WO2020002227A1 - Induktive ladung von fahrzeugen mit sekundärseitiger spannungsmessung und rückwirkung der sekundärseite auf die primärseite - Google Patents

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voltage
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Martin Erler
Marc HANSELMANN
Lukas Böhler
Marc BOSCH
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of inductive charging.
  • the present invention relates to a secondary circuit device, a primary circuit device, system for energy transmission, a method for testing the secondary circuit device, a method for testing a primary circuit device.
  • a system for inductive energy transfer can be used if the charging should be done contactless.
  • an alternating magnetic field is generated in the frequency range of 25 ... 150 kHz. It should be noted that outside of this frequency band, the limit values for the emission of electromagnetic waves are defined by internationally applicable standards. Because although in principle a magnetic field is used for energy transmission, due to the fact that the magnetic field changes inherently, it is an electromagnetic wave. Because of the slow
  • electromagnetic wave however, has a wavelength of several kilometers.
  • EP 2 868 516 A1 describes a method for regulating the energy transmitted between two resonators of a system for contactless energy transmission.
  • a GPM (Ground Pad Module) with a primary coil and a CPM (Car Pad Module) with a secondary coil are used on the stationary side as the coupling element for energy transmission.
  • GPM and CPM form for coupling and
  • Coupling elements to each other is via a positioning signal e.g. RKS (Remote Keyless Entry System) measured and set.
  • RKS Remote Keyless Entry System
  • a secondary circuit device a primary circuit device, system for energy transmission, a method for testing the secondary circuit device, a method for testing a primary circuit device are specified.
  • the object of the invention is characterized by the features of the independent
  • a secondary circuit device which has a secondary coil for transmitting and / or receiving a magnetic energy of a magnetic field and for converting the magnetic energy into electrical energy, in particular into a current and a voltage.
  • the secondary circuit device has an energy transmission device for transmitting the electrical energy, a secondary-side detection device and one
  • the magnetic field is generated by a primary coil of a primary circuit device and is coupled into the secondary circuit device.
  • the magnetic field is coupled into the secondary coil by a loose coupling with a primary coil of the primary circuit device.
  • Energy transmission device has an input for connecting the secondary coil and the energy transmission device also has an output for
  • secondary-side detection device is connected to the input and / or the output of the energy transmission device in order to detect an overvoltage at the input and / or the output of the energy transmission device.
  • an overvoltage i.e. the exceeding of a predefinable voltage limit value can be caused, for example, by a load shedding at the output of the
  • Detection device is set up in such a way that it influences the magnetic field in the secondary coil by means of the clamping switching device in such a way that a current jump and / or a voltage jump is caused in the primary coil after the secondary-side detection device has recognized the overvoltage at the input and / or the output of the energy transmission device ,
  • Specified primary circuit device which has an energy generating device for providing electrical energy and a primary coil for converting the electrical energy into magnetic energy. Furthermore, the energy generating device for providing electrical energy and a primary coil for converting the electrical energy into magnetic energy. Furthermore, the energy generating device for providing electrical energy and a primary coil for converting the electrical energy into magnetic energy. Furthermore, the energy generating device for providing electrical energy and a primary coil for converting the electrical energy into magnetic energy. Furthermore, the
  • the primary coil is set up for sending and / or receiving the magnetic energy.
  • the primary-side detection device is connected to the primary coil and the primary-side detection device is further set up to detect a jump in current in the primary coil and when the jump in current is detected
  • a jump in current may through that
  • the car pad module device has the
  • the secondary circuit device and the ground pad module device has the
  • Primary circuit device are coupled via a magnetic field, in particular are loosely coupled, ie without using a ferrite core.
  • a method for testing a secondary circuit device which first involves coupling the
  • Secondary circuit device having a primary circuit device via a magnetic field.
  • the secondary circuit device specifies an energy to be transmitted in the form of a power specification, for example via a communication channel.
  • the clamping switching device is triggered or actuated, and in the primary circuit device, the triggering of the
  • Detection device can be checked.
  • a method for testing a primary circuit device which has the detection of the coupling with a secondary circuit device. This is followed by a simulation of a current jump by lowering a detection threshold for the detection of a current jump in the primary detection device and the reaction of the primary detection device triggered by the reduction is evaluated. Using this test procedure, the functionality of the primary side
  • Detection device can be checked.
  • Secondary side is in the secondary circuit device and that the primary-side detection device is located on the primary side in the primary circuit device.
  • the prefix and / or the term "primary” and “secondary” should essentially be understood as a name. Consequently, it is also possible to use the secondary one
  • the safety function is used for secondary protection, i.e. the threat comes from the secondary side and the primary side has to react quickly enough, essentially without communication, in order to get a quick response
  • a control device or a controller can use such a processor.
  • a floppy disc, hard disk, USB (Universal Serial Bus) storage device, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory) or EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) may be used as a computer-readable storage medium.
  • An ASIC (application-specific integrated circuit) or an FPGA (field-programmable gate array) can also be used as a storage medium, as can SSD (solid-state drive) technology or a flash-based storage medium.
  • a web server or a cloud can also be used as a storage medium.
  • Computer-readable storage medium may also be viewed as a communication network, such as the Internet, which involves downloading a program code may allow. It can be a radio-based network technology and / or one
  • wired network technology can be used.
  • Program element created which, when executed by a processor, executes at least one of the methods.
  • the response time of this information transfer on a physical level can be higher or faster than a transfer system that uses several
  • Communication layers for example working with OSI layers (Open Systems Interconnection) or a WLAN (Wireless LAN) system.
  • OSI layers Open Systems Interconnection
  • WLAN Wireless LAN
  • this physical return channel can be tested by targeted actuation of the clamp switching device and by evaluating the states resulting from this actuation. This also allows the components contained in the formation of the physical return channel to be tested, for example
  • the physical return channel can be used in parallel with another communication channel, for example in parallel with a protocol-based communication channel.
  • a protocol-based communication channel In order not to slow down the rapid reaction of the return channel through software layers, when setting up the physical return channel, care should be taken that essentially only hardware components are used, with correspondingly short response times, for example a comparator.
  • control device for example, can run on a control device or a controller for non-time-critical operations, such as setting switching thresholds for the
  • the secondary-side detection device for detecting the overvoltage has a secondary-side one
  • Comparator which can be used to set up a fast return channel.
  • the primary-side detection device can have a primary-side comparator for detecting the jump in current.
  • the detection device As an alternative or in addition to the detection of the current jump, it is also possible to detect a voltage jump in the primary resonance circuit by means of the detection device on the primary side.
  • the measurement of the voltage jump can be used if the voltage measurement is not evaluated for other purposes.
  • the clamp switching device is the
  • Secondary circuit device set up, when detecting the overvoltage at the input and / or at the output of the energy transmission device with at least one
  • the secondary-side detection device may be set up to change an impedance and / or quality and / or a resonance frequency of the energy transmission device when the overvoltage is detected at the output.
  • the change in the resonance frequency of the energy transmission device can be carried out by switching on and / or switching off a capacitor in the energy control device.
  • Changing the resonance frequency may result in detuning of the energy control device and thus detuning of the transmission link, so that the output is protected from excessive energy and / or power supply, even if energy is still being supplied by a primary circuit device.
  • the energy transmission device can have a rectifying device. In this example, the change in the quality of the
  • Energy transmission device can be achieved by short-circuiting the rectifying device.
  • Shorting the rectifier may be at the input of the
  • Rectifier set up and one of the secondary coil with one
  • the energy arriving at the secondary coil is transmitted via the energy transmission device.
  • the energy arriving via the secondary coil is reflected, for example back to a primary circuit device. This reflection can then be recognized in the primary circuit device and the primary circuit device can interrupt the energy transmission to the secondary circuit device in order to prevent an overvoltage from occurring at the output of the secondary circuit device.
  • the secondary-side detection device is set up when the overvoltage is detected at the input and / or at the output of the
  • Rectifier to provide a command and / or signal such that it can be transmitted via the magnetic field in order to control an energy transmission device to change the magnetic energy of the magnetic field.
  • Such a command and / or signal can be generated, for example, in the form of the reflected energy when the quality changes on the physical level, as a result of which a rapid shutdown of the energy generation can be achieved.
  • Such a command and / or signal can alternatively or additionally also via another
  • Communication channel are distributed, for example via a positioning signal channel and / or a protocol-based communication channel, in particular a WLAN communication channel. Since the magnetic field is essentially only during the
  • the overvoltage can be communicated via the magnetic field essentially only during the energy transmission to the primary circuit device. Communication can also be carried out earlier or later before / after the energy transmission by means of another separate channel.
  • the secondary-side detection device is set up when the overvoltage is detected at the input and / or at the output of the rectifying device Adapt energy transmission device so that the electrical reactive power is at least partially reflected and transmitted via the magnetic field.
  • the reflected reactive power can be evaluated by a primary circuit device in order to stop the generation of the energy.
  • the detection device on the secondary side is set up when the overvoltage is detected at the input and / or at the output of the
  • Rectifier device to interrupt the energy transmission device and / or the secondary coil.
  • the secondary-side detection device may be set up to control a clamping circuit in such a way that it interrupts the energy transmission device and / or the secondary coil.
  • interrupting the secondary coil may also be understood to mean the breaking of an oscillating circuit formed with the secondary coil and a capacitor.
  • FIG. 1 shows an inductive charging system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a block diagram of an inductive charging system according to one
  • FIG. 3 shows a simplified illustration of the inductive charging system from FIG. 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3a shows a simplified block diagram of a secondary circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of an energy transmission system with a fast communication channel according to an example
  • FIG. 5 shows the course of a detection threshold versus an output voltage during a trigger test in a time-voltage diagram according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a primary-side comparator according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a time-voltage diagram of a detection threshold that can be predetermined by means of the primary-side comparator for a functional test of the primary-side comparator according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a flow diagram for a method for testing a primary circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an inductive charging system 100 or system 100 for energy transmission according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • This shows a side view of a system for contactless charging of an electric vehicle.
  • a car pad module (CPM) 104 which serves to supply the vehicle 102 with power.
  • a magnetic field 106 is used for the transmission of the energy, the magnetic field being provided inductively by a ground pad module (GPM) 105 fixedly mounted on a ground 103.
  • the energy required for charging is taken from the main connection 107, which can be both alternating current (AC) and direct current (DC).
  • a separate connection 101 is used for communication between CPM 104 and GPM 105, which
  • radio protocol such as WLAN (Wireless LAN) or NFC.
  • This connection can be used as feedback channel 101 or as communication channel 101, via which the CPM 104 and GPM 105 can exchange information.
  • Both the magnetic field for energy transmission 106 and the radio signal 101 are
  • FIG. 2 shows a block diagram of an inductive charging system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a system for inductive energy transmission is considered, which can be used for contactless charging of an electric vehicle.
  • an alternating magnetic field 106 is generated in the frequency range from 25 to 150 kHz, for example. It should be noted that outside of this frequency band, the limit values for the emission of electromagnetic waves are defined by internationally applicable standards. In order to comply with these limit values, it is crucial that the alternating magnetic field 06 works with the fundamental oscillation in the range 25 ... 150 kHz and contains only very low harmonics.
  • the efficiency of the power transmission should be as high as possible and therefore a rectangular signal with the fundamental frequency of the alternating magnetic field is generated with electronic switches within an inverter 201, for example by means of MOSFETs, IGBTs, since this results in very low losses.
  • the square wave signal contains considerable harmonics. These harmonics can be filtered out very well with a filter 200, for example an LC filter 200.
  • the filter 200 can be designed differently.
  • a fourth order filter 200 is shown by way of example in FIG. 2, but other arrangements of capacitors and coils are also possible.
  • the input current I in and the input voltage U in are present at the input 206 of the filter 200.
  • the filter 200 has two input coils Lai and La 2 connected in parallel and the filter input capacitor Ca and the parallel connected output coils Lbi and Lb 2 and the filter output capacitor Cb. Instead of the two input coils Lai and La 2 connected in series, a single input coil La can also be used. Instead of the two input coils Lbi and Lb 2 connected in series, a single input coil Lb can also be used.
  • Energy transmission system 100 can also be operated without a filter with variable input impedance.
  • the input coils Lai and La 2 are connected directly to the output of the inverter 201.
  • Here may directly mean that no further component
  • a capacitor connected in series should not make a direct connection an indirect connection.
  • the term "direct” may be used in particular to express that connection points of corresponding components coincide and / or have the same potential.
  • Output coils Lbi and Lb 2 at the output 207 of the filter 200 are connected directly to the coils Lai and La 2 and the primary resonance circuit 202.
  • the primary resonance circuit 202 is supplied with the voltage U1 and the current 11 or IL, which has arisen from the alternating current generated by the inverter 201. Due to the
  • the primary resonance circuit 202 has the primary resonance coil L1 or primary coil L1 and the primary resonance capacitor C1 221.
  • the primary resonance circuit 202 converts the current 11 and the voltage U1 into the alternating magnetic field 106
  • alternating magnetic field 106 couples with a coupling factor k in the
  • Secondary resonance circuit 203 and transmits the energy from the primary circuit to the secondary circuit 203 by resonant and inductive energy transmission.
  • the secondary resonance circuit 203 has the secondary resonance coil L2 or
  • Secondary resonance circuit 203 is set to the resonance frequency of the primary resonance circuit 202, the secondary resonance circuit 203 is excited by the magnetic field 106 to such an extent that the secondary current I2 and the secondary voltage U2 result. These are fed to the rectifier 204 or the rectifier 204, which can provide a voltage 205 at its output 220, for example a battery 205, an intermediate circuit 205, a traction circuit 205 or an HV-DC 205 on the output side the side of the CPM 104.
  • the inductive charging system 100 is supplied via a direct voltage source 107 or input-side HV-DC (high voltage direct current) or via a
  • the energy transmission system 100 for example an ICS system 100, has a base station 105 or GPM 105, a remote device 104 or a CPM 104, the base station 105 and the remote device 104 being able to be loosely coupled to one another via an inductive coupling and the feedback channel 101. If the CPM 104 is positioned accordingly in relation to the GPM 105, a loose coupling can be assumed.
  • the base station 105 or GPM 105 has the primary circuit 202 and the remote device 104 or CPM 104 has the secondary circuit 203.
  • the primary circuit 202 has the coil L1 and the secondary circuit have the coil L2. Become the coil L1 and L2
  • magnetic fields 106 which are generated by the coils can penetrate the other coil L1, L2.
  • the part of the magnetic field that passes through the other coil L1, L2 forms the inductive coupling with the coupling factor k or the coupling factor k. This coupling forms a loosely coupled one
  • Transformer 21 1.
  • the part of the magnetic field 106 that lies outside the other coil L1, L2 forms a stray capacitance. The smaller the part of the educated
  • Mobility of the GPM 105 and CPM 104 to each other no transformer can be formed with a core in which the coupling factor k is essentially constant, the coupling factor is variable in the loosely coupled transformer and depends, for example, on the relative position of the GPM 105 and CPM 104 to one another ,
  • FIG. 3 shows a simplified illustration of the inductive charging system 100 or the system 100 for energy transmission in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
  • Controlling an ICS system 100 can help ensure functional safety in an ICS system. Because of the strong magnetic fields 106 used to transmit power, there may be regulations to protect the environment from excessive magnetic radiation. These regulations can provide, for example, that a field 106 which is generated by a GPM 105 without a CPM 104 is present or that if a CPM 104 is unfavorably coupled to the GPM, the field 106 is switched off after 2 s at the latest. It must therefore be ensured that it can be established within a time window of 2 s that the GPM 105 and the CPM 104 are coupled correctly via the field 106. Otherwise field 106 must be switched off.
