval, the current through the secondary coil and thus the operating point can be adjusted in particular independently of the state of charge of the energy store. This degree of freedom can thus be used to increase the efficiency of the inductive energy transfer.

Ferner ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen, dass der Inverter, der zur Anregung der Primärspulenanordnung verwendet wird, von dem Zwischenkreis versorgt wird. Der Zwischenkreis wiederum wird über den ersten Gleichrichter mit elektrischer Energie versorgt, der an das Stromnetz angeschlossen ist. Das Stromnetz ist beispielsweise ein einphasiges oder dreiphasiges Wechselstromnetz, wobei der erste Gleichrichter den Inverter derart vom Wechselstromnetz entkoppelt, dass dieser als Leistungsfaktorkorrektureinrichtung (power factor correction PFC) fungiert.Furthermore, it is provided in the proposed method that the inverter which is used to excite the primary coil arrangement is supplied by the intermediate circuit. The DC link in turn is supplied via the first rectifier with electrical energy, which is connected to the mains. The power grid is, for example, a single-phase or three-phase alternating current network, the first rectifier decoupling the inverter from the alternating current network in such a way that it acts as a power factor correction device (PFC).

Der Inverter umfasst elektronische Schalter, die bevorzugt als Halbleiterschaltelemente ausgeführt sind. Über die elektronischen Schalter erzeugt der Inverter aus der Zwischenkreisspannung die Wechselspannung, mit der die Primärspulenanordnung angeregt wird. Dabei wird die Wechselspannung so eingestellt, dass die gewünschte Leistung übertragen wird. Für den Fall, dass die elektrischen Schalter an einem Punkt betätigt werden, in dem entweder der Schalter selbst oder seine gegenüberliegende Freilaufdiode gerade von einem Strom durchflossen ist, treten Schaltverluste in den Schaltern auf. Um die elektrisch betätigbaren Schalter bevorzugt an den Punkten zu schalten, an denen der Stromfluss einen Nulldurchgang aufweist, ist vorgesehen, zur Regelung auch die Zwischenkreisspannung zu beeinflussen. Somit stehen zur Regelung insgesamt drei Parameter zur Verfügung, nämlich die Zwischenkreisspannung, eine primäre Pulsweite und eine sekundäre Pulsweite. Die Pulsweiten können dabei durch das Ansteuern der elektrisch betätigbaren Schalter eingestellt werden. Wird der Inverter so betrieben, dass das Schalten der elektrisch betätigbaren Schalter ausschließlich bei einem Nulldurchgang des Stroms erfolgt, so wird der Inverter "weichschaltend" betrieben. Wird das Schalten hingegen so betrieben, dass der Strom beim Schalten keinen Nulldurchgang aufweist, so wird der Inverter „hartschaltend“ betrieben.The inverter comprises electronic switches, which are preferably designed as semiconductor switching elements. Via the electronic switches, the inverter generates the AC voltage with which the primary coil arrangement is excited from the intermediate circuit voltage. The AC voltage is adjusted so that the desired power is transmitted. In the event that the electrical switches are operated at a point in which either the switch itself or its opposite freewheeling diode is currently flowing through a current, switching losses occur in the switches. In order to switch the electrically actuated switch preferably at the points at which the current flow has a zero crossing, it is provided to influence the control circuit and the DC link voltage. Thus, a total of three parameters are available for control, namely the intermediate circuit voltage, a primary pulse width and a secondary pulse width. The pulse widths can be adjusted by controlling the electrically actuated switch. If the inverter is operated so that the switching of the electrically actuated switch takes place exclusively at a zero crossing of the current, the inverter is operated "soft switching". On the other hand, if the switching is operated in such a way that the current does not have a zero crossing during switching, then the inverter is operated "hard-switching".

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einer gemessenen elektrischen Größe in der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung bestimmt wird. Diese gemessenen elektrischen Größen können insbesondere eine Spannung und einen Strom eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eine Batteriespannung und einen Ladestrom einer Batterie umfassen.In one embodiment of the method, it is provided that the time interval in which the two connection points of the secondary coil arrangement are connected to one another is determined based at least on a measured electrical variable in the primary coil arrangement and / or the secondary coil arrangement. These measured electrical variables may in particular comprise a voltage and a current of an electrical energy store, in particular a battery voltage and a charging current of a battery.

Zusätzlich oder alternativ hierzu wird in einer Ausführungsform des Verfahrens das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, basierend auf einem Ladezustand einer Batterie bestimmt.Additionally or alternatively, in one embodiment of the method, the time interval in which the connection points are connected to each other, determined based on a state of charge of a battery.

Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es bevorzugt, wenn das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, in Abhängigkeit eines gemessenen Kopplungsfaktors des magnetisch gekoppelten Spulenpaars bestimmt wird. Dieser Kopplungsfaktor beschreibt die Qualität der magnetischen Kopplung des Spulenpaars und ist unter anderem abhängig von der Ausrichtung der Spulen zueinander und von der Größe eines Luftspalts zwischen den beiden Spulen. Der Kopplungsfaktor kann beispielsweise mittels einer Strom- und/oder Spannungsmessung bei Beaufschlagung durch ein Referenzsignal gemessen werden.Additionally or alternatively, it is preferable if the time interval in which the connection points are connected to one another is determined as a function of a measured coupling factor of the magnetically coupled coil pair. This coupling factor describes the quality of the magnetic coupling of the coil pair and is dependent inter alia on the orientation of the coil to each other and the size of an air gap between the two coils. The coupling factor can be measured, for example, by means of a current and / or voltage measurement when subjected to a reference signal.

