DE102015221065A1 - Adjustable resonator for inductive charging - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Es wird eine Vorrichtung (110, 120) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (103) eines Fahrzeugs (100) beschrieben. Die Vorrichtung (110, 120) umfasst einen Schwingkreis, der eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Kondensator (212, 222) und einer Spule (111, 121) umfasst. Die Spule (111, 121) ist eingerichtet, durch einen Wechselstrom ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren oder in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Ladestrom zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren. Der einstellbare Kondensator (212, 222) weist eine Kapazität auf, die verändert werden kann. Die Vorrichtung (110, 120) umfasst weiter eine Steuereinheit (230), die eingerichtet ist, den einstellbaren Kondensator (212, 222) anzusteuern, um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern.An apparatus (110, 120) for an inductive charging system for charging an electrical energy store (103) of a vehicle (100) is described. The device (110, 120) comprises a resonant circuit comprising a series circuit of an adjustable capacitor (212, 222) and a coil (111, 121). The coil (111, 121) is set up to generate an electromagnetic charging field for charging the energy store (103) by an alternating current or to generate a charging current for charging the energy store (103) in response to an electromagnetic charging field. The adjustable capacitor (212, 222) has a capacity that can be changed. The device (110, 120) further comprises a control unit (230) which is arranged to control the adjustable capacitor (212, 222) in order to change a resonant frequency of the resonant circuit.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines seriellen Schwingkreises für das induktive Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a device for controlling a serial resonant circuit for the inductive charging of an electrical energy storage of a motor vehicle.

Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.Electric vehicles typically have a battery in which electrical energy can be stored to operate an electric machine of the vehicle. The battery of the vehicle can be charged with electrical energy from a power grid. For this purpose, the battery is coupled to the power grid to transfer the electrical energy from the power grid into the battery of the vehicle. The coupling can be wired (via a charging cable) and / or wireless (based on an inductive coupling between a charging station and the vehicle).

Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in1 dargestellt. Insbesondere zeigt1 ein Fahrzeug100 mit einem Speicher103 für elektrische Energie (z. B. mit einer aufladbaren Batterie103). Das Fahrzeug100 umfasst eine Sekundärspule121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule121 über eine nicht gezeigte Impedanzanpassung und einen Gleichrichter101 mit dem Speicher103 für elektrische Energie verbunden ist. Die Sekundärspule121 ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer” (WPT) Fahrzeugeinheit120 bzw. Sekundäreinheit120.One approach to automatically, wirelessly, inductively charging the battery of the vehicle is to transmit electrical energy to the battery from the floor to the underbody of the vehicle via magnetic induction via the underbody clearance. This is exemplary in 1 shown. In particular shows 1 avehicle 100 with amemory 103 for electrical energy (eg with a rechargeable battery 103 ). Thevehicle 100 includes asecondary coil 121 in the vehicle underbody, with thesecondary coil 121 via an impedance matching (not shown) and arectifier 101 with thememory 103 connected to electrical energy. Thesecondary coil 121 is typically part of a so-called "Wireless Power Transfer" (WPT)vehicle unit 120 orsecondary unit 120 ,

Die Sekundärspule121 der WPT-Fahrzeugeinheit120 kann über einer Primärspule111 positioniert werden, wobei die Primärspule111 z. B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit110 bzw. Primäreinheit110. Die Primärspule111 ist mit einer Stromversorgung113 verbunden. Die Stromversorgung113 kann einen Radio-Frequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit110 erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld (insbesondere ein elektromagnetisches Ladefeld) induziert wird. Das elektromagnetische Ladefeld kann einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeld-Frequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80–90 kHz (insbesondere bei 85 kHz) liegen.Thesecondary coil 121 theWPT vehicle unit 120 can over aprimary coil 111 be positioned, the primary coil 111 z. B. is mounted on the floor of a garage. Theprimary coil 111 is typically part of a so-called WPTground unit 110 orprimary unit 110 , Theprimary coil 111 is with apower supply 113 connected. Thepower supply 113 may include a radio-frequency generator that provides an alternating current in the primary coil of theWPT ground unit 110 generated, whereby a magnetic field (in particular an electromagnetic charging field) is induced. The electromagnetic charging field may have a predefined charging field frequency range. The charging field frequency of the electromagnetic charging field can be in the range of 80-90 kHz (in particular at 85 kHz).

Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule111 der WPT-Bodeneinheit110 und Sekundärspule121 der WPT-Fahrzeugeinheit120 über die Unterbodenfreiheit130 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule121 induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule121 der WPT-Fahrzeugeinheit120 wird durch den Gleichrichter101 gleichgerichtet und im Speicher103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung113 zum Energie-Speicher103 des Fahrzeugs100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug100 durch ein Lade-Steuergerät105 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät105 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z. B. drahtlos, mit der WPT-Bodeneinheit110 zu kommunizieren.With sufficient magnetic coupling betweenprimary coil 111 theWPT ground unit 110 andsecondary coil 121 theWPT vehicle unit 120 about theunderbody freedom 130 becomes by the magnetic field a corresponding voltage and thus also a current in thesecondary coil 121 induced. The induced current in thesecondary coil 121 theWPT vehicle unit 120 is through therectifier 101 rectified and inmemory 103 saved. So, electric power can be wireless from thepower supply 113 to theenergy store 103 of thevehicle 100 be transmitted. The charging process can be in thevehicle 100 through acharging control unit 105 to be controlled. Thecharging control unit 105 may be set up for this purpose, e.g. Wireless, with the WPTground unit 110 to communicate.

Um möglichst große Feldstärken des elektromagnetischen Ladefelds für die Überbrückung der Unterbodenfreiheit130 herstellen zu können, können resonante Systeme verwendet werden. Dabei sind sowohl die Primärspule111 als auch die Sekundärspule121 in einen jeweiligen Schwingkreis eingebunden. Insbesondere werden dabei in einem Primärschwingkreis der WPT-Bodeneinheit110 aufgrund eines relativ geringen Kopplungsfaktors zwischen Primärspule111 und Sekundärspule121 typischerweise relativ hohe Ströme (zur Erzeugung eines elektromagnetischen Ladefeldes mit ausreichender Feldstärke) verwendet.To maximize field strengths of the electromagnetic charging field for bridging theunderbody clearance 130 To be able to produce resonant systems can be used. Here are both theprimary coil 111 as well as thesecondary coil 121 involved in a respective resonant circuit. In particular, in a primary resonant circuit of theWPT ground unit 110 due to a relatively low coupling factor betweenprimary coil 111 andsecondary coil 121 typically uses relatively high currents (to produce an electromagnetic charging field with sufficient field strength).

Ausreichend hohe Ströme können durch eine entsprechende Güte des Primärschwingkreises bewirkt werden, gehen aber mit entsprechend hohen Blindströmen einher.Sufficient high currents can be effected by a corresponding quality of the primary resonant circuit, but are accompanied by correspondingly high reactive currents.

Der Abstand zwischen Primärspule111 und Sekundärspule121 kann relativ stark variieren. Insbesondere kann die Höhe der Unterbodenfreiheit130 für unterschiedliche Fahrzeugmodelle (Limousine vs. SUV) unterschiedlich sein. Desweiteren kann es durch unpräzises Abstellen des Fahrzeugs100 auf der Parkposition zu einem seitlichen Versatz der Spulen111,121 kommen. Als Konsequenz daraus ergeben sich unterschiedliche Übertragungsparameter (insbesondere unterschiedliche Größen des Kopplungsfaktors und unterschiedliche effektive Induktivitäten der Primärspule111 bzw. der Sekundärspule121) für das Spulensystem aus WPT-Bodeneinheit110 und WPT-Fahrzeugeinheit120.The distance betweenprimary coil 111 andsecondary coil 121 can vary quite a bit. In particular, the height of theunderbody clearance 130 be different for different vehicle models (sedan vs. SUV). Furthermore, it may be due to imprecise parking of thevehicle 100 in the parking position to a lateral offset of thecoils 111 . 121 come. As a consequence, different transmission parameters result (in particular different sizes of the coupling factor and different effective inductances of theprimary coil 111 or the secondary coil 121 ) for the WPT groundunit coil system 110 andWPT vehicle unit 120 ,

Die unterschiedlichen Übertragungsparameter des Spulensystems können zumindest teilweise durch eine spezifische Regelung/Anpassung der induktiven Energieübertragung ausgeglichen werden, insbesondere durch eine Anpassung der Ladefeld-Frequenz. Desweiteren können Schaltungen (insbesondere analoge Filter) zum Impedanzabgleich verwendet werden.The different transmission parameters of the coil system can be at least partially compensated by a specific regulation / adaptation of the inductive energy transmission, in particular by an adaptation of the charging field frequency. Furthermore, circuits (in particular analog filters) can be used for impedance matching.

