WO2020002240A1 - Primärkreisvorrichtung, sekundärkreisvorrichtung und system zum induktiven laden - Google Patents

Primärkreisvorrichtung, sekundärkreisvorrichtung und system zum induktiven laden Download PDF

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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 inductive charging, a method for supplying energy with the
  • 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 a coupling element for energy transmission.
  • GPM and CPM form for coupling and
  • Coupling elements to each other is via a positioning signal e.g. WLAN (Wireless Local Area Network) measured and set.
  • a positioning signal e.g. WLAN (Wireless Local Area Network) measured and set.
  • a secondary circuit device a primary circuit device, a system for inductive charging, a method for power supply with the
  • Secondary circuit device a method for energy transmission with a Specified primary circuit device and a method for testing the
  • a secondary circuit device or a secondary circuit arrangement 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, a rectifying device for rectifying the electrical energy and a secondary-side detection device ,
  • the secondary coil is connected to the rectifying device via a
  • Energy control device connected and the energy control device is set up for transmitting an active electrical energy and an electrical reactive energy.
  • the energy guide device is arranged between the secondary coil and the rectifying device.
  • the secondary coil can be at least partially the
  • the Energy management device can be assigned.
  • the energy guide device is connected to an input of the rectifier device and the rectifier device has an output for providing the active electrical energy as voltage and / or current.
  • the secondary-side detection device is connected to the input and / or the output of the rectifying device in order to detect an overvoltage in the voltage at the input and / or the output of the rectifying device and / or to detect an external magnetic field, and the secondary-side detection device is set up at Detect the overvoltage at the input and / or the
  • the transfer can essentially be limited by two measures.
  • the source can be switched off, for example on the primary side.
  • a transmission link for example the
  • Energy control device can be influenced so that the amount of energy transported is reduced, for example by damping.
  • Various other measures are possible and can be combined with one another in any number.
  • Primary circuit device which has an energy generating device for providing electrical energy as electrical active power and / or electrical reactive energy and a primary coil for converting the electrical energy into magnetic energy.
  • the energy generating device is connected to the primary coil and the primary coil is set up to transmit and / or receive the magnetic energy.
  • the energy generation device is further configured to extract a command, a signal and / or a reactive energy from a received magnetic energy and to derive a control command from the received command, signal and / or from the received reactive energy in order to change a size of the energy provided or to provide the energy in the
  • the signal can be, for example
  • the command can be a command transmitted over a radio link, for example by means of a WLAN system.
  • the signal and / or command could also be transmitted by means of a positioning signal which also uses a magnetic field fluctuation, but lies in a different frequency range than the magnetic field which is used for the energy transmission.
  • the positioning signal may be a physical signal, which is in a direction opposite to that used in energy transmission
  • a positioning signal may be sent out when a CPM is aligned with a GPM and not yet
  • the command, signal and / or the energy may be generated and transmitted by the secondary circuit device. However, it may also be possible to send out the command, signal and / or the energy in the opposite direction, no longer to record it or to reflect it, in particular if the functionality of the secondary circuit device is to be tested.
  • a system for inductive charging which includes a car pad module device
  • Has primary circuit device wherein the car pad module device and the ground pad module device can be coupled via a magnetic field.
  • the car pad module device and the ground pad module device form a loosely coupled system, ie a system which can be separated at any time, for example if the car pad module device is opposite the ground pad module -Device or vice versa.
  • Power supply described with a secondary circuit device which comprises sending and / or receiving a magnetic energy of a magnetic field and converting the magnetic energy into electrical energy with a secondary coil.
  • the method further comprises transmitting an electrical active energy and an electrical reactive energy to an input of an energy control device
  • Rectifier device and the provision of the active electrical power as voltage and / or current at an output of the rectifier device.
  • the method also provides for detecting an overvoltage at the input and / or the output of the rectifying device and / or an external magnetic field with a detection device and the energy control device and / or the magnetic field with the
  • the overvoltage may occur when the voltage at the output of the
  • a method for energy transmission with a primary circuit device comprising providing electrical energy as active electrical power and / or reactive electrical energy with an energy generating device and converting the electrical energy into magnetic energy with a primary coil having.
  • the method further provides for the transmission and / or reception of the magnetic energy with the primary coil, the extraction of a command, a signal and / or one
  • Reactive energy with the energy generating device and deriving a control command, from the received command and / or the received reactive energy with the energy generating device in order to change a size of the energy provided.
  • the car pad module in particular the clamping switch device, is set up in such a way that it recognizes and detects an external magnetic field, that is to say a magnetic field originating from a source other than the ground pad module, which is assigned to the car pad module this recognizing the
  • a magnetic field can be weakened by a defective ground pad module or a viciously impressed strong magnetic field and destruction of the car pad module can be prevented by increasing the harmful magnetic field.
  • the device for influencing the primary circuit device, the energy control device and / or the magnetic field in order to limit the transmission of the active electrical energy can be used as a clamping switching device, clamping circuit, limit switching,
  • the crowbar can be designed as a switch.
  • a crowbar can be used to protect an intermediate circuit link, a DC link, in particular an HVDC link, from an overvoltage if the driving energy source has a high input impedance, such as a current source or the resonant circuit of the car pad module.
  • Secondary circuit device is coupled to a primary circuit device.
  • a test signal is then impressed into the energy control device for transmission to the primary circuit device in order to obtain a comparison value.
  • the primary circuit device detects the test signal, whereupon the
  • a functional test of the communication channel between the secondary circuit device and the primary circuit device can be carried out by using the
  • Clamp switching device, the energy control device and / or the magnetic field between the primary circuit device and the secondary circuit device is influenced, and a test signal is used to check whether this influencing is successful.
  • a positioning signal can be used as a test signal, which either in the
  • the secondary circuit device spreads in the direction of the primary circuit device, so damped that the test signal received by the primary circuit device is below a predeterminable limit value and / or essentially cannot be detected at all, the correct functioning of the clamping switching device and the influencing of the energy control device caused by it will be affected and / or the magnetic field.
  • a reverse direction of propagation for the test signal is possible, that is, a generation of the test signal in the
  • the crowbar or clamp circuit can also be used for various other function tests due to its switching function.
  • the clamping switching device can be arranged at the output of the rectifying device and can be controlled by the primary circuit device via one of the communication channels existing between the primary device and the secondary device.
  • a load on the side of the secondary circuit device can be short-circuited by means of the clamping switching device, and a ratio of on the side of the primary circuit device Active power at which the apparent power is measured and a
  • Phase shift between current and voltage can be determined on the primary side for calibration of an active power measurement on the primary side.
  • Changes in the current and / or voltage ratios and / or the power are brought about on the secondary side, which is also noticeable in a change in the current and / or voltage ratios and / or the power due to the magnetic coupling between the primary circuit device and the secondary circuit device.
  • This change in the current and / or voltage ratios and / or the power propagates in the opposite direction to the direction of propagation of the energy and can be detected in the primary circuit device.
  • the change in the current and / or voltage conditions and / or the power can be interpreted as information which propagates against the direction of propagation of the energy.
  • This information can be evaluated on the primary side by the primary circuit device and used to switch off the energy supply.
  • the response time of this information transfer at the physical level can be higher or faster than a transfer system that works with several communication layers, for example with OSI layers (Open Systems Interconnection) or a WLAN (Wireless LAN) system.
  • This physical return channel can be tested by specifically actuating the clamping circuit and by evaluating the states resulting from this actuation. This also allows the components contained in the return channel to be tested, such as comparators or control devices. Because of the reciprocity of the signal propagation, the functionality of the channel can be concluded in both directions.
  • Computer-readable storage medium is provided, on which a program code is stored, which, when executed by a processor, at least one of the described procedures.
  • 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 may allow program code to be downloaded. 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 secondary-side detection device is set up to change a quality and / or impedance and / or a resonance frequency of the energy-conducting device when the overvoltage is detected at the output.
  • Resonance frequency of the energy control device can be carried out by switching on and / or switching off a capacitor and / or a capacitance and / or a capacitance part 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. For example, at a load shedding of a load located at the output, an overvoltage can be reduced or essentially completely avoided.
  • the change in the impedance and / or quality of the energy guiding device can be achieved by short-circuiting the
  • Rectifier can be achieved.
  • Shorting the rectifier may be at the input of the
  • Rectifier set up and one of the secondary coil with one
  • incoming energy reflects, 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 to provide a command and / or signal when the overvoltage is detected at the input and / or at the output of the rectification device in such a way that it can be transmitted via the magnetic field in order to
  • Energy transmission device to control 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.
  • a command and / or signal can also be distributed via another communication channel, for example via a positioning signal channel and / or a WLAN communication channel. Since the magnetic field is essentially only during the
  • the overvoltage over the magnetic field can essentially only during the energy transfer to the primary circuit device be communicated.
  • the communication can also be carried out earlier or later before / after the energy transmission by means of another separate channel.
  • Detection device set up, upon detection of the overvoltage at the input and / or output of the rectifying device, to adapt the energy control device in such a way 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.
  • Detection device set up to interrupt the energy control device and / or the secondary coil when detecting the overvoltage at the input and / or output of the rectifying device.
  • the secondary-side detection device may be set up to control a clamping circuit in such a way that it controls the energy-conducting device and / or the
  • Secondary coil breaks.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 4 shows a circuit diagram of a secondary circuit device with a
  • Clamp switching device for short-circuiting an energy control device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 shows a circuit diagram of a secondary circuit device with a
  • Clamp switching device for detuning an energy control device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 6 shows a circuit diagram of a secondary circuit device with a
  • FIG. 7 shows a flow diagram for a method for testing a
  • 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.
  • CPM car pad module
  • GPM ground pad module
  • 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 106 works with the fundamental oscillation in the range 25 ... 150 kHz and contains only very small harmonics.