Bevorzugt ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert annimmt, den der erste Gleichrichter einstellen kann, das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden so gewählt ist, dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird. Alternativ dazu ist es denkbar, dass für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert annimmt, den der erste Gleichrichter einstellen kann, den Inverter hartschaltend anzusteuern und das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, abhängig vom Kopplungsfaktor, dem Ladezustand der Batterie oder anderen elektrischen Parametern zu wählen. In the method, it is preferably provided that, in the event that the intermediate circuit voltage assumes the smallest value that the first rectifier can set, the time interval in which the connection points are connected to one another is selected so that the inverter is activated in a soft-switching manner. Alternatively, it is conceivable that in the event that the intermediate circuit voltage assumes the smallest value that the first rectifier can set, the inverter hard switching to control and the time interval in which the connection points are interconnected, depending on the coupling factor, the state of charge of the battery or other electrical parameters.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hier beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Software-Modul, eine Software-Routine oder eine Software-Subroutine zur Implementierung eines Ladesystems mit einem batteriebetriebenen Objekt und einer Ladestation handeln. Das Computerprogramm kann auf dem batteriebetriebenen Objekt als auch auf der Ladestation oder auf diesen verteilt gespeichert sein, insbesondere auf permanenten oder wiederbeschreibbaren maschinenlesbaren Speichermedien oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher wie einer CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk wie das Internet oder über eine Kommunikationsverbindung wie eine Telefonleitung oder eine Drahtlosverbindung. Im Falle eines Elektrofahrzeugs kann das Computerprogramm auf einem Steuergerät im Fahrzeug gespeichert sein. According to the invention, a computer program is also proposed according to which one of the methods described here is carried out, wherein the computer program is executed on a programmable computer device. The computer program may be, for example, a software module, a software routine or a software subroutine for implementing a charging system with a battery-operated object and a charging station. The computer program can be stored on the battery-operated object as well as on the charging station or distributed on it, in particular on permanent or rewritable machine-readable storage media or in association with a computer device, for example on a portable storage such as a CD-ROM, DVD, Blu-ray Disc, a USB stick or a memory card. Additionally or alternatively, the computer program may be provided for download on a computing device such as a server or a cloud server, for example via a data network such as the Internet or via a communication link such as a telephone line or a wireless connection. In the case of an electric vehicle, the computer program may be stored on a control device in the vehicle.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System mit einer Ladestation, einem batteriebetriebenen Objekt und einem Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für das System und umgekehrt die im Rahmen des Systems beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren.According to another aspect of the invention, there is provided a system including a charging station, a battery operated object, and a controller, wherein the controller is configured to perform one of the methods described herein. Accordingly, features described in the context of the method correspondingly apply to the system and, conversely, the features described within the framework of the system correspondingly apply to the method.

Das Steuergerät kann dabei der Ladestation oder dem batteriebetriebenen Objekt zugeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sowohl das batteriebetriebene Objekt als auch die Ladestation mit Steuergeräten ausgestattet sind, welche gemeinsam das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.The control unit can be assigned to the charging station or the battery-powered object. Alternatively, it can be provided that both the battery-operated object and the charging station are equipped with control units which jointly carry out the method according to the invention.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung werden eine Ladestation sowie ein batteriebetriebenes Objekt zur Verwendung mit einem derartigen Systemen bereitgestellt.In accordance with further aspects of the invention, a charging station and a battery operated object for use with such systems are provided.

Die Begriffe "Batterie" und "batteriebetrieben" werden in der vorliegenden Beschreibung wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich auch für Akkumulator beziehungsweise akkumulatorbetrieben verwendet. In der Batterie können mehrere Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet verwendet werden, um die geforderten Leistungsdaten bereitstellen zu können. Prinzipiell ist aber auch jeder andere elektrische Energiespeicher denkbar, beispielsweise Superkondensatoren.The terms "battery" and "battery-powered" are used in the present description as common in common usage also for accumulator or Akkumumulatorbetrieben. In the battery, a plurality of battery cells can preferably be spatially combined and interconnected in terms of circuitry, for example connected in series or in parallel to modules in order to be able to provide the required performance data. In principle, however, any other electrical energy storage is conceivable, for example supercapacitors.

In einer Ausführungsform der Ladestation ist vorgesehen, dass der erste Gleichrichter eingerichtet ist, eine Leistungsfaktorkorrektur vorzunehmen.In one embodiment of the charging station, it is provided that the first rectifier is set up to perform a power factor correction.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise entsprechend mit dem durch die Erfindung bereitgestellten System werden zusätzliche regelungstechnische Freiheitsgrade geschaffen, die zur Optimierung des jeweiligen Arbeitspunktes genutzt werden können, und somit den Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung steigern können. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass Anschlusspunkte an der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden können, um die fundamentale Ausgangsspannung der Sekundärspulenanordnung unabhängig von einem angeschlossenen elektrischen Energiespeicher wie einer Batterie einstellen zu können.With the method according to the invention or correspondingly with the system provided by the invention, additional control-engineering degrees of freedom are created which can be used to optimize the respective operating point, and thus can increase the efficiency of the inductive energy transfer. In this case, provision is made in particular for connection points on the secondary coil arrangement to be connected to one another in order to be able to set the fundamental output voltage of the secondary coil arrangement independently of a connected electrical energy store such as a battery.

Des Weiteren wird ein in der Regel zur Realisierung einer Leistungsfaktorkorrektur ohnehin notwendiger Gleichrichter eingesetzt, um Schaltverluste im Inverter zu reduzieren. Dazu wird die vom Gleichrichter bereitgestellte Zwischenkreisspannung so geregelt, dass die im Inverter angeordneten Schalter weichschaltend und damit verlustarm betrieben werden können.Furthermore, a rectifier, which is in any case generally necessary for realizing a power factor correction, is used in order to reduce switching losses in the inverter. For this purpose, the intermediate circuit voltage provided by the rectifier is controlled such that the switches arranged in the inverter can be operated in a soft-switching manner and thus with low losses.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Zwischenkreisspannung mit dem zeitweiligen Verbinden der Anschlusspunkte an der Sekundärseite kombiniert wird. Üblicherweise können die Gleichrichter die von ihnen bereitgestellte Zwischenkreisspannung nur über einen begrenzten Spannungsbereich einstellen, so dass ein weichschaltender Betrieb des Inverters nicht für jeden bereitgestellten Strom möglich wäre. Durch die Verbindung der Anschlusspunkte auf der Sekundärseite kann der in der Sekundärspulenanordnung fließende Strom und damit auch der in der Primärspulenanordnung fließende Strom ebenfalls beeinflusst werden, so dass ein weichschaltender Betrieb der Schalter im Inverter gewährleistet werden kann. Dadurch wird das Auftreten elektrischer Leistungsverluste minimiert und insgesamt der Wirkungsgrad des berührungslosen Ladens eines batteriebetriebenen Objekts erheblich verbessert. It is particularly advantageous if the regulation of the intermediate circuit voltage is combined with the temporary connection of the connection points on the secondary side. Typically, the rectifiers can adjust the DC link voltage provided by them only over a limited voltage range, so that a soft-switching operation of the inverter would not be possible for each provided current. By connecting the connection points on the secondary side, the current flowing in the secondary coil arrangement and thus also the current flowing in the primary coil arrangement can likewise be influenced, so that a soft switching operation of the switches in the inverter can be ensured. As a result, the occurrence of electrical power losses is minimized and the overall efficiency of the contactless charging of a battery-operated object is significantly improved.