Die Anpassung der Ladefeld-Frequenz ist dabei typischerweise auf einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich beschränkt (z. B. 81,38 bis 90 kHz gemäß der FCC, Federal Communications Commission, Frequenz Tabelle). Folglich können Änderungen der Übertragungsparameter nur in einem beschränkten Umfang über die Ladefeld-Frequenz ausgeglichen werden. Außerdem erfordert die Anpassung der Ladefeld-Frequenz einen entsprechend steuerbaren bzw. regelbaren Wechselrichter in der WPT-Bodeneinheit110. Desweiteren erfordert die Anpassung der Ladefeld-Frequenz eine entsprechende Auslegung der Komponenten der WPT-Bodeneinheit110 und/oder der WPT-Fahrzeugeinheit120 für den möglichen Ladefeld-Frequenzbereich. Insbesondere kann dies eine vielfache Überdimensionierung der Komponenten erfordern, um in jedem Arbeitspunkt die geforderte Leistung zu Verfügung stellen zu können. Dies ist typischerweise mit relativ hohen Verlusten und Kosten verbunden. The adaptation of the charging field frequency is typically limited to a predefined charging field frequency range (eg 81.38 to 90 kHz according to the FCC, Federal Communications Commission, Frequency Table). Consequently, changes in the transmission parameters can only be compensated to a limited extent over the charging field frequency. In addition, the adaptation of the charging field frequency requires a suitably controllable inverter in theWPT ground unit 110 , Furthermore, the adaptation of the charging field frequency requires a corresponding design of the components of theWPT ground unit 110 and / or theWPT vehicle unit 120 for the possible charging field frequency range. In particular, this can require a multiple over-dimensioning of the components in order to be able to provide the required power at each operating point. This is typically associated with relatively high losses and costs.

Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, auch für sich verändernde Übertragungsparameter zwischen WPT-Bodeneinheit und WPT-Fahrzeugeinheit eine Kosten- und Energie-effiziente Energieübertragung zu ermöglichen.The present document deals with the technical task of enabling a cost and energy efficient energy transfer also for changing transmission parameters between WPT ground unit and WPT vehicle unit.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are u. a. in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Vorrichtung kann z. B. Teil der WPT-Bodeneinheit oder der WPT-Fahrzeugeinheit sein. Die Vorrichtung umfasst einen Schwingkreis, der eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Kondensator und einer Spule umfasst. Dieser Schwingkreis weist eine Resonanzfrequenz auf, die von der Kapazität des einstellbaren Kondensators und von der Induktivität der Spule abhängt. Durch den Betrieb des Schwingkreises mit der Resonanzfrequenz kann eine effektive induktive Energieübertragung bewirkt werden.According to one aspect, an apparatus for an inductive charging system for charging an electrical energy storage device of a vehicle is described. The device may, for. B. part of the WPT ground unit or the WPT vehicle unit. The device comprises a resonant circuit comprising a series circuit of an adjustable capacitor and a coil. This resonant circuit has a resonant frequency that depends on the capacitance of the adjustable capacitor and the inductance of the coil. By operating the resonant circuit with the resonant frequency effective inductive energy transfer can be effected.

Die Spule ist eingerichtet, durch einen Wechselstrom ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers zu generieren (insbesondere im Falle einer WPT-Bodeneinheit) oder in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Ladestrom zum Laden des Energiespeichers zu generieren (insbesondere im Falle einer WPT-Fahrzeugeinheit). Die Spule kann somit dazu genutzt werden in induktiver Weise elektrische Energie auf eine andere Spule zu übertragen oder von einer anderen Spule zu empfangen. Dabei hängt die effektive Induktivität der Spule des Schwingkreises typischerweise davon ab, wie diese Spule relativ zu der jeweils anderen Spule des gekoppelten Spulensystems angeordnet ist.The coil is set up to generate an electromagnetic charging field for charging the energy store by an alternating current (in particular in the case of a WPT ground unit) or to generate a charging current for charging the energy store in response to an electromagnetic charging field (in particular in the case of a WPT vehicle unit). , The coil can thus be used to inductively transfer electrical energy to another coil or to receive it from another coil. In this case, the effective inductance of the coil of the resonant circuit typically depends on how this coil is arranged relative to the respective other coil of the coupled coil system.

Insbesondere haben der Abstand und/oder der Querversatz der Spulen des gekoppelten Spulensystems typischerweise einen Einfluss auf die effektive Induktivität der Spule des Schwingkreises.In particular, the distance and / or the transverse offset of the coils of the coupled coil system typically have an influence on the effective inductance of the coil of the resonant circuit.

Der einstellbare Kondensator weist eine Kapazität auf, die verändert werden kann. Insbesondere kann der einstellbare Kondensator mit einem Steuersignal angesteuert werden, um die Kapazität des einstellbaren Kondensators zu verändern. So kann eine Änderung der effektiven Induktivität der Spule des Schwingkreises (aufgrund einer veränderten Positionierung der gekoppelten Spulen) durch einen Anpassung der Kapazität des einstellbaren Kondensators ausgeglichen werden, z. B. um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises möglichst unverändert zu halten.The adjustable capacitor has a capacity that can be changed. In particular, the adjustable capacitor can be controlled with a control signal to change the capacitance of the adjustable capacitor. Thus, a change in the effective inductance of the coil of the resonant circuit (due to an altered positioning of the coupled coils) can be compensated by adjusting the capacitance of the adjustable capacitor, for. B. to keep a resonance frequency of the resonant circuit as unchanged as possible.

Die Vorrichtung umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, den einstellbaren Kondensator anzusteuern, um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, eine Ziel-Resonanzfrequenz für den Schwingkreis zu ermitteln (diese kann z. B. in dem o. g. Ladefeld-Frequenzbereich von 81,38 bis 90 kHz liegen). Desweiteren kann eine Ist-Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden (die sich aufgrund der aktuellen Anordnung zwischen der Spule des Schwingkreises und der damit gekoppelten Spule ergibt). Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den einstellbaren Kondensator derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der Ist-Resonanzfrequenz und der Ziel-Resonanzfrequenz reduziert wird (z. B. so dass die Abweichung betraglich kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Toleranz-Schwellenwert ist).The device further comprises a control unit which is set up to control the adjustable capacitor in order to change a resonance frequency of the resonant circuit. In particular, the control unit may be configured to determine a target resonant frequency for the resonant circuit (this may be, for example, in the above-mentioned charging field frequency range of 81.38 to 90 kHz). Furthermore, an actual resonant frequency of the resonant circuit can be determined (which results due to the current arrangement between the coil of the resonant circuit and the coil coupled thereto). Furthermore, the control unit can be set up to control the adjustable capacitor in such a way that a deviation between the actual resonance frequency and the target resonance frequency is reduced (for example, so that the deviation is smaller than or equal to a predefined tolerance threshold value). ,

Die Vorrichtung ermöglicht somit die Bereitstellung eines induktiven Ladesystems, dass auch für unterschiedliche Übertragungsparameter der gekoppelten Spulen einen Betrieb bei einer vordefinierten Resonanzfrequenz ermöglicht. So können Kosten- und Energie-effiziente induktive Ladesysteme bereitgestellt werden.The device thus makes it possible to provide an inductive charging system that allows operation at a predefined resonance frequency even for different transmission parameters of the coupled coils. Thus, cost and energy efficient inductive charging systems can be provided.