  • the efficiency of the power transmission should be as high as possible and therefore a square wave signal with the fundamental frequency of the alternating magnetic field 106 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 filter out very well with a filter 200, for example an LC filter.
  • the filter 200 can be designed differently. A filter of the 4th order is shown as an 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 parallel, a single input coil La can also be used. Instead of the two input coils Lbi and Lb 2 connected in parallel, a single input coil Lb can also be used.
  • 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
  • the output coils Lbi and Lb 2 at the output 220 of the filter 200 are directly connected to the coils La ! and La 2 , as well as the primary resonance circuit 202.
  • the primary resonance circuit 202 is connected 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 LH 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 converts the magnetic field 106 into one Secondary current I2 and a secondary voltage U2. These are fed to the rectifying device 204 or the rectifier 204, which is connected to its
  • Output 220 of a load 205 for example a battery 205, an intermediate circuit 205, a traction circuit 205 or an HV-DC 205 on which the DCM 104 can provide a DC voltage.
  • the inductive charging system 100 is supplied via a DC voltage source 107 or HV-DC (High Voltage-Direct Current) or via an AC voltage 107.
  • HV-DC High Voltage-Direct Current
  • 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 appropriately 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 203 has the coil L2. If the coils L1 and L2 are brought closer to one another, magnetic fields 106, which are generated by the coils, can penetrate the other coils 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 according to 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 to the GPM 105.
  • a resonance is formed between the primary component 202 and the secondary component 203 and an energy can be transmitted via the field 106 between the primary component 202 and the secondary component 203.
  • this working frequency or resonance frequency is set between 81.35kHz and 89.5kHz. If a predeterminable minimum power is not recorded after running through one of these frequency bands with a constant duty cycle or duty cycle, then charging is not possible. Thus, if the GPM 105 is transmitting power that the power received by the CPM 104 is not above a minimum threshold, the
  • a pre-control characteristic ensures that the time interval of the start-up process does not have a predeterminable value of, for example, 2.0s
  • 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
  • the system 100 for energy transmission or the system 100 for inductive charging also has a high internal impedance at the output 220 like a current source. When the load 205 is dropped, the system 100 therefore continues to drive the current into the output 220.
  • Output 220 can generate a very high voltage at the output 220. This
  • the secondary circuit device provides a protective device 301 which detects a load shedding at the output 220 of the energy transmission system 100 and very quickly detects the load transmitted to the output 220 Active power is reduced and / or energy transmission stops.
  • 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.
  • 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
  • channel 101 Use feedback channel 101 to switch off the energy transmission by means of a To command or command commands via channel 101, for example the 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
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a secondary circuit device 104 with a
  • FIG. 4 shows the secondary circuit device 104 ', with the secondary coil L2 for transmitting and / or receiving a magnetic energy of a magnetic field 106 and for converting the magnetic energy into electrical energy, and also with one
  • the primary circuit device 105 ′ is not shown in FIG. 4.
  • the secondary coil L2 is connected to the rectifying device 204 via a
  • the energy guide device 402 ′ is set up for transmitting an active electrical energy and an electrical reactive energy and is connected to an input 403 of the rectifying device 204.
  • the energy guide device 402 ' is part of a secondary resonance circuit 203 which essentially has the coil L1 and the capacitor 222'.
  • the secondary resonance capacitor 222 ' is formed from the two capacitors C2.1 and C2.2, which are each connected to a different connection of the coil L2. The other end of the two
  • Capacitors C2.1 and C2.2 are each connected to a different connection of input 403 of rectifier 204.
  • only one resonance capacitor C2 could be used instead of being divided into two elements C2.1 and C2.2.
  • the division into two elements simplifies insulation coordination. This applies to all drawings, descriptions and embodiments.
  • the clamping circuit 301 ' is arranged, that of the terminals remote from the coil L1
  • Capacitors C2.1 and C2.2 connects together. Since the clamping circuit 301 'is located in the energy control device 402', it can influence the energy control device 402 ' when it is operated. The clamping circuit 301 'is arranged between the capacitors C2.1 and C2.2 and the input 403 of the rectifier 204.
  • Rectifier device 204 are short-circuited, whereby the impedance and / or quality Q of the secondary resonance circuit 203 and in particular the
  • the quality can be influenced by several elements. Essentially, however, the quality is influenced by the changing impedance due to the switching of the clamp circuit 301 '.
  • the rectifying device 204 has an output 404 for providing the active electrical energy as voltage and / or current.
  • This output 404 of the rectifier 204 corresponds in FIG. 4 to the output 220 of the system 100 for energy transmission. Filter elements, which are not shown in FIG. 4, can also be installed between the output 404 and the output 220.
  • the output voltage at the output 404 of the rectifying device 204 is defined by the voltage of the battery 205 and by parasitic elements of the battery, such as line resistances and internal resistance.
  • a variable output of the system 100 thus generates, as long as the battery 205 is connected, because of the substantially constant output voltage 220 of the battery 205, mainly an output current at the output 220 which can be used to charge the battery 205 and which changes according to the change in output.
  • the voltage provided at the output 220 can be the intermediate circuit voltage HVDC (High Voltage DC), which is a DC voltage after rectification by the rectifying device 204 or the rectifier 204.
  • the secondary-side detection device 401 is connected to the input 403 and / or the output 404 of the rectifier device 204 in order to detect an overvoltage at the input 403 and / or the output 404 of the rectifier device 204 (FIG. 4 shows the case that the secondary-side detection device 401 is connected to the output 404 of the rectifying device 204 by means of the sensor 405).
  • the output voltage, from which an overvoltage is determined, is with the Voltage sensor 405 or the voltage sensor 405 determined.
  • the secondary-side detection device 401 is responsible for determining the overvoltage.
  • the secondary-side detection device 401 is set up in such a way that when it detects the overvoltage and / or an overcurrent at one of the outputs 404 or 220 of the rectifier device and / or when it detects an external one, it is harmful
  • Magnetic field affects the energy control device 402 'by short-circuiting so that the transmission of the active electrical energy is limited.
  • the short-circuiting of the energy guiding device 402 'between the resonance capacitors C2.1 and C2.2 222' and the input 403 of the rectifying device 204 changes the impedance and / or quality Q of the resonance circuit 203.
  • This short-circuiting additionally affects the magnetic field 106, which passes through the secondary coil L2, by changing the impedance and / or quality Q.
  • the protective device S1, 301 'or crowbar 301' is used for short-circuiting, which is controlled by the secondary-side detection device 401.
  • the secondary-side detection device 401 By short-circuiting the input 403 of the rectifier 204, the
  • the detection of the load shedding at the output 220 of the energy transmission system and the short-circuiting of the transmission resonant circuit 203 has the effect that, due to the change in the impedance and / or quality Q, only a fraction of the energy is transmitted. In addition, the energy present in the system at the moment of short-circuiting is reflected at the input of the primary circuit device 105 ′.
  • Primary resonant circuit 202 can continue to oscillate due to the fact that the active power is removed from the magnetic field by the car pad module 104. Furthermore, the energy stored in the resonant circuit 203 of the car pad module can be reflected in the ground pad resonant circuit 202 or primary resonant circuit 203. The effects of the oscillation and the reflection of the energy generated by the inverter 201 act as long as energy is released by the inverter 201 to the resonant circuits. This reflection is recognized in the primary circuit device 105 ′ and the energy transmission is interrupted by switching off the primary-side power source 201 of the transmission system 100.
  • Clamp switching device 301 is thus achieved that both the energy transmission on the secondary side is damped in the energy control device and additionally
  • Primary circuit device 105 ' is informed about the fault situation on the secondary side and the primary circuit device 105' stops the energy supply.
  • an additional communication channel is opened for communication between secondary circuit device 104 ′′ and primary circuit device 105 ′′ in the form of reflection of the energy on a physical level, which is parallel to the
  • Feedback channel 101 can be used to communicate with the primary circuit device 105 'and to exchange information. Since this communication or this information exchange takes place directly at the physical level, this additional channel is faster than the radio connection 101, so that the fault situation of the
  • Load shedding can be responded to.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of a secondary circuit device 104 ′′ with one
  • Clamp switching device 301 for detuning an energy control device 402" according to an exemplary embodiment of the present invention. Detuning the energy control device 402 ", in particular detuning the
  • Secondary resonance circuit 203 causes a change in the resonance frequency of the
  • the structure of the secondary circuit device 104 "essentially corresponds to the structure of the secondary circuit device 104 'from FIG. 4.
  • the secondary-side detection device 401 is set up such that when the overvoltage and / or the short circuit is detected at the input 403 and / or at the Output 404 of the rectifier 204, the energy control device 402 is influenced such that the transmission of the active electrical energy via the energy control device 402 "is limited.
  • the clamp switch device 301 "or crowbar 301" is set up in such a way that the transmission path 402 "between the secondary coil L2 and the rectifying device 204 is detuned in order to limit and / or dampen the transmitted energy.
  • Clamp switching device 301 "between the capacitors 01.10 and C1.1 1 or C2.20 and C2.21 according to FIG. 5 resonance frequency of the secondary resonance circuit 203 or the energy control device 402" shifted strongly by the circuit to a lower frequency than the resonance frequency of the primary resonance circuit 202. Because of this
  • Clamping switch device 301 “the risk of swinging open and swinging open is no longer easily possible.
  • the arrangement shown in FIG. 5 thus makes the Car Pad Module 104 “more robust against external magnetic fields, in particular against
  • the transmission path between the secondary coil L2 and the rectifying device 204 is essentially determined by the energy control device 402 ".
  • Secondary resonance capacitors 02.10, C2.1 1 and C2.20, C2.21 222 “arranged.
  • the series connection of the secondary resonance capacitors C2.10, C2.1 1 connects a first connection of the secondary coil L2 to a first connection of the input 403 of the rectifying device 204
  • Secondary resonance capacitors C2.20, C2.21 connects a second connection of the secondary coil L2 to a second connection of the input 403 of the
  • Rectifier 204 The connections remote from the coil of the first capacitors C2.10 and C2.20 are connected to the connections near the coil of the second capacitors C2.1 1 and C2.21.