Auch wenn in einigen Arbeitspunkten ein hartschaltender Betrieb des Inverters notwendig ist, so lassen sich durch ein Herabsetzen der Zwischenkreisspannung durch die vorgeschaltete Gleichrichterstufe die Schaltverluste im Inverter in diesen Arbeitspunkten zumindest reduzieren.Even if a hard-switching operation of the inverter is necessary in some operating points, the switching losses in the inverter can at least be reduced in these operating points by reducing the intermediate circuit voltage through the upstream rectifier stage.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung und eines batteriebetriebenen Objekts, 1 a schematic representation of a charging device and a battery-powered object,

2 einen schematischen Aufbau eines Systems zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts, 2 a schematic structure of a system for contactless charging a battery-powered object,

3 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Systems zum berührungslosen Laden, 3 a schematic representation of a circuit diagram of a system for non-contact charging,

4 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Volllast gemäß einer Ausführungsform, 4 a schematic representation of the current and voltage waveforms in the primary and secondary coil assembly at full load according to an embodiment,

5 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast gemäß einer Ausführungsform, 5 a schematic representation of the current and voltage waveforms in the primary and secondary coil assembly at partial load according to an embodiment,

6 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast gemäß einer weiteren Ausführungsform und 6 a schematic representation of the current and voltage waveforms in the primary and secondary coil assembly at partial load according to another embodiment and

7 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform. 7 a schematic representation of the current and voltage waveforms in the primary and secondary coil assembly according to another embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponente verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar components are denoted by the same or similar reference numerals, and in individual cases dispensed with a repeated description of this component. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts 4. Das batteriebetriebene Objekt 4 ist hier als Elektrofahrzeug ausgeführt und umfasst eine Sekundärspulenanordnung 22. Das batteriebetriebene Objekt 4 wurde so positioniert, dass dessen Sekundärspulenanordnung 22 direkt über der Primärspulenanordnung 12 einer Ladestation 6 liegt. Die Ladestation 6 ist mit einem Wechselstromnetz 8 verbunden, worüber die Ladestation 6 elektrische Energie bezieht. Zum berührungslosen Laden des batteriebetriebenen Objekts 4 erzeugt die Ladestation 6 über ihre Primärspulenanordnung 12 ein magnetisches Wechselfeld, welches den Luftspalt mit der Höhe h überbrückt und in der Sekundärspulenanordnung 22 wieder in einen elektrischen Strom umgesetzt wird. Dieser elektrische Strom kann dann verwendet, um die Batterie 34 des batteriebetriebenen Objekts 4 aufzuladen. 1 shows a schematic representation of a system 100 for the contactless charging of a battery operated object 4 , The battery powered object 4 is designed here as an electric vehicle and includes a secondary coil assembly 22 , The battery powered object 4 was positioned so that its secondary coil arrangement 22 directly above the primary coil assembly 12 a charging station 6 lies. The charging station 6 is with an AC mains 8th connected, about which the charging station 6 refers to electrical energy. For contactless charging of the battery operated object 4 generates the charging station 6 via its primary coil arrangement 12 an alternating magnetic field which bridges the air gap with the height h and in the secondary coil arrangement 22 is converted back into an electric current. This electrical current can then be used to charge the battery 34 of the battery operated object 4 charge.

In 2 ist das System 100 zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts 4 schematisch dargestellt. Die elektrische Energie wird einem Wechselstromnetz 8 entnommen, welches beispielsweise als ein einphasiges oder dreiphasiges Wechselstromnetz 8 ausgeführt ist. Über einen ersten Gleichrichter 10 wird eine Zwischenkreisspannung Udc bereitgestellt, über die ein Inverter 11 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der erste Gleichrichter 10 entkoppelt dabei den Inverter 11 derart vom Wechselstromnetz 8, dass durch den ersten Gleichrichter 10 eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bereitgestellt wird.In 2 is the system 100 for the contactless charging of a battery operated object 4 shown schematically. The electrical energy becomes an AC network 8th taken, for example, as a single-phase or three-phase AC mains 8th is executed. About a first rectifier 10 an intermediate circuit voltage U dc is provided, via which an inverter 11 supplied with electrical energy becomes. The first rectifier 10 decouples the inverter 11 such from the AC mains 8th that through the first rectifier 10 a power factor correction (PFC) is provided.

Der Inverter 11 erzeugt eine Wechselspannung, über den eine Primärspulenanordnung eines Spulenpaars 20 angeregt wird. Das Spulenpaar 20 weist zudem eine Sekundärspulenanordnung auf, über die elektrische Energie aus dem durch die Primärspulenanordnung erzeugten magnetischen Wechselfeld entnommen und einem zweiten Gleichrichter 21 zur Verfügung gestellt wird. An den zweiten Gleichrichter 21 ist ein elektrischer Energiespeicher in Form einer Batterie 34 angeschlossen. Die Batterie 34 weist dabei eine Batteriespannung Ubat auf und wird mit der vom zweiten Gleichrichter 21 bereitgestellten elektrischen Energie aufgeladen. The inverter 11 generates an AC voltage across which a primary coil assembly of a coil pair 20 is stimulated. The coil pair 20 also has a secondary coil arrangement, taken over the electrical energy from the magnetic alternating field generated by the primary coil assembly and a second rectifier 21 is made available. To the second rectifier 21 is an electrical energy storage in the form of a battery 34 connected. The battery 34 in this case has a battery voltage U bat and is with the second rectifier 21 charged electrical energy charged.