Der einstellbare Kondensator kann eine Vielzahl von Teilkondensatoren und zumindest einen Schalter umfassen. Durch den zumindest einen Schalter können eine Anordnung der Vielzahl von Teilkondensatoren und damit eine effektive Kapazität der Anordnung der Vielzahl von Teilkondensatoren verändert werden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den zumindest einen Schalter zu öffnen bzw. zu schließen, um die Anordnung der Vielzahl von Teilkondensatoren zu verändern. So kann eine effiziente Implementierung eines einstellbaren Kondensators bereitgestellt werden.The adjustable capacitor may include a plurality of sub-capacitors and at least one switch. By the at least one switch, an arrangement of the plurality of sub-capacitors and thus an effective capacitance of the arrangement of the plurality of sub-capacitors can be changed. The control unit may be configured to open or close the at least one switch to change the arrangement of the plurality of sub-capacitors. So can one efficient implementation of an adjustable capacitor can be provided.

Der zumindest eine Schalter kann derart in Reihe mit einem ersten Teilkondensator angeordnet sein, dass durch Öffnen des zumindest einen Schalters eine Kapazität des ersten Teilkondensator aus der (effektiven) Kapazität des einstellbaren Kondensators entfernt werden kann. Dabei ist bevorzugt der erste Teilkondensator zwischen der Spule und dem zumindest einen Schalter angeordnet. Durch eine derartige Anordnung des Schalters (z. B. eines Halbleiterschalters) kann die Spannungsbelastung des Schalters reduziert wird, was die Verwendung von Kosten-günstigen Schaltern ermöglicht.The at least one switch can be arranged in series with a first sub-capacitor such that by opening the at least one switch, a capacitance of the first sub-capacitor can be removed from the (effective) capacitance of the adjustable capacitor. In this case, the first partial capacitor is preferably arranged between the coil and the at least one switch. Such an arrangement of the switch (eg, a semiconductor switch) can reduce the voltage load on the switch, allowing the use of cost-effective switches.

Der einstellbare Kondensator kann eine Kondensator-Matrix umfassen. Dabei kann die Kondensator-Matrix eine Vielzahl von Kondensator-Reihen umfassen, die durch Öffnen ein oder mehrerer Schalter (in diesem Dokument auch als Überbrückungs-Schalter bezeichnet) zueinander in Reihe geschaltet werden können. Alternativ oder ergänzend kann eine Kondensator-Reihe eine Vielzahl von Teilkondensatoren umfassen, die durch Schließen ein oder mehrerer Schalter (in diesem Dokument auch als Parallel-Schalter bezeichnet) parallel zueinander geschaltet werden können. Durch die Anordnung der Teilkondensatoren in einer Matrix kann die Spannungs-/Strombelastung für jeden einzelnen Teilkondensator reduziert werden. So kann ein einstellbarer Kondensator durch eine Vielzahl von Kosten-günstigen Teilkondensatoren implementiert werden.The adjustable capacitor may include a capacitor matrix. In this case, the capacitor matrix may comprise a plurality of capacitor rows, which may be connected in series with one another by opening one or more switches (also referred to in this document as bypass switches). Alternatively or additionally, a series of capacitors may comprise a plurality of sub-capacitors which may be connected in parallel by closing one or more switches (also referred to herein as parallel switches). By arranging the sub-capacitors in a matrix, the voltage / current load for each individual sub-capacitor can be reduced. Thus, an adjustable capacitor can be implemented by a variety of cost-effective sub-capacitors.

Der einstellbare Kondensator kann einen Basis-Kondensator umfassen, der zusammen mit der Spule einen Basis-Schwingkreis mit einer Basis-Resonanzfrequenz bildet. Dabei kann eine minimal mögliche Kapazität des einstellbaren Kondensators einer Kapazität des Basis-Kondensators entsprechen. Durch den Basis-Kondensator kann somit ein Basis-Betriebspunkt des Schwingkreises festgelegt werden. Der Basis-Kondensator kann mit der Kondensator-Matrix in Reihe geschaltet sein, so dass durch die Kondensator-Matrix die Kapazität des einstellbaren Kondensators über die Kapazität des Basis-Kondensators hinaus erhöht werden kann. Dabei ist der Basis-Kondensator bevorzugt zwischen der Spule und der Kondensator-Matrix angeordnet, so dass eine Spannungsbelastung für die Schalter und Teilkondensatoren in der Kondensator-Matrix weiter reduziert werden kann.The adjustable capacitor may include a base capacitor that forms, together with the coil, a base resonant circuit having a base resonant frequency. In this case, a minimum possible capacitance of the adjustable capacitor can correspond to a capacitance of the base capacitor. By the base capacitor can thus be set a base operating point of the resonant circuit. The base capacitor may be connected in series with the capacitor matrix so that the capacity of the adjustable capacitor can be increased beyond the capacitance of the base capacitor by the capacitor matrix. In this case, the base capacitor is preferably arranged between the coil and the capacitor matrix, so that a voltage load for the switches and sub-capacitors in the capacitor matrix can be further reduced.

Die Teilkondensatoren (insbesondere die Teilkondensatoren einer Kondensator-Matrix) können unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Durch die Verwendung von Teilkondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten kann ein Grad der Stetigkeit eines Verlaufs der einstellbaren Kapazitäten des einstellbaren Kondensators erhöht werden. Insbesondere kann so ggf. ein nahezu linearer Verlauf der Kapazitäten zwischen einer minimal möglichen Kapazität und einer maximal möglichen Kapazität bereitgestellt werden. So kann ein präziser Abgleich von Änderungen der effektiven Induktivität der Spule des Schwingkreises erfolgen.The partial capacitors (in particular the partial capacitors of a capacitor matrix) can have different capacitances. By using partial capacitors with different capacitances, a degree of continuity of a course of adjustable capacitances of the variable capacitor can be increased. In particular, a virtually linear course of the capacitances between a minimum possible capacitance and a maximum possible capacitance can thus possibly be provided. Thus, a precise adjustment of changes in the effective inductance of the coil of the resonant circuit can take place.

Der Schwingkreis kann einen ersten einstellbaren Kondensator und einen zweiten einstellbaren Kondensator umfassen. Dabei ist der erste einstellbare Kondensator auf einer ersten Seite der Spule und der zweite einstellbare Kondensator auf einer zweiten Seite (d. h. auf der jeweils anderen Seite) der Spule angeordnet. Durch die Aufteilung der Kapazität des Schwingkreises kann eine elektromagnetische Verträglichkeit der Vorrichtung erhöht werden. Insbesondere kann zu diesem Zweck die Steuereinheit eingerichtet sein, den ersten einstellbaren Kondensator und den zweiten einstellbaren Kondensator derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen einer ersten Kapazität des ersten einstellbaren Kondensators und einer zweiten Kapazität des zweiten einstellbaren Kondensators reduziert wird (z. B. so dass die Abweichung kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Abweichungs-Schwellenwert ist, z. B. ein Abweichungs-Schwellenwert von 0).The resonant circuit may comprise a first adjustable capacitor and a second adjustable capacitor. In this case, the first adjustable capacitor is arranged on a first side of the coil and the second adjustable capacitor is arranged on a second side (that is to say on the respective other side) of the coil. By dividing the capacitance of the resonant circuit, an electromagnetic compatibility of the device can be increased. In particular, for this purpose, the control unit may be configured to control the first adjustable capacitor and the second adjustable capacitor such that a deviation between a first capacitance of the first adjustable capacitor and a second capacitance of the second adjustable capacitor is reduced (eg the deviation is less than or equal to a predefined deviation threshold, eg a deviation threshold of 0).