  • the clamp switch device 301 “is also connected to these connections.
  • the clamp switching device 301 is separated from the secondary coil L2 by means of the first capacitors C2.10 and C2.20 and by means of the second
  • Rectifier 204 separately.
  • capacities C2.20 and C2.21 can also be omitted.
  • capacities C2.20 and C2.21 can be used for good insulation coordination.
  • the detection of the load shedding at the output 220 of the energy transmission system 100 leads to a detuning of the transmission path 402 “by actuation of the clamping switch device 301”, in particular a shift of the resonance frequency of the energy control device to lower and / or higher frequencies other than the resonance frequency of the primary resonance circuit 202, so that only more a fraction of the energy can be transferred.
  • the remaining energy transmitted by the primary circuit device and / or energy transmitted by another external magnetic field can be dissipated or damped in such a way that overvoltage at output 220 of the energy transmission system is prevented. This dissipation takes place in particular in that the detuning reduces the gain for the working frequency and thus greatly reduces the oscillation of the resonant circuit.
  • the detuning reduces the gain for the working frequency and thus greatly reduces the oscillation of the resonant circuit.
  • Resonance frequency of the primary resonance circuit 202 that generated on the primary side Magnetic field 106 can be increased many times. However, the increase is only possible up to a point that can be regarded as unreachable in practical operation.
  • the primary circuit device 105 ′ can then be switched off by a feedback via the feedback channel 101 in order not to transmit any further energy to the secondary circuit device.
  • the detuning of the CPM 104 according to FIG. 5 has the effect that, with the magnetic field of 85 kHz, which is generated by the primary resonance circuit 202, essentially no unlimited voltage increase can be achieved.
  • the essentially exponential voltage amplification at the resonance frequency of the secondary resonance circuit 203 which could lead to the output voltage rising essentially without limitation and uncontrollably due to the voltage increase, can be removed from the danger zone
  • Interference magnetic field are pushed into a frequency range in which there is no magnetic field that could swing up to a voltage surge.
  • the reduction in the quality Q and / or the impedance of the energy guide device 402 according to FIG. 4 likewise brings about a shift in the resonance frequency of the
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a secondary circuit device 104 ′′ ”with one
  • the structure of the secondary circuit device 104 "essentially corresponds to the structure of the secondary circuit device 104" from FIG. 4 and FIG
  • the resonance capacitor 222 ' has the two capacitors C2.1 and C2.2 and, together with the two coils L2.1 and L2.2, forms the resonance circuit 203 of the energy control device 402 "".
  • the clamping switching device 301 is arranged between the two coils L2.1 and L2.2, which is so is set up to open the resonant circuit 203. This opening is somewhere in the
  • the clamping switching device 301 is controlled by the secondary detection device 401, which controls the output 220 of the system 100 for energy transmission or the output of the Rectifier 204 monitors and triggers the clamp switch 301 in the event of a voltage surge. Upon detection of the load shedding at the output 220 of the
  • the resonant circuit 203 is separated and thus the energy transmission via the energy control device 402 "" is prevented.
  • any other resonant circuit can be separated. In this way, the primary resonant circuit 202 could also be disconnected if communication between the secondary circuit device 104 ′′ ”and the
  • Primary circuit device 105 takes place. If the resonant circuit is opened, excessive voltage can no longer build up in the resonant circuit 203.
  • the voltages induced by the primary-side magnetic fields in an open resonant circuit are within an acceptable range and can be handled by means of a suitable insulation coordination.
  • FIG. 7 shows a flow diagram for a method for testing a
  • the method assumes an idle state S701.
  • the method is triggered in step S702 when a GPM 105 is coupled to a CPM 104, as a result of which the secondary circuit device 104 'is coupled to a primary circuit device 105'.
  • a test signal is then impressed into the energy control device 402 ′′ for the transmission of the test signal to the primary circuit device 105 ′′ even before the energy transmission is started.
  • the test signal can be a positioning signal with a frequency of 125 kHz.
  • the test signal is then detected in the primary circuit device 105 ′ in order to obtain a comparison value.
  • the energy control device 402 ′ and / or the magnetic field 106 are influenced by the secondary-side detection device 401 in order to simulate a fault in the load shedding, ie without the voltage sensor 405 and / or the secondary-side detection device 401 detecting an overvoltage Has.
  • a change in the test signal is detected in the primary circuit device, the test signal still being impressed essentially unchanged in the energy control device 402 ′. If a change in the detected test signal is detected, the functionality of the circuit is assumed and a charging process is started. If no change is detected, a defect is displayed and the loading process is interrupted.
  • a positioning signal can be used as the test signal, which is at the input or output of the
  • the test signal can be coupled in at the input 403 or at the output 404 of the rectifying device 204 and can propagate in the direction of the input of the primary circuit device 105 'at the main connection 107.
  • the direction of propagation of the test signal thus corresponds to a direction opposite to the energy transmission and, for example, a receiver for the positioning signal or another primary-side detection device which is present in the primary circuit device 105 'can be used as a detector.
  • a test signal can also be coupled in at the input of the primary circuit device 105 'at the main connection 107 and a detection can be carried out at the output 220 of the energy transmission system 100 or the output 404 and / or the input 403 of the rectifying device 402.
  • the direction of propagation of the energy transmission coincides with the direction of propagation of the test signal and the detection device 401 on the secondary side can agree
  • the energy transmission 106 itself can be used directly as a test signal and, for example, with a greatly reduced one
  • the charging process breaks if the protective functionality is correct works, at short notice, whereupon permanent charging is possible again with tested circuit elements and the normal charging power.
  • the test signal is on the part of the respective receiver, i.e. of the primary-side detector device or the secondary-side detector device 401 are received and recognized. After the test signal has been recognized, the clamp switch device 301 'or crowbar 301' is triggered either by a hardware or software event in order to simulate an error. If the protective device functions correctly, the test signal, in particular the positioning signal, is damped and the primary-side detector device or the secondary-side detector device 401 can be
  • the response voltage of the detector 401 for load shedding or the detector 401 for overvoltage at the output of the system can be checked regularly in the built-in system and a readjustment and / or a recalibration of the respective primary-side and / or secondary-side load shedding detector 401 can be performed.
  • the respective load shedding detector, in particular the secondary-side detection device 401 can use a limit value and / or threshold value for the output voltage at the output 220 in order to test the correct functioning.
  • the protective structure avoids the destruction of an internal or external component, a regular functional test of the clamping switch device 301 is also possible, for example before the start of each energy transmission and / or during the energy transmission.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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 Gleichrichteeinrichtung (204) zum Gleichrichten der elektrischen Energie; eine sekundärseitige Detektionseinrichtung (401); wobei die Sekundärspule (L1) mit der Gleichrichteeinrichtung (204) über eine Energieleiteinrichtung verbunden ist; die Energieleiteinrichtung (402') zum Übertragen einer elektrischen Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie eingerichtet ist; die Energieleiteinrichtung (402') mit einem Eingang (403) der Gleichrichteeinrichtung (204) verbunden ist; die Gleichrichteeinrichtung (204) einen Ausgang (404, 220) zum Bereitstellen der elektrischen Wirkenergie als Spannung und/oder Strom aufweist; die sekundärseitige Detektionseinrichtung (401) mit dem Eingang (403) und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (401) verbunden ist, um eine Überspannung an dem Eingang (403) und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (401) und/oder ein äußeres Magnetfeld zu erkennen; und die sekundärseitige Detektionseinrichtung (401) eingerichtet ist, beim Erkennen der Überspannung an dem Eingang (403) und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (204) die Energieleiteinrichtung (402') und/oder das Magnetfeld (106) zu beeinflussen, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen.

Description

Primärkreisvorrichtung, Sekundärkreisvorrichtung und System zum induktiven Laden
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet des induktiven Ladens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Sekundärkreisvorrichtung, eine Primärkreisvorrichtung, System zum induktiven Laden, ein Verfahren zur Energieversorgung mit der
Sekundärkreisvorrichtung, ein Verfahren zur Energieübertragung mit einer
Primärkreisvorrichtung und ein Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung.
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 eine 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. WLAN (Wireless Local Area Network) 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, ein System zum induktiven Laden, ein Verfahren zur Energieversorgung mit der
Sekundärkreisvorrichtung, ein Verfahren zur Energieübertragung mit einer Primärkreisvorrichtung angegeben und ein Verfahren zum Testen der
Sekundärkreisvorrichtung 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 Erfindung wird eine Sekundärkreisvorrichtung oder eine Sekundärschaltkreisanordnung angegeben, welche eine Sekundärspule zum Senden und/oder Empfangen einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes und zum Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie, eine Gleichrichteeinrichtung zum Gleichrichten der elektrischen Energie und eine sekundärseitige Detektionseinrichtung aufweist. Die Sekundärspule ist mit der Gleichrichteeinrichtung über eine
Energieleiteinrichtung verbunden und die Energieleiteinrichtung ist zum Übertragen einer elektrischen Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie eingerichtet. Insbesondere ist die Energieleiteinrichtung zwischen der Sekundärspule und der Gleichrichteeinrichtung angeordnet. Die Sekundärspule kann in einem Beispiel zumindest teilweise der
Energieleiteinrichtung zugeordnet werden. Die Energieleiteinrichtung ist mit einem Eingang der Gleichrichteeinrichtung verbunden und die Gleichrichteeinrichtung weist einen Ausgang zum Bereitstellen der elektrischen Wirkenergie als Spannung und/oder Strom auf. Ferner ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung mit dem Eingang und/oder dem Ausgang der Gleichrichteeinrichtung verbunden, um eine Überspannung der Spannung an dem Eingang und/oder dem Ausgang der Gleichrichteeinrichtung und/oder um ein äußeres Magnetfeld zu erkennen, und die sekundärseitige Detektionseinrichtung ist eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung an dem Eingang und/oder dem
Ausgang der Gleichrichteeinrichtung die Energieleiteinrichtung und/oder das Magnetfeld zu beeinflussen, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen.