  • a WLAN 101 which is used for communication between GPM 105 and CPM 104, can have a cycle time of up to 300 ms.
  • the feedback via channel 101 can ensure that the CPM and GPM are still coupled.
  • Back channel 101 for 2s may fail to transmit energy for safety reasons
  • the start of inductive charging is carried out with a constant duty cycle and a variable frequency by the inverter 201 or PWM (pulse width modulation) generator 201, the variable frequency being a
  • the start frequency at which the PWM generator 201 starts is set at the maximum possible frequency in order to minimize the attenuation between the input variable, i.e. the duty cycle and the output from the primary component 202 of the GPM 105.
  • resonance forms between primary component 202 and secondary component 203 and energy can be transmitted via field 106 between primary component 202 and secondary component 203.
  • this working frequency or resonance frequency is between 81 35 kHz and 89.5 kHz.
  • a pre-control characteristic ensures that the time interval of the start-up process does not have a predeterminable value of, for example, 2.0 s
  • Resonance frequency or in other words, the resonance frequency depends on the distance between the GPM 105 and the CPM 104.
  • an overvoltage situation at output 220 can occur.
  • a magnetically coupled system in particular a magnetically loosely coupled system 100, has a system behavior similar to that of a power source.
  • An inductive charging system 100 is such a loosely coupled system because of the mobility of the GPM compared to the CPM. This means that the system 100 for
  • Power transmission or the system 100 for inductive charging also has a high internal impedance at the output 220, as does a current source.
  • the system 100 therefore continues to drive the current into the output 220.
  • a load dump or load shedding e.g. if a fuse in the vehicle is triggered, a plug is disconnected, a line is interrupted or the battery contactors are opened, the excited vibrating rice and its continued stimulation on the part of Ground Pad Module 104 have an effect System at output 220 as a current source with high internal resistance to the DC link of the vehicle, which is connected to output 220 and is shown in FIG. 3 by load 205.
  • the secondary circuit device In the event of load shedding, the components at the output of the transmission system 100, for example rectifiers or filters, could be destroyed as a result of the overvoltage.
  • the secondary circuit device provides a crowbar 301, a clamping switch device 301 or protective device 301 at any point on the secondary circuit device 104 ′.
  • the protective device 301 detects a load shedding at the output 220 of the energy transmission system 100 and very quickly reduces the active power transmitted to the output 220 and / or stops the energy transmission.
  • the protective device 301 can use both hardware components and software components for the rapid reaction. However, in order to achieve a quick response, the use of software components is avoided as far as possible.
  • FIG. 3a shows a simplified block diagram of a secondary circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Clamp switching device 301 or crowbar 301 can be used at any point in the secondary circuit device 104 '. As shown in Fig. 3a, it is possible to use the crowbar 301 also between different capacity configurations, e.g. 222a,
  • the capacitance 222b which is a partial capacitance of the secondary resonance capacitance 222, can also be disconnected when the clamping switching device 301a is short-circuited by means of the switch S1.
  • various active mechanisms can be used alone or in combination.
  • One way to stop the energy transmission is to detect the load shedding at the output 220 of the energy transmission system 100 den
  • Use feedback channel 101 to switch off the energy transmission on the primary side by means of a command or command via channel 101, for example WLAN channel 101, to the input of the energy transmission system
  • channel 101 may use communication protocols that are on higher layers of the OSI protocol, this instruction could be sent to
  • Primary circuit device 105 run slowly.
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of a system 100 for
  • the block diagram shows in particular three transmission paths with associated components.
  • An energy transmission path 106, 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f, 106g extends from an energy source 107 via energy input 106a, via power electronics 401 and via section 106b to a primary-side current and / or voltage measuring device 402 and the section 106c to the primary coil L1. That of a primary-side current and / or voltage measuring device 402 can be part of a primary-side detection device.
  • the primary-side current and / or voltage measuring device 402 is in particular set up to measure a current 11 in the coil L1. In the coil L1, the electrical energy is converted into magnetic energy and transmitted to the secondary coil L2 via the magnetic field 106.
  • the energy which is again converted into electrical energy in the form of a current and a voltage, is passed past the clamping switch device 301 and via the energy path section 106d
  • This power electronics 403 has components for forming the output voltage and the output current, for example rectifier 204 and filter components.
  • the clamping circuit 301 and the power electronics 403 essentially form the energy transmission device 405.
  • the energy is provided at the output 220 of the system 100 for energy transmission via the energy path sections 106f and 106g and the secondary-side current and / or voltage measuring device 404.
  • the secondary-side current and / or voltage measuring device 404 can be part of a secondary-side
  • the communication channel 101 runs in a direction opposite to the direction of the energy path 106, 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f, 106g and can, for example, use a radio protocol such as WLAN. However, by using a protocol, the communication channel 101 or feedback channel 101 is slow.
  • the feedback channel 101 is set up between the primary-side control device 406 and the secondary-side control device 407, in particular of primary and secondary-side communication devices contained therein.
  • the secondary-side comparator 409 and the primary-side comparator 408 can communicate via a physical return channel 101 '. This is in during an energy transfer via the magnetic field 106 in
  • Energy transmission system 100 to recognize a load shedding and very quickly essentially using hardware instead of software to greatly reduce or even stop the transmitted active power 106g, for example to react to the load shedding at the output 220.
  • the secondary-side comparator 409 can control the clamping circuit 301 directly via the control line 101 “if it detects a load shedding at the output 220 via the secondary-side voltage and / or current sensor 404 or the secondary-side current and / or voltage measuring device 404 and the measuring link 101 by the Triggering the secondary-side clamp switching device 301 or the CPM-side clamp switching device to prevent damage on the secondary side or CPM 104.
  • the triggering of the crowbar is essentially not intended to protect the primary side, but rather for the exit of the secondary side.
  • the primary side represents the energy source and then protects itself against the system reaction of the short circuit by detecting the triggering of the crowbar by switching off.
  • the primary circuit device 105 'and secondary circuit device 104' are affected by the event of actuation of the clamping switch device 301 or crowbar 301
  • Magnetic field 106 directly onto the primary side i.e. the reaction speed corresponds essentially to the speed of propagation of a magnetic field.
  • the primary-side current and / or voltage sensor 402 noticeable in the primary-side comparator 408 as a current change or a jump in current that occurs via the primary-side measurement link 101 “” from the primary-side current and / or voltage sensor 402 or from the primary-side current and / or Voltage measuring device 402 can be passed on to the primary-side comparator 408.
  • a predeterminable threshold or a predefinable limit value in the primary-side comparator 408 is exceeded, the primary-side comparator 408 ensures that the primary-side is switched off via the control line 101 and actuation of the shutdown device 410
  • the feedback channel 101 provided for the communication between CPM 104 and GPM 105 can be avoided, which uses a communication protocol such as WLAN and is therefore slow. Bypassing the slow connection can be used to quickly trigger events that require a fast response time.
  • the feedback channel 101 may be too slow for such processes because the protocol-based return channel only allows communication with a high latency and cycle time compared to a required emergency stop time, which should be less than 2ms ( ⁇ 2ms).
  • the physical channel 101 'thus represents a quick alternative for the communication of time-critical events, which can be used in parallel with the feedback channel 101, for example to ensure an immediate shutdown in the event of a load shedding or in the event of a required emergency shutdown.
  • a first shutdown system can have the primary-side control device 406, the secondary-side control device 407 and a second primary-side measuring link 101 a and the second secondary-side measuring link 101 b, which are connected to the primary-side current and / or voltage measuring device 402 or the secondary-side current and / or voltage measuring device 404 are connected.
  • the control device 407, 406 can have a processor, microprocessor or controller.
  • a second shutdown system can be the primary-side control device 406 and a second primary-side measuring link 101 a and the second secondary-side measuring link 101 b, which are connected to the primary-side current and / or voltage measuring device 402 or the secondary-side current and / or voltage measuring device 404 are connected.
  • the control device 407, 406 can have a processor, microprocessor or controller.
  • a second shutdown system can be the primary-side control device 406 and a second primary-side measuring link 101 a and the second secondary-side measuring link 101 b, which are connected to the primary-side current and
  • Comparator 408 the secondary-side comparator 409 and the first primary-side measurement link 101 "" and the first secondary-side measurement link 101 ", which are also connected to the primary-side current and / or voltage measuring device 402 or the secondary-side current and / or voltage measuring device 404.
  • the second switch-off system has a lower latency and greater reliability than the first switch-off system, which uses the switch-off path 101 via WLAN.
  • Connection is switched off after, for example, 2s, because an error log may provide that only if no messages have arrived after a period of 2s, a defect in the transmission link 101 is assumed and the entire system 100 for energy transmission is switched off. Within the 2s, however, the output voltage at output 220 can reach a critical value which can lead to the destruction of the component of system 100 for energy transmission. Since the WLAN modules are not ASIL (automotive safety integrity level) certified, the WLAN modules can also hang up.
  • ASIL autonomous safety integrity level
  • Voltage sensor 404 detects the rise in the output voltage from the secondary-side comparator 409 compared to one by the secondary-side
  • Control device 407 predeterminable limit value or thresholds compared. As soon as the voltage at the output 220 reaches the predefinable limit or the predefinable
  • the clamping switch device 301 is triggered.
  • the triggering of the clamping switch device 301 generates a current jump on the primary side 105 ′, in particular in the primary coil L1.
  • the current 11 of the main magnetic field 106 is compared with the primary-side comparator against a limit value that can be predetermined by the primary-side control device 406.
  • the primary-side current and / or voltage measuring device 402 may be designed as a current sensor 402. If the measured current value, which is caused by the triggering of the clamping switching device 301 on the secondary side, exceeds the predefinable limit value, the drivers of the power electronics 402 are automatically deactivated via the switching device 410.
  • the “short-circuit effect” of the clamping switching device is noticeable as a current jump and / or voltage jump, in particular through a current and / or voltage increase on the primary side. If the load 205 is removed, then the Amplification of input voltage Uin to resonance current 11 is greater via filter 200 and leads to an increase in current in primary resonance circuit 202. This increase in current takes place within the reaction time with the same actuating voltage Uin and leads to a higher current 11.
  • the physical return channel 101 101 101 101 101 404 may
  • 409, 301, 402, 408, 410 essentially only have logic modules. This entire logic of the return channel 101 ′′, 101 “, 101 101 101 404, 409, 301, 402, 408, 410 is a self-test and / or function test before each start of a charging process
  • FIG. 8 shows a flow diagram for a method for testing a primary circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the method starts in an idle state S801.
  • state S802 the coupling of the primary circuit device to a secondary circuit device is recognized.
  • state S803 is in the primary
  • Detection device 408 reduces a detection threshold or a limit value for the detection of a current jump, in order to thereby simulate a current jump.
  • Detection device 408 is evaluated, for example, by means of the primary-side control device and judges whether the primary-side detection device 408 is functional. The method then returns to idle state S805.
  • a limit value of the primary-side comparator 408 is specified by the primary-side control device 406 using a PWM signal (pulse-width modulation) via the primary-side insert link 41 1 in such a way that a limit value of the current is exceeded, as a result of which a current jump, ie a change in a current value can be simulated.
  • the difference in amplitude between the limit value and the current value is used to trigger the comparator.
  • the time constant of the current jump is essentially not evaluated.
  • the times of the reference specification of the limit value by the primary-side control device 406 and the reaction to a crowbar trigger is far apart.
  • the reference threshold or the limit value for the detection is specified in the order of ms by the control device 407 to the primary-side comparator 408, the reaction of the comparator 408 to the limit value being exceeded takes place in the
  • the PWM signal has a duty cycle, a duty cycle of 50% corresponding to a predefinable current limit value of 0A.
  • a duty cycle which is in the range] 0%; 100%] is selected, or a
  • Duty cycle which is greater than 0%, can be interpreted as a specifiable current limit of 0A.
  • the coil current 11 in the primary coil is L1 OA, that is, as long as no current is flowing and none
  • a current limit value of less than 0 A is set at an input of the primary-side comparator 408, in which the standard pulse duty factor from a value greater than 50% (> 50%), which is set as standard, to one Value of less than 50% ( ⁇ 50%) is set so that the current of OA exceeds the predefinable current limit of less than OA.
  • the setting of different duty cycles is also shown in FIG. 7.
  • the limit is determined by the current rms value of 11 from one
  • This limit value is updated with a very slow time constant and sets the current filtered measured value 11 with an offset as a limit value for the comparator 408 on the primary side.
  • the triggering is carried out by the control device 406.
  • a memory state of a latch or sample-and-hold element used in the comparator changes from logic state 0 to 1. This state can then, after analysis, by control unit 406 via control line 41 1 or reset line 41 1 can be reset to 0.
  • the source 107 becomes means
  • the primary-side control device 406 can be used to check whether the
  • Switch-off device 410 has been actuated and it can thus be analyzed whether the primary-side comparator 408 has triggered. Consequently, the functionality of the primary-side comparator 408 can be checked by this test method.
  • 9 shows a flow diagram for a method for testing a
  • Secondary circuit device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the method starts in an idle state S901.
  • state S902 the secondary circuit device 104 'is coupled to a
  • the secondary circuit device provides an energy to be transmitted in the form of a power specification to the primary circuit device 105'.
  • This specification can be sent via feedback channel 101, for example.
  • the clamping switch device 301 is triggered by lowering a detection threshold or a limit value for the detection of the overvoltage in the secondary detection device 409.
  • This detection threshold can be transmitted via the secondary-side setting and / or query link 412 from the secondary-side control device 407 to the secondary-side detection device 409.
  • a current jump is evaluated in the
  • Primary circuit device 105 in particular in the primary-side detection device 408 and / or in the primary-side control device 406.
  • the test method then ends in an idle state S905.
  • the test method for the secondary circuit device 104 ' presupposes that the magnetic field 106 has been built up and a non-hazardous one
  • the physical return channel 10T can be established via the magnetic field 106.
  • the secondary circuit device 104 is tested via the
  • Feedback channel 101 or WLAN channel 101 sent a command from the secondary circuit device 104 ’and the primary circuit device 105’, which ensures that the
  • Primary circuit device 105 sets a charging power of, for example, 500W on the secondary side within 2s
  • Comparator 408 set limit value in the primary device 105 ’, i.e. the
  • Comparator would trip with overcurrent.
  • the detection device 409 or primary-side control device 409 only makes a statement about the correct one
  • the secondary-side control device 407 measures a voltage value at the output 220, which results from the set power of 500W, for example.
  • Voltage measurement at the output 220, to which an HVDC circuit and / or a battery can be connected is carried out by means of the current and / or
  • Voltage measuring device 404 is executed. After the current value of the
  • the secondary-side control device 407 reduces the detection threshold of the secondary-side comparator 409 for the clamping device 301 via the secondary-side setting and / or query link 412.
  • the voltage value is reduced to a voltage value that is below the voltage value that was previously measured as an output voltage value at output 220, as a battery voltage or as an HVDC voltage value.
  • Output voltage value, a voltage rise at the output 220 is simulated after a load shedding and the secondary-side comparator 409 switches, whereby the clamp switch device 301 triggers, in particular switches.