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Primäreinheit (z. B. eine WPT-Bodeneinheit) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Primäreinheit kann einen Wechselrichter umfassen, der eingerichtet ist, einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren. Desweiteren umfasst die Primäreinheit eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers zu generieren. Die Spule des Schwingkreises der Vorrichtung entspricht in diesem Fall einer Primärspule.In another aspect, a primary unit (eg, a WPT ground unit) for an inductive charging system for charging an electrical energy storage of a vehicle is described. The primary unit may include an inverter configured to generate an alternating current with a charging field frequency. Furthermore, the primary unit comprises a device described in this document, wherein the device is set up to generate an electromagnetic charging field for charging the energy store on the basis of the alternating current. The coil of the resonant circuit of the device corresponds in this case a primary coil.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sekundäreinheit (z. B. eine WPT-Fahrzeugeinheit) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Sekundäreinheit umfasst eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Wechselstrom zu generieren. Die Spule des Schwingkreises der Vorrichtung entspricht in diesem Fall einer Sekundärspule. Desweiteren kann die Sekundäreinheit einen Gleichrichter umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms einen gleichgerichteten Ladestrom zum Laden des Energiespeichers zu generieren.In another aspect, a secondary unit (eg, a WPT vehicle unit) for an inductive charging system for charging an electrical energy storage of a vehicle is described. The secondary unit comprises an apparatus described in this document, the apparatus being arranged to generate an alternating current in response to an electromagnetic charging field. The coil of the resonant circuit of the device in this case corresponds to a secondary coil. Furthermore, the secondary unit can comprise a rectifier which is set up to generate a rectified charging current for charging the energy store on the basis of the alternating current.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung bzw. Sekundäreinheit umfasst.According to another aspect, a motor vehicle (eg, a passenger car, a truck, or a motorcycle) is described that includes the comprises device or secondary unit described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung des induktiven Ladens eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Das Verfahren kann z. B. durch die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit (insbesondere durch die Lade-Steuereinheit des Fahrzeugs) ausgeführt werden.According to a further aspect, a method for controlling the inductive charging of an electrical energy store of a vehicle is described. The method may, for. B. by the control unit described in this document (in particular by the charging control unit of the vehicle) are executed.

Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Ziel-Ladefeld-Frequenz für ein elektromagnetisches Ladefeld zur induktiven Energieübertragung von einer Primärspule einer Primäreinheit auf eine Sekundärspule des Fahrzeugs. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Ist-Resonanzfrequenz eines Primärschwingkreises der Primäreinheit. Dabei weist der Primärschwingkreis eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Primärkondensator und der Primärspule auf. Die Primärspule ist eingerichtet, durch einen Wechselstrom das elektromagnetische Ladefeld zu generieren. Desweiteren weist der einstellbare Primärkondensator eine Kapazität auf, die verändert werden kann. Die Induktivität der Primärspule hängt von einer relativen Anordnung der Primärspule zu der Sekundärspule ab.The method includes determining a target charging field frequency for an electromagnetic charging field for inductive power transmission from a primary coil of a primary unit to a secondary coil of the vehicle. In addition, the method comprises determining an actual resonant frequency of a primary resonant circuit of the primary unit. In this case, the primary resonant circuit has a series connection of an adjustable primary capacitor and the primary coil. The primary coil is set up to generate the electromagnetic charging field by an alternating current. Furthermore, the adjustable primary capacitor has a capacity that can be changed. The inductance of the primary coil depends on a relative arrangement of the primary coil to the secondary coil.

Das Verfahren umfasst weiter das Anpassen der Kapazität des einstellbaren Primärkondensators derart, dass eine Abweichung zwischen der Ist-Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises und der Ziel-Ladefeld-Frequenz reduziert wird. Es kann dann ein Wechselstrom zur Generierung des elektromagnetischen Ladefelds erzeugt werden, wobei der Wechselstrom die angepasste Ist-Resonanzfrequenz, die Ziel-Ladefeld-Frequenz und/oder eine dazwischen liegende Frequenz aufweist. Insbesondere kann eine dominante Komponente des Wechselstroms ein der o. g. Frequenzen aufweisen.The method further comprises adjusting the capacitance of the adjustable primary capacitor such that a deviation between the actual resonant frequency of the primary resonant circuit and the target charging field frequency is reduced. An alternating current for generating the electromagnetic charging field can then be generated, wherein the alternating current has the adapted actual resonance frequency, the target charging field frequency and / or an intermediate frequency. In particular, a dominant component of the alternating current may be one of the o. G. Have frequencies.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.It should be understood that the methods, devices and systems described herein may be used alone as well as in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices, and systems described herein may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigenFurthermore, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments. Show

1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems; 1 exemplary components of an inductive charging system;

2 beispielhafte Komponenten einer WPT-Bodeneinheit und einer WPT-Fahrzeugeinheit; 2 exemplary components of a WPT ground unit and a WPT vehicle unit;

3 einen beispielhaften Aufbau eines einstellbaren Kondensators; 3 an exemplary structure of an adjustable capacitor;

4 eine beispielhafte WPT-Bodeneinheit und eine beispielhafte WPT-Fahrzeugeinheit mit mehreren einstellbaren Kondensatoren; und 4 an exemplary WPT ground unit and an exemplary WPT vehicle unit with multiple adjustable capacitors; and

5 einen beispielbaren Verlauf der Kapazität eines einstellbaren Kondensators. 5 an exemplary course of the capacity of an adjustable capacitor.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Anpassung eines resonanten induktiven Ladesystems für ein Kraftfahrzeug an unterschiedliche Unterbodenfreiheiten130 und/oder an einen Querversatz zwischen WPT-Bodeneinheit110 und WPT-Fahrzeugeinheit120.As stated above, the present document is concerned with the efficient adaptation of a resonant inductive charging system for a motor vehicle to differentunderfloor freedoms 130 and / or to a transverse offset betweenWPT ground unit 110 andWPT vehicle unit 120 ,

2 zeigt ein Schaltbild einer WPT-Bodeneinheit110 und einer WPT-Fahrzeugeinheit120. Die WPT-Bodeneinheit110 umfasst einen Wechselrichter213, der eingerichtet ist, aus einem Gleichstrom (z. B. bei einer Gleichspannung von ca. 500 V) einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren. Desweiteren umfasst die WPT-Bodeneinheit110 die Primärspule111 und einen Primärkondensator212. Außerdem ist in2 beispielhaft die parasitäre Induktivität214 von weiteren Komponenten (insbesondere von Leitungen) der WPT-Bodeneinheit110 dargestellt. Die WPT-Bodeneinheit110 umfasst somit einen seriellen Schwingkreis (hier auch als Primärschwingkreis bezeichnet), dessen Resonanzfrequenz sich aus der Gesamtkapazität C (insbesondere der Kapazität des Kondensators212) und der Gesamtinduktivität L (insbesondere der Induktivität der Primärspule111 und ggf. der parasitären Induktivitäten214) als

ergibt. Die Ladefeld-Frequenz entspricht bevorzugt der Resonanzfrequenz f₀, um einen möglichst hohen Kopplungsgrad zwischen Primärspule111 und Sekundärspule121 zu erreichen. 2 shows a circuit diagram of aWPT ground unit 110 and aWPT vehicle unit 120 , TheWPT ground unit 110 includes aninverter 213 which is adapted to generate an alternating current with a charging field frequency from a direct current (eg at a direct voltage of approximately 500 V). Furthermore, the WPT ground unit includes 110 theprimary coil 111 and aprimary capacitor 212 , It is also in 2 exemplified theparasitic inductance 214 of other components (especially pipes) of theWPT ground unit 110 shown. TheWPT ground unit 110 thus includes a series resonant circuit (also referred to herein as the primary resonant circuit), the resonant frequency of the total capacitance C (in particular the capacitance of the capacitor 212 ) and the total inductance L (in particular the inductance of theprimary coil 111 and possibly the parasitic inductances 214 ) when

results. The charging field frequency preferably corresponds to the resonance frequency f₀ in order to achieve the highest possible degree of coupling between theprimary coil 111 andsecondary coil 121 to reach.