Die Übertragung kann im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen begrenzt werden.
Einerseits kann die Quelle, beispielsweise auf der Primärseite, abgeschaltet werden. Andererseits kann auch eine Übertragungsstrecke, beispielsweise die
Energieleiteinrichtung, so beeinflusst werden, dass die Menge der transportierten Energie reduziert wird, beispielweise durch eine Dämpfung. Verschiedene weitere Maßnahmen sind möglich und können in einer beliebigen Anzahl miteinander kombiniert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Primärkreisvorrichtung beschrieben, welche eine Energieerzeugungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie als elektrische Wirkleistung und/oder elektrische Blindenergie und eine Primärspule zum Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie aufweist. Die Energieerzeugungseinrichtung ist mit der Primärspule verbunden und die Primärspule ist zum Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie eingerichtet. Die Energieerzeugungseinrichtung ist ferner dazu eingerichtet, aus einer empfangenen magnetischen Energie ein Kommando, ein Signal und/oder eine Blindenergie zu extrahieren und aus dem empfangenen Kommando, Signal und/oder aus der empfangenen Blindenergie einen Steuerbefehl abzuleiten, um eine Größe der bereitgestellten Energie zu verändern oder um die Bereitstellung der Energie im
Wesentlichen vollständig zu unterbinden. Das Signal kann beispielsweise eine
Magnetfeldschwankung, ein Magnetfeldanstieg, eine Stromschwankung und/oder eine Spannungsschwankung sein. Bei dem Kommando kann es sich um einen über eine Funkstrecke übertragenen Befehl handeln, beispielsweise mittels eines WLAN Systems. Auch könnte das Signal und/oder Kommando mittels eines Positionierungssignals übertragen werden, welches ebenfalls eine Magnetfeldschwankung nutzt, jedoch in einem anderen Frequenzbereich liegt, als das Magnetfeld, welches für die Energieübertragung genutzt wird. Das Positioniersignal mag ein physikalisches Signal sein, welches in einer bei einer Energieübertragung genutzten Richtung entgegengesetzten Richtung
ausgesendet wird. Ein Positionierungssignal mag in einem Beispiel ausgesendet werden, wenn eine CPM gegenüber einer GPM ausgerichtet wird und noch keine
Energieübertragung stattfindet. Das Kommando, Signal und/oder die Energie mag von der Sekundärkreisvorrichtung generiert und ausgesendet werden. Es mag jedoch auch möglich sein, das Kommando, Signal und/oder die Energie in entgegengesetzter Richtung auszusenden, nicht mehr aufzunehmen oder zu reflektieren, insbesondere wenn die Funktionstüchtigkeit der Sekundärkreisvorrichtung getestet werden soll.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum induktiven Laden angegeben, welches eine Car-Pad-Modul-Einrichtung mit der
Sekundärkreisvorrichtung und eine Ground-Pad-Modul-Einrichtung mit der
Primärkreisvorrichtung aufweist, wobei die Car-Pad-Modul-Einrichtung und die Ground- Pad-Modul-Einrichtung über ein Magnetfeld koppelbar sind. Im gekoppelten Zustand bilden die Car-Pad-Modul-Einrichtung und die Ground-Pad-Modul-Einrichtung ein lose gekoppeltes System, d.h. ein System das jederzeit getrennt werden kann, beispielsweise wenn sich die Car-Pad-Modul-Einrichtung gegenüber der Ground-Pad-Modul-Einrichtung oder umgekehrt bewegt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Energieversorgung mit einer Sekundärkreisvorrichtung beschrieben, welches das Senden und/oder Empfangen einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes und Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie mit einer Sekundärspule aufweist. Weiter weist das Verfahren das Übertragen einer elektrischen Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie mit einer Energieleiteinrichtung an einen Eingang einer
Gleichrichteeinrichtung und das Gleichrichten der elektrischen Energie mit der
Gleichrichteeinrichtung auf, sowie das Bereitstellen der elektrischen Wirkleistung als Spannung und/oder Strom an einem Ausgang der Gleichrichteeinrichtung. Das Verfahren sieht außerdem vor, eine Überspannung an dem Eingang und/oder an dem Ausgang der Gleichrichteeinrichtung und/oder ein äußeres Magnetfeld mit einer Detektionseinrichtung zu erkennen und die Energieleiteinrichtung und/oder des Magnetfelds mit der
sekundärseitigen Detektionseinrichtung zu beeinflussen, wenn die Überspannung an dem Eingang und/oder an dem Ausgang der Gleichrichteeinrichtung erkannt wird, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen.
Die Überspannung mag auftreten, wenn die Spannung am Ausgang der
Gleichrichteeinrichtung und/oder am Eingang der Gleichrichteeinrichtung einen
vorgebbaren Grenzwert übersteigt.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Energieübertragung mit einer Primärkreisvorrichtung beschrieben, wobei das Verfahren das Bereitstellen von elektrischer Energie als elektrische Wirkleistung und/oder elektrische Blindenergie mit einer Energieerzeugungseinrichtung und das Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie mit einer Primärspule aufweist. Ferner sieht das Verfahren das Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie mit der Primärspule, das Extrahieren eines Kommandos, eines Signals und/oder einer
Blindenergie mit der Energieerzeugungseinrichtung und das Ableiten eines Steuerbefehls, aus dem empfangenen Kommando und/oder der empfangenen Blindenergie mit der Energieerzeugungseinrichtung vor, um eine Größe der bereitgestellten Energie zu verändern.
In einem Beispiel ist das Car Pad Modul, insbesondere die Klemmschalteinrichtung so eingerichtet, dass es/sie ein von außen stammendes Magnetfeld, also ein von einer anderen Quelle als dem Ground Pad Modul stammendes Magnetfeld, welches dem Car Pad Modul zugeordnet ist, erkennt und durch dieses Erkennen die
Klemmschalteinrichtung und/oder die Schutzschaltung aktiviert. So kann beispielsweise ein Magnetfeld durch ein defektes Ground Pad Module oder ein bösartig aufgeprägtes starkes Magnetfeld abgeschwächt werden und ein Zerstören des Car Pad Moduls durch eine Verstärkung des schädlichen Magnetfeldes verhindert werden.
Die Einrichtung zum Beeinflussen der Primärkreisvorrichtung, der Energieleiteinrichtung und/oder des Magnetfeldes, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen, kann als Klemmschalteinrichtung, Klemmschaltung, Wegschaltung,
Schutzschaltung oder Crowbar ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Crowbar als ein Schalter ausgeführt sein. Mittels einer Crowbar kann ein Zwischenkreislink, ein DC Link, insbesondere ein HVDC Link vor einer Überspannung geschützt werden, wenn die treibende Energiequelle eine hohe Eingangsimpedanz, wie zum Beispiel eine Stromquelle oder der Schwingkreis des Car Pad Modules, aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung beschrieben, bei dem zunächst die
Sekundärkreisvorrichtung mit einer Primärkreisvorrichtung gekoppelt wird. Es erfolgt dann ein Einprägen eines Testsignals in die Energieleiteinrichtung, zur Übertragung zur Primärkreisvorrichtung, um einen Vergleichswert zu erhalten. In der
Primärkreisvorrichtung erfolgt ein Detektieren des Testsignals, worauf in der
Sekundärkreisvorrichtung ein Beeinflussen der Energieleiteinrichtung und/oder des Magnetfelds mit der sekundärseitigen Detektionseinrichtung und/oder mit einer
Klemmschaltung erfolgt. Nach dieser Beeinflussung erfolgt erneut in der
Primärkreisvorrichtung das Detektieren einer Veränderung des Testsignals. Wird eine vorgebbare Veränderung erkannt, so wird die korrekte Funktionsweise der Sekundärkreisvorrichtung angenommen. Durch das simulieren einer Fehlersituation in der Sekundärkreisvorrichtung kann somit überprüft werden, ob die Schutzschaltung oder Klemmschaltung korrekt funktioniert.
In anderen Worten, kann eine Funktionsprüfung des Kommunikationskanals zwischen Sekundärkreisvorrichtung und Primärkreisvorrichtung erfolgen, indem mittels der
Klemmschalteinrichtung die Energieleiteinrichtung und/oder das Magnetfeld zwischen Primärkreisvorrichtung und Sekundärkreisvorrichtung beeinflusst wird, und mittels eines Testsignals geprüft wird, ob diese Beeinflussung erfolgreich ist. Beispielsweise kann als Testsignal ein Positioniersignal genutzt werden, das entweder in die
Energieleiteinrichtung und/oder in die Gleichrichteeinrichtung zur Ausbreitung in die Richtung der Primärkreiseinrichtung eingeprägt wird. Wird durch das Betätigen der Klemm- oder Schutzschalteinrichtung das Testsignal, das sich von der
Sekundärkreisvorrichtung in die Richtung der Primärkreisvorrichtung ausbreitet, so gedämpft, dass das bei der Primärkreisvorrichtung empfangene Testsignal unter einem vorgebbaren Grenzwert liegt und/oder im Wesentlichen gar nicht detektiert werden kann, so wird von einer korrekten Funktionsweise der Klemmschalteinrichtung und der von ihr verursachten Beeinflussung der Energieleiteinrichtung und/oder des Magnetfeldes ausgegangen. In einem alternativen Beispiel ist eine umgekehrte Ausbreitungsrichtung für das Testsignal möglich, also eine Erzeugung des Testsignals in der
Primärkreisvorrichtung und eine Ausbreitung in die Richtung der sekundärseitigen Detektionseinrichtung, wo das Testsignal und/oder die Veränderung des Testsignals je nach Funktionstüchtigkeit detektiert oder nicht detektiert werden kann.