  • time is in ms on an abscissa and one on an ordinate
  • Output voltage, the battery voltage or the HVDC voltage shown which essentially has a constant course over time.
  • curve 502 is the Voltage curve of a predeterminable secondary-side detection threshold, a predeterminable secondary-side limit value or a predeterminable secondary-side trigger threshold is shown.
  • the detection threshold is reduced from a value of 430V to below 400V.
  • the function test is started at time 503 and the current value of output voltage 501 is measured.
  • a voltage value of 400V is determined.
  • the predefinable detection threshold is reduced linearly until it reaches the output voltage value after, for example, a maximum of 500 ms and, after falling below this value, triggers the clamping switch device 301.
  • Clamp switching device 301 can be detected by the secondary-side control device 407 via the setting and / or query link 412 and via the secondary-side comparator 409 and not directly via the clamping switch device 301.
  • Control device 407 is connected to a memory chip or latch of comparator 409 via setting and / or query link 412.
  • the memory module receives the state of the clamping switch device 301 after the
  • the setting and / or query link 412 can be used to delete the memory module in the comparator 409.
  • the secondary-side control device 407 Since the reduction of the detection threshold has been carried out by the secondary-side control device 407, the secondary-side control device 407 knows at which voltage value 502 the clamping switching device 301 triggered at time 505. This voltage value corresponds to the voltage measurement with the comparator 409 on the secondary side. This voltage measurement lies in the secondary side
  • Control device 407 as well as that determined at the beginning of the method Output voltage 501. Both voltage measurements were carried out by means of the secondary-side voltage measuring device 404, but at different times and / or using different measurement methods, for example a first measurement method which the secondary-side comparator 409 carries out and which provides an analog one, and a second measurement method which the secondary side
  • the initial voltage measurement was determined by the secondary-side control device 407 via the secondary-side measurement link 101 b and the voltage measurement carried out by the secondary-side comparator 409 was determined via the measurement link 101 ’”. Now the voltage measurement of the secondary-side control device 407 can be compared with the voltage measurement of the secondary-side comparator 409 after triggering the comparator in the secondary-side control device 407.
  • the output current at the output 220 can be determined by the secondary-side control device 407 via the secondary-side measurement link 101 b.
  • the secondary-side device 407 To verify correct functioning of the secondary circuit device 104 ’, the secondary-side device
  • Control device 407 ascertain that the output current at output 220 collapses in the same or next measurement period as secondary-side control device 407 has recognized that the clamping switch device 301 has tripped, that is to say essentially drops to 0A with a tolerance of + - 0.3A. The drop in the output current verifies the correct functioning of the protection mechanism. If the current of the output is 0A, then the output is clearly with a very large one
  • the secondary-side control device 407 can assume the functionality of the clamp switch device 301. If the drop in the output current is not ascertained, the secondary-side control device can conclude that there is a fault in the clamping switching device and indicate a defect and / or cancel a charging process. By triggering the clamp switch device, the current 11 im increases
  • Primary resonance circuit 202 on, which generates the main magnetic field 106. This
  • Secondary control device 407 can therefore expect to be notified of an emergency shutdown of shutdown device 410 via primary comparator 408, for example via communication channel 101, within a defined time after it has triggered clamp switch device 301.
  • the primary-side control device 406 no longer allows charging within the existing WLAN connection. As long as the
  • Communication channel 101 for example, an established WLAN connection, then after 2s there is a transition to a safe failback-safe state, an error, error and / or standby state. That if the primary component 105’s none
  • the secondary component would operate the crowbar 301 continuously and wait until the primary component 105 ’times out.
  • the error state is reached when the crowbar triggering has failed, the diagnosis of the crowbar triggering, information from comparator 409
  • Control device 407 is transmitted, has failed or no confirmation or no acknowledgment signal, for example that an overcurrent 11 has been detected, has been received by the primary component. If in between
  • Communication channel 101 for example the WLAN connection fails, the primary component 105 ′ goes into a secure state after 2s anyway.
  • the same may apply to a voltage jump.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a primary-side detection device, in particular a primary-side comparator 408 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the primary-side comparator 408 receives a measured value of the current 11 via the current measuring coil 601 of the primary-side current and / or
  • the current is measured indirectly via a voltage at the current measuring coil 601.
  • the current measuring coil 601 is magnetically coupled to the primary coil L1 and forms a transformer with this primary coil L1.
  • Potential UZM is connected, protects the primary-side comparator 408 from an overvoltage.
  • the measuring voltage which corresponds to the current 11, is made available to the primary-side comparator 408 via the measuring link 101 ""
  • Double comparator or symmetrical comparator with the two operational amplifiers 408a. 408b is executed.
  • the measurement voltage becomes the positive input of the first operational amplifier 408a and the negative input of the second
  • each of the operational amplifiers 408a, 408b receives a predeterminable detection threshold on the primary side via a PWM signal.
  • the PWM signal is fed to the negative input of the first operational amplifier 408a and the positive input of the second operational amplifier 408b.
  • the outputs 603a, 603b of the two operational amplifiers 408a, 408b are brought together and fed to the latch 604.
  • Latch 604 can be reset via reset line 605 and is as
  • Sample-and-hold element designed to provide a stable value on the control line 101 for comparing the current current value 11 with the detection threshold on the primary side.
  • the control line 101 is active when there is a jump in current on the
  • the Control line 101 “'” is connected to the shutdown device 410 (the shutdown device 410 is not shown in FIG. 6). Since all components of the comparator 408 shown in FIG. 6 are constructed with discrete components, a voltage jump of 11 can be detected quickly
  • the PWM signal is converted with analog components (not shown in FIG. 6) into an analog DC voltage which serves as a detection threshold and above
  • Einsteillink 1 1 1 is provided. This detection threshold is compared positively with the positive peak of the current, in particular the voltage corresponding to the current at 101 "", and compared as a negative threshold with the negative peak value of the current, in particular the voltage corresponding to the current at measuring link 101 "".
  • all voltages are compared to a reference potential or
  • Reference potential UZM defined, for example GND or 0V of the circuit.
  • the shunt 602 is connected to UZM.
  • the current measuring coil is used to measure the current in the primary circuit.
  • the structure of the primary-side transformer 408 also corresponds to the structure of the secondary-side transformer, which measures the current at the output 220 via the current measuring coil.
  • the current measuring coil 601 of the secondary comparator 409 can be assigned to the current and / or voltage measuring device 404.
  • Latch 604 can be implemented as a flip-flop with positive output Q 101 and negative output Qneg, which has the negated value of positive output 101.
  • Fig. 7 shows a time-voltage diagram 700 one by means of the primary
  • Comparator 408 predefinable detection threshold for a function test of the
  • the time is shown on the abscissa and a voltage value based on the reference potential UZM is shown on the ordinate.
  • the time axis is divided into the 5 time ranges I, II, III, IV, V.
  • the curve 408a gives the course of those which can be predetermined by means of the first operational amplifier 408a through the insert link 41 1
  • the curve 408b ' indicates the course of the primary-side upper detection threshold for the current 11, which can be predetermined by means of the first operational amplifier 408a by the insert link 41 1, as a voltage course 408b'.
  • the curve 60T gives that
  • Measuring coil 601 or the current sensor 601 received signal on whether the
  • Voltage curve 60T is proportional to the primary current 11.
  • the measurement signal 60T is sinusoidal and has the primary coil frequency 85 kHz.
  • the predeterminable primary-side lower detection threshold 408a 'and the predeterminable primary-side upper detection threshold 408b' can essentially be set between the voltage values UZM, x UZM and y UZM, each of which corresponds to the
  • the area I corresponds to a duty cycle of the one-part link 41 1
  • the area II corresponds to a pulse duty factor of the PWM signal provided via the entry link 41 1, which can be varied between 0% and below 50% and likewise results in an invalid state.
  • a pulse duty factor of 50% is set for the PWM signal provided via the insertion link 41 1, and a valid state results in which the predeterminable primary detection threshold corresponds to a primary current 11 of OA.
  • the primary comparator 408 can be operated in area III to perform the test procedure for the health of the primary comparator 408.
  • a pulse duty factor of between 50% and 100% is set for the PWM signal provided via the insertion link 41 1, and a valid state results in which the predeterminable primary detection threshold corresponds to a primary current 11 of 0A to 100A.
  • a pulse duty factor of 100% is set for the PWM signal provided via the insertion link 41 1, and a valid state results in which the predeterminable primary detection threshold corresponds to a primary current 11 of the order of magnitude 100A.

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Abstract

Angegeben wird eine Sekundärkreisvorrichtung, aufweisend eine Sekundärspule (L2) zum Senden und/oder Empfang einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes (106) und zum Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie, eine Energieübertragungseinrichtung (405) zum Übertragen der elektrischen Energie, eine sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407) und eine Klemmschalteinrichtung (301), wobei das Magnetfeld (106) von einer Primärspule (L1) einer Primärkreisvorrichtung (105') generiert wird, die Energieübertragungseinrichtung (405) einen Eingang zum Anschluss der Sekundärspule (L2) aufweist, die Energieübertragungseinrichtung (405) einen Ausgang zum Bereitstellen der elektrischen Energie als Spannung und/oder Strom aufweist, die sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407) mit dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung verbunden ist, um eine Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung zu erkennen und die sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407) eingerichtet ist, beim Erkennen der Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung (405) mittels der Klemmschalteinrichtung (301) das Magnetfeld (106) in der Sekundärspule (L2) so zu beeinflussen, dass in der Primärspule (L1) ein Stromsprung und/oder einen Spannungssprung hervorgerufen wird.

Description

INDUKTIVE LADUNG VON FAHRZEUGEN MIT SEKUNDÄRSEITIGER SPANNUNGSMESSUNG UND RÜCKWIRKUNG DER SEKUNDÄRSEITE AUF DIE PRIMÄRSEITE
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet des induktiven Ladens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Sekundärkreisvorrichtung, eine Primärkreisvorrichtung, System zur Energieübertragung, ein Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung, ein Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Zum elektrischen Laden eines reinen Elektrofahrzeugs (EV, Electric Vehicle) oder eines Hybridfahrzeugs (PHEV, Plug-in Hybrid-Electric Vehicle), welches mit einer Kombination aus Treibstoff und elektrischer Energie betrieben wird, kann ein System für die induktive Energieübertragung genutzt werden, wenn das Laden kontaktlos erfolgen soll. In einem solchen System wird ein magnetisches Wechselfeld im Frequenzbereich von 25...150kHz erzeugt. Dabei muss beachtet werden, dass außerhalb dieses Frequenzbandes die Grenzwerte für die Emission elektromagnetischer Wellen durch international gültige Normen festgelegt sind. Denn obwohl prinzipiell ein Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird, handelt es sich jedoch aufgrund der Tatsache, dass sich das Magnetfeld ändert inhärent um eine elektromagnetische Welle. Wegen der langsamen
Veränderungen der Feldstärken weist die beim induktiven Laden genutzte
elektromagnetische Welle allerdings eine Wellenlänge von mehreren Kilometern auf.
Um diese Grenzwerte für die Emission einzuhalten ist darauf zu achten, dass das zur Energieübertragung genutzte magnetische Wechselfeld mit einer Grundschwingung im Bereich 25...150kHz arbeitet und nur sehr geringe Oberwellen enthält. Daher kommen Filter zum Einsatz, die störende Oberwellen möglichst entfernen. Außerdem muss, um die international gültigen Normen und Richtlinien einzuhalten, dafür gesorgt werden, dass eine Energieübertragung nur dann erfolgt, wenn eine bestimmte Qualität der Kopplung zueinander erreicht ist, indem eine bestimmte Ausrichtung der Koppelelemente zueinander eingestellt wird, beispielsweise durch ein Positionierungssystem wie beispielsweise in der Druckschrift EP 3 103 674 A1 beschrieben ist.
Die Druckschrift EP 2 868 516 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der zwischen zwei Resonatoren eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung übertragenen Energie.
Als Koppelelement für die Energieübertragung wird auf der stationären Seite ein GPM (Ground Pad Module) mit einer Primärspule und fahrzeugseitig ein CPM (Car Pad Module) mit einer Sekundärspule genutzt. GPM und CPM bilden für die Koppelung und
Energieübertragung einen Transformator. Die physikalische Ausrichtung der
Koppelelemente zueinander wird über ein Positioniersignal z.B. RKS (Remote Keyless Entry System) gemessen und eingestellt. Für die Energieübertragung und die
Übertragung des Positionierungssignals kommen unterschiedliche Übertragungsstrecken und unterschiedliche Übertragungstechniken zum Einsatz.
Allerdings könnte die Energieübertragung durch den Verlust einer Last an der
Sekundärseite gestört werden.
Es mag als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine effektive Übertragung von Energie zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend wird eine Sekundärkreisvorrichtung, eine Primärkreisvorrichtung, System zur Energieübertragung, ein Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung, ein Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung angegeben. Der Gegenstand der Erfindung wird von den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche angegeben. Ausführungsbeispiele und weitere Aspekte der Erfindung werden von den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sekundärkreisvorrichtung angegeben, die eine Sekundärspule zum Senden und/oder Empfang einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes und zum Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie, insbesondere in einen Strom und eine Spannung aufweist. Außerdem weist die Sekundärkreisvorrichtung eine Energieübertragungseinrichtung zum Übertragen der elektrischen Energie, eine sekundärseitige Detektionseinrichtung und eine
Klemmschalteinrichtung oder Crowbar auf. Das Magnetfeld wird von einer Primärspule einer Primärkreisvorrichtung generiert und in die Sekundärkreisvorrichtung eingekoppelt. Beispielsweise erfolgt das Einkoppeln des Magnetfeldes in die Sekundärspule durch eine lose Kopplung mit einer Primärspule der Primärkreisvorrichtung. Die
Energieübertragungseinrichtung weist einen Eingang zum Anschluss der Sekundärspule auf und außerdem weist die Energieübertragungseinrichtung einen Ausgang zum
Bereitstellen der elektrischen Energie als Spannung und/oder Strom auf. Die
sekundärseitige Detektionseinrichtung ist mit dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung verbunden, um eine Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung zu erkennen. Solch eine Überspannung, d.h. das Übersteigen eines vorgebbaren Spannungsgrenzwertes, kann beispielsweise durch einen Lastabwurf an dem Ausgang der
Energieübertragungseinrichtung ausgelöst werden. Die sekundärseitige
Detektionseinrichtung ist so eingerichtet, dass sie mittels der Klemmschalteinrichtung das Magnetfeld in der Sekundärspule so beeinflusst, dass in der Primärspule ein Stromsprung und/oder ein Spannungssprung hervorgerufen wird, nachdem die sekundärseitige Detektionseinrichtung die Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung erkannt hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Primärkreisvorrichtung angegeben, welche eine Energieerzeugungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie und eine Primärspule zum Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie aufweist. Ferner weist die
Primärkreisvorrichtung eine primärseitige Detektionseinrichtung auf. Die
Energieerzeugungseinrichtung ist mit der Primärspule verbunden, wobei die Primärspule zum Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie eingerichtet ist. Außerdem ist die primärseitige Detektionseinrichtung mit der Primärspule verbunden und die primärseitige Detektionseinrichtung ist weiter eingerichtet, einen Stromsprung in der Primärspule zu erkennen und beim Erkennen des Stromsprungs die
Energieerzeugungseinrichtung abzuschalten. Ein Stromsprung mag durch das
Überschreiten eines Vorgebbaren Stromgrenzwertes hervorgerufen werden.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur
Energieübertragung geschaffen, aufweisend eine Car-Pad-Modul-Einrichtung und eine Ground-Pad-Modul-Einrichtung. Die Car-Pad-Modul-Einrichtung weist die
Sekundärkreisvorrichtung und die Ground-Pad-Modul-Einrichtung weist die
Primärkreisvorrichtung auf, wobei die Sekundärkreisvorrichtung und die
Primärkreisvorrichtung über ein magnetisches Feld gekoppelt sind, insbesondere lose gekoppelt sind, also ohne Verwendung eines Ferritkerns.