Über ein Steuergerät 30 können zur Optimierung des Wirkungsgrads der elektrischen Energieübertragung der erste Gleichrichter 10, der Inverter 11 und der zweite Gleichrichter 21 beeinflusst werden. Als Eingangsgrößen dienen dem Steuergerät 30 dabei insbesondere die Zwischenkreisspannung Udc, ein Batteriestrom Ibat, eine Batteriespannung Ubat und eine Höhe h eines Luftspalts zwischen Primärspulenanordnung und Sekundärspulenanordnung.Via a control unit 30 can be used to optimize the efficiency of electrical energy transfer of the first rectifier 10 , the inverter 11 and the second rectifier 21 to be influenced. The control units are used as input variables 30 in particular the intermediate circuit voltage U dc , a battery current I bat , a battery voltage U bat and a height h of an air gap between the primary coil arrangement and the secondary coil arrangement.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für das System 100 zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts 4. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Primärseite 1 und eine Sekundärseite 2. Die Primärseite 1 wird vom ersten Gleichrichter 10 mit der Zwischenkreisspannung Udc Energie versorgt. Der Inverter 11 kann beispielsweise als eine Vollbrücke mit vier Schaltelementen S1 bis S4 ausgeführt sein. Jedes dieser Schaltelemente S1 bis S4 stellt einen elektrisch betätigbaren Schalter dar, der insbesondere als MOSFET oder als IGBT ausgeführt sein kann. Jedem der Schaltelemente S1 bis S4 kann eine Freilaufdiode D1 bis D4 parallel geschaltet werden. Durch das gezielte Betätigen der Schaltelemente S1 bis S4 wird eine rechteckförmige Wechselspannung U1 erzeugt, die einer Primärspulenanordnung 12 des Spulenpaares 20 zugeführt wird. Die Primärspulenanordnung 12 umfasst einen Resonanzkreis, der beispielsweise durch eine Primärspule L1 und einen Serienresonanzkondensator C1 gebildet wird. Vorzugsweise ist die Frequenz des durch den Inverter 11 bereitgestellten Wechselstroms beziehungsweise der bereitgestellten Wechselspannung U1 auf eine Resonanzfrequenz ω0 der Primärspulenanordnung 12 abgestimmt. 3 shows a schematic representation of a circuit arrangement for the system 100 for the contactless charging of a battery operated object 4 , The circuit arrangement comprises a primary side 1 and a secondary side 2 , The primary side 1 is from the first rectifier 10 supplied with the intermediate circuit voltage U dc energy. The inverter 11 For example, it may be implemented as a full bridge with four switching elements S1 to S4. Each of these switching elements S1 to S4 represents an electrically operable switch, which can be designed in particular as a MOSFET or as an IGBT. Each of the switching elements S1 to S4, a freewheeling diode D1 to D4 can be connected in parallel. The targeted actuation of the switching elements S1 to S4, a rectangular alternating voltage U 1 is generated, which is a primary coil assembly 12 of the coil pair 20 is supplied. The primary coil assembly 12 comprises a resonant circuit, which is formed for example by a primary coil L 1 and a series resonant capacitor C 1 . Preferably, the frequency of the through the inverter 11 provided alternating current or the provided AC voltage U 1 to a resonant frequency ω 0 of the primary coil assembly 12 Voted.

Die Sekundärseite 2 umfasst eine Sekundärspulenanordnung 22, die ebenfalls Teil des Spulenpaares 20 ist. Die Sekundärspulenanordnung 22 umfasst eine Sekundärspule L2 und einen in Serie geschalteten Resonanzkondensator C2. Die Sekundärspulenanordnung 22 ist mit dem Eingang eines zweiten Gleichrichters 21 verbunden. Der zweite Gleichrichter 21 umfasst die Dioden D5 bis D8, wobei parallel zu den beiden unteren Dioden D7 und D8 des zweiten Gleichrichters 21 jeweils ein Schaltelement S5 beziehungsweise S6 angeordnet ist. Bei diesen Schaltelementen S5 und S6 handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um Halbleiterschaltelemente, die beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgeführt sein können. Die Dioden D7 und D8 müssen hierbei nicht diskret ausgeführt sein, sondern können auch intrinsische Dioden der jeweiligen Halbleiterschaltelemente S5 oder S6 sein. Die Ausgangsspannung des zweiten Gleichrichters 21 wird in der in 3 dargestellten Ausführungsform über einen Glättungskondensator C3 geglättet. Der Ausgang des zweiten Gleichrichters 21 wird mit der aufzuladenden Batterie 34 (nicht dargestellt) verbunden, so dass am Ausgang die Spannung Ubat der Batterie 34 anliegt.The secondary side 2 includes a secondary coil assembly 22 , which are also part of the coil pair 20 is. The secondary coil arrangement 22 comprises a secondary coil L 2 and a series-connected resonance capacitor C 2 . The secondary coil arrangement 22 is with the input of a second rectifier 21 connected. The second rectifier 21 includes the diodes D5 to D8, wherein parallel to the two lower diodes D7 and D8 of the second rectifier 21 in each case a switching element S5 or S6 is arranged. These switching elements S5 and S6 are preferably also semiconductor switching elements, which may be designed, for example, as a MOSFET or IGBT. The diodes D7 and D8 need not be discrete, but may also be intrinsic diodes of the respective semiconductor switching elements S5 or S6. The output voltage of the second rectifier 21 will be in the in 3 embodiment smoothed over a smoothing capacitor C 3 smoothed. The output of the second rectifier 21 comes with the battery to be charged 34 (not shown), so that at the output voltage U bat the battery 34 is applied.

Wie aus 3 zu erkennen ist, werden durch das Schließen der beiden Schaltelemente S5 und S6 die beiden Ausgänge der Sekundärspulenanordnung 22 miteinander elektrisch verbunden. Die beiden Ausgänge sind in 3 als Anschlusspunkte 32 gekennzeichnet. Zum Verbinden der Anschlusspunkte 32 werden die Schaltelemente S5 und S6 über eine Steuervorrichtung 23 gezielt angesteuert, so dass diese für ein vorgegebenes Zeitintervall während jeder Halbwelle der Wechselspannung geschlossen bzw. geöffnet werden. Die Steuervorrichtung 23 wird vom Steuergerät 30 kontrolliert, so dass das vorbestimmte Zeitintervall b, in dem beiden Schalter geöffnet sind, abhängig von verschiedenen Zustandsparametern wie der Zwischenkreisspannung Udc, dem Batteriestrom Ibat, der Batteriespannung Ubat und der Höhe h des Luftspalts zwischen der Primärspulenanordnung 12 und der Sekundärspulenanordnung 22 geregelt werden kann.How out 3 can be seen, by closing the two switching elements S5 and S6, the two outputs of the secondary coil assembly 22 electrically connected to each other. The two outputs are in 3 as connection points 32 characterized. For connecting the connection points 32 The switching elements S5 and S6 via a control device 23 selectively controlled, so that they are closed or opened for a predetermined time interval during each half cycle of the AC voltage. The control device 23 is from the controller 30 controlled so that the predetermined time interval b, are opened in the two switches, depending on various state parameters such as the intermediate circuit voltage U dc , the battery current I bat , the battery voltage U bat and the height h of the air gap between the primary coil assembly 12 and the secondary coil assembly 22 can be regulated.

Für eine induktive Energieübertragung von der Primärseite 1, die insbesondere einer Ladestation 6 zugeordnet sein kann, zu der Sekundärseite 2, die insbesondere dem batteriebetriebenen Objekt 4 zugeordnet sein kann, wird durch das Anlegen der Wechselspannung U1 an der Primärspulenanordnung 12 von der Primärspule L1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dabei fließt in der Primärspule L1 ein entsprechender Wechselstrom I1. Das magnetische Wechselfeld koppelt in die Spule L2 der Sekundärspulenanordnung 22 ein und induziert dort eine elektrische Wechselspannung, so dass dort ein entsprechender Strom I2 fließt. Der Wechselstrom am Ausgang der Sekundärspulenanordnung 22 wird durch den zweiten Gleichrichter 21 gleichgerichtet, durch den Glättungskondensator C3 geglättet und steht dann als Ausgangsspannung bereit. Mit der Ausgangsspannung beziehungsweise dem Ausgangsstrom kann dann die Batterie 34 geladen werden. For inductive energy transfer from the primary side 1 , in particular a charging station 6 can be assigned to the secondary side 2 especially the battery operated object 4 can be assigned, by applying the AC voltage U 1 to the primary coil assembly 12 from the primary coil L 1 generates an alternating magnetic field. In this case, in the primary coil L 1, a corresponding alternating current I 1 flows . The alternating magnetic field couples into the coil L 2 of the secondary coil arrangement 22 and induces there an electrical alternating voltage, so that there flows a corresponding current I 2 . The alternating current at the output of the secondary coil arrangement 22 is through the second rectifier 21 rectified, smoothed by the smoothing capacitor C 3 and is then ready as an output voltage. With the output voltage or the output current can then be the battery 34 getting charged.