Die Crowbar oder Klemmschaltung kann aufgrund ihrer Schaltfunktion auch für verschiedene andere Funktionstests genutzt werden.
In einem Beispiel für einen Funktionstest mit der Klemmschalteinrichtung kann die Klemmschalteinrichtung am Ausgang der Gleichrichteeinrichtung angeordnet sein und von der Primärkreisvorrichtung über einen der zwischen der Primärvorrichtung und der Sekundärvorrichtung vorhandenen Kommunikationskanäle gesteuert werden. So kann mittels der Klemmschalteinrichtung eine Last auf der Seite der Sekundärkreisvorrichtung kurzgeschlossen werden, und auf der Seite der Primärkreisvorrichtung ein Verhältnis der Wirkleistung zu der der Scheinleistung gemessen werden sowie eine
Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auf der Primärseite zur Kalibrierung einer Wirkleistungsmessung auf der Primärseite ermittelt werden.
In noch einem anderen Beispiel, kann mittels der Klemmschalteinrichtung eine
Veränderung der Strom- und/oder Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung auf der Sekundärseite herbeigeführt werden, die sich aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Primärkreisvorrichtung und der Sekundärkreisvorrichtung auch in einer Veränderung der Strom- und/oder Spannungsverhältnisse und/oder der Leistung 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. Diese Information kann auf der Primärseite von der Primärkreisvorrichtung ausgewertet werden und zur Abschaltung der Energiezufuhr genutzt werden. Die Reaktionszeit 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. Durch gezieltes Betätigen der Klemmschaltung und durch die Auswertung der sich durch diese Betätigung ergebenden Zustände kann die Funktion dieses physikalischen Rückkanals getestet werden. Dadurch können auch die in dem Rückkanal 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.
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.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Ausgang eine Güte und/oder Impedanz und/oder einer Resonanzfrequenz der Energieleiteinrichtung zu verändern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Veränderung der
Resonanzfrequenz der Energieleiteinrichtung durch das Zuschalten und/oder Abschalten von einem Kondensator und/oder einer Kapazität und/oder eines Kapazitätsteiles 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.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Veränderung der Impedanz und/oder Güte der Energieleiteinrichtung 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 Energieleiteinrichtung übertragen wird. Durch die Veränderung der Impedanz und/oder Güte und/oder Resonanzfrequenz 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.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Gleichrichteeinrichtung ein Kommando und/oder Signal derart bereit zu stellen, 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 auch über einen anderen Kommunikationskanal verteilt werden, beispielsweise über ein Positioniersignalkanal und/oder 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.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die sekundärseitige
Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Gleichrichteeinrichtung, die Energieleiteinrichtung 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.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die sekundärseitige
Detektionseinrichtung eingerichtet, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang der Gleichrichteeinrichtung, die Energieleiteinrichtung und/oder die Sekundärspule zu unterbrechen.
Insbesondere mag die sekundärseitige Detektionseinrichtung so eingerichtet sein, eine Klemmschaltung so anzusteuern, dass sie die Energieleiteinrichtung 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 Schwingkreis 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 Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des induktiven Ladesystems aus Fig. 2 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung mit einer
Klemmschalteinrichtung zum Kurzschließen einer Energieleiteinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung mit einer
Klemmschalteinrichtung zum Verstimmen einer Energieleiteinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung mit einer
Klemmschalteinrichtung zum Auftrennen eines Schwingkreises einer
Energieleiteinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 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. 7 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. 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 genutzt, welches induktiv die Energie von einem an einem Boden 103 fix montiertem 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 Wechselfeld 106 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 106 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 ausfiltern. Das Filter 200 kann dabei unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielhaft ist in Fig. 2 ein Filter 4. Ordnung 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 Uein an. Der 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 parallel geschaltete Eingangsspulen Lai und La2 kann auch eine einzige Eingangsspule La genutzt werden. Statt der zwei parallel geschaltete Eingangsspulen Lbi und Lb2 kann auch eine einzige Eingangsspule Lb genutzt werden.
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 parallel geschalteter Kondensator soll dabei eine direkte Verbindung nicht zu einer indirekten Verbindung machen. Die Ausgangsspulen Lbi und Lb2 am Ausgang 220 des Filters 200 sind direkt mit den Spulen La! und La2, sowie dem Primärresonanzkreis 202 verbunden. Der Primärresonanzkreis 202 wird mit der
Spannung U1 und dem Strom 11 oder IL versorgt, der aus dem 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 LH 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, wandelt der Sekundärresonanzkreis 203 das Magnetfeld 106 in einen Sekundärstrom I2 und in eine Sekundärspannung U2. Diese werden der Gleichrichteeinrichtung 204 oder dem Gleichrichter 204 zugeführt, der an seinem
Ausgang 220 einer Last 205, beispielsweise einer Batterie 205, einem Zwischenkreis 205, einem Traktionskreis 205 oder einer HV-DC 205 auf der der Seite des CPM 104 eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann.
Versorgt wird das induktive Ladesystem 100 über eine Gleichspannungsquelle 107 oder HV-DC (High Voltage-Direct Current) bzw. über eine Wechselspannung107.
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 der CPM 104 gegenüber der 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 203 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 zum 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 dem GPM 105 zu stellen.
Wird ein geeigneter Arbeitspunkt gefunden, bildet sich zwischen Primärkomponente 202 und der Sekundärkomponente 203 eine 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 sorgen, ohne dass 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 des GPM 105 und des 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 dem 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 105 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, wird 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, hinausgehen. 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 Schutzeinrichtung 301 vor, welche am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems 100 einen Lastabwurf erkennt und sehr schnell die an den Ausgang 220 übertragene Wirkleistung reduziert und/oder die Energieübertragung stoppt. Die Schutzeinrichtung 301 kann für die schnelle Reaktion sowohl Hardwarekomponenten, wie auch Softwarekomponenten nutzen. Um jedoch eine schnelle Reaktion zu bewirken wird jedoch soweit wie möglich auf den Einsatz von Softwarekomponenten verzichtet.
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 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 einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung 104‘ mit einer
Klemmschalteinrichtung 301‘ zum Kurzschließen einer Energieleiteinrichtung 402‘ gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 4 zeigt die Sekundärkreisvorrichtung 104‘, mit der Sekundärspule L2 zum Senden und/oder Empfang einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes 106 und zum Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie, außerdem mit einer
Gleichrichteeinrichtung 204 zum Gleichrichten der elektrischen Energie und einer sekundärseitige Detektionseinrichtung 401. Die Primärkreisvorrichtung 105‘ ist in Fig. 4 nicht dargestellt.
Die Sekundärspule L2 ist mit der Gleichrichteeinrichtung 204 über eine
Energieleiteinrichtung 402‘ verbunden. Die Energieleiteinrichtung 402‘ ist zum Übertragen einer elektrischen Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie eingerichtet und mit einem Eingang 403 der Gleichrichteinrichtung 204 verbunden. Die Energieleiteinrichtung 402‘ ist Teil eines sekundären Resonanzkreises 203, der im Wesentlichen die Spule L1 und den Kondensator 222‘ aufweist. Der Sekundär-Resonanzkondensator 222‘ wird aus den beiden Kondensatoren C2.1 und C2.2 gebildet, die mit jeweils einem anderen Anschluss der Spule L2 verbunden sind. Das jeweils andere Ende der beiden
Kondensatoren C2.1 und C2.2 ist mit jeweils einem anderen Anschluss des Eingangs 403 des Gleichrichters 204 verbunden. Alternativ könnte auch nur ein Resonanzkondensator C2 genutzt werden anstatt, dass dieser in zwei Elemente C2.1 und C2.2 aufgeteilt ist. Jedoch vereinfacht die Aufteilung in zwei Elemente die Isolationskoordination. Dies gilt für alle Zeichnungen, Beschreibungen und Ausführungsformen.
An den der Spule L1 fernen Anschlüssen der Kondensatoren C2.1 und C2.2 ist die Klemmschaltung 301‘ angeordnet, die die der Spule L1 fernen Anschlüssen der
Kondensatoren C2.1 und C2.2 miteinander verbindet. Da die Klemmschaltung 301‘ in der Energieleiteinrichtung 402‘ liegt, kann sie die Energieleiteinrichtung 402‘ beeinflussen, wenn sie betätigt wird. Die Klemmschaltung 301‘ ist zwischen den Kondensatoren C2.1 und C2.2 und dem Eingang 403 der Gleichrichteeinrichtung 204 angeordnet.
Durch das Betätigen der Klemmschaltung 301‘ kann der Eingang 403 der
Gleichrichteeinrichtung 204 kurzgeschlossen werden, wodurch sich die Impedanz und/oder Güte Q des Sekundärresonanzkreises 203 und insbesondere die
Ausgangsimpedanz und/oder die Güte Q der Energieleiteinrichtung 402‘ ändert. Die Güte kann dabei von mehreren Elementen beeinflusst werden. Im Wesentlichen wird die Güte jedoch von der sich ändernden Impedanz durch das Schalten der Klemmschaltung 301‘ beeinflusst.
Die Gleichrichteeinrichtung 204 weist einen Ausgang 404 zum Bereitstellen der elektrischen Wirkenergie als Spannung und/oder Strom auf. Dieser Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 entspricht in Fig. 4 dem Ausgang 220 des Systems 100 zur Energieübertragung. Zwischen dem Ausgang 404 und dem Ausgang 220 können noch Filterelemente verbaut sein, welche in Fig. 4 nicht dargestellt sind. Die
Ausgangsspannung am Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 ist, solange am Ausgang 220 eine Batterie 205, beispielsweise eine Traktionsbatterie 205, zugeschaltet ist, durch die Spannung der Batterie 205 und durch parasitäre Elemente der Batterie, wie Leitungswiderstände und Innenwiderstand, definiert. Eine veränderliche Leistung des Systems 100 erzeugt somit, solange die Batterie 205 angeschlossen ist, wegen der im Wesentlichen konstanten Ausgangsspannung 220 der Batterie 205, hauptsächlich einen entsprechend der Leistungsänderung veränderlichen Ausgangsstrom am Ausgang 220, der zum Laden der Batterie 205 genutzt werden kann. Bei der am Ausgang 220 bereitgestellten Spannung kann es sich um die Zwischenkreisspannung HVDC (High Voltage DC) handeln, welche nach der Gleichrichtung durch die Gleichrichteeinrichtung 204 oder den Gleichrichter 204 eine Gleichspannung ist.