Gemäß noch einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Testen einer Sekundärkreisvorrichtung beschrieben, welches zunächst ein Koppeln der
Sekundärkreisvorrichtung mit einer Primärkreisvorrichtung über ein Magnetfeld aufweist. Danach wird von der Sekundärkreisvorrichtung eine zu übertragende Energie in Form einer Leistungsvorgabe vorgegeben, beispielsweise über einen Kommunikationskanal. Durch das Herabsetzen einer Detektionsschwelle für das Erkennen einer Überspannung in der sekundären Detektionseinrichtung wird die Klemmschalteinrichtung ausgelöst oder betätigt und in der Primärkreisvorrichtung wird ein durch dieses Auslösen der
Klemmschalteinrichtung hervorgerufener Stromsprung und/oder Spannungssprung ausgewertet.
Mittels dieses Testverfahrens kann die Funktionstüchtigkeit der sekundären
Detektionseinrichtung überprüft werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung beschrieben, welches das Erkennen der Kopplung mit einer Sekundärkreisvorrichtung aufweist. Danach erfolgt ein Simulieren eines Stromsprungs durch Herabsetzen einer Detektionsschwelle für das Erkennen eines Stromsprungs in der primären Detektionseinrichtung und die durch das Herabsetzen ausgelöste Reaktion der primären Detektionseinrichtung wird ausgewertet. Mittels dieses Testverfahrens kann die Funktionstüchtigkeit der primärseitigen
Detektionseinrichtung überprüft werden.
Es sei angemerkt, dass ohne Einschränkung der Allgemeinheit im Wesentlichen davon ausgegangen wird, dass sich die sekundärseitige Detektionseinrichtung auf der
Sekundärseite in der Sekundärkreisvorrichtung befindet und dass sich die primärseitige Detektionseinrichtung auf der Primärseite in der Primärkreisvorrichtung befindet. Jedoch soll der Prefix und/oder Begriff„primär“ und„sekundär“ im Wesentlich als ein Name verstanden werden. Folglich ist es möglich auch die sekundärseitige
Detektionseinrichtung auf der Primärseite in der Primärkreisvorrichtung und die
primärseitige Detektionseinrichtung auf der Sekundärseite in der
Sekundärkreisvorrichtung zu betreiben, so dass die Beschreibung auch für den
umgekehrten Fall und/oder umgekehrte Ausbreitungsrichtungen für einen
Informationsfluss und/oder eine Auslösereihenfolge gilt. Gleiches gilt für die Testverfahren.
In der Regel wird die Sicherheitsfunktion jedoch für einen sekundärseitigen Schutz genutzt d.h. die Gefährdung kommt von der Sekundärseite und die Primärseite muss schnell genug reagieren, im Wesentlichen ohne Kommunikation, um eine schnelle
Wirkung zu entfalten.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein Programmcode
gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, zumindest eines der beschriebenen Verfahren ausführt. Eine Steuereinrichtung oder ein Controller kann solch einen Prozessor nutzen.
Als ein computerlesbares Speichermedium mag eine Floppy Disc, eine Festplatte, ein USB (Universal Serial Bus) Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) genutzt werden. Als Speichermedium kann auch ein ASIC (application-specific integrated Circuit) oder ein FPGA (field-programmable gate array) genutzt werden sowie eine SSD (Solid-State-Drive) Technologie oder ein Flash-basiertes Speichermedium. Ebenso kann als Speichermedium ein Web-Server oder eine Cloud genutzt werden. Als ein
computerlesbares Speichermedium mag auch ein Kommunikationsnetz angesehen werden, wie zum Beispiel das Internet, welches das Herunterladen eines Programmcodes zulassen mag. Es kann eine funkbasierte Netzwerktechnologie und/oder eine
kabelgebundene Netzwerktechnologie genutzt werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Programmelement geschaffen, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zumindest eines der Verfahren ausführt.
Mittels der Klemmschalteinrichtung kann eine Veränderung der Strom- und/oder
Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung auf der Sekundärseite herbeigeführt, die sich aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Primärkreisvorrichtung und der Sekundärkreisvorrichtung durch die magnetische Rückkoppelung auch in einer
Veränderung der Strom- und/oder Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung auf der Primärseite bemerkbar macht. Diese Veränderung der Strom- und/oder
Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung breitet sich entgegengesetzt zur
Ausbreitungsrichtung der Energie aus und kann in der Primärkreisvorrichtung erkannt werden. Die Veränderung der Strom- und/oder Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung kann als eine Information interpretiert werden, die sich entgegen der
Ausbreitungsrichtung der Energie ausbreitet. Beispielsweise macht sich ein Schalten und Verändern einer Spannung auf der Sekundärseite mittels der Klemmschalteinrichtung als ein Stromsprung auf der Primärseite bemerkbar. Dieser Stromsprung beinhaltet eine Information. Diese Information kann auf der Primärseite von der Primärkreisvorrichtung ausgewertet werden und zur Abschaltung der Energiezufuhr genutzt werden. Die
Rektionszeit dieser Informationsübertragung auf physikalischer Ebene kann höher oder schneller sein, als ein Übertragungssystem, welches mit mehreren
Kommunikationsschichten, beispielsweise mit OSI Layern (Open Systems Interconnection) arbeitet oder ein WLAN (Wireless LAN) System. Durch die Auswertung der physikalischen Information kann somit die Primärkreisvorrichtung schneller auf eine Störung auf der Sekundärseite reagieren als sie reagieren könnte, wenn ein aufwendiges
Kommunikationssystem eingesetzt würde. Folglich kann die Nutzung der physikalischen Information für eine schnelle Abschaltung der Energiezufuhr auf der Primärseite genutzt werden.
Um den schnellen Kommunikationskanal von einem auf einem protokollbasierten
Kommunikationskanal zu unterscheiden soll in diesem Text der Begriff„physikalischer Kanal“ oder„physikalischer Rückkanal“ genutzt werden ohne einschränkender Wirkung auch wenn ein protokollbasierter Kommunikationskanal auch eine physikalische
Übertragung nutzt.
Durch gezieltes Betätigen der Klemmschalteinrichtung und durch die Auswertung der sich durch diese Betätigung ergebenden Zustände kann die Funktion dieses physikalischen Rückkanals getestet werden. Dadurch können auch die an der Bildung des physikalischen Rückkanals enthaltenen Komponenten getestet werden, wie beispielsweise
Komparatoren oder Steuereinrichtungen. Wegen der Reziprozität der Signalausbreitung kann schließlich auf die Funktionstüchtigkeit des Kanals in beide Richtungen geschlossen werden.
Der physikalische Rückkanal kann parallel zu einem anderen Kommunikationskanal genutzt werden, beispielsweise parallel zu einem protokollbasierten Kommunikationskanal. Um sie schnelle Reaktion des Rückkanals nicht durch Softwareschichten auszubremsen sollte bei dem Aufbau des physikalischen Rückkanal darauf geachtet werden, dass im Wesentlichen nur Hardware Komponenten eingesetzt werden, mit entsprechend kurzen Reaktionszeiten, beispielsweise ein Komparator. Softwarekomponenten, die
beispielsweise auf einer Steuereinrichtung oder einem Controller ablaufen können für nicht zeitkritische Operationen, wie das Einstellen von Schaltschwellen für die
Komparatoren genutzt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die sekundärseitige Detektionseinrichtung zum Erkennen der Überspannung einen sekundärseitigen
Komparator auf, der zum Aufbau eines schnellen Rückkanals genutzt werden kann.
Ebenso kann die primärseitige Detektionseinrichtung zum Erkennen des Stromsprungs einen primärseitigen Komparator aufweisen.
Es ist auch alternativ oder in Ergänzung zum Erkennen des Stromsprungs möglich einen Spannungssprung im Primärresonanzkreis mittels der primärseitigen Detektions einrichtung zu erkennen. Die Messung des Spannungssprunges kann genutzt werden, wenn eine Auswertung der Spannungsmessung nicht für andere Zwecke erfolgt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die
Sekundärkreisvorrichtung eine sekundärseitige Steuereinrichtung auf, wobei die sekundärseitige Steuereinrichtung zum Vorgeben eines Grenzwertes des
sekundärseitigen Komparators eingerichtet ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt ist die Klemmschalteinrichtung der
Sekundärkreisvorrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Energieübertragungseinrichtung mit zumindest einer
Schutzmaßnahme zu reagieren, welche aus der Gruppe von Schutzmaßnahmen ausgewählt ist, bestehend aus dem Kurzschließen des Eingangs der
Energieübertragungseinrichtung, dem Kurzschließen des Ausgangs der
Energieübertragungseinrichtung dem Verstimmen der Energieübertragungseinrichtung und dem Auftrennen eines mit der Sekundärspule gebildeten Schwingkreises.
Diese Schutzmaßnahmen führen zu einem unbelasteten Schwingkreis, was zu einem Überstrom auf der Primärseite führt, der wiederum erkannt werden kann.
Die sekundärseitige Detektionseinrichtung mag in einem Beispiel eingerichtet sein, beim Erkennen der Überspannung am Ausgang eine Impedanz und/oder Güte und/oder einer Resonanzfrequenz der Energieübertragungseinrichtung zu verändern.
Die Veränderung der Resonanzfrequenz der Energieübertragungseinrichtung kann durch das Zuschalten und/oder Abschalten von einem Kondensator in der Energieleiteinrichtung durchgeführt werden.
Das Ändern der Resonanzfrequenz mag zu einem Verstimmen der Energieleiteinrichtung und somit zum Verstimmen der Übertragungsstrecke führen, so dass der Ausgang von einer übermäßigen Energie und/oder Leistungszufuhr geschützt wird, selbst wenn seitens einer Primärkreisvorrichtung noch Energie geliefert wird. So kann beispielsweise bei einem Lastabwurf einer sich am Ausgang befindlichen Last eine Überspannung reduziert oder sogar im Wesentlichen vollständig vermieden werden. Außerdem kann die Energieübertragungseinrichtung eine Gleichrichteeinrichtung aufweisen. In diesem Beispiel kann die Veränderung der Güte der
Energieübertragungseinrichtung durch das Kurzschließen der Gleichrichteeinrichtung erreicht werden.
Das Kurzschließen der Gleichrichteeinrichtung mag an dem Eingang der
Gleichrichteeinrichtung erfolgen und zu einem von der Sekundärspule mit einem
Kondensator und/oder einer weiteren Spule gebildeten Übertragungsschwingkreises führen, sodass nur ein Bruchteil der an der Sekundärspule ankommenden Energie über die Energieübertragungseinrichtung übertragen wird. Durch die Veränderung der Güte wird die über die Sekundärspule ankommende Energie reflektiert, beispielweise zurück an eine Primärkreisvorrichtung. Diese Reflektion kann dann in der Primärkreisvorrichtung erkannt werden und die Primärkreisvorrichtung kann die Energieübertragung an die Sekundärkreisvorrichtung abbrechen, um zu verhindern, dass sich am Ausgang der Sekundärkreisvorrichtung eine Überspannung ergibt.
In noch einem anderen Beispiel ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der
Gleichrichteeinrichtung ein Kommando und/oder Signal derart bereitzustellen, dass es über das Magnetfeld übertragen werden kann, um eine Energieübertragungsvorrichtung zu steuern, die magnetische Energie des Magnetfeldes zu verändern.
Solch ein Kommando und/oder Signal kann beispielsweise in der Form der reflektierten Energie bei Veränderung der Güte auf physikalischer Ebene erzeugt werden, wodurch ein schnelles Abschalten der Energieerzeugung erreicht werden kann. Solch ein Kommando und/oder Signal kann aber alternativ oder ergänzend auch über einen anderen
Kommunikationskanal verteilt werden, beispielsweise über ein Positioniersignalkanal und/oder einen protokollbasierten Kommunikationskanal, insbesondere einen WLAN- Kommunikationskanal. Da das Magnetfeld im Wesentlichen nur während der
Energieübertragung vorhanden ist, kann die Überspannung über das Magnetfeld im Wesentlichen nur während der Energieübertragung an die Primärkreisvorrichtung kommuniziert werden. Mittels eines anderen separaten Kanals kann die Kommunikation auch schon früher oder später vor/nach der Energieübertragung durchgeführt werden.
Beispielsweise ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Gleichrichteeinrichtung, die Energieübertragungseinrichtung so anzupassen, dass die elektrische Blindleistung zumindest teilweise reflektiert wird und über das Magnetfeld übertragen wird.
Die reflektierte Blindleistung kann von einer Primärkreisvorrichtung ausgewertet werden, um die Generierung der Energie zu stoppen.
In einem anderen Beispiel ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der
Gleichrichteeinrichtung, die Energieübertragungseinrichtung und/oder die Sekundärspule zu unterbrechen.
Insbesondere mag die sekundärseitige Detektionseinrichtung so eingerichtet sein, eine Klemmschaltung so anzusteuern, dass sie die Energieübertragungseinrichtung und/oder die Sekundärspule unterbricht. Unter Unterbrechen der Sekundärspule mag neben dem Öffnen einer physikalischen Verbindung der Sekundärspule mit der Energieleiteinrichtung auch das Auftrennen eines mit der Sekundärspule und einem Kondensator gebildeten Schwingkreises zu verstehen sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein induktives Ladesystem gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines induktiven Ladesystems gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des induktiven Ladesystems aus Fig. 2 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 3a ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Sekundärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Energieübertragungssystems mit einem schnellen Kommunikationskanal gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt den Verlauf einer Detektionsschwelle gegenüber einer Ausgangsspannung während eines Auslösetests in einem Zeit-Spannungs-Diagramm gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines primärseitigen Komparators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm einer mittels des primärseitigen Komparators vorgebbaren Detektionsschwelle für einen Funktionstest des primärseitigen Komparators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Testen einer
Sekundärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibung der Fig. 1 bis Fig. 9 werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet. In diesem Text mögen die Begriffe„Kondensator“ und„Kapazität“ sowie„Spule“ oder „Drossel“ und„Induktivität“ gleichbedeutend verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden. Außerdem mögen die Begriffe„Energie“ und„Leistung“ gleichwertig verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden.