4 zeigt den Verlauf des Stroms I1 und der Spannung U1 in der Primärspulenanordnung 12 (oberes Diagramm) beziehungsweise des Stroms I2 und der Spannung U2 in der Sekundärspulenanordnung 22 (unteres Diagramm) im Volllastbetrieb. Durch gezieltes Ansteuern der Schaltelemente S1 bis S4 wird die Zwischenkreisspannung Udc mit wechselndem Vorzeichen jeweils für eine Zeitdauer a auf die Primärspulenanordnung 12 gegeben. Die Zeitdauer a wird dabei als Pulsweite der Spannung U1 bzw. als primäre Pulsweite bezeichnet. Die Amplitude der Grundwelle der Spannung U1 kann dann über die Pulsweite a eingestellt werden. Die Spannung U1 weist dabei eine periodische Wellenform auf, die rechteckförmig ist. Bezogen auf die Periodendauer der Wellenform kann die Pulsweite a auch als Phasenwinkel ausgedrückt werden, wobei ein Phasenwinkel von 180° einer reinen Rechteckspannung entsprechen würde. 4 shows the course of the current I 1 and the voltage U 1 in the primary coil assembly 12 (upper diagram) and the current I 2 and the voltage U 2 in the secondary coil arrangement 22 (lower diagram) in full load operation. By selective control of the switching elements S1 to S4, the intermediate circuit voltage U dc with changing sign in each case for a period of time a on the primary coil assembly 12 given. The time duration a is referred to as the pulse width of the voltage U 1 or as the primary pulse width. The amplitude of the fundamental wave of the voltage U 1 can then be adjusted via the pulse width a. The voltage U 1 in this case has a periodic waveform which is rectangular. Based on the period of the waveform, the pulse width a can also be expressed as a phase angle, wherein a phase angle of 180 ° would correspond to a pure square-wave voltage.

Im Folgenden wird für die Beschreibung als Vereinfachung nur die sinusförmige Grundwelle der rechteckförmigen Spannung betrachtet. Diese Vereinfachung ist gerechtfertigt, da höhere Frequenzen stark gedämpft werden. Die Amplitude der Grundwelle der Spannung U1 berechnet sich bei der Resonanzfrequenz ω = ω0 dabei zu: U1 = 4 / πUdcsin a / 2 In the following, for the sake of simplicity, only the sinusoidal fundamental wave of the rectangular voltage will be considered. This simplification is justified because higher frequencies are strongly attenuated. The amplitude of the fundamental wave of the voltage U 1 is calculated at the resonance frequency ω = ω 0 : U 1 = 4 / πU dc sin a / 2

In einem ersten Betriebsmodus bleiben dabei die beiden Schaltelemente S5 und S6 der Sekundärseite 2 dauerhaft geöffnet. Die sekundärseitige Leistungselektronik verhält sich dadurch wie ein rein passiver Gleichrichter. In diesem Betriebsmodus berechnen sich die Amplituden der Grundwellen der Ströme und der Spannungen bei Resonanzfrequenz ω0 in 4 betragsmäßig zu:

Figure DE102014220224A1_0002
In a first operating mode, the two switching elements S5 and S6 remain on the secondary side 2 permanently open. The secondary-side power electronics behave like a purely passive rectifier. In this operating mode, the amplitudes of the fundamental waves of the currents and of the voltages at resonant frequency ω 0 in are calculated 4 in amount to:
Figure DE102014220224A1_0002

Dabei ist der Primärstrom I1 nur von der am Ausgang der Sekundärseite 2 anliegenden Spannung Ubat und einer Gegeninduktivität M des Spulenpaares 20 abhängig. Dieser Primärstrom I1 kann durch eine Regelung der Pulsweite a des Inverters 11 nicht beeinflusst werden.The primary current I 1 is only from the output of the secondary side 2 applied voltage U bat and a mutual inductance M of the coil pair 20 dependent. This primary current I 1 can be controlled by regulating the pulse width a of the inverter 11 not affected.

5 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Primärspannung U1 und des Primärstroms I1 im oberen Diagramm sowie im unteren Diagramm eine schematische Darstellung der Sekundärspannung U2 und des Sekundärstroms I2 im Teillastbetrieb. Dabei sind in der in 5 dargestellten Ausführungsform die Schaltelemente S5 und S6 dauerhaft geöffnet. Dieser Betriebsmodus entspricht den Strom- beziehungsweise Spannungsverläufen, wie sie auch bei einer konventionellen induktiven Energieübertragung mit rein primärseitiger Regelung und passivem zweiten Gleichrichter 21 auf der Sekundärseite 2 auftreten. Auch hier kann der Strom I1 auf der Primärseite durch die Regelung der Pulsweite a im Inverter 11 nicht beeinflusst werden. Dies führt dazu, dass durch den hohen Primärstrom I1 von hier etwa 20 A hohe Verluste verursacht werden. 5 shows a schematic representation of the time course of the primary voltage U 1 and the primary current I 1 in the upper diagram and in the lower diagram is a schematic representation of the secondary voltage U 2 and the secondary current I 2 in partial load operation. Here are in the in 5 illustrated embodiment, the switching elements S5 and S6 permanently open. This operating mode corresponds to the current or voltage curves, as in a conventional inductive power transmission with purely primary-side control and passive second rectifier 21 on the secondary side 2 occur. Again, the current I 1 on the primary side by controlling the pulse width a in the inverter 11 not affected. As a result, the high primary current I 1 causes about 20 A high losses from here.