Die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 ist mit dem Eingang 403 und/oder dem Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 verbunden, um eine Überspannung an dem Eingang 403 und/oder dem Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 zu erkennen (in Fig. 4 ist der Fall gezeigt, dass die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 mittels des Fühlers 405 mit dem Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 verbunden ist). Die Ausgangsspannung, aus der eine Überspannung bestimmt wird, wird mit dem Spannungsfühler 405 oder dem Spannungssensor 405 ermittelt. Die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 ist für die Bestimmung der Überspannung zuständig.
Die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 ist so eingerichtet, dass sie beim Erkennen der Überspannung und/oder eines Überstroms an einem der Ausgänge 404 oder 220 der Gleichrichteeinrichtung und /oder beim Erkennen eines äußeren schädlichen
Magnetfeldes die Energieleiteinrichtung 402‘durch Kurzschließen so beeinflusst, dass die Übertragung der elektrischen Wirkenergie begrenzt wird. Insbesondere wird durch das Kurzschließen der Energieleiteinrichtung 402‘ zwischen den Resonanzkondensatoren C2.1 und C2.2 222‘ und dem Eingang 403 der Gleichrichteeinrichtung 204 die Impedanz und/oder Güte Q des Resonanzkreises 203 verändert. Dieses Kurzschließen bewirkt durch die Änderung der Impedanz und/oder Güte Q zusätzlich auch eine Beeinflussung des Magnetfelds 106, welches die Sekundärspule L2 durchsetzt.
Zum Kurzschließen wird die Schutzeinrichtung S1 ,301‘ oder Crowbar 301‘ genutzt, welche von der sekundärseitigen Detektionseinrichtung 401 angesteuert wird. Durch das Kurzschließen des Eingangs 403 der Gleichrichteeinrichtung 204 wird auch der
Übertragungsschwingkreises 203 oder der Sekundärresonanzkreis 203 mit der
Sekundärspule L2 und den Sekundärresonanzkondensator C2.1 und C2.2
222‘ kurzgeschlossen, wobei der Sekundärresonanzkondensator 222‘ als eine
Parallelschaltung von zwei Kondensatoren ausgeführt ist. Durch das Kurzschließen werden die spulenfernen Anschlüsse der Kondensatoren C2.1 und C2.2 miteinander verbunden.
Die Detektion des Lastabwurfs am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems und das Kurzschließen des Übertragungsschwingkreises 203 bewirkt, dass wegen der Änderung der Impedanz und/oder Güte Q nur mehr ein Bruchteil der Energie übertragen wird. Außerdem wird die in dem Moment des Kurzschließens im System vorhandene Energie an den Eingang der Primärkreisvorrichtung 105‘ reflektiert. Der
Primärschwingkreis 202 kann sich durch das Wegfallen der Wirkleistungsentnahme aus dem Magnetfeld durch das Car Pad Modul 104 immer weiter Aufschwingen. Weiter kann die im Schwingkreis 203 des Car Pad Moduls gespeicherte Energie in den Ground Pad Schwingkreis 202 oder Primärresonanzkreis 203 reflektiert werden. Die Effekte des Aufschwingens und der Reflexion der vom Inverter 201 erzeugten Energie wirken solange Energie durch den Inverter 201 an die Schwingkreise abgegeben wird. Diese Reflektion wird in der Primärkreisvorrichtung 105‘ erkannt und die Energieübertragung wird durch Abschalten der primärseitigen Leistungsquelle 201 des Übertragungssystems 100 unterbrochen. Nachdem der Inverter 201 und damit die Gefahrenquelle abgeschaltet wurde, schwingen die lose gekoppelten Schwingkreise des Car Pad Moduls 104 und Ground Pad Moduls 105 aus und ggf. noch vorhandene Energie wird abgebaut. Durch das Ändern der Impedanz und/oder Güte mittels Kurzschließens der
Klemmschalteinrichtung 301‘ wird somit erreicht, dass sowohl die Energieübertragung auf der Sekundärseite in der Energieleiteinrichtung gedämpft wird und zusätzlich die
Primärkreisvorrichtung 105‘ über die Fehlersituation auf der Sekundärseite informiert wird und die Primärkreisvorrichtung 105‘ die Energielieferung einstellt.
In anderen Worten wird zur Kommunikation zwischen Sekundärkreiseinrichtung 104‘ und Primärkreiseinrichtung 105‘ in der Form der Reflexion der Energie auf physikalischer Ebene ein zusätzlicher Kommunikationskanal geöffnet, der parallel zu dem
Feedbackkanal 101 genutzt werden kann, um mit der Primärkreiseinrichtung 105‘ zu kommunizieren und Informationen auszutauschen. Da diese Kommunikation oder dieser Informationsaustausch direkt auf physikalischer Ebene erfolgt, ist dieser zusätzliche Kanal schneller als die Funkverbindung 101 , so dass schnell auf die Fehlersituation des
Lastabwurfs reagiert werden kann.
Fig. 5 zeigt einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung 104“ mit einer
Klemmschalteinrichtung 301“ zum Verstimmen einer Energieleiteinrichtung 402“ gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verstimmen der Energieleiteinrichtung 402“ insbesondere das Verstimmen des
Sekundärresonanzkreises 203 bewirkt eine Änderung der Resonanzfrequenz des
Sekundärresonanzkreises 203.
Diese Ausführungsform der Schutzeinrichtung 301“ oder Klemmschalteinrichtung
301“ kann so ausgelegt sein, dass bei einem versehentlichen Einbringen von Energie über das Car Pad Modul 104 verhindert wird, dass sich der Schwingkreis durch
Reduzierung der Güte oder Verstimmung und/oder Änderung der Impedanz nicht über einen vorgebbaren Sicherheitsschwellwert aufschwingen kann. Energie könnte
versehentlich aufgebracht werden, wenn sich das CPM 104 über einem defekten GPM 105 befindet, welches ein Ladefeld erzeugt, obwohl es nicht dazu aufgefordert wurde. Weiter kann so auch ein ungewolltes Laden der Fahrzeugbatterie verhindert werden. Es wäre denkbar, dass von außen Magnetfelder ungewollt oder durch Bösartigkeit oder durch Defekte in einer Abschirmung in den Fahrzeugunterboden und damit in das Car Pad Module eindringen. Um dies zu verhindern ist es denkbar die Schutzeinrichtung 301“ oder Klemmschalteinrichtung 301“ dauerhaft aktiv zu halten solange nicht seitens Fahrzeug geladen werden soll.
Der Aufbau der Sekundärkreisvorrichtung 104“ entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ aus Fig. 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 so eingerichtet, dass beim Erkennen der Überspannung und/oder des Kurzschlusses an dem Eingang 403 und/oder an dem Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 die Energieleiteinrichtung 402 so beeinflusst wird, dass die Übertragung der elektrischen Wirkenergie über die Energieleiteinrichtung 402“ begrenzet wird. Hierzu ist die Klemmschalteinrichtung 301“ oder Crowbar 301“ so eingerichtet, dass die Übertragungsstrecke 402“ zwischen der Sekundärspule L2 und der Gleichrichteeinrichtung 204 verstimmt wird, um die übertragene Energie zu begrenzen und/oder zu dämpfen.
Verglichen mit der Ausführungsform aus Fig. 4, bei der die Impedanz und/oder Güte Q der Energieleiteinrichtung 402‘ geändert wird, wird bei der Anordnung der
Klemmschalteinrichtung 301“ zwischen den Kondensatoren 01.10 und C1.1 1 bzw. C2.20 und C2.21 gemäß Fig. 5 Resonanzfrequenz des Sekundärresonanzkreis 203 bzw. der Energieleiteinrichtung 402“ durch die Schaltung stark zu tieferen Frequenz als der Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises 202 verschoben. Durch dieses
Verschieben zu Frequenzen weit unterhalb der Resonanzfrequenz insbesondere durch das damit verbundene Verstimmen der Energieleiteinrichtung 402“ vermindert die
Klemmschalteinrichtung 301“ die Gefahr eines Aufschwingens und ein Aufschwingen ist nicht mehr einfach möglich. Somit wird durch die in Fig. 5 dargestellte Anordnung das Car Pad Module 104“ robuster gegen äußere Magnetfelder, insbesondere gegen
versehentlich aufgebrachte Magnetfelder. Dabei können die Schaltung nach Fig. 5, insbesondere die Klemmschalteinrichtung 301“ und die Kondensatoren C2.10, C2.1 1 , C2.20, C2.21 so ausgelegt werden, dass eine Zerstörung erst durch überschreiten der Stärke eines Mangetfeldes möglich wird, das über L2 einstreut, wobei der Grenzwert so hochgelegt wird, dass er bei einem normalen Betrieb nicht überschritten oder im
Wesentlichen immer unterschritten wird. Die Übertragungsstrecke zwischen Sekundärspule L2 und Gleichrichteeinrichtung 204 wird im Wesentlichen durch die Energieleiteinrichtung 402“ bestimmt. Die
Klemmschalteinrichtung 301“ ist zwischen der Serienschaltung der
Sekundärresonanzkondensatoren 02.10, C2.1 1 und C2.20, C2.21 222“ angeordnet. Die Serienschaltung der Sekundärresonanzkondensatoren C2.10, C2.1 1 verbindet einen ersten Anschluss der Sekundärspule L2 mit einem ersten Anschluss des Eingangs 403 der Gleichrichteeinrichtung 204. Die Serienschaltung der
Sekundärresonanzkondensatoren C2.20, C2.21 verbindet einen zweiten Anschluss der Sekundärspule L2 mit einem zweiten Anschluss des Eingangs 403 der
Gleichrichteeinrichtung 204. Die spulenfernen Anschlüsse der der ersten Kondensatoren C2.10 und C2.20 sind mit den spulennahen Anschlüssen der zweiten Kondensatoren C2.1 1 und C2.21 verbunden. An diesen Anschlüssen ist auch die Klemmschalteinrichtung 301“ angeschlossen. Die Klemmschalteinrichtung 301“ mittels der ersten Kondensatoren C2.10 und C2.20 von der Sekundärspule L2 getrennt und mittels der zweiten
Kondensatoren C2.1 1 und C2.21 von den Eingangsanschlüssen der
Gleichrichteeinrichtung 204 getrennt. Alternativ können die Kapazitäten C2.20 und C2.21 auch weggelassen werden. Jedoch können die Kapazitäten C2.20 und C2.21 einer guten Isolationskoordination dienlich sein.