Fig. 1 zeigt ein induktives Ladesystem 100 oder System 100 zur Energieübertragung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist eine Seitenansicht für ein System zum kontaktlosen Laden eines Elektrofahrzeugs dargestellt. Unterhalb eines Fahrzeugchassis 102 befindet sich ein Car Pad Modul (CPM) 104, welches dazu dient, das Fahrzeug 102 mit Strom zu versorgen. Für die Übertragung der Energie wird ein Magnetfeld 106 genutzt, welches induktiv die Energie von einem an einem Boden 103 fix montierten Ground Pad Modul (GPM) 105 bereitgestellt wird. Die für das Laden notwendige Energie wird dem Hauptanschluss 107 entnommen, der sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) sein kann. Zur Kommunikation zwischen CPM 104 und GPM 105 wird eine separate Verbindung 101 genutzt, welche
beispielsweise ein Funkprotokoll wie WLAN (Wireless LAN) oder NFC nutzen kann. Diese Verbindung kann als Feedback- Kanal 101 genutzt werden oder als Kommunikationskanal 101 , über den CPM 104 und GPM 105 Informationen austauschen können. Sowohl das Magnetfeld zur Energieübertragung 106 als auch das Funksignal 101 sind
elektromagnetische Wellen, die jedoch unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines induktiven Ladesystems 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Betrachtet wird ein System für die induktive Energieübertragung, welches zum kontaktlosen Laden eines Elektrofahrzeugs genutzt werden kann. In einem solchen System wird ein magnetisches Wechselfeld 106 im Frequenzbereich von beispielsweise 25...150kHz erzeugt. Dabei muss beachtet werden, dass außerhalb dieses Frequenzbandes die Grenzwerte für die Emission elektromagnetischer Wellen durch international gültige Normen festgelegt sind. Um diese Grenzwerte einzuhalten ist es entscheidend, dass das magnetische Wechselfeldl 06 mit der Grundschwingung im Bereich 25...150kHz arbeitet und nur sehr geringe Oberwellen enthält. Anderseits soll aber der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung möglichst hoch sein und deshalb wird mit elektronischen Schaltern innerhalb eines Wechselrichters 201 , beispielsweise mittels MOSFETs, IGBTs, ein Rechtecksignal mit der Grundfrequenz des magnetischen Wechselfeldes erzeugt, denn so ergeben sich sehr geringe Verluste. Das Rechtecksignal enthält aber beträchtliche Oberwellen. Diese Oberwellen lassen sich sehr gut mit einem Filter 200, beispielweise einem LC-Filter 200 ausfiltern. Das Filter 200 kann dabei unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielhaft ist in Fig. 2 ein Filter 4. Ordnung 200 dargestellt, aber es sind auch andere Anordnungen von Kondensatoren und Spulen möglich. An dem Eingang 206 des Filters 200 liegen der Eingangsstrom lin und die Eingangsspannung Uin an. Das Filter 200 weist zwei parallel geschaltete Eingangsspulen Lai und La2 und den Filter-Eingangskondensator Ca sowie die parallel geschalteten Ausgangsspulen Lbi und Lb2 und den Filter-Ausgangskondensator Cb auf. Statt der zwei in Serie geschalteten Eingangsspulen Lai und La2 kann auch eine einzige Eingangsspule La genutzt werden. Statt der zwei in Serie geschalteten Eingangsspulen Lbi und Lb2 kann auch eine einzige Eingangsspule Lb genutzt werden.
Die Art des Aufbaus des Filters im Primärkreis hat im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Ausführung der Sekundärkreisvorrichtung. Wie Fig.3 zeigt, kann ein
Energieübertragungssystem 100 auch ohne Filter mit variabler Eingangsimpedanz betrieben werden. Die Eingangsimpedanz kann auch Null betragen Z1 =0.
Die Eingangsspulen Lai und La2 sind direkt mit dem Ausgang des Wechselrichters 201 verbunden. Hierbei mag direkt bedeuten, dass kein weiteres Bauelement
dazwischengeschaltet ist. Ein in Serie geschalteter Kondensator soll dabei eine direkte Verbindung nicht zu einer indirekten Verbindung machen. Der Begriff „direkt“ mag insbesondere genutzt werden, auszudrücken, dass Anschlusspunkte entsprechender Komponenten zusammenfallen und/oder dasselbe Potenzial aufweisen. Die
Ausgangsspulen Lbi und Lb2 am Ausgang 207 des Filters 200 sind direkt mit den Spulen Lai und La2, sowie dem Primärresonanzkreis 202 verbunden. Der Primärresonanzkreis 202 wird mit der Spannung U1 und dem Strom 11 oder IL versorgt, der aus der von dem Wechselrichter 201 erzeugten Wechselstrom hervorgegangen ist. Aufgrund der
Filterwirkung des Filters 200 weisen der Primärstrom 11 und die Primärspannung U1 einen sinusförmigen Verlauf auf. Der Primärresonanzkreis 202 weist die Primär-Resonanzspule L1 oder Primärspule L1 und den Primär-Resonanzkondensator C1 221 auf. Der Primärresonanzkreis 202 wandelt den Strom 11 und die Spannung U1 in das magnetische Wechselfeld 106. Das
magnetische Wechselfeld 106 koppelt mit einem Koppelfaktor k in den
Sekundärresonanzkreis 203 und überträgt die Energie aus dem Primärkreis durch eine resonante und induktive Energieübertragung an den Sekundärkreis 203.
Der Sekundärresonanzkreis 203 weist die Sekundär-Resonanzspule L2 oder
Sekundärspule L2 und den Sekundär-Resonanzkondensator C2 222 auf. Da der
Sekundärresonanzkreis 203 auf die Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises 202 eingestellt ist, wird der Sekundärresonanzkreis 203 durch das Magnetfeld 106 so weit zu einer Schwingung angeregt, dass sich der Sekundärstrom I2 und die Sekundärspannung U2 ergeben. Diese werden der Gleichrichteeinrichtung 204 oder dem Gleichrichter 204 zugeführt, die/der an ihrem/seinem Ausgang 220 eine Gleichspannung einer Last 205 zur Verfügung stellen kann, beispielsweise einer Batterie 205, einem Zwischenkreis 205, einem Traktionskreis 205 oder einer ausgangsseitigen HV-DC 205 auf der der Seite des CPM 104.
Versorgt wird das induktive Ladesystem 100 über eine Gleichspannungsquelle 107 oder eingangsseitigen HV-DC (High Voltage-Direct Current) bzw. über eine
Wechselspannungl 07.
Das Energieübertragungssystem 100, beispielsweise ein ICS-System 100, weist eine Basisstation 105 oder GPM 105, eine Remoteeinrichtung 104 oder ein CPM 104 auf, wobei die Basisstation 105 und die Remoteeinrichtung 104 über eine induktive Kopplung und den Feedbackkanal 101 miteinander lose koppelbar sind. Bei einer entsprechenden Positionierung des CPM 104 gegenüber dem GPM 105 kann von einer losen Kopplung ausgegangen werden.
Die Basisstation 105 oder GPM 105 weist den Primärkreis 202 und die Remoteeinrichtung 104 oder CPM 104 weist den Sekundärkreis 203 auf. Der Primärkreis 202 weist die Spule L1 und der Sekundärkreis weist die Spule L2 auf. Werden die Spule L1 und L2
aneinander angenähert, können sich Magnetfelder 106, die von den Spulen erzeugt werden, die jeweils andere Spule L1 , L2 durchsetzen. Der Teil des Magnetfeldes, der die jeweils andere Spule L1 , L2 durchsetzt bildet die induktive Kopplung mit dem Koppelfaktor k oder dem Kopplungsfaktor k. Diese Kopplung bildet einen lose gekoppelten
Transformator 21 1 . Der Teil des Magnetfeldes 106, der außerhalb der jeweils anderen Spule L1 , L2 liegt bildet eine Streukapazität. Je geringer der Teil der gebildeten
Streukapazität ist, desto größer ist der Koppelfaktor k. Da jedoch wegen der
Beweglichkeit des GPM 105 und CPM 104 zueinander kein Transformator mit einem Kern gebildet werden kann, bei dem der Koppelfaktor k im Wesentlichen konstant ist, ist bei dem lose gekoppelten Transformator der Koppelfaktor variabel und beispielsweise von der relativen Lage des GPM 105 und CPM 104 zueinander abhängig.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des induktiven Ladesystems 100 oder des Systems 100 zur Energieübertragung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Regelung eines ICS Systems 100 kann dazu beitragen, die funktionale Sicherheit in einem ICS-System sicherzustellen. Aufgrund der starken Magnetfelder 106, die zur Leistungsübertragung genutzt werden, mag es Vorschriften geben, um die Umgebung von einer zu starken magnetischen Strahlung zu schützen. Diese Vorschriften können beispielsweise vorsehen, dass ein Feld 106, das von einem GPM 105 erzeugt wird, ohne dass ein CPM 104 vorhanden ist oder, dass, wenn ein CPM 104 ungünstig mit dem GPM gekoppelt ist, spätestens nach 2s das Feld 106 abgeschaltet wird. Es ist also sicherzustellen, dass innerhalb eines Zeitfensters von 2s festgestellt werden kann, dass das GPM 105 und das CPM 104 vorschriftsmäßig über das Feld 106 gekoppelt sind. Ansonsten ist das Feld 106 abzuschalten.
Ein WLAN 101 , das für die Kommunikation zwischen GPM 105 und CPM 104 genutzt wird, kann eine Zykluszeit bis zu 300ms haben. Durch die Rückmeldungen über den Kanal 101 kann sichergestellt werden, dass CPM und GPM noch gekoppelt sind. Sollte das
Fahrzeug wegrollen und das CPM keine Leistung des GPM aufnehmen wird dies erkannt und die Leistungszufuhr zur GPM unterbunden. Auch wenn ein Signal über den
Rückkanal 101 für 2s ausbleibt mag sicherheitshalber die Energieübertragung
abgebrochen werden, da nicht ausgeschlossen werden kann, dass das Signal wegen dem Verlust der Kopplung oder eines Defekts einer Komponente des Rückkanals 101 ausbleibt.
Der Aufstart vom induktiven Laden wird mit einem konstanten Duty-Zyklus und einer variablen Frequenz von dem Wechselrichter 201 oder PWM (Puls-Weiten-Modulation) Generator 201 durchgeführt, wobei es sich bei der variablen Frequenz um eine
Frequenzverschiebung handelt. Die Startfrequenz, bei der der PWM-Generator 201 beginnt, wird bei der maximal-möglichen Frequenz gesetzt, um eine möglichst große Dämpfung zwischen der Eingangsgröße, d.h. dem Duty-Zyklus (Dutycycle) und der Ausgangsgröße von der Primärkomponente 202 der GPM 105 zu stellen.
Wird ein geeigneter Arbeitspunkt gefunden, bildet sich zwischen Primärkomponente 202 und Sekundärkomponente 203 Resonanz aus und es kann über das Feld 106 zwischen Primärkomponente 202 und Sekundärkomponente 203 eine Energie übertragen werden. Je nach Arbeitspunkt stellt sich diese Arbeitsfrequenz oder Resonanzfrequenz zwischen 81 35kHz und 89.5kHz ein.
Wird nach dem Durchlaufen eines dieser Frequenzbänder bei einem konstanten Duty- Zyklus oder Tastverhältnis eine vorgebbare Mindestleistung nicht erfasst, dann ist das Laden nicht möglich. Wenn also das GPM 105 zwar Leistung überträgt, die von dem CPM 104 empfangene Leistung nicht über einem Mindest-Schwellwert liegt, wird der
Aufstartvorgang des induktiven Ladens abgebrochen. Folglich wird bei einer geringen Kopplung zwischen GPM 105 und CPM 104 das Laden gesperrt oder blockiert. Solch eine geringe Kopplung kann sich bei einer großen Verschiebung zwischen GPM 105 und CPM 104 ergeben. Mit einer Vorsteuerungskennlinie wird dafür gesorgt, dass das Zeitintervall des Aufsstartvorgangs einen vorgebbaren Wert von beispielsweise 2,0s nicht
überschreitet. Dieses sofortige Abbrechen des Ladevorgangs während der Startphase beim Nichterreichen der vorgebbaren Mindestleistung kann für die Sicherheit beim Aufstart vom ICS 100 sorgen, ohne dass eine Kommunikation zwischen GPM 105 und CPM 104 nötig ist. Je grösser der Abstand zwischen GPM 105 und CPM 104 ist, desto geringer wird die Frequenz, bei der die Leistung oder Energie übertragen werden kann. D.h. je grösser der Abstand zwischen GPM 105 und CPM 104 ist, desto geringer wird ist die
Resonanzfrequenz, oder in anderen Worten ausgedrückt ist die Resonanzfrequenz vom Abstand der GPM 105 und der CPM 104 abhängig.
Wird der Ladevorgang jedoch durchgeführt und die Koppelung zwischen GPM 105 und CPM 104 über den Regelkreis 210 mit dem Feedbackkanal 101 kontinuierlich bestätigt, kann es zu einer Überspannungssituation am Ausgang 220 kommen. Denn ein magnetisch gekoppeltes System, insbesondere ein magnetisch lose gekoppeltes System 100, hat ein ähnliches Systemverhalten wie eine Stromquelle. Bei einem induktiven Ladesystem 100 handelt es sich wegen der Beweglichkeit des GPM gegenüber dem CPM um solch ein lose gekoppeltes System. Das bedeutet, dass das System 100 zur
Energieübertragung oder das System 100 zum induktiven Laden gleichfalls wie eine Stromquelle eine hohe Innenimpedanz am Ausgang 220 aufweist. Bei Abwurf der Last 205 versucht das System 100 daher weiter den Strom in den Ausgang 220 zu treiben. Im Falle eines Load Dumps oder Lastabwurfes, also wenn zum Beispiel eine Sicherung im Fahrzeug auslöst, ein Stecker abgesteckt wird, eine Leitung unterbrochen oder die Batterieschütze geöffnet werden, wirkt, durch den angeregten Schwingreis und dessen immer weiteres Anregen von Seiten Ground Pad Modul 104 das System am Ausgang 220 wie eine Stromquelle mit großem Innenwiderstand auf den DC-Zwischenkreis des Fahrzeuges, der am Ausgang 220 angeschlossen und in Fig. 3 durch die Last 205 dargestellt ist. Teile der Energie, welche im Schwingkreis gespeichert ist, werden dadurch in den hochimpedanten Ausgang 220 entladen, was über die geringe Kapazität des Ausgangs 220 eine sehr hohe Spannung am Ausgang 220 erzeugen kann. Diese Spannung kann weit über der Arbeitsspannung und Auslegespannung der
entsprechenden Schaltkreise im Auto, die an dem Ausgang 220 angeschlossen sind, beispielsweise Geräte wie DC/DC Wandler oder Motorumrichter, die an dem DC-Kreis am Ausgang 220 angeschlossen sind und durch den Widerstand 205 dargestellt sind. Dieses Weitertreiben führt zu einer Spannungsüberhöhung am Ausgang 220 des
Übertragungssystems 100. Durch diese Spannungsüberhöhung aufgrund des
Lastabwurfs könnten die Komponenten am Ausgang des Übertragungssystems 100, beispielsweise Gleichrichter oder Filter, als Folge der Überspannung zerstört werden. Um die Zerstörung während des ordnungsgemäßen Betriebs aufgrund einer Übersteigung der Ausgangsspannung am Ausgang 220 über einen vorgebbaren Grenzwert zu verhindern, sieht die erfindungsgemäße Sekundärkreisvorrichtung eine Crowbar 301 , eine Klemmschalteinrichtung 301 oder Schutzeinrichtung 301 an einer beliebigen Stelle der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ vor. Die Schutzeinrichtung 301 erkennt am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems 100 einen Lastabwurf und reduziert sehr schnell die an den Ausgang 220 übertragene Wirkleistung und/oder stoppt die Energieübertragung. Die Schutzeinrichtung 301 kann für die schnelle Reaktion sowohl Hardwarekomponenten, wie auch Softwarekomponenten nutzen. Um jedoch eine schnelle Reaktion zu bewirken wird soweit wie möglich auf den Einsatz von Softwarekomponenten verzichtet.