In 6 ist wiederum im oberen Diagramm der Verlauf der Primärspannung U1 und des Primärstroms I1 aufgetragen sowie im unteren Diagramm der Verlauf der Sekundärspannung U2 und des Sekundärstroms I2. Ähnlich wie in der in 5 dargestellten Situation wird das System 100 in einem Teillastbetrieb betrieben, wobei bei dem in 6 dargestellten Betriebsmodus die Schaltelemente S5 und S6 auf der Sekundärseite 2 nun gezielt periodisch geschlossen werden. Sind die Schaltelemente S5 und S6 geschlossen, so befindet sich die Sekundärspulenanordnung 22 in einem Freilaufzustand, bei dem der Sekundärstrom I2 weiterhin durch die sekundärseitige Spule L2 und deren Serienresonanzkondensator C2 fließt, jedoch nicht in den Glättungskondensator C3 fließt. Nachdem die Schaltelemente S5 und S6 wieder geöffnet werden, fließt der Sekundärstrom I2 über den Glättungskondensator C3 in eine am Ausgang der Sekundärseite 2 angeschlossene Last, wie beispielsweise die Batterie 34. In 6 is in turn plotted in the upper diagram, the course of the primary voltage U 1 and the primary current I 1 and in the lower diagram, the course of the secondary voltage U 2 and the secondary current I 2 . Similar to the in 5 the situation presented is the system 100 operated in a partial load operation, wherein the in 6 illustrated operating mode, the switching elements S5 and S6 on the secondary side 2 now be closed periodically targeted. If the switching elements S5 and S6 are closed, then the secondary coil arrangement is located 22 in a coasting state in which the secondary current I 2 continues to flow through the secondary-side coil L 2 and its series resonant capacitor C 2 , but does not flow into the smoothing capacitor C 3 . After the switching elements S5 and S6 are opened again, the secondary current I 2 flows via the smoothing capacitor C 3 into one at the output of the secondary side 2 connected load, such as the battery 34 ,

In der 6 ist die Zeitdauer, für die die Schaltelemente S5 und S6 geöffnet sind, als Pulsweite b eingezeichnet. Die Pulsweite b wird auch als sekundäre Pulsweite bezeichnet. Möchte man stattdessen die Zeitdauer angeben, für die die Schaltelemente S5 und S6 geschlossen sind, also die Anschlusspunkte 32 der Sekundärspulenanordnung 22 miteinander verbunden sind, so kann diese Zeitdauer erhalten werden, indem man von der Periodendauer der Schwingung des Wechselstroms beziehungsweise der Spannung die Pulsweite b abzieht.In the 6 is the period of time for which the switching elements S5 and S6 are opened, shown as the pulse width b. The pulse width b is also called the secondary pulse width. If you want to specify instead the time duration for which the switching elements S5 and S6 are closed, so the connection points 32 the secondary coil assembly 22 connected to each other, this period can be obtained by subtracting the pulse width b from the period of the oscillation of the alternating current or the voltage.

Im Folgenden wird für die Betrachtung zur Vereinfachung nur die Amplitude der Grundwelle der sekundärseitigen Spannung U2 betrachtet. Die Amplitude der Grundwelle der sekundärseitigen Spannung U2 berechnet sich damit zu: U2 = 4 / πUbatsin b / 2 In the following, only the amplitude of the fundamental wave of the secondary-side voltage U 2 is considered for the sake of simplification. The amplitude of the fundamental wave of the secondary voltage U 2 is thus calculated as: U 2 = 4 / πU bat sin b / 2

Die Amplitude der Grundwelle der primärseitigen Spannung U1 ergibt sich weiterhin zu: U1 = 4 / πUdcsin a / 2 The amplitude of the fundamental wave of the primary-side voltage U 1 is also given by: U 1 = 4 / πU dc sin a / 2

Somit ergeben sich die Scheitelwerte des Sekundärstroms I2 und des Primärstroms I1 betragsmäßig zu:

Figure DE102014220224A1_0003
Thus, the peak values of the secondary current I 2 and the primary current I 1 amount to:
Figure DE102014220224A1_0003

Durch den neu eingeführten Freilaufzustand auf der Sekundärseite 2 können daher jetzt sowohl der Primärstrom I1 als auch der Sekundärstrom I2 gezielt eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die induktive Energieübertragung in einem jeweils optimalen Arbeitspunkt zu betreiben und damit die induktive Energieübertragung auch bei unterschiedlichem Luftspalt h oder einem lateralen Versatz der Primärspulenanordnung 12 zur Sekundärspulenanordnung 22 sowie auch im Teillastbetrieb jeweils optimal anzupassen.Due to the newly introduced freewheeling state on the secondary side 2 Therefore, both the primary current I 1 and the secondary current I 2 can now be set specifically. This makes it possible to operate the inductive energy transfer in each case an optimal operating point and thus the inductive energy transfer even with different air gap h or a lateral offset of the primary coil assembly 12 to the secondary coil assembly 22 as well as optimally adapted in partial load operation.

Zur Bestimmung der Pulsweite b, also der Zeitdauer, während der die Schaltelemente S5 und S6 geöffnet sind, sind dabei verschiedene Betriebsstrategien möglich. Für eine erste Betriebsstrategie können beispielsweise auf der Primärseite 1 und der Sekundärseite 2 gleiche Pulsweiten a und b verwendet werden. Die Pulsweiten a und b berechnen sich dabei für eine vorgegebene Leistung Psoll zu:

Figure DE102014220224A1_0004
In order to determine the pulse width b, ie the time duration during which the switching elements S5 and S6 are open, different operating strategies are possible. For a first operating strategy, for example, on the primary side 1 and the secondary side 2 same pulse widths a and b are used. The pulse widths a and b are calculated for a given power P soll to:
Figure DE102014220224A1_0004

Gemäß einer weiteren Betriebsstrategie wird das Verhältnis des Primärstroms I1 zum Sekundärstrom I2 auf einen konstanten Wert eingeregelt. Dabei werden die Pulsweiten a und b beispielsweise so gewählt, dass für das Aufladen einer Batterie 34 mit einer Nennspannung UNenn und der aktuellen Batteriespannung Ubat folgende Bedingung gilt:

Figure DE102014220224A1_0005
According to a further operating strategy, the ratio of the primary current I 1 to the secondary current I 2 is adjusted to a constant value. In this case, the pulse widths a and b, for example, chosen so that for charging a battery 34 with a rated voltage U rated and the current battery voltage U bat the following condition applies:
Figure DE102014220224A1_0005

Neben den zuvor bereits beschriebenen Vorteilen wird dabei die tatsächliche Batteriespannung Ubat durch die Sekundärseite 2 von dem System 100 entkoppelt, so dass auf der Primärseite 1 und auf der Sekundärseite 2 die gleichen Ströme fließen wie in einem Nennpunkt, für den das System 100 optimiert wurde. Es erfolgt somit eine Impedanzanpassung der Last durch die aktive Steuerung des zweiten Gleichrichters 21 auf der Sekundärseite 2, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich wäre.In addition to the advantages already described above, the actual battery voltage U bat is passed through the secondary side 2 from the system 100 decoupled, leaving on the primary side 1 and on the secondary side 2 the same currents flow as in a nominal point for which the system 100 was optimized. There is thus an impedance matching of the load by the active control of the second rectifier 21 on the secondary side 2 without the need for an additional DC-DC converter would be required.