Die Detektion des Lastabwurfes am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems 100 führt durch Betätigung der Klemmschalteinrichtung 301“ zu einer Verstimmung der Übertragungsstrecke 402“, insbesondere ein Verschieben der Resonanzfrequenz der Energieleiteinrichtung zu tieferen und/oder höheren also anderen Frequenzen als der Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises 202, sodass nur mehr ein Bruchteil der Energie übertragen werden kann. Die verbliebende von der Primärkreisvorrichtung übertragene Energie und/oder durch ein anderes äußeres Magnetfeld übertragene Energie kann durch geeignete Maßnahmen so abgeführt oder gedämpft werden, dass eine Überspannung am Ausgang 220 des Energieübertragungssystems verhindert wird. Dieses Abführen erfolgt insbesondere dadurch, dass die Verstimmung die Verstärkung für die Arbeitsfrequenz reduziert und somit das Aufschwingen des Schwingkreises sehr stark reduziert. Um eine gleich hohe L2 Spannung zu erreichen müsste nach der
Frequenzverschiebung des Sekundärresonanzkreises 203 bei unveränderter
Resonanzfrequenz des Primärresonanzkreises 202 das primärseitig generierte Magnetfeld 106 um ein Vielfaches erhöht werden. Die Erhöhung ist jedoch nur bis zu einem Punkt möglich, welcher als in einem praktischen Betrieb unerreichbar angesehen werden kann. Durch eine Rückmeldung über den Feedbackkanal 101 kann dann die Primärkreisvorrichtung 105‘ abgeschaltet werden, um keine weitere Energie an die Sekundärkreisvorrichtung zu übertragen.
Das Verstimmen des CPM 104 gemäß Fig. 5 bewirkt, dass mit dem Magnetfeld von 85kHz, welches von dem Primärresonanzkreis 202 erzeugt wird, im Wesentlichen keine unbeschränkte Spannungsüberhöhung erreicht werden kann. Oder in anderen Worten kann durch das Verstimmen die im Wesentlichen exponentielle Spannungsverstärkung bei der Resonanzfrequenz des Sekundärresonanzkreises 203, die dazu führen könnte, dass die Ausgangsspannung wegen der Spannungsüberhöhung im Wesentlichen unbeschränkt und nicht kontrollierbar steigt, aus dem Gefahrenbereich der
Arbeitsfrequenz des Energieübertragungssystems 100 oder eines externen
Störmagnetfeldes geschoben werden, in einen Frequenzbereich, in dem kein Magnetfeld vorhanden ist, das sich zu einer Spannungsüberhöhung aufschwingen könnte.
Die Reduktion der Güte Q und/oder der Impedanz der Energieleiteinrichtung 402 gemäß Fig. 4 bewirkt ebenfalls eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des
Sekundärresonanzkreises 203 gegenüber der Resonanzfrequenz des
Primärresonanzkreises 202, jedoch für breitere Frequenzbereiche als bei einer
Verstimmung. Daher ist die Auswirkung der Verschiebung der Resonanzfrequenz nicht so stark, und die Verschiebung muss weiter erfolgen, um den gleichen Effekt zu erreichen.
Fig. 6 zeigt einen Schaltplan einer Sekundärkreisvorrichtung 104‘“ mit einer
Klemmschalteinrichtung 301 zum Auftrennen eines Schwingkreises 203 einer
Energieleiteinrichtung 402“ gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Sekundärkreisvorrichtung 104‘“ entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ aus Fig. 4 und der
Sekundärkreisvorrichtung 104“ aus Fig. 5. Der Resonanzkondensator 222‘“ weist die beiden Kondensatoren C2.1 und C2.2 auf und bildet zusammen mit den beiden Spulen L2.1 und L2.2 den Resonanzkreis 203 der Energieleiteinrichtung 402‘“. Zwischen den beiden Spulen L2.1 und L2.2 ist die Klemmschalteinrichtung 301 angeordnet, welche so eingerichtet ist, den Schwingkreis 203 zu öffnen. Dieses Öffnen ist irgendwo im
Schwingkreis möglich, also auch zum Beispiel zwischen L2.1 und C2.1 oder zwischen C2.1 und dem Gleichrichter 403. Die Klemmschalteinrichtung 301 wird von der sekundären Detektionseinrichtung 401 gesteuert, welche den Ausgang 220 des Systems 100 zur Energieübertragung bzw. den Ausgang der Gleichrichteeinrichtung 204 überwacht und im Falle einer Spannungsüberhöhung die Klemmschalteinrichtung 301 auslöst. Bei einer Detektion des Lastabwurfs am Ausgang 220 des
Energieübertragungssystems 100 wird der Schwingkreis 203 aufgetrennt und so die Energieübertragung über die Energieleiteinrichtung 402‘“ unterbunden. Alternativ zu dem sekundären Schwingkreis 203 kann ein beliebiger anderer Schwingkreis aufgetrennt werden. So könnte auch der Primärschwingkreis 202 aufgetrennt werden, wenn eine Kommunikation zwischen der Sekundärkreisvorrichtung 104‘“ und der
Primärkreisvorrichtung 105‘ stattfindet. Wird der Schwingkreis geöffnet, so kann sich keine übermäßige Spannung im Schwingkreis 203 mehr aufbauen. Die durch die primärseitigen Magnetfelder induzierten Spannungen in einem offenen Schwingkreis liegen innerhalb einer vertretbaren Größenordnung und sind durch eine geeignete Isolationskoordination handhabbar.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Testen einer
Sekundärkreisvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren geht von einem Idle Zustand S701 aus. Das Verfahren wird im Schritt S702 getriggert, wenn ein GPM 105 mit einem CPM 104 gekoppelt wird, wodurch ein Koppeln der Sekundärkreisvorrichtung 104‘ mit einer Primärkreisvorrichtung 105‘ erfolgt. In der Phase S702 erfolgt dann ein Einprägen eines Testsignals in die Energieleiteinrichtung 402‘, zur Übertragung des Testsignals zur Primärkreisvorrichtung 105‘ noch bevor die Energieübertragung gestartet wird. Bei dem Testsignal kann es sich um ein Positionierungssignal mit einer Frequenz von 125kHz handeln. In dem Zustand S703 erfolgt sodann ein Detektieren des Testsignals in der Primärkreisvorrichtung 105‘, um einen Vergleichswert zu erhalten.
In dem Zustand S704 erfolgt ein Beeinflussen der Energieleiteinrichtung 402‘ und/oder des Magnetfelds 106 mit der sekundärseitigen Detektionseinrichtung 401 , um einen Fehlerfall des Lastabwurfs zu simulieren, d.h. ohne, dass der Spannungssensor 405 und/oder die sekundärseitigen Detektionseinrichtung 401 eine Überspannung detektiert hat. Es erfolgt nach der Beeinflussung ein Detektieren einer Veränderung des Testsignals in der Primärkreisvorrichtung, wobei das Testsignal immer noch im Wesentlichen unverändert in die Energieleiteinrichtung 402‘ eingeprägt wird. Wird eine Veränderung des detektierten Testsignals erkannt, wird von der Funktionstüchtigkeit der Schaltung ausgegangen und ein Ladevorgang wird gestartet. Wird keine Veränderung erkannt, wird ein Defekt angezeigt und der Ladevorgang abgebrochen.
In Zustand S705 wird das Verfahren beendet, indem in den Idle Zustand zurückgekehrt wird.
Die Sekundärkreisvorrichtung 104‘ kann somit vor der Energieübertragung mit Hilfe eines eigeprägten Testsignals überprüft werden. In einem Beispiel kann als Testsignal ein Positioniersignal genutzt werden, welches am Eingang oder Ausgang des
Energieübertragungssystems 100 eingekoppelt wird. Insbesondere kann das Testsignal am Eingang 403 oder am Ausgang 404 der Gleichrichteeinrichtung 204 eingekoppelt werden und sich in Richtung des Eingangs der Primärkreisvorrichtung 105‘ bei dem Hauptanschluss 107 ausbreiten. Die Ausbreitungsrichtung des Testsignals entspricht somit einer der Energieübertragung entgegengesetzten Richtung und als Detektor kann beispielsweise eine Empfangseinrichtung für das Positioniersignal oder eine andere primärseitige Detektionseinrichtung genutzt werden, welche in der Primärkreisvorrichtung 105‘ vorhanden ist.