Fig. 3a zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Sekundärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die
Klemmschalteinrichtung 301 oder Crowbar 301 kann an einer beliebigen Stelle der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ eingesetzt werden. Wie Fig. 3a zeigt, ist es möglich, die Crowbar 301 auch zwischen verschiedenen Kapazitätskonfigurationen wie z.B. 222a,
222b zu schalten, die im Wesentlichen dem Kondensator 222 entsprechen, wenn S1 geöffnet ist. Durch diese Art der Schaltung erfolgt beim Auslösen der Crowbar 301 eine Verstimmung, wodurch die Resonanzfrequenz des Sekundärresonanzkreises 203 gegenüber der Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises 202 stark verschoben werden kann und somit den Strom auf dem Sekundärresonanzkreis bei aktiver Quelle primärseitig reduziert. Die Resonanzfrequenz des Sekundärresonanzkreises 203 und des Primärresonanzkreises 202, wenn sie zur Energieübertragung genutzt werden, liegt bei ca. 85kHz. Wird S1 geschlossen und die Gesamtkapazität des
Sekundärresonanzkondensators C2, 222, 222a, 222b reduziert, beispielsweise durch Zuschaltung einer Serienkapazität 310, die mit S1 in Reihe geschaltet ist, steigt die Resonanzfrequenz der CPM, insbesondere die Resonanzfrequenz des
Sekundärresonanzkreises 203, an und entfernt sich noch weiter von der Primärresonanz als es ohne der Serienkapazität 310 wäre, wodurch sich sehr gute Schutzeigenschaften für das System 100 erreichen lassen. In einem anderen Beispiel kann beim Kurzschließen der Klemmschalteinrichtung 301 a mittels Schalter S1 auch die Kapazität 222b, welche eine Teilkapazität der Sekundärresonanzkapazität 222 ist, weggeschaltet werden. Um die an den Ausgang 220 übertragene Wirkleistung zu reduzieren und/oder die Energieübertragung zu stoppen können verschiedene Wirkmechanismen alleine oder in Kombination eingesetzt werden.
Eine Möglichkeit die Energieübertragung zu stoppen besteht darin, nach einer Detektion des Lastabwurfes am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems 100 den
Feedbackkanal 101 zu nutzen, um die Abschaltung der Energieübertragung auf der Primärseite mittels eines Befehls oder Kommandos über den Kanal 101 , beispielsweise den WLAN Kanal 101 , an den Eingang des Energieübertragungssystems zu
kommandieren. Da der Kanal 101 jedoch ggf. Kommunikationsprotokolle nutzt, die auf höheren Schichten des OSI Protokolls liegen, könnte diese Anweisung an die
Primärkreiseinrichtung 105‘ langsam ablaufen.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 100 zur
Energieübertragung mit einem schnellen Kommunikationskanal gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem
Blockschaltbild sind insbesondere drei Übertragungspfade mit zugehörigen Komponenten dargestellt.
Ein Energieübertragungspfad 106, 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f ,106g reicht ausgehend von einer Energiequelle 107 über den Energieeingang 106a, über eine Leistungselektronik 401 und über den Abschnitt 106b zu einer primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 und den Abschnitt 106c zu der Primärspule L1 . Die einer primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 kann ein Teil einer primärseitigen Detektionseinrichtung sein. Die primärseitige Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 ist insbesondere eingerichtet einen Strom 11 in der Spule L1 zu messen. In der Spule L1 wird die elektrische Energie in eine magnetische Energie gewandelt und über das Magnetfeld 106 zu der Sekundärspule L2 übertragen. Über den Energieübertragungsabschnitt 106d wird die Energie, welche wieder in eine elektrische Energie in der Form eines Stroms und eine Spannung gewandelt ist, vorbei an der Klemmschalteinrichtung 301 und über den Energiepfadabschnitt 106d der
sekundärseitigen Leistungselektronik 403 zugeführt. Diese Leistungselektronik 403 weist Komponenten zur Bildung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms auf, beispielsweise Gleichrichter 204 und Filterkomponenten. Die Klemmschaltung 301 und die Leistungselektronik 403 bildet im Wesentlichen die Energieübertragungseinrichtung 405. Über den Energiepfadabschnitt 106f und 106g und die sekundärseitige Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 wird die Energie an dem Ausgang 220 des Systems 100 zur Energieübertragung bereitgestellt. Die sekundärseitige Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 kann ein Teil einer sekundärseitigen
Detektionseinrichtung sein.
In einer zur Richtung des Energiepfades 106, 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f, 106g entgegengesetzte Richtung verläuft der Kommunikationskanal 101 , der beispielsweise ein Funkprotokoll wie WLAN nutzen kann. Durch den Einsatz eines Protokolls ist der Kommunikationskanal 101 oder Feedbackkanal 101 jedoch langsam. Der Feedbackkanal 101 wird zwischen der primärseitigen Steuereinrichtung 406 und der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 aufgebaut, insbesondere von darin enthaltenen primär- und sekundärseitigen Kommunikationseinrichtungen.
Für eine schnelle Rückmeldung können der sekundärseitige Komparator 409 und der primärseitige Komparator 408 über einen physikalischen Rückkanal 101‘ kommunizieren. Dieser wird während einer Energieübertragung über das Magnetfeld 106 in
Entgegengesetzter Richtung zu dem Energiepfad 106, 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f, 106g eingerichtet.
Dieser physikalische Rückkanal 101‘ kann genutzt werden, am Ausgang 220 des
Energieübertragungssystems 100 einen Lastabwurf zu erkennen und sehr schnell im Wesentlichen unter Nutzung von Hardware statt Software, die übertragene Wirkleistung 106g stark zu reduzieren oder sogar ganz zu stoppen, um beispielsweise auf den Lastabwurf am Ausgang 220 zu reagieren.
Der sekundärseitige Komparator 409 kann die Klemmschaltung 301 direkt über die Steuerleitung 101“ ansteuern, wenn er über den sekundärseitigen Spannnungs- und/oder Stromsensor 404 oder die sekundärseitige Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 und den Messlink 101 einen Lastabwurf am Ausgang 220 erkennt, um durch das Auslösen der sekundärseitigen Klemmschalteinrichtung 301 oder der CPM-seitig angeordneten Klemmschalteinrichtung Schäden auf der Sekundärseite oder CPM 104 zu verhindern.
Das Auslösen der Crowbar ist im Wesentlichen nicht zum Schutz der Primärseite, sondern für den Ausgang der Sekundärseite vorgesehen. Die Primärseite repräsentiert die Energiequelle und schützt sich dann vor der System reaktion des Kurzschlusses über die Detektion der Auslösung der Crowbar selbstständig durch Abschalten.
Aufgrund der magnetischen Kopplung durch das Magnetfeld 106 zwischen
Primärkreisvorrichtung 105‘ und Sekundärkreisvorrichtung 104‘ wirkt sich das Ereignis des Betätigens der Klemmschalteinrichtung 301 oder Crowbar 301 über den
physikalischen Rückkanal 101‘ und insbesondere über die Beeinflussung des
Magnetfeldes 106 unmittelbar auf die Primärseite aus, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit entspricht im Wesentlichen der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Magnetfeldes.
Insbesondere macht sich die Beeinflussung des Magnetfeldes 106 über den
primärseitigen Strom- und/oder Spannungssensor 402 in dem primärseitigen Komparator 408 als eine Stromänderung oder ein Stromsprung bemerkbar, die/der über den primärseitigen Messlink 101““ von dem primärseitigen Strom- und/oder Spannungssensor 402 oder von der primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 an den primärseitigen Komparator 408 weitergegeben werden kann. Beim Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle oder eines vorgebbaren Grenzwertes in dem primärseitigen Komparator 408 sorgt der primärseitige Komparator 408 über die Steuerleitung 101 und Betätigen der Abschalteinrichtung 410 für ein Abschalten der primärseitigen
Leistungselektronik und stoppt damit eine Energielieferung an die
Sekundärkreisvorrichtung 104‘.
Durch den Einsatz des physikalischen Rückkanals 101‘ kann der für die Kommunikation zwischen CPM 104 und GPM 105 vorgesehene Feedbackkanal 101 umgangen werden, der ein Kommunikationsprotokoll wie beispielsweise WLAN nutzt und daher langsam ist. Das Umgehen der langsamen Verbindung kann für das schnelle Auslösen von Vorgängen genutzt werden, die eine schnelle Reaktionszeit benötigen. Denn für solche Vorgänge mag der Feedbackkanal 101 zu langsam sein, weil der protokollbasierte Rückkanal nur eine Kommunikation mit einer hohen Latenz und Zykluszeit im Vergleich zu einer geforderten Notstoppzeit zulässt, die unter 2ms (< 2ms) liegen soll. Außerdem muss bei einem protokollbasierten Kommunikationskanal 101 damit gerechnet werden, dass einige Nachrichtenpakete, welche zur Erfüllung der Vorgaben des Protokolls genutzt werden, ausfallen oder gestört werden und dadurch verhindert wird, dass die Abschaltinformation auf der Primärseite ankommt, welche durch das Bereitstellen der Energie bei einem Lastabwurf oder Load Dump eine Gefahrenquelle darstellt.
Der physikalische Kanal 101‘ stellt somit eine schnelle Alternative für die Kommunikation von zeitkritischen Ereignissen dar, der parallel zu dem Feedbackkanal 101 genutzt werden kann, um beispielsweise im Fall eines Lastabwurfs oder bei einer geforderten Notabschaltung eine sofortige Abschaltung sicherzustellen.
So können beispielsweise auch zwei redundante Abschaltsysteme innerhalb des Systems 100 zur Energieübertragung realisiert werden. Ein erstes Abschaltsystem kann die primärseitige Steuereinrichtung 406, die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 und einen zweiten primärseitigen Messlink 101 a sowie den zweiten sekundärseitigen Messlink 101 b aufweisen, welche mit der primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 bzw. der sekundärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 verbunden sind. Die Steuereinrichtung 407, 406 kann einen Prozessor, Mikroprozessor oder Controller aufweisen. Ein zweites Abschaltsystem kann den primärseitigen
Komparator 408, den sekundärseitigen Komparator 409 und den ersten primärseitigen Messlink 101““ sowie den ersten sekundärseitigen Messlink 101 aufweisen, welche ebenfalls mit der primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 bzw. der sekundärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 verbunden sind.
Durch die Nutzung des direkten Abschaltpfads 101‘, 101“, 101‘“,101““, 101 weist das zweite Abschaltsystem eine geringere Latenzzeit und größere Zuverlässigkeit als das erste Abschaltsystem auf, welches den Abschaltpfad 101 über WLAN nutzt.
Bei der Ausarbeitung eines Notfallkonzepts und/oder eines Echtzeitverhaltens sollte berücksichtigt werden, dass wenn beim Lastabwurf die Last am Ausgang 220 werggeschaltet wird, die Ausgangsspannung am Ausgang 220 innerhalb von 2ms sehr stark ansteigt und dass die Primärseite innerhalb dieser Zeitspanne von 2ms die
Energiezufuhr abschalten soll, um ein Übersteigen einer maximalen Ausgangsspannung am Ausgang 202 zu verhindern. Außerdem sollte berücksichtigt werden, dass die WLAN Verbindung 101 vollständig gestört sein kann und erst nach einem Timeout der
Verbindung nach zum Beispiel 2s abgeschaltet wird, denn ein Fehlerprotokoll mag vorsehen, dass erst wenn nach einer Zeitspanne von 2s noch keine Nachrichten angekommen sind, von einem Defekt der Übertragungsstecke 101 ausgegangen wird und das gesamte System 100 zur Energieübertragung abgeschaltet wird. Innerhalb der 2s kann jedoch die Ausgangsspannung am Ausgang 220 einen kritischen Wert erreichen, der zur Zerstörung der Komponente des Systems 100 zur Energieübertragung führen kann. Da die WLAN Module nicht ASIL (automotive safety integrity level) zertifiziert sind, kann es auch zu einem Aufhängen der WLAN Module kommen.
Um eine schnelle Reaktionszeit sicherstellen zu können wird daher, wenn ein Lastabwurf am Ausgang 220 von der sekundärseitigen Detektionseinrichtung 409 mittels des
Spannungssensors 404 erkannt wird der Anstieg der Ausgangsspannung von dem sekundärseitigen Komparator 409 gegenüber eines durch die sekundärseitige
Steuereinrichtung 407 vorgebbaren Grenzwertes oder Thresholds verglichen. Sobald die Spannung am Ausgang 220 den vorgebbaren Grenzwert oder die vorgebbare
Detektionsschwelle übersteigt wird die Klemmschalteinrichtung 301 ausgelöst. Das Auslösen der Klemmschalteinrichtung 301 erzeugt einen Stromsprung auf der Primärseite 105‘, insbesondere in der Primärspule L1. Auf der Primärseite 105‘ wiederum wird der Strom 11 des Hauptmagnetfelds 106 mit dem primärseitigen Komparator gegenüber einer durch die primärseitige Steuereinrichtung 406 vorgebbaren Grenzwert verglichen. Zur Erfassung des Stromes mag die primärseitige Strom- und/oder Spannungsmesseirichtung 402 als Stromsensor 402 ausgebildet sein. Übersteigt der gemessene Stromwert, der durch die sekundärseitige Auslösung der Klemmschalteinrichtung 301 hervorgerufen wird, den vorgebbaren Grenzwert, so werden die Treiber der Leistungselektronik 402 über die Abschalteinrichtung 410 automatisch deaktiviert.
Die„Kurzschlusswirkung“ der Klemmschalteinrichtung macht sich als ein Stromsprung und/oder Spannungssprung, insbesondere durch eine Strom- und/oder Spannungsanstieg auf der Primärseite bemerkbar. Wird die Last 205 weggenommen, dann wird die Verstärkung von Eingangsspannung Uin zu Resonanzstrom 11 über das Filter 200 grösser und führt zu einem Stromanstieg im Primärresonanzkreis 202. Dieser Stromanstieg erfolgt innerhalb der Reaktionszeit bei gleicher Stellspannnung Uin und führt zu einem höheren Strom 11 .
In einem Beispiel mag der physikalische Rückkanal 101 101 101 101 101 404,
409, 301 , 402, 408, 410 im Wesentlichen nur Logikbausteine aufweisen. Diese gesamte Logik des Rückkanal 101‘, 101“, 101 101 101 404, 409, 301 , 402, 408, 410 wird vor jedem Start eines Ladevorgangs einem Selbsttest und/oder Funktionstests
unterzogen.
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren startet in einem Idle-Zustand S801 . Es erfolgt im Zustand S802 ein Erkennen der Kopplung der Primärkreisvorrichtung mit einer Sekundärkreisvorrichtung. Bevor mit einer Energieübertragung begonnen wird, wird im Zustand S803 in der primären
Detektionseinrichtung 408 eine Detektionsschwelle oder ein Grenzwert für das Erkennen eines Stromsprungs reduziert, um dadurch einen Stromsprung zu simulieren. In einem weiteren Zustand S804 des Verfahrens wird die Reaktion der primären
Detektionseinrichtung 408 beispielsweise mittels der primärseitigen Steuereinrichtung ausgewertet und beurteilt, ob die primärseitige Detektionseinrichtung 408 funktionstüchtig ist. Danach kehrt das Verfahren in den Idle-Zustand S805 zurück.