In analoger Weise umfasst die WPT-Fahrzeugeinheit120 einen Schwingkreis (hier auch als Sekundärschwingkreis bezeichnet), der aus der Sekundärspule121 und einem Sekundärkondensator222 gebildet wird. Die Resonanzfrequenz dieses Sekundärschwingkreises ist bevorzugt an die Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises der WPT-Bodeneinheit110 angepasst, um einen möglichst hohen Kopplungsgrad zu erreichen.Analogously, the WPT vehicle unit includes 120 a resonant circuit (also referred to here as secondary resonant circuit), which consists of thesecondary coil 121 and asecondary capacitor 222 is formed. The resonant frequency of this secondary resonant circuit is preferably at the resonant frequency of the primary resonant circuit of theWPT ground unit 110 adapted to achieve the highest possible degree of coupling.

Eine effektive Induktivität der Primärspule111 (und in reduziertem Maße der Sekundärspule121) hängt von der Anordnung der Primärspule111 relativ zu der Sekundärspule121 ab. Insbesondere hängt die effektive Induktivität der Primärspule111 von der Größe der Unterbodenfreiheit130 und/oder von einem Querversatz der Primärspule111 zur Sekundärspule121 ab. Eine sich ändernde effektive Induktivität führt zu einer sich ändernden Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises.An effective inductance of the primary coil 111 (and to a lesser extent the secondary coil 121 ) depends on the arrangement of theprimary coil 111 relative to thesecondary coil 121 from. In particular, the effective inductance of the primary coil depends 111 the size of theunderbody clearance 130 and / or from a transverse offset of theprimary coil 111 to thesecondary coil 121 from. A changing effective inductance leads to a changing resonant frequency of the primary resonant circuit.

Die Ladefeld-Frequenz kann zumindest teilweise an eine sich ändernde Resonanzfrequenz angepasst werden. Dies führt jedoch zu den eingangs dargelegten Nachteilen. Die in2 dargestellte WPT-Bodeneinheit111 umfasst daher einen einstellbaren Kondensator212 mit einer einstellbaren Kapazität (in analoger Weise kann auch die WPT-Fahrzeugeinheit120 einen einstellbaren Kondensator222 aufweisen). Der einstellbare Kondensator212 kann derart durch eine Steuereinheit230 angepasst werden, dass Änderungen der effektiven Induktivität ausgeglichen werden können, und somit die Resonanzfrequenz unverändert bleibt. So kann die WPT-Bodeneinheit110 mit einer festen Ladefeld-Frequenz betrieben werden, was u. a. eine Kosten-effiziente Implementierung der WPT-Bodeneinheit110 ermöglicht.The charging field frequency can be at least partially adapted to a changing resonance frequency. However, this leads to the disadvantages outlined above. In the 2 illustratedWPT ground unit 111 therefore includes anadjustable capacitor 212 with an adjustable capacity (analogously, theWPT vehicle unit 120 anadjustable capacitor 222 exhibit). Theadjustable capacitor 212 can so by acontrol unit 230 be adapted so that changes in the effective inductance can be compensated, and thus the resonance frequency remains unchanged. So can theWPT ground unit 110 operated at a fixed charging field frequency, including a cost-efficient implementation of theWPT ground unit 110 allows.

3 zeigt eine beispielhafte Realisierung eines einstellbaren Kondensators212 als Kondensator-Netzwerk mit einer Vielzahl von Teilkondensatoren312,301. Das Kondensator-Netzwerk umfasst einen Basis-Kondensator312, der mit einer Kondensator-Matrix300 in Reihe geschaltet ist. Der Basis-Kondensator312 kann derart ausgelegt sein, dass er mit einer maximal möglichen effektiven Induktivität einen Primärschwingkreis mit einer Ziel-Resonanzfrequenz bildet. Ein Absinken der effektiven Induktivität (durch sich verändernde Übertragungsparameter) kann durch die konfigurierbare Kondensator-Matrix300 kompensiert werden. Insbesondere kann mittels der Kondensator-Matrix300 die Kapazität des einstellbaren Kondensators212 in dem Maße erhöht werden, in dem die effektive Induktivität von der maximal möglichen effektiven Induktivität abweicht. So kann durch Anpassung der Kapazität des einstellbaren Kondensators212 die Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises bei der Ziel-Resonanzfrequenz gehalten werden. 3 shows an exemplary implementation of anadjustable capacitor 212 as a capacitor network with a large number ofpartial capacitors 312 . 301 , The capacitor network includes abase capacitor 312 that with acapacitor matrix 300 is connected in series. Thebase capacitor 312 can be designed such that it forms a primary resonant circuit with a target resonant frequency with a maximum possible effective inductance. A decrease of the effective inductance (due to changing transmission parameters) may be due to theconfigurable capacitor matrix 300 be compensated. In particular, by means of thecapacitor matrix 300 the capacity of theadjustable capacitor 212 be increased to the extent that the effective inductance deviates from the maximum possible effective inductance. So can by adjusting the capacity of theadjustable capacitor 212 the resonant frequency of the primary resonant circuit are kept at the target resonant frequency.

Die Kondensator-Matrix300 umfasst N Kondensator-Reihen, wobei jede Kondensator-Reihe M parallel geschaltete Teilkondensatoren301 (c_n1 bis c_nM, für n = 1, ..., N, mit N ≥ 1. Die N Kondensator-Reihen sind in Reihe zueinander angeordnet. Desweiteren umfasst die Kondensator-Matrix300 Schalter302 (z. B. Halbleiterschalter wie z. B. IGBTs oder MOSFETs, oder Relais), die es ermöglichen, einzelne Kondensator-Reihen zu überbrücken (s₁₁ bis s_N1) bzw. einzelne Kondensatoren301 innerhalb einer Kondensator-Reihe parallel zu schalten (s_n2 bis s_nM für die Kondensator-Reihen n = 1, ..., N, M ≥ 1). Durch die Schalter302 kann die Kapazität der Kondensator-Matrix300 von einem Minimalwert (alle Überbrückungs-Schalter s₁₁ bis s_N1 geschlossen) bis zu einem Maximalwert (alle Überbrückungs-Schalter s₁₁ bis s_N1 offen und alle Parallel-Schalter s_n2 bis s_nM, für n = 1, ..., N, geschlossen) in fließender Weise verändert werden.Thecapacitor matrix 300 includes N capacitor rows, each capacitor row M partial capacitors connected in parallel 301 (c_n1 to c_nM , for n = 1, ..., N, where N ≥ 1. The N capacitor rows are arranged in series with each other.) The capacitor matrix also includes 300 switch 302 (For example, semiconductor switches such as IGBTs or MOSFETs, or relays), which allow to bridge individual capacitor rows (s₁₁ to s_N1 ) orindividual capacitors 301 in parallel within a capacitor series (s_n2 to s_nM for the capacitor series n = 1, ..., N, M ≥ 1). Through theswitches 302 can be the capacity of thecapacitor matrix 300 from a minimum value (all bypass switches s₁₁ to s_N1 closed) to a maximum value (all bypass switches s₁₁ to s_N1 open and all parallel switches s_n2 to s_nM , for n = 1_,. N, closed) can be changed in a fluid manner.