Alternativ kann ein Testsignal auch an dem Eingang der Primärkreisvorrichtung 105‘ bei dem Hauptanschluss 107 eingekoppelt werden und eine Detektion an dem Ausgang 220 des Energieübertragungssystems 100 bzw. dem Ausgang 404 und/oder dem Eingang 403 der Gleichrichteeinrichtung 402 vorgenommen werden. In diesem alternativen Fall stimmt die Ausbreitungsrichtung der Energieübertragung mit der Ausbreitungsrichtung des Testsignals überein und die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 kann zur
Detektion des Testsignals genutzt werden. Hierbei kann direkt die Energieübertragung 106 selbst als Testsignal genutzt werden und zum Beispiel bei stark reduzierter
Ladeleistung, welche über den Inverter 201 eingestellt werden kann, der Test
unverzüglich nach dem Ladestart vorgenommen werden. Durch das Auslösen der Klemmschaleinrichtung 301 bricht der Ladevorgang, wenn die Schutzfunktionalität richtig funktioniert, zwar kurzfristig ab, worauf danach mit getesteten Schaltungselementen und der normalen Ladeleistung wieder dauerhaftes Laden ermöglicht wird.
Das Testsignal wird auf Seiten des jeweiligen Empfängers, d.h. der primärseitigen Detektoreinrichtung bzw. der sekundärseitigen Detektoreinrichtung 401 empfangen und erkannt. Nachdem das Testsignal erkannt worden ist, wird die Klemmschalteinrichtung 301‘ oder Crowbar 301‘ entweder durch ein Hardware- oder Software- Event getriggert, um einen Fehlerfall zu simulieren. Im Falle einer korrekten Funktion der Schutzeinrichtung wird das Testsignal, insbesondere das Positioniersignal, gedämpft und die primärseitige Detektoreinrichtung bzw. die sekundärseitige Detektoreinrichtung 401 kann im
Wesentlichen kein Signal mehr detektieren. Über diesen Detektionsweg entlang der Ausbreitungsrichtung des Testsignals kann beispielsweise die Ansprechspannung des Detektors 401 für den Lastabwurf oder des Detektors 401 für Überspannung am Ausgang des Systems regelmäßig im verbauten System überprüft werden und eine Nachjustierung und/oder eine Nachkalibrierung des jeweiligen primärseitigen und/oder sekundärseitigen Lastabwurfsdetektors 401 durchgeführt werden. Der jeweilige Lastabwurfdetektor, insbesondere die sekundärseitige Detektionseinrichtung 401 , kann einen Grenzwert und/oder Schwellwert für die Ausgangsspannung am Ausgang 220 nutzen, um die korrekte Funktionsweise zu testen.
Da die Schutzstruktur eine Zerstörung einer internen oder externen Komponente vermeidet, ist auch eine regelmäßige Funktionsprüfung der Klemmschalteinrichtung 301 möglich, beispielsweise vor Beginn einer jeden Energieübertragung und/oder während der Energieübertragung.
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 Gleichrichteeinrichtung (204) zum Gleichrichten der elektrischen Energie;
• eine sekundärseitige Detektionseinrichtung (401 );
wobei
• die Sekundärspule (L1 ) mit der Gleichrichteeinrichtung (204) über eine
Energieleiteinrichtung verbunden ist;
• die Energieleiteinrichtung (402‘) zum Übertragen einer elektrischen
Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie eingerichtet ist;
• die Energieleiteinrichtung (402‘) mit einem Eingang (403) der
Gleichrichteeinrichtung (204) verbunden ist;
• die Gleichrichteeinrichtung (204) einen Ausgang (404, 220) zum Bereitstellen der elektrischen Wirkenergie als Spannung und/oder Strom aufweist;
• die sekundärseitige Detektionseinrichtung (401 ) mit dem Eingang (403)
und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (401 ) verbunden ist, um eine Überspannung an dem Eingang (403) und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (401 ) und/oder ein äußeres Magnetfeld zu erkennen; und
• die sekundärseitige Detektionseinrichtung (401 ) eingerichtet ist, beim
Erkennen der Überspannung an dem Eingang (403) und/oder dem Ausgang (404) der Gleichrichteeinrichtung (204) die Energieleiteinrichtung (402‘) und/oder das Magnetfeld (106) zu beeinflussen, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen.
•
2. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach Anspruch 1 ,
wobei die sekundärseitige Detektionseinrichtung (401 ) eingerichtet ist, beim
Erkennen der Überspannung am Ausgang eine Güte und/oder Impedanz und/oder einer Resonanzfrequenz der Energieleiteinrichtung (402‘) zu verändern.
3. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach Anspruch 2,
wobei die Veränderung der Resonanzfrequenz der Energieleiteinrichtung durch das Zuschalten und/oder Abschalten von einem Kondensator und/oder
Kapazitätsteiles in der Energieleiteinrichtung durchgeführt wird.
4. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach Anspruch 2,
wobei die Veränderung der Impedanz der Energieleiteinrichtung durch das
Kurzschließen der Gleichrichteeinrichtung durchgeführt wird.
5. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet ist, beim Erkennen der Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang ein Kommando derart bereit zu stellen, dass es über das Magnetfeld übertragen werden kann, um eine
Energieübertragungsvorrichtung zu steuern die magnetische Energie des
Magnetfeldes verändern.
6. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet ist, beim Erkennen der
Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang, die Energieleiteinrichtung so anzupassen, dass die elektrische Blindleistung zumindest teilweise reflektiert wird und über das Magnetfeld übertragen wird.
7. Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die sekundärseitige Detektionseinrichtung eingerichtet ist, beim Erkennen der
Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang, die Energieleiteinrichtung und/oder die Sekundärspule zu unterbrechen.
8. Primärkreisvorrichtung (105‘), aufweisend:
eine Energieerzeugungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie als elektrische Wirkleistung und/oder elektrische Blindenergie und eine Primärspule zum Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie;
wobei
• die Energieerzeugungseinrichtung mit der Primärspule verbunden ist; • die Primärspule zum Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie eingerichtet ist;
• die Energieerzeugungseinrichtung eingerichtet ist, aus einer empfangenen magnetischen Energie ein Kommando und/oder eine Blindenergie zu extrahieren; und
• die Energieerzeugungseinrichtung weiter eingerichtet ist, aus dem
empfangenen Kommando und/oder der empfangenen Blindenergie einen Steuerbefehl abzuleiten, um eine Größe der bereitgestellten Energie zu verändern.
9. System (100) zur Energieübertragung, aufweisend:
eine Car-Pad-Modul-Einrichtung (104) aufweisend die Sekundärkreisvorrichtung
(104‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Ground-Pad-Modul-Einrichtung
(105), aufweisend die Primärkreisvorrichtung (105‘) nach Anspruch 7, wobei die
Car-Pad-Modul-Einrichtung (104) und die Ground-Pad-Modul-Einrichtung (105) über ein Magnetfeld (106) koppelbar sind.
10. Verfahren zur Energieversorgung mit einer Sekundärkreisvorrichtung, aufweisend:
• Senden und/oder Empfang einer magnetischen Energie eines Magnetfeldes und Wandeln der magnetischen Energie in eine elektrische Energie mit einer Sekundärspule (L2);
• Übertragen einer elektrischen Wirkenergie und einer elektrischen Blindenergie mit einer Energieleiteinrichtung (402‘) an einen Eingang (403) einer Gleichrichteeinrichtung (204);
• Gleichrichten der elektrischen Energie mit der Gleichrichteeinrichtung (204);
• Bereitstellen der elektrischen Wirkleistung als Spannung und/oder Strom an einem Ausgang (404, 220) der Gleichrichteeinrichtung (204);
• Erkennen einer Überspannung an dem Eingang (403) und/oder an dem
Ausgang (404, 220) der Gleichrichteeinrichtung und/oder Erkennen eines äußeren Magnetfeldes mit einer sekundärseitigen Detektionseinrichtung (401 ); und
• Beeinflussen der Energieleiteinrichtung (402‘) und/oder des Magnetfelds mit der sekundärseitigen Detektionseinrichtung (401 ), wenn die Überspannung an dem Eingang (403) und/oder an dem Ausgang (404) der
Gleichrichteeinrichtung (204) erkannt wird, um die Übertragung der elektrischen Wirkenergie zu begrenzen.
1 1. Verfahren zur Energieübertragung mit einer Primärkreisvorrichtung, aufweisend:
• Bereitstellen von elektrischer Energie als elektrische Wirkleistung und/oder elektrische Blindenergie mit einer Energieerzeugungseinrichtung (202);
• Wandeln der elektrischen Energie in eine magnetische Energie mit einer
Primärspule (L1 );
• Senden und/oder Empfangen der magnetischen Energie mit der Primärspule;
• Extrahieren eines Kommandos und/oder einer Blindenergie mit der
Energieerzeugungseinrichtung (202); und
• Ableiten eines Steuerbefehls, aus dem empfangenen Kommando und/oder der empfangenen Blindenergie mit der Energieerzeugungseinrichtung, um eine Größe der bereitgestellten Energie zu verändern.
12. Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, aufweisend:
Koppeln der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) mit einer Primärkreisvorrichtung (105‘) nach Anspruch 7
Einprägen eines Testsignals in die Energieleiteinrichtung (402‘), zur Übertragung zur Primärkreisvorrichtung (105‘);
Detektieren des Testsignals in der Primärkreisvorrichtung (105‘);
Beeinflussen der Energieleiteinrichtung (402‘) und/oder das Magnetfelds (106) mit der sekundärseitigen Detektionseinrichtung;
Detektieren einer Veränderung des Testsignals in der Primärkreisvorrichtung.
13. Verfahren zum Testen der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, aufweisend:
Koppeln der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) mit einer Primärkreisvorrichtung (105‘) nach Anspruch 7
Einprägen eines Testsignals in den Primärresonanzkreis (202), zur Übertragung zur Sekundärkreisvorrichtung (402‘);
Detektieren des Testsignals in der Sekundärkreisvorrichtung (104‘);
Beeinflussen der Energieleiteinrichtung (402‘) und/oder das Magnetfelds (106) mit der sekundärseitigen Detektionseinrichtung (401 ); Detektieren einer Veränderung des Testsignals in der Sekundärkreisvorrichtung (104‘) .
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