In anderen Worten wird ein Grenzwert des primärseitige Komparator 408 von der primärseitigen Steuereinrichtung 406 unter der Nutzung eines PWM Signals (Puls-Weiten- Modulation) über den primärseitigen Einsteillink 41 1 so vorgegeben, dass ein Grenzwert des Stroms überschritten wird, wodurch ein Stromsprung, also eine Änderung eines Stromwertes, simuliert werden kann.
Der Amplitudenunterschied zwischen Grenzwert und aktuellem Stromwert wird für die Auslösung des Komparators genutzt. Eine Impulsdauer oder irgendeine andere
Zeitkonstante des Stromsprungs wird im Wesentlichen nicht ausgewertet. Die Zeitpunkte der Referenzvorgabe des Grenzwertes durch die primärseitige Steuereinrichtung 406 und der Reaktion auf eine Crowbarauslösung liegen weit auseinander. Die Referenzschwelle oder der Grenzwert für die Detektion wird in der Größenordnung von ms vorgegeben von der Steuereinrichtung 407 an den primärseitigen Komparator 408, die Reaktion des Komparators 408 auf ein Überschreiten des Grenzwertes erfolgt im
Mikrosekundenbereich und dauert etwasl Ous.
Das PWM-Signal weist ein Tastverhältnis auf, wobei ein Tastverhältnis von 50% einem vorgebbaren Stromgrenzwert von 0A entspricht. In einem anderen Beispiel mag ein Tastverhältnis, welches aus dem Bereich ]0%; 100%] gewählt wird, oder ein
Tastverhältnis, welches größer als 0% ist, als ein vorgebbarer Stromgrenzwert von 0A interpretiert werden. Vor jedem Start eines Ladevorgangs wird solange der Spulenstrom 11 in der Primärspule L1 OA beträgt, also solange noch kein Strom fließt und keine
Energie übertragen wird, jedoch bereits ein Magnetfeld aufgebaut ist, an einem Eingang des primärseitigen Komparators 408 ein Stromgrenzwert von kleiner OA eingestellt, in dem das standardmäßige Tastverhältnis von einem Wert größer als 50% (>50%), der standardmäßig eingestellt ist, auf einen Wert von kleiner 50% (<50%) gesetzt wird, so dass der vorhandene Strom von OA den vorgebbaren Stromgrenzwert von kleiner als OA überschreitet. Die Einstellung verschiedener Tastverhältnisse ist auch in Fig. 7 dargestellt.
Der Grenzwert wird anhand des aktuellen Stromeffektivwert von 11 von einem
Mikrocontroller oder einer Steuereinheit 406 gestellt. Dieser Grenzwert wird mit einer sehr langsamen Zeitkonstante aktualisiert und stellt den aktuellen gefilterten Messwert 11 mit einem Offset als Grenzwert für den primärseitigen Komparator 408 ein. Nach einer Auslösung des Komparators 408 wird die Auslösung mittels von der Steuereinrichtung 406 durchgeführt. Beispielsweise ändert sich nach dem Auslösen des Komparators sich ein Speicherzustand eines im Komparator genutzten Latch oder Sample-and-Holdgliedes von dem logischen Zustand 0 auf 1. Dieser Zustand kann dann nach der Analyse von der Steuereinheit 406 über eine Steuerleitung 41 1 oder Resetleitung 41 1 wieder auf 0 gesetzt werden. Solang der Zustand der logischen 1 anliegt wird die Quelle 107 Mittels
Abschalteinrichtung 410 von der Hardware blockiert und somit die Treiber 401 deaktiviert. Mittels der primärseitigen Steuereinrichtung 406 kann geprüft werden, ob die
Abschalteinrichtung 410 betätigt worden ist und somit kann analysiert werden, ob der primärseitige Komparator 408 ausgelöst hat. Folglich kann durch dieses Testverfahren die Funktionstüchtigkeit des primärseitigen Komparators 408 überprüft werden. Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Testen einer
Sekundärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren startet in einem Idle-Zustand S901. Im Zustand S902 erfolgt ein Koppeln der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ mit einer
Primärkreisvorrichtung 105‘ über ein Magnetfeld 106. In dem Zustand S903 wird von der Sekundärkreisvorrichtung eine zu übertragende Energie in Form einer Leistungsvorgabe an die Primärkreisvorrichtung 105‘ gestellt. Diese Vorgabe kann beispielsweise über den Feedbackkanal 101 gesendet werden. Durch diese Vorgabe fordert die
Sekundärkreisvorrichtung eine vorgebbare Leistung bei der Primärkreisvorrichtung
105‘ an. In dem Zustand S904 wird die Klemmschalteinrichtung 301 ausgelöst, indem eine Detektionsschwelle oder ein Grenzwert für das Erkennen der Überspannung in der sekundären Detektionseinrichtung 409 herabgesetzt wird. Diese Detektionsschwelle kann über den sekundärseitigen Einstell- und/oder Abfragelink 412 von der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 an die sekundärseitige Detektionseinrichtung 409 übertragen werden. Außerdem erfolgt ein Auswerten eines Stromsprungs in der
Primärkreisvorrichtung 105‘, insbesondere in der primärseitigen Detektionseinrichtung 408 und/oder in der primärseitigen Steuereinrichtung 406. Danach endet das Testverfahren in einem Idle-Zustand S905. Das Testverfahren für die Sekundärkreisvorrichtung 104‘ setzt voraus, dass das Magnetfeld 106 aufgebaut ist, und eine ungefährliche
Energieübertragung oder Leistungsübertragung von beispielsweise 500W stattfindet. Über das Magnetfeld 106 kann der physikalische Rückkanal 10T etabliert werden.
In anderen Worten wird zum Test der Sekundärkreisvorrichtung 104’ über den
Feedbackkanal 101 oder WLAN-Kanal 101 ein Befehl von der Sekundärkreisvorrichtung 104’ und die Primärkreisvorrichtung 105’ gesendet, der dafür sorgt, dass die
Primärkreisvorrichtung 105’ innerhalb von 2s eine Ladeleistung von beispielsweise 500W sekundärseitig einstellt
Bevor dieses Testverfahren ausgeführt wird, wird eine konstante Leistung von 500W eingestellt. Das Einstellen einer konstanten Leistung sorgt dafür, dass die
Schutzmechanismen, insbesondere die Komparatoren 408, 409, nur bei einer positiven übertragenen Wirkleistung getestet werden, d.h. dass eine Voraussetzung für den Test ist, dass Schwingkreise 202, 203 gekoppelt sind und eine Last vorhanden. Ist die Koppelung zu tief, d.h. wird ein kleiner Koppelfaktor bestimmt, der gegen Null geht (k->0) oder ist keine Last angeschlossen, wenn beispielsweise am Ausgang 220 nur eine Kapazität jedoch keine Batterie 205 vorhanden ist, dann ergibt sich auch ohne Ansteuerung von der Klemmschalteinrichtung S1 302 ein Überstrom 11 oder ein Überschreiten des im
Komparator 408 eingestellten Grenzwertes in der Primärvorrichtung 105’, d.h. der
Komparator würde mit Überstrom auslösen. Die Detektionseinrichtung 409 oder primärseitige Steuereinrichtung 409 trifft erst eine Aussage über die korrekte
Funktionalität des Mechanismus, wenn vorher bereits eine Wirkleistung erfolgreich gestellt werden konnte.
Die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 misst einen Spannungswert an dem Ausgang 220, der sich bei der eingestellten Leistung von beispielsweise 500W ergibt. Die
Spannungsmessung an dem Ausgang 220, an dem ein HVDC Schaltkreis und/oder eine Batterie angeschlossen sein kann, wird mittels der Strom- und/oder
Spannungsmesseinrichtung 404 ausgeführt, die in diesem Fall als
Spannungsmesseinrichtung 404 ausgeführt ist. Nachdem der aktuelle Wert der
Ausgangsspannung von der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 ermittelt worden ist, reduziert die sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 über den sekundärseitigen Einstell- und/oder Abfragelink 412 die Detektionsschwelle des sekundärseitigen Komparators 409 für die Klemmeinrichtung 301 . Der Spannungswert wird auf einen Spannungswert reduziert, der unter dem Spannungswert liegt, der zuvor als Ausgangsspannungswert am Ausgang 220, als Batteriespannung oder als HVDC Spannungswert gemessen worden ist. Durch das Reduzieren der Detektionsschwelle unter den aktuell anliegenden
Ausgangsspannungswert wird ein Spannungsanstieg an dem Ausgang 220 nach einem Lastabwurf simuliert und der sekundärseitige Komparator 409 schaltet, wodurch die Klemmschalteinrichtung 301 auslöst, insbesondere schaltet.
Fig. 5 zeigt den Verlauf einer Auslöseschwelle oder einer Detektionsschwelle gegenüber einer Ausgangsspannung während eines Auslösetests in einem Zeit-Spannungs- Diagramm gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem Diagramm ist an einer Abszisse die Zeit in ms und an einer Ordinate eine
Spannung in V angetragen. Ferner ist als Kurve 501 der Spannungsverlauf der
Ausgangsspannung, der Batteriespannung oder der HVDC Spannung dargestellt, der im Wesentlichen einen konstanten Verlauf über die Zeit aufweist. Als Kurve 502 ist der Spannungsverlauf einer vorgebbaren sekundärseitigen Detektionsschwelle, eines vorgebbaren sekundärseitigen Grenzwertes oder einer vorgebbaren sekundärseitigen Auslöseschwelle dargestellt. Um trotz des konstanten Spannungsverlaufes 501 der Ausgangsspannung bei 400V einen Funktionstest der Klemmschalteinrichtung 301 durchführen zu können, wird die Detektionsschwelle von einem Wert von 430V auf unter 400V reduziert.
Zum Zeitpunkt 503 wird mit dem Funktionstest begonnen und der aktuelle Wert der Ausgangsspannung 501 gemessen. Hierbei wird beispielsweise ein Spannungswert von 400V bestimmt. Es erfolgt eine Wartezeit von beispielsweise etwa 400ms bis zum Zeitpunkt 504 mit dem Reduzieren der vorgebbaren Detektionsschwelle begonnen wird. Ab dem Zeitpunkt 504 wird die vorgebbare Detektionsschwelle linear reduziert, bis sie nach beispielsweise maximal 500ms den Ausgangsspannungswert erreicht und nach Unterschreiten dieses Wertes zu einem Auslösen der Klemmschalteinrichtung 301 führt.
Das Auslösen der Klemmschalteinrichtung 301 oder das Schalten der
Klemmschalteinrichtung 301 kann durch die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 über den Einstell- und/oder Abfragelink 412 und über den sekundärseitigen Komparator 409 und nicht direkt über die die Klemmschalteinrichtung 301 detektiert werden. Die
Steuereinrichtung 407 steht über den Einstell- und/oder Abfragelink 412 mit einem Speicherbaustein oder Latch des Komparators 409 in Verbindung. Der Speicherbaustein erhält den Zustand der Klemmschalteinrichtung 301 nach einem Auslösen des
Komparators und hält ihn, bis die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 den
Speicherbaustein wieder löscht, beispielsweise durch einen Reset. Der Einstell- und/oder Abfragelink 412 kann genutzt werden, um den Speicherbaustein im Komparator 409 zu löschen.
Da die Reduktion der Detektionsschwelle von der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 vorgenommen worden ist, weiss die sekundärseitige Steuereinrichtung 407, bei welchem Spannungswert 502 zum Zeitpunkt 505 die Klemmschalteinrichtung 301 ausgelöst hat. Dieser Spannungswert entspricht der Spannungsmessung mit dem sekundärseitigen Komparator 409. Diese Spannungsmessung liegt in der sekundärseitigen
Steuereinrichtung 407 vor, ebenso wie die zu Beginn des Verfahrens ermittelte Ausgangsspannung 501. Beide Spannungsmessungen sind mittels der sekundärseitigen Spannungsmesseinrichtung 404 durchgeführt worden, allerdings zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder unter Nutzung von verschiedenen Messmethoden, beispielsweise einer ersten Messmethode, die der sekundärseitige Komparator 409 ausführt und die eine analoge vorsieht, und eine zweite Messmethode, die die sekundärseitige
Steuereinrichtung 407 ausführt und die eine digitale Messung durchführt.
Die initiale Spannungsmessung wurde von der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 über den sekundärseitigen Messlink 101 b ermittelt und die von dem sekundärseitigen Komparator 409 durchgeführte Spannungsmessung wurde über den Messlink 101’” ermittelt. Nun kann die Spannungsmessung der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 gegenüber der Spannungsmessung des sekundärseitigen Komparators 409 nach dem Auslösen des Komparators in der sekundärseitigen Steuereinrichtung 407 verglichen werden.
Mittels der sekundärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 kann der Ausgangsstrom am Ausgang 220 durch die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 über den sekundärseitigen Messlink 101 b ermittelt werden. Zum Verifizieren einer korrekten Funktionsweise der Sekundärkreisvorrichtung 104’ muss die sekundärseitige
Steuereinrichtung 407 feststellen, dass der Ausgangsstrom am Ausgang 220 in der gleichen oder nächsten Messperiode wie die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 das Auslösen der Klemmschalteinrichtung 301 erkannt hat einbricht, also im Wesentlichen auf 0A mit einer Toleranz von +- 0.3A absinkt. Das Einbrechen des Ausgangsstromes verifiziert die korrekte Funktionsweise des Schutzmechanismus. Wenn der Strom des Ausgangs 0A ist, dann ist der Ausgang eindeutig mit einer sehr großen
Wahrscheinlichkeit getrennt, d.h. der Schutzmechanismus hat die Funktion korrekt ausgeführt und die Wirkung kann validiert werden. Wird das Einbrechen des
Ausgangsstromes festgestellt, kann die sekundärseitige Steuereinrichtung 407 von der Funktionstüchtigkeit der Klemmschalteinrichtung 301 ausgehen. Wird das Einbrechen des Ausgangsstromes nicht festgestellt, kann die sekundärseitige Steuereinrichtung auf einen Fehler in der Klemmschalteinrichtung schließen und einen Defekt anzeigen und/oder einen Ladevorgang abbrechen. Durch das Auslösen der Klemmschalteinrichtung steigt auch der Strom 11 im
Primärresonanzkreis 202 an, welcher das Hauptmagnetfeld 106 erzeugt. Dieser
Stromanstieg oder Stromsprung alternativ auch ein Spannungssprung wird von der primärseitigen Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 402 an den primärseitigen Komparator 408 weitergegeben, der die Abschalteinrichtung 410 betätigt. Die
sekundärseitige Steuereinrichtung 407 kann daher erwarten, innerhalb einer definierten Zeit, nachdem sie die Klemmschalteinrichtung 301 ausgelöst hat, eine Notabschaltung der Abschalteinrichtung 410 über den primärseitigen Komparator 408 mitgeteilt zu bekommen, beispielsweise über den Kommunikationskanal 101.