In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitspunkt adaptiv anzupassen. Dabei wird ein optimaler Arbeitspunkt adaptiv so eingestellt, dass eine geforderte Leistung PSoll bei einem gegebenen Koppelfaktor und einer gegebenen Batteriespannung Ubat übertragen werden kann und gleichzeitig eine Optimierungsgröße maximiert bzw. minimiert wird. Eine solche adaptive Anpassung des Arbeitspunktes kann aufgrund des zusätzlichen Freiheitsgrades erreicht werden, den die erfindungsgemäße beidseitige Regelung ermöglicht. Als Optimierungsgröße kann beispielsweise der (gemessene) Systemwirkungsgrad dienen, aber auch andere Optimierungsgrößen sind denkbar. In a further operating strategy, it is possible to adjust the operating point adaptively. In this case, an optimum operating point is adaptively adjusted such that a required power P desired can be transmitted for a given coupling factor and a given battery voltage U bat and at the same time an optimization variable is maximized or minimized. Such adaptive adjustment of the operating point can be achieved due to the additional degree of freedom that allows the two-sided control according to the invention. For example, the (measured) system efficiency can serve as an optimization variable, but other optimization variables are also conceivable.

Ferner ist es auch möglich, den Arbeitspunkt so anzupassen, dass in dem Luftspalt zwischen Primärspule L1 und Sekundärspule L2 das magnetische Feld möglichst minimal wird. Das magnetische Wechselfeld im Luftspalt des Spulenpaars 20 (L1, L2) führt zu einer Erhitzung von metallischen Objekten durch induzierte Wirbelströme, die sich im Bereich zwischen Primärspule L1 und Sekundärspule L2 befinden können. Bei hohen Magnetfeldern stellt dies ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Durch die erfindungsgemäße Minimierung des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen der Primärspule L1 und der Sekundärspule L2 kann dieses Sicherheitsrisiko verringert werden. Alternativ kann auch bei einer Beibehaltung einer maximalen magnetischen Feldstärke das Spulenpaar 20 (L1, L2) kleiner dimensioniert werden. Somit verringern sich der erforderliche Bauraum und die Kosten für den Aufbau eines solchen Systems 100 zur induktiven Energieübertragung.Furthermore, it is also possible to adjust the operating point so that in the air gap between the primary coil L 1 and secondary coil L 2, the magnetic field is minimized. The alternating magnetic field in the air gap of the coil pair 20 (L 1 , L 2 ) leads to a heating of metallic objects by induced eddy currents, which may be located in the region between the primary coil L 1 and secondary coil L 2 . At high magnetic fields, this represents a high security risk. The inventive minimization of the magnetic field in the air gap between the primary coil L 1 and the secondary coil L 2 , this security risk be reduced. Alternatively, even if a maximum magnetic field strength is maintained, the coil pair 20 (L 1 , L 2 ) are dimensioned smaller. Thus, the required space and the cost of building such a system are reduced 100 for inductive energy transfer.

In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitsbereich des Systems 100 zur induktiven Energieübertragung durch die aktive Regelung auf der Sekundärseite 2 zu erweitern. Dabei bleiben die beiden zusätzlichen Schaltelemente S5 und S6 auf der Sekundärseite 2 während des normalen Betriebs ausgeschaltet. Die sekundärseitige Leistungselektronik mit dem zweiten Gleichrichter 21 verhält sich dabei zunächst wie ein passiver Gleichrichter. Überschreitet der Primärstrom I1 einen festgelegten Schwellwert, so wird die Ansteuerung der zusätzlichen Schaltelemente S5 und S6 aktiviert. Hierdurch ist auch bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie beispielsweise bei einem schlechten Koppelfaktor, eine Impedanzanpassung möglich. Somit kann das System 100 zur induktiven Energieübertragung selbst dann weiter betrieben werden, wenn auf andere Weise der maximale Primärstrom I1 überschritten würde, wohingegen in konventionellen Systemen eine Abschaltung erfolgen müsste. In another operating strategy, it is possible to work the system 100 for inductive energy transmission through the active control on the secondary side 2 to expand. The two additional switching elements S5 and S6 remain on the secondary side 2 switched off during normal operation. The secondary-side power electronics with the second rectifier 21 initially behaves like a passive rectifier. If the primary current I 1 exceeds a defined threshold value, the activation of the additional switching elements S5 and S6 is activated. As a result, an impedance matching is possible even in unfavorable conditions, such as a bad coupling factor. Thus, the system can 100 be continued to operate inductive energy transfer even if otherwise the maximum primary current I 1 would be exceeded, whereas in conventional systems a shutdown would have to occur.

7 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Primärspannung U1 und des Primärstroms I1 im oberen Diagramm sowie im unteren Diagramm eine schematische Darstellung der Sekundärspannung U2 und des Sekundärstroms I2. Bei dem in 7 dargestellten Betriebsmodus wird die Zwischenkreisspannung Udc, welche dem Inverter 11 als Eingangsspannung dient, ebenfalls geregelt. Gegenüber den zu 4, 5 und 6 dargestellten Situationen wurde die Zwischenkreisspannung Udc abgesenkt, wodurch sich die Zeitpunkte, an denen die Schaltelemente S1 bis S4 des Inverters 11 schalten, verschoben haben. Die Primärspannung U1 ist nun nahezu rechteckförmig, was für die Pulsweite a einem Phasenwinkel von etwa 180° entspricht. Ferner treten die Wechsel des Vorzeichens der Primärspannung U1 genau zu den Zeitpunkten auf, an denen der sinusförmige Verlauf des Primärstroms I1 einen Nulldurchgang aufweist. Werden die Schaltelemente S1 bis S4 zu diesen Zeitpunkten betätigt, treten nur geringe Verlustleistungen auf, was auch als weichschaltender Betrieb der Schaltelemente S1 bis S4 beziehungsweise des Inverters 11 bezeichnet wird. 7 shows a schematic representation of the time course of the primary voltage U 1 and the primary current I 1 in the upper diagram and in the lower diagram is a schematic representation of the secondary voltage U 2 and the secondary current I 2 . At the in 7 shown operating mode is the DC link voltage U dc , which the inverter 11 used as input voltage, also regulated. Opposite to 4 . 5 and 6 the intermediate circuit voltage U dc has been lowered, whereby the times at which the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 switch, have moved. The primary voltage U 1 is now almost rectangular, which corresponds to the pulse width a a phase angle of about 180 °. Furthermore, the changes in the sign of the primary voltage U 1 occur exactly at the times at which the sinusoidal profile of the primary current I 1 has a zero crossing. If the switching elements S1 to S4 are actuated at these points in time, only slight power losses occur, which also acts as a soft-switching operation of the switching elements S1 to S4 or of the inverter 11 referred to as.

In bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung werden sowohl eine Regelung der Pulsweiten a und b durchgeführt als auch eine Regelung der Zwischenkreisspannung Udc. In preferred embodiments of the invention, both a control of the pulse widths a and b are performed as well as a regulation of the intermediate circuit voltage U dc.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, übernimmt der erste Gleichrichter eine Korrektur des Leistungsfaktors, als sogenannte PFC-Stufe. Dabei sind sowohl Ausführungsformen zum Betrieb am einphasigen Wechselspannungsnetz, wie auch am dreiphasigen Wechselspannungsnetz vorgesehen.In a further preferred embodiment variant, the first rectifier adopts a correction of the power factor, as a so-called PFC stage. Both embodiments are provided for operation on the single-phase AC voltage network as well as on the three-phase AC voltage network.

In einer weiteren Ausführungsvariante, ist der erste Gleichrichter als dreiphasige, gesteuerte B6-Brücke ausgeführt, was eine kostengünstige Realisierung insbesondere für große Leistungen ermöglicht. In a further embodiment, the first rectifier is designed as a three-phase, controlled B6 bridge, which allows a cost-effective implementation, especially for high power.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

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Claims (13)

Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar (20), welches eine Primärspulenanordnung (12) einer Ladestation (6) und eine Sekundärspulenanordnung (22) des batteriebetriebenen Objekts (4) umfasst, wobei ein Inverter (11) über eine von einem ersten Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung (12) anregt und wobei an der Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten (32) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspunkte (32) während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die Zwischenkreisspannung so geregelt wird, dass Schaltpunkte des Inverters (11) im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung (12) liegen, so dass der Inverter (11) weichschaltend angesteuert wird.Method for the contactless charging of a battery-operated object ( 4 ) via a magnetically coupled coil pair ( 20 ), which has a primary coil arrangement ( 12 ) of a charging station ( 6 ) and a secondary coil arrangement ( 22 ) of the battery powered object ( 4 ), wherein an inverter ( 11 ) via one of a first rectifier ( 10 ) is fed and the primary coil arrangement ( 12 ) and wherein at the secondary coil arrangement ( 22 ) an AC voltage between two connection points ( 32 ), characterized in that the connection points ( 32 ) are connected to each other during each half cycle of the AC voltage for a predetermined time interval and the DC link voltage is controlled so that switching points of the inverter ( 11 ) in the region of a zero crossing of a current of the primary coil arrangement ( 12 ), so that the inverter ( 11 ) is activated soft switching. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die von einem ersten Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung, wie auch eine von einem Inverter (11) erzeugte Rechteckspannung mit variabler Pulsweite zur Regelung des berührungslosen Ladens herangezogen wird.A method according to claim 1, characterized in that both of a first rectifier ( 10 ) generated DC link voltage, as well as one of an inverter ( 11 ) generated square-wave voltage with variable pulse width for controlling the non-contact charging is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zur Regelung des berührungslosen Ladens herangezogen wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that additionally the time interval in which the two connection points ( 32 ), is used to control the non-contact charging. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einer gemessenen elektrischen Größe der Primärspulenanordnung (12) und/oder der Sekundärspulenanordnung (22) bestimmt wird. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the time interval in which the two connection points ( 32 ), at least based on a measured electrical variable of the primary coil arrangement ( 12 ) and / or the secondary coil arrangement ( 22 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einem Ladezustand einer Batterie (34) bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the time interval in which the connection points ( 32 ), at least based on a state of charge of a battery ( 34 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest in Abhängigkeit eines gemessenen Kopplungsfaktors des magnetisch gekoppeltes Spulenpaars (20) bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the time interval in which the connection points ( 32 ), at least in dependence on a measured coupling factor of the magnetically coupled coil pair ( 20 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fall, bei dem die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert einnimmt den der erste Gleichrichter (10) einstellen kann, das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden so gewählt ist, dass der Inverter (11) weichschaltend angesteuert wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the case in which the intermediate circuit voltage assumes the smallest value that the first rectifier ( 10 ), the time interval in which the connection points ( 32 ) are selected so that the inverter ( 11 ) is activated soft switching. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fall, bei dem die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert einnimmt den der erste Gleichrichter (10) einstellen kann, der Inverter (11) hartschaltend angesteuert wird und das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden entsprechend einem der Ansprüche 4 bis 6 gewählt ist.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the case in which the intermediate circuit voltage assumes the smallest value that the first rectifier ( 10 ), the inverter ( 11 ) is driven hard switching and the time interval in which the connection points ( 32 ) are interconnected according to one of claims 4 to 6 selected. Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.A computer program for performing one of the methods of any one of claims 1 to 8, wherein the computer program is executed on a programmable computer device. System (100) mit einer Ladestation (6), einem batteriebetriebenen Objekt (4) und einem Steuergerät (30), wobei die Ladestation (6) einen ersten Gleichrichter (10), einen Inverter (11), und eine Primärspulenanordnung (12) umfasst und das batteriebetriebene Objekt (4) eine Sekundarspulenanordnung (22) und einen zweiten Gleichrichter (21) umfasst, wobei der Inverter (11) über eine von dem ersten Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und eingerichtet ist, die Primärspulenanordnung (12) anzuregen und wobei an der Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten (32) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (30) eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.System ( 100 ) with a charging station ( 6 ), a battery powered object ( 4 ) and a control unit ( 30 ), the charging station ( 6 ) a first rectifier ( 10 ), an inverter ( 11 ), and a primary coil assembly ( 12 ) and the battery operated object ( 4 ) a secondary coil arrangement ( 22 ) and a second rectifier ( 21 ), wherein the inverter ( 11 ) via one of the first rectifier ( 10 ) and is arranged, the primary coil arrangement ( 12 ) and wherein at the secondary coil arrangement ( 22 ) an AC voltage between two connection points ( 32 ), characterized in that the control unit ( 30 ) is arranged to carry out one of the methods according to one of claims 1 to 8. Ladestation (6) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 10.Charging station ( 6 ) for use in a system ( 100 ) according to claim 10. Ladestation (6) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichrichter (10) eingerichtet ist, eine Leistungsfaktorkorrektur vorzunehmen.Charging station ( 6 ) according to claim 11, characterized in that the first rectifier ( 10 ) is arranged to perform a power factor correction. Batteriebetriebenes Objekt (4) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 10. Battery operated object ( 4 ) for use in a system ( 100 ) according to claim 10.
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