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Title:
ENERGY TRANSFER SYSTEM AND METHOD FOR THE WIRELESS TRANSFER OF ENERGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/211400
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an energy transfer system for the wireless transfer of energy, having a transmission unit and a reception unit separate therefrom, wherein the transmission unit has a primary coil that is able to be supplied with a supply voltage, and wherein the reception unit has a secondary coil to which an energy sink is connected via a rectifier, wherein the reception unit is configured so as to detect a fault case in an energy flow from the secondary coil to the energy sink and, in the fault case, to execute a fault mode (F) having at least one operating parameter (Iout) of the reception unit that is preferably in a region outside the predefined specification (B), and in that the transmission unit is configured so as to detect the fault mode (F) of the reception unit and to perform a fault response (N) in response.

Inventors:
VASCONCELOS ARAUJO, Samuel (Katharinenstrasse 4, Esslingen, 73728, DE)
JIPTNER, Michael (Rieslingweg 5, Besigheim, 74354, DE)
Application Number:
EP2019/061294
Publication Date:
November 07, 2019
Filing Date:
May 02, 2019
Export Citation:
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Assignee:
KARDION GMBH (Quellenstraße 7, Stuttgart, 70376, DE)
International Classes:
H02J50/12; A61N1/05; H02J7/02; H02J7/04; H02J50/10; H02J50/80; H04B5/00; H02J7/00
Foreign References:
EP2782210A12014-09-24
EP3220505A12017-09-20
EP2966753A12016-01-13
US20160331980A12016-11-17
EP0930086A11999-07-21
EP0930086A11999-07-21
US20130260676A12013-10-03
US20170093218A12017-03-30
US20160254659A12016-09-01
Attorney, Agent or Firm:
PFIZ, Thomas et al. (Tübinger Str. 26, Stuttgart, 70178, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Energieübertragungssystem (300) zur drahtlosen Energieübertra- gung mit einer Sendeeinheit (100) und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangseinheit (100),

wobei die Sendeinheit (100) eine primäre Spule (Li) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist, und wobei die Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2) auf- weist, an die über einen Gleichrichter (210) eine Energiesenke (220) angebunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der se- kundären Spule (L2) zur Energiesenke (220) zu erkennen und, wenn ein Fehlerfall erkannt wurde, einen Fehlerbetrieb (F) mit we- nigstens einem Betriebsparameter ( t) der Empfangseinheit

(200) durchzuführen, und

dass die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbe- trieb (F) der Empfangseinheit (200) zu erkennen, und, wenn der Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) erkannt wurde, eine Fehlerreaktion (N) vorzunehmen.

2. Energieübertragungssystem (300) nach Anspruch 1 , wobei die

Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, eine Notabschaltung ei- ner Energieübertragung an die Empfangseinheit (200) als die Fehlerreaktion (N) vorzunehmen.

3. Energieübertragungssystem (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) anhand einer Eingangsleistung der pri- mären Spule (Li) und/oder einer Eingangsleistung der Sendeein- heit (100) zu erkennen. Energieübertragungssystem (300) nach Anspruch 3, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) anhand eines Vergleichs (V) der Eingangs- leistung der primären Spule (Li) und/oder der Eingangsleistung der Sendeeinheit (100) mit einer Ausgangsleistung und/oder ei- nem vorgegebenen Schwell wert zu erkennen.

Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) durch eine Plau- sibilitätsprüfung eines Systemzustandes zu erkennen.

Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeeinheit (100) dazu eingerichtet ist, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erken- nung des Fehlerbetriebs (F) vorzunehmen.

Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, eine Spannung an der Energiesenke (220) oder an einem über den Gleichrichter (210) an die sekundäre Spule (L2) angebunde- nen Zwischenkreiskondensator (Cz) zu erfassen, und den Fehler- fall anhand eines Überschreitens eines Schwellwerts (Us) der er- fassten Spannung zu erkennen.

Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) durch eine Erhöhung einer Ausgangsleis- tung der Empfangseinheit (200) und/oder eines Ladestroms ( t) für die Energiesenke (220) als den wenigstens einen Betriebspa- rameter durchzuführen.

9. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden

Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, den Fehlerbetrieb (F) mit wenigstens einem Betriebsparameter (lout) der Empfangseinheit (200) in einem Bereich außerhalb vor- gegebener Spezifikation (B) durchzuführen.

10. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden

Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu eingerichtet ist, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erken- nung des Fehlerfalls vorzunehmen.

11. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden

Ansprüche, wobei die Energiesenke durch einen Verbraucher und/oder einen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumula- tor gebildet ist.

12. Energieübertragungssystem (300) nach einem der vorstehenden

Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (200) dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Flaut (310) in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet zu werden, und/oder wobei die Sendeeinheit

(100) dazu ausgebildet ist, auf einer Flaut (310) außerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden.

13. Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeein- heit (100) und einer von der Sendeinheit getrennten Empfangsein- heit (200), welche Sendeinheit (100) eine primäre Spule (Li) auf- weist, die mit einer Versorgungsspannung (Uv) versorgbar