Steigt der Strom 11 in der Spule L1 nicht sprunghaft an, d.h. überschreitet der Strom nicht den voreingestellten Grenzwert, lässt die primärseitige Steuereinrichtung 406 kein längeres Laden innerhalb der existierenden WLAN Verbindung zu. Solange die
Komponenten 105’, 104’ über den Kommunikationskanal 101 insbesondere über WLAN verbunden sind folgt die Primärkomponente 105’ nach einer gewissen Zeit der
Kommandierung der Sekundärkomponente. Liegt hingegen kein aufgebauter
Kommunikationskanal 101 beispielsweise eine aufgebaute WLAN Verbindung vor, dann gibt es nach 2s einen Übergang in einen sicheren Failback-Safe Zustand, einen Fehler, Fehler- und/oder Standbyzustand. D.h. wenn die Primärkomponente 105’ keinen
Stromanstieg feststellen würde, würde die Sekundärkomponente die Crowbar 301 dauerhaft betätigen und warten bis die Primärkomponente 105’ ein Timeout erreicht. Der Fehlerzustand wird erreicht, wenn die Crowbar-Auslösung fehlgeschlagen ist, die Diagnose der Crowbar-Auslösung, eine Information von Komparator 409 zu
Steuereinrichtung 407 übertragen wird, fehlgeschlagen ist oder keine Bestätigung oder kein Acknowledgement Signal, beispielsweise dass ein Überstrom 11 erkannt worden ist, von Primärkomponente erhalten worden ist. Wenn zwischendurch der
Kommunikationskanal 101 , beispielsweise die WLAN Verbindung ausfällt, geht die Primärkomponente 105’nach 2s sowieso in einem sicheren Zustand.
Entsprechendes mag für einen Spannungssprung gelten.
Falls der primärseitige Komparator 408 nicht zum Abschalten der Treiber 401 führt, obwohl die Klemmschalteinrichtung 301 ausgelöst worden ist, wird das Generieren des Magnetfeldes 106 über das Ansteuern der Abschalteinrichtung 410 mittels der
primärseitigen Steuereinrichtung 406 beendet und kein weiteres Laden mehr zugelassen, da der physikalische Rückkanal 101‘, 101“, 101 101 101 404, 409, 301 , 402, 408,
410 und/oder eine seiner Komponenten defekt zu sein scheint.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer primärseitigen Detektionseinrichtung, insbesondere eines primärseitigen Komparators 408 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der primärseitige Komparator 408 erhält einen Messwert des Stromes 11 über die Strommessspule 601 der primärseitigen Strom- und/oder
Spannungsmesseinrichtung 402. Der Strom wird indirekt über eine Spannung an der Strommessspule 601 gemessen. Die Strommessspule 601 ist mit der Primärspule L1 magnetisch gekoppelt und bildet mit dieser Primärspule L1 einen Transformator. Der Shunt 602, welcher parallel zu der Strommessspule 601 angeordnet und mit dem
Potenzial UZM verbunden ist, schützt den primärseitigen Komparator 408 vor einer Überspannung. Über dien Messlink 101““ wird die Messspannung, welche dem Strom 11 entspricht, dem primärseitigen Komparator 408 zur Verfügung gestellt, der als
Doppelkomparator oder symmetrischer Komparator mit den beiden Operationsverstärkern 408a. 408b ausgeführt ist. Die Messspannung wird dem positiven Eingang des ersten Operationsverstärkers 408a und dem negativen Eingang des zweiten
Operationsverstärkers 408b zugeführt.
Über den Einsteillink 41 1 erhält jeder der Operationsverstärker 408a, 408b über ein PWM Signal eine vorgebbare primärseitige Detektionsschwelle. Das PWM Signal wird dem negativen Eingang des ersten Operationsverstärkers 408a und dem positiven Eingang des zweiten Operationsverstärkers 408b zugeführt. Die Ausgänge 603a, 603b der beiden Operationsverstärker 408a, 408b werden zusammengeführt und dem Latch 604 zugeführt. Das Latch 604 kann über die Reset-Leitung 605 zurückgesetzt werden und ist als
Sample-and-Hold Glied ausgeführt, um an der Steuerleitung 101 einen stabilen Wert des Vergleiches des aktuellen Stromwertes 11 mit der primärseitigen Detektionsschwelle bereitzustellen. Die Steuerleitung 101 ist aktiv, wenn ein Stromsprung auf der
Primärseite erkannt wird, d.h. wenn der Spannungswert auf der ersten primärseitigen Messleitung 101““ den Spannungswert der über Einsteillink 41 1 bereitgestellten positiven Peak-Detektionsschwelle oder den positiven Grenzwert überschreitet. Der Vergleich wird mit der positiven und negativen analogen Peak-Messung vom Strom durchgeführt. Die Steuerleitung 101“‘“ ist mit der Abschalteinrichtung 410 verbunden (die Abschalteinrichtung 410 ist in Fig. 6 nicht dargestellt). Da sämtliche Komponenten des in Fig. 6 dargestellten Komparators 408 mit diskreten Bauelementen aufgebaut ist kann eine schnelle Detektion eines Spannungssprungs von 11 erfolgen
Das PWM Signal wird mit analogen Komponenten (nicht gezeigt in Fig. 6) analog in eine analoge Gleichspannung konvertiert, die als Detektionsschwelle dient und über
Einsteillink 1 1 1 bereitgestellt wird. Diese Detektionsschwelle wird positiv mit dem positiven Peak des Stromes, insbesondere der dem Strom entsprechenden Spannung an 101““, verglichen und als negative Schwelle mit dem negativen Peak-Wert des Stromes, insbesondere der dem Strom entsprechenden Spannung an Messlink 101““, verglichen. Hierbei sind sämtliche Spannungen gegenüber einem Bezugspotenzial oder
Referenzpotenzial UZM definiert, beispielsweise GND oder 0V der Schaltung. Der Shunt 602 ist mit UZM verbunden. Die Strommessspule dient der Strommessung im Primärkreis. Der Aufbau des primärseitigen Transformators 408 entspricht auch dem Aufbau des Sekundärseitigen Transformators, der über die Strommessspule den Strom am Ausgang 220 misst. Die Strommessspule 601 des sekundärseitigen Komparators 409 kann der Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung 404 zugeordnet werden.
Der Ausgang vom Speicherbaustein 604 oder Latch 604 hat die Funktion, den Zustand des Speichers zu melden und die Treiber gleichzeitig anhand dieses Zustandes zu sperren. Das Latch 604 kann als Flip Flop implementiert sein mit dem positiven Ausgang Q 101 und dem negativen Ausgang Qneg, der den negierten Wert des positiven Ausgangs 101 aufweist.
Fig. 7 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm 700 einer mittels des primärseitigen
Komparators 408 vorgebbaren Detektionsschwelle für einen Funktionstest des
primärseitigen Komparators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. An der Abszisse des Diagramms ist die Zeit und an der Ordinate ein Spannungswert bezogen auf das Bezugspotenzial UZM dargestellt. Die Zeitachse ist in die 5 Zeitbereiche I, II, III, IV, V eingeteilt. Die Kurve 408a‘ gibt den Verlauf der mittels des ersten Operationsverstärkers 408a durch den Einsteillink 41 1 vorgebbaren
primärseitigen oberen Detektionsschwelle für den Strom 11 als ein Spannungsverlauf 408a‘ an. Die Kurve 408b‘ gibt den Verlauf der mittels des ersten Operationsverstärkers 408a durch den Einsteillink 41 1 vorgebbaren primärseitigen oberen Detektionsschwelle für den Strom 11 als ein Spannungsverlauf 408b‘ an. Die Kurve 60T gibt den
Spannungsverlauf des in der ersten primärseitigen Messleitung 101““ durch die
Messspule 601 oder den Stromsensor 601 aufgenommenen Signals an, ob der
Spannungsverlauf 60T zu dem Primärstrom 11 proportional ist. Das Messsignal 60T ist sinusförmig und weist die Primärspulenfrequenz 85kHz auf.
Die vorgebbare primärseitige untere Detektionsschwelle 408a‘ und die vorgebbare primärseitige obere Detektionsschwelle 408b‘ kann im Wesentlichen zwischen den Spannungswerten UZM, x UZM und y UZM eingestellt werden, die jeweils auf das
Potenzial UZM bezogen sind.
Der Beriech I entspricht einem Tastverhältnis des über den Einsteillink 41 1
bereitgestellten PWM-Signals von 0% und ergibt einen ungültigen Zustand an. Der Beriech II entspricht einem Tastverhältnis des über den Einsteillink 41 1 bereitgestellten PWM-Signals, das zwischen 0% und unterhalb 50% variiert werden kann und ergibt ebenfalls einen ungültigen Zustand.
Im Bereich III wird für des über den Einsteillink 41 1 bereitgestellte PWM-Signal ein Tastverhältnis von 50% eingestellt und es ergibt sich ein gültiger Zustand, bei dem die vorgebbare primäre Detektionsschwelle einem Primärstrom 11 von OA entspricht. Der primäre Komparator 408 kann in dem Bereich III betrieben werden, um das Testverfahren für die Funktionstüchtigkeit des primären Komparators 408 durchzuführen.
Im Bereich IV wird für des über den Einsteillink 41 1 bereitgestellte PWM-Signal ein Tastverhältnis zwischen 50% und 100% eingestellt und es ergibt sich ein gültiger Zustand, bei dem die vorgebbare primäre Detektionsschwelle einem Primärstrom 11 von 0A bis 100A entspricht. Im Bereich V wird für das über den Einsteillink 41 1 bereitgestellte PWM-Signal ein Tastverhältnis von 100% eingestellt und es ergibt sich ein gültiger Zustand, bei dem die vorgebbare primäre Detektionsschwelle einem Primärstrom 11 der Größenordnung 100A entspricht.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ und„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als
Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Sekundärkreisvorrichtung (104‘), aufweisend:
• eine Sekundärspule (L2) zum Senden und/oder Empfang einer magnetischen
Energie eines Magnetfeldes (106) und zum Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie;
• eine Energieübertragungseinrichtung (405) zum Übertragen der elektrischen
Energie;
• eine sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407);
• eine Klemmschalteinrichtung (301 );
wobei
• das Magnetfeld (106) von einer Primärspule (L1 ) einer Primärkreisvorrichtung
(105‘) generiert wird;
• die Energieübertragungseinrichtung (405) einen Eingang zum Anschluss der
Sekundärspule (L2) aufweist;
• die Energieübertragungseinrichtung (405) einen Ausgang zum Bereitstellen der elektrischen Energie als Spannung und/oder Strom aufweist;
• die sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407) mit dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung verbunden ist, um eine Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der
Energieübertragungseinrichtung zu erkennen; und
• die sekundärseitige Detektionseinrichtung (409, 407) eingerichtet ist, beim
Erkennen der Überspannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Energieübertragungseinrichtung (405) mittels der Klemmschalteinrichtung (301 ) das Magnetfeld (106) in der Sekundärspule (L2) so zu beeinflussen, dass in der Primärspule (L1 ) ein Stromsprung und/oder einen Spannungssprung hervorgerufen wird.
2. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach Anspruch 1 , wobei die sekundärseitige
Detektionseinrichtung (409, 407) zum Erkennen der Überspannung einen sekundärseitigen Komparator (409) aufweist.
3. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach Anspruch 2, weiter aufweisend:
eine sekundärseitige Steuereinrichtung (407);
wobei die sekundärseitige Steuereinrichtung (407) zum Vorgeben eines
Grenzwertes (502) des sekundärseitigen Komparators eingerichtet ist.
4. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Klemmschalteinrichtung (301 ) eingerichtet ist, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Energieübertragungseinrichtung mit zumindest einer Schutzmaßnahme zu reagieren, welche aus der Gruppe von Schutzmaßnahmen ausgewählt ist, bestehend aus:
• Kurzschließen des Eingangs der Energieübertragungseinrichtung (405);
• Kurzschließen des Ausgangs der Energieübertragungseinrichtung (405);
• Verstimmen der Energieübertragungseinrichtung (405); und
• Auftrennen eines mit der Sekundärspule (L2) gebildeten Schwingkreises (203).
5. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
weiteraufweisend:
eine sekundärseitige Kommunikationseinrichtung;
wobei die sekundärseitige Kommunikationseinrichtung zum Aufbauen eines Kommunikationskanals (101 ) mit der Primärkreisanordnung (105‘) eingerichtet ist.
6. Primärkreisvorrichtung (105‘), aufweisend:
eine Energieerzeugungseinrichtung (401 ) zum Bereitstellen von elektrischer Energie und eine Primärspule (L1 ) zum Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie;
eine primärseitige Detektionseinrichtung (408, 406);
wobei
• die Energieerzeugungseinrichtung (401 ) mit der Primärspule (L2) verbunden ist;
• die Primärspule (L2) zum Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie eingerichtet ist;
• die primärseitige Detektionseinrichtung (408, 406) mit der Primärspule (L1 ) verbunden ist; und
• die primärseitige Detektionseinrichtung weiter (408, 406) eingerichtet ist, einen
Stromsprung in der Primärspule (L1 ) zu erkennen und beim Erkennen des Stromsprungs die Energieerzeugungseinrichtung (401 ) abzuschalten.
7. Primärkreiseinrichtung (105‘) nach Anspruch 6, wobei die primärseitige
Detektionseinrichtung (408, 406) zum Erkennen des Stromsprungs einen primärseitigen Komparator (408) aufweist.
8. Primärkreiseinrichtung (105‘) nach Anspruch 7, weiter aufweisend:
eine primärseitige Steuereinrichtung (406);
wobei die primärseitige Steuereinrichtung (406) zum Vorgeben eines Grenzwertes (408a‘, 408b‘) des primärseitigen Komparators (408) eingerichtet ist.
9. Primärkreiseinrichtung (105‘) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, weiter aufweisend: eine primärseitige Kommunikationseinrichtung;
wobei die primärseitige Kommunikationseinrichtung zum Aufbauen eines
Kommunikationskanals (101 ) mit einer Sekundärkreisanordnung (104‘) eingerichtet ist.
10. System (100) zur Energieübertragung, aufweisend:
eine Car-Pad-Modul-Einrichtung (104), aufweisend die Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 5;
eine Ground-Pad-Modul-Einrichtung (105), aufweisend die Primärkreisvorrichtung (105‘) nach einem der Ansprüche 6 bis 9;
wobei die Sekundärkreisvorrichtung (104‘) und die Primärkreisvorrichtung (105‘) über ein magnetisches Feld (106) gekoppelt sind.
1 1 . Verfahren zum Testen einer Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, aufweisend:
Koppeln der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) mit einer Primärkreisvorrichtung (105‘) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 über ein Magnetfeld;
Vorgeben einer zu übertragenden Energie in Form einer Leistungsvorgabe;
Auslösen der Klemmschalteinrichtung durch Herabsetzen einer Detektionsschwelle (502) für das Erkennen der Überspannung in der sekundären Detektionseinrichtung (407, 409);
Auswerten eines Stromsprungs in der Primärkreisvorrichtung (105‘).
12. Verfahren zum Testen einer Primärkreisvorrichtung (105‘) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, aufweisend:
Erkennen der Kopplung mit einer Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 5;
Simulieren eines Stromsprungs und/oder Spannungssprungs durch Herabsetzen einer Detektionsschwelle (408a‘, 408b‘) für das Erkennen eines Stromsprungs und/oder Spannungssprungs in der primären Detektionseinrichtung (408, 406); Auswerten der Reaktion der primären Detektionseinrichtung.
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