Insbesondere kann durch die Kondensator-Matrix300 eine (nahezu) lineare und quasi-kontinuierliche Anpassung der Kapazität des einstellbaren Kondensators212 bewirkt werden. Zu diesem Zweck können die einzelnen Teilkondensatoren301 der Kondensator-Matrix300 unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, die derart gewählt werden, dass sich auf Basis der Formeln für in Reihe geschaltete Kondensatoren und für parallel zueinander geschaltete Kondensatoren ein möglichst linearer Verlauf der effektiven Kapazität durch Öffnen/Schließen der Schalter302 der Kondensator-Matrix300 ergibt.5 zeigt einen beispielhaften Verlauf503 der Kapazität501 der Kondensator-Matrix300 durch Änderung der Schalterstellungen502.In particular, through the capacitor matrix 300 a (nearly) linear and quasi-continuous adjustment of the capacitance of theadjustable capacitor 212 be effected. For this purpose, the individualpartial capacitors 301 thecapacitor matrix 300 have different capacities, which are chosen such that based on the formulas for capacitors connected in series and for parallel-connected capacitors as linear as possible a course of the effective capacity by opening / closing theswitch 302 thecapacitor matrix 300 results. 5 shows anexemplary course 503 thecapacity 501 thecapacitor matrix 300 by changing the switch positions 502 ,

Beispielsweise kann jede Kondensator-Reihe Teilkondensatoren301 umfassen, die Kapazitäten zwischen einer maximalen Reihen-Kapazität und einer minimalen Reihen-Kapazität aufweisen. Zwischen der maximalen Reihen-Kapazität und der minimalen Reihen-Kapazität können Zwischenkapazitäten gewählt werden, die sich um einen bestimmten Faktor (z. B. 2) voneinander unterscheiden. Desweiteren können für unterschiedliche Kondensator-Reihen Teilkondensatoren301 mit jeweils unterschiedlichen maximalen Reihen-Kapazitäten und/oder minimalen Reihen-Kapazitäten gewählt werden. So kann durch unterschiedliche Schalterstellungen502 eine hohe Zahl von unterschiedlichen Kapazitäten bewirkt werden.For example, each capacitor series can bepartial capacitors 301 comprising capacitances between a maximum series capacitance and a minimum series capacitance. Between the maximum in-line capacitance and the minimum in-line capacitance, intermediate capacitances may be selected that differ by a certain factor (eg, 2). Furthermore, partial capacitors can be used fordifferent capacitor series 301 each having different maximum row capacitances and / or minimum row capacitances. So can by different switch positions 502 a high number of different capacities are effected.

Der Basis-Kondensator312 ist bevorzugt zwischen Primärspule111 und Kondensator-Matrix300 angeordnet. So können die Spannungsanforderungen für die Teilkondensatoren301 und die Schalter302 der Kondensator-Matrix300 reduziert werden, was eine Kosten-effektive Implementierung des einstellbaren Kondensators212 ermöglicht. Desweiteren ist es aus dem gleichen Grund vorteilhaft, die Schalter302 für die einzelnen Teilkondensatoren301 auf der von der Primärspule111 abgewandten Seite der jeweiligen Teilkondensatoren301 anzuordnen. Dies ist in4 veranschaulicht.Thebase capacitor 312 is preferred betweenprimary coil 111 andcapacitor matrix 300 arranged. So can the voltage requirements for thesub-capacitors 301 and theswitches 302 thecapacitor matrix 300 be reduced, resulting in a cost-effective implementation of theadjustable capacitor 212 allows. Furthermore, it is advantageous for the same reason, theswitch 302 for the individualpartial capacitors 301 on the from theprimary coil 111 opposite side of therespective sub-capacitors 301 to arrange. This is in 4 illustrated.

Insbesondere zeigt4 einen ersten Bereich402 der WPT-Bodeneinheit110, in dem bei Eingangsspannungen von ca. 500 V Spannungen von 2000 V und mehr auftreten können (insbesondere bis zu 5000 V über der Primärspule111). Andererseits liegen die Spannungen in einem zweiten Bereich403 bei 1000 V und weniger. Diese reduzierten Spannungswerte sind vorteilhaft für die Auslegung der in der Kondensator-Matrix300 verwendeten Teilkondensatoren301 und/oder Schalter302.In particular shows 4 afirst area 402 theWPT ground unit 110 in which voltages of 2000 V and more can occur at input voltages of approx. 500 V (in particular up to 5000 V above the primary coil) 111 ). On the other hand, the voltages are in asecond range 403 at 1000 V and less. These reduced voltage values are advantageous for the design of the in thecapacitor matrix 300 usedpartial capacitors 301 and / orswitches 302 ,

Desweiteren kann es vorteilhaft sein, den Primärkondensator in zwei (einstellbare) Kondensatoren212,412 aufzuteilen und in symmetrischer Weise rechts bzw. links von der Primärspule111 anzuordnen. Dies kann in analoger Weise für die WPT-Fahrzeugeinheit120 erfolgen (Kondensatoren222,422). Dies ist insbesondere in Hinblick auf EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Anforderungen der WPT-Einheiten110,120 vorteilhaft.4 zeigt in diesem Zusammenhang einen beispielhaften EMV-Filter401 der WPT-Bodeneinheit110.Furthermore, it may be advantageous to the primary capacitor in two (adjustable)capacitors 212 . 412 split and in a symmetrical way to the right or left of theprimary coil 111 to arrange. This may be analogous to theWPT vehicle unit 120 done (capacitors 222 . 422 ). This is especially true with regard to EMC (electromagnetic compatibility) requirements of theWPT units 110 . 120 advantageous. 4 shows in this context anexemplary EMC filter 401 theWPT ground unit 110 ,

Der oder die Primärkondensatoren212 des Primärschwingkreises können somit abgleichbar ausgebildet werden. Alternativ oder ergänzend kann dies für den Sekundärschwingkreis erfolgen. Dazu kann der Primärkondensator212 aus mehreren Teilkondensatoren312,301 aufgebaut werden. Diese können durch Schalter302 überbrückt oder zugeschaltet werden, so dass die Kapazität des Primärkondensators212 einstellbar wird. Dabei ist vorteilhaft, dass die Schaltelemente302 weder für den Gesamtstrom noch für die Gesamtspannung dimensioniert werden müssen, und somit Kosten-effizient implementiert werden können.The one or moreprimary capacitors 212 The primary resonant circuit can thus be made adjustable. Alternatively or additionally, this can be done for the secondary resonant circuit. For this purpose, theprimary capacitor 212 from severalpartial capacitors 312 . 301 being constructed. These can be throughswitches 302 be bridged or switched on, so that the capacity of theprimary capacitor 212 becomes adjustable. It is advantageous that the switchingelements 302 must not be dimensioned for the total current or for the total voltage, and thus can be implemented cost-efficiently.

Die Teilkondensatoren312,301 können so dimensioniert und geschaltet werden, dass unabhängig von den Werten der Übertragungsparameter des Spulensystems und weiterer Streuungen eine Änderung der effektiven Induktivität des Primärschwingkreises bis auf eine (kleine) Resttoleranz abgeglichen werden kann. Dies kann insbesondere durch abgestufte Werte der zuschaltbaren Teilkondensatoren301 erreicht werden.Thepartial capacitors 312 . 301 can be dimensioned and switched so that, regardless of the values of the transmission parameters of the coil system and other variations, a change in the effective inductance of the primary resonant circuit can be adjusted to a (small) residual tolerance. This can be done in particular by graduated values of the switchablepartial capacitors 301 be achieved.

Wie in4 gezeigt, können die Teilkondensatoren312,301 so auf die Teilstränge (beide Phasen des AC-Pfades) aufgeteilt werden, dass nur kleine Asymmetrien entstehen und so das EMV-Verhalten der WPT-Bodeneinheit110 nicht beeinträchtigt wird. Durch einen sekundärseitigen Abgleich mittels eines einstellbaren Sekundärkondensators121 können der Blindstromanteil im Sekundärschwingkreis verringert werden und damit die Ströme im Spulensystem minimiert werden.As in 4 shown, thepartial capacitors 312 . 301 divided into sub-strands (both phases of the AC path) so that only small asymmetries are created and thus the EMC behavior of theWPT ground unit 110 is not affected. By a secondary-side adjustment by means of an adjustablesecondary capacitor 121 The reactive current component in the secondary resonant circuit can be reduced and thus the currents in the coil system can be minimized.

Der Abgleich des Primärkondensators212 kann auch dazu genutzt werden, um weitere Variationen im Primärschwingkreis (z. B. eine parasitäre Induktivität214 der Anschlussleitung) zu kompensieren.The adjustment of theprimary capacitor 212 can also be used to further variations in the primary resonant circuit (eg, aparasitic inductance 214 the connecting line).

Der Abgleich eines Kondensators212 kann durch folgendes Verfahren erfolgen. Das Fahrzeug100 kann über der WPT-Bodeneinheit110 geparkt werden. Es kann dann die Impedanz (oder Resonanzfrequenz) des Ladesystems aus Sicht der WPT-Bodeneinheit110 und aus Sicht der WPT-Fahrzeugeinheit120 ermittelt werden. Desweiteren können Kapazitätswerte (für den Primär- und/oder Sekundärschwingkreis) ermittelt werden, die ein bestimmtes Optimierungskriterium (z. B. einen möglichst hohen Kopplungsgrad) optimieren. Durch Ansteuerung der Schalter302 können die jeweiligen Kapazitätswerte eingestellt werden. Es kann dann ggf. eine Überprüfung der Impedanz (bzw. der Resonanzfrequenz) erfolgen, und bei Bedarf kann eine erneute Anpassung der Kapazitätswerte vorgenommen werden. Andernfalls kann der Ladevorgang gestartet werden. Sollten sich während des Ladevorgangs Änderungen der Übertragungsparameter ergeben, so kann eine erneute Anpassung der Kapazitätswerte erfolgen.The adjustment of acapacitor 212 can be done by the following procedure. Thevehicle 100 can over theWPT ground unit 110 parked. It can then determine the impedance (or resonant frequency) of the charging system from the perspective of theWPT ground unit 110 and from the perspective of theWPT vehicle unit 120 be determined. Furthermore, it is possible to determine capacitance values (for the primary and / or secondary resonant circuit) which optimize a specific optimization criterion (eg the highest possible degree of coupling). By controlling theswitches 302 the respective capacity values can be set. If necessary, a check of the impedance (or of the resonance frequency) can take place, and if necessary, a renewed adaptation of the capacitance values can be carried out. Otherwise, the loading process can be started. If changes in the transmission parameters occur during the charging process, the capacity values can be adapted again.

Durch die Anpassung der Kapazität eines Schwingkreis-Kondensators212 erfolgt die Kompensation von geänderten Übertragungsparametern nahe der Ursache für die Variation der Resonanzfrequenz. Daher können weitere Kompensationsmaßnahmen (insbesondere Kompensationsnetzwerke) vermieden oder zumindest reduziert werden. Diese Anpassung der Kapazität als Kompensationsmaßnahme ist relativ einfach zu dimensionieren (im Vergleich zu Kompensationsfiltern). Desweiteren können mit der Anpassung der Kapazität weitere Parameterstreuungen (z. B. Last-Phasenwinkel, Streuung des Resonanzkondensators, etc.) kompensiert werden. Insgesamt können so der Aufwand und die Verlustleistung für die Kompensation von geänderten Übertragungsparametern reduziert werden (insbesondere da keine Verstimmungen eines Kompensationsnetzwerks auftreten können). Außerdem ermöglicht die Verwendung von einstellbaren Kondensatoren variable Anschlussleitungslängen in der WPT-Bodeneinheit110, da parasitäre Induktivitäten214 flexibel kompensiert werden können.By adapting the capacitance of aresonant circuit capacitor 212 the compensation of changed transmission parameters takes place near the cause for the variation of the resonance frequency. Therefore, further compensation measures (in particular compensation networks) can be avoided or at least reduced. This adaptation of the capacity as a compensatory measure is relatively easy to dimension (compared to compensation filters). Furthermore, with the adaptation of the capacitance further parameter variations (eg load phase angle, dispersion of the resonance capacitor, etc.) can be compensated. Overall, the effort and the power loss for the compensation of changed transmission parameters can thus be reduced (in particular since no detuning of a compensation network can occur). In addition, the use of adjustable capacitors allows for variable lead lengths in theWPT ground unit 110 , becauseparasitic inductances 214 can be compensated flexibly.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed methods, apparatus and systems.

Claims (12)

Translated fromGerman

Vorrichtung (110,120) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (103) eines Fahrzeugs (100), wobei die Vorrichtung (110,120) umfasst, – einen Schwingkreis, der eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Kondensator (212,222) und einer Spule (111,121) umfasst; wobei – die Spule (111,121) eingerichtet ist, durch einen Wechselstrom ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren oder in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Ladestrom zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren; und – der einstellbare Kondensator (212,222) eine Kapazität aufweist, die verändert werden kann; und – eine Steuereinheit (230), die eingerichtet ist, den einstellbaren Kondensator (212,222) anzusteuern, um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu verändern.Contraption ( 110 . 120 ) for an inductive charging system for charging an electrical energy store ( 103 ) of a vehicle ( 100 ), the device ( 110 . 120 ) comprises a resonant circuit comprising a series connection of an adjustable capacitor ( 212 . 222 ) and a coil ( 111 . 121 ); where - the coil ( 111 . 121 ) is set up by an alternating current an electromagnetic charging field for charging the energy store ( 103 ) or in response to an electromagnetic charging field charging current for charging the energy storage ( 103 ) to generate; and - the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) has a capacity that can be changed; and a control unit ( 230 ), which is set up, the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) to change a resonant frequency of the resonant circuit.Vorrichtung (110,120) gemäß Anspruch 1, wobei – der einstellbare Kondensator (212,222) eine Vielzahl von Teilkondensatoren (312,301) und zumindest einen Schalter (302) umfasst; – durch den zumindest einen Schalter (302) eine Anordnung der Vielzahl von Teilkondensatoren (312,301) und eine effektive Kapazität der Anordnung der Vielzahl von Teilkondensatoren (312,301) verändert werden können; und – der zumindest eine Schalter (302) durch ein Steuersignal der Steuereinheit (230) geöffnet bzw. geschlossen werden kann.Contraption ( 110 . 120 ) according to claim 1, wherein - the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) a plurality of partial capacitors ( 312 . 301 ) and at least one switch ( 302 ); By the at least one switch ( 302 ) an arrangement of the plurality of sub-capacitors ( 312 . 301 ) and an effective capacitance of the arrangement of the plurality of sub-capacitors ( 312 . 301 ) can be changed; and - the at least one switch ( 302 ) by a control signal of the control unit ( 230 ) can be opened or closed.Vorrichtung (110,120) gemäß Anspruch 2, wobei – der zumindest eine Schalter (302) derart in Reihe mit einem ersten Teilkondensator (301) angeordnet ist, dass durch Öffnen des zumindest einen Schalters (302) eine Kapazität des ersten Teilkondensator (301) aus der effektiven Kapazität des einstellbaren Kondensators (212,222) entfernt werden kann; und – der erste Teilkondensator (301) zwischen der Spule (111,121) und dem zumindest einen Schalter (302) angeordnet ist.Contraption ( 110 . 120 ) according to claim 2, wherein - the at least one switch ( 302 ) in series with a first sub-capacitor ( 301 ) is arranged by opening the at least one switch ( 302 ) a capacity of the first partial capacitor ( 301 ) from the effective capacity of the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) can be removed; and - the first partial capacitor ( 301 ) between the coil ( 111 . 121 ) and the at least one switch ( 302 ) is arranged.Vorrichtung (110,120) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei – der einstellbare Kondensator (212,222) eine Kondensator-Matrix (300) umfasst; – die Kondensator-Matrix (300) eine Vielzahl von Kondensator-Reihen umfasst, die durch Öffnen ein oder mehrerer Überbrückungs-Schalter (302) zueinander in Reihe geschaltet werden können; und/oder – eine Kondensator-Reihe eine Vielzahl von Teilkondensatoren (301) umfasst, die durch Schließen ein oder mehrerer Parallel-Schalter (302) parallel zueinander geschaltet werden können.Contraption ( 110 . 120 ) according to one of claims 2 to 3, wherein - the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) a capacitor matrix ( 300 ); The capacitor matrix ( 300 ) includes a plurality of capacitor banks that are formed by opening one or more bypass switches ( 302 ) can be connected in series with each other; and / or - a capacitor series a plurality of partial capacitors ( 301 ) by closing one or more parallel switches ( 302 ) can be switched parallel to each other.Vorrichtung (110,120) gemäß Anspruch 4, wobei – der einstellbare Kondensator (212,222) einen Basis-Kondensator (312) umfasst, der zusammen mit der Spule (111,121) einen Basis-Schwingkreis mit einer Basis-Resonanzfrequenz bildet; und – eine minimal mögliche Kapazität des einstellbaren Kondensators (212,222) einer Kapazität des Basis-Kondensators (312) entspricht.Contraption ( 110 . 120 ) according to claim 4, wherein - the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) a base capacitor ( 312 ), which together with the coil ( 111 . 121 ) forms a base resonant circuit with a base resonant frequency; and - a minimum possible capacity of the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) of a capacitance of the base capacitor ( 312 ) corresponds.Vorrichtung (110,120) gemäß Anspruch 5, wobei der Basis-Kondensator zwischen der Spule (111,121) und der Kondensator-Matrix (300) angeordnet ist.Contraption ( 110 . 120 ) according to claim 5, wherein the base capacitor between the coil ( 111 . 121 ) and the capacitor matrix ( 300 ) is arranged.Vorrichtung (110,120) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Teilkondensatoren (312,301) unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.Contraption ( 110 . 120 ) according to one of claims 2 to 6, wherein the partial capacitors ( 312 . 301 ) have different capacities.Vorrichtung (110,120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Schwingkreis einen ersten einstellbaren Kondensator (212,222) und einen zweiten einstellbaren Kondensator (412,422) umfasst; – der erste einstellbare Kondensator (212,222) auf einer ersten Seite der Spule (111,121) und der zweite einstellbare Kondensator (412,422) auf einer zweiten Seite der Spule (111,121) angeordnet ist; und – die Steuereinheit (230) eingerichtet ist, den ersten einstellbaren Kondensator (212,222) und den zweiten einstellbaren Kondensator (412,422) derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen einer ersten Kapazität des ersten einstellbaren Kondensators (212,222) und einer zweiten Kapazität des zweiten einstellbaren Kondensators (412,422) reduziert wird.Contraption ( 110 . 120 ) according to one of the preceding claims, wherein - the resonant circuit is a first adjustable capacitor ( 212 . 222 ) and a second adjustable capacitor ( 412 . 422 ); The first adjustable capacitor ( 212 . 222 ) on a first side of the coil ( 111 . 121 ) and the second adjustable capacitor ( 412 . 422 ) on a second side of the coil ( 111 . 121 ) is arranged; and - the control unit ( 230 ), the first adjustable capacitor ( 212 . 222 ) and the second adjustable capacitor ( 412 . 422 ) such that a deviation between a first capacitance of the first adjustable capacitor ( 212 . 222 ) and a second capacitance of the second adjustable capacitor ( 412 . 422 ) is reduced.Vorrichtung (110,120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (230) eingerichtet ist, – eine Ziel-Resonanzfrequenz für den Schwingkreis zu ermitteln; – eine Ist-Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu ermitteln; und – den einstellbaren Kondensator (212,222) derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der Ist-Resonanzfrequenz und der Ziel-Resonanzfrequenz reduziert wird.Contraption ( 110 . 120 ) according to one of the preceding claims, wherein the control unit ( 230 ) is set up, - to determine a target resonant frequency for the resonant circuit; - To determine an actual resonance frequency of the resonant circuit; and - the adjustable capacitor ( 212 . 222 ) in such a way that a deviation between the actual resonance frequency and the target resonance frequency is reduced.Eine Primäreinheit (110) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (103) eines Fahrzeugs (100), wobei die Primäreinheit (110) umfasst, – einen Wechselrichter (213), der eingerichtet ist, einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren; und – eine Vorrichtung (110,120) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (111,120) eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren.A primary unit ( 110 ) for an inductive charging system for charging an electrical energy store ( 103 ) of a vehicle ( 100 ), the primary unit ( 110 ), - an inverter ( 213 ) configured to generate an alternating current with a charging field frequency; and a device ( 110 . 120 ) according to one of the preceding claims, wherein the device ( 111 . 120 ) is arranged, based on the alternating current, an electromagnetic charging field for charging the energy storage ( 103 ) to generate.Eine Sekundäreinheit (120) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (103) eines Fahrzeugs (100), wobei die Sekundäreinheit (120) umfasst, – eine Vorrichtung (110,120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung (111,120) eingerichtet ist, in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Wechselstrom zu generieren; und – einen Gleichrichter (101), der eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms einen gleichgerichteten Ladestrom zum Laden des Energiespeichers (103) zu generieren.A secondary unit ( 120 ) for an inductive charging system for charging an electrical energy store ( 103 ) of a vehicle ( 100 ), the secondary unit ( 120 ), - a device ( 110 . 120 ) according to one of claims 1 to 9, wherein the device ( 111 . 120 ) is arranged to generate an alternating current in response to an electromagnetic charging field; and A rectifier ( 101 ), which is set up, based on the alternating current, a rectified charging current for charging the energy store ( 103 ) to generate.Verfahren zur Steuerung des induktiven Ladens eines elektrischen Energiespeichers (103) eines Fahrzeugs (100), wobei das Verfahren umfasst, – Ermitteln einer Ziel-Ladefeld-Frequenz für ein elektromagnetisches Ladefeld zur induktiven Energieübertragung von einer Primärspule (111) einer Primäreinheit (110) auf eine Sekundärspule (121) des Fahrzeugs (100); – Ermitteln einer Ist-Resonanzfrequenz eines Primärschwingkreises der Primäreinheit (110), wobei der Primärschwingkreis eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Primärkondensator (212) und der Primärspule (111) umfasst; wobei die Primärspule (111) eingerichtet ist, durch einen Wechselstrom das elektromagnetische Ladefeld zu generieren; wobei der einstellbare Primärkondensator (212) eine Kapazität aufweist, die verändert werden kann; und wobei eine Induktivität der Primärspule (111) von einer relativen Anordnung der Primärspule (111) zu der Sekundärspule (121) abhängt; – Anpassen der Kapazität des einstellbaren Primärkondensators (212) derart, dass eine Abweichung zwischen der Ist-Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises und der Ziel-Ladefeld-Frequenz reduziert wird; und – Generieren eines Wechselstroms zur Generierung des elektromagnetischen Ladefelds, wobei der Wechselstrom die angepasste Ist-Resonanzfrequenz, die Ziel-Ladefeld-Frequenz und/oder eine dazwischen liegende Frequenz aufweist.Method for controlling the inductive charging of an electrical energy store ( 103 ) of a vehicle ( 100 ), the method comprising, determining a target charging field frequency for an electromagnetic charging field for inductive energy transmission from a primary coil ( 111 ) of a primary unit ( 110 ) to a secondary coil ( 121 ) of the vehicle ( 100 ); Determining an actual resonant frequency of a primary resonant circuit of the primary unit ( 110 ), wherein the primary resonant circuit is a series circuit of an adjustable primary capacitor ( 212 ) and the primary coil ( 111 ); the primary coil ( 111 ) is arranged to generate the electromagnetic charging field by an alternating current; wherein the adjustable primary capacitor ( 212 ) has a capacity that can be changed; and wherein an inductance of the primary coil ( 111 ) of a relative arrangement of the primary coil ( 111 ) to the secondary coil ( 121 ) depends; - adjusting the capacity of the adjustable primary capacitor ( 212 ) such that a deviation between the actual resonant frequency of the primary resonant circuit and the target charging field frequency is reduced; and - generating an alternating current for generating the electromagnetic charging field, wherein the alternating current has the adjusted actual resonance frequency, the target charging field frequency and / or an intermediate frequency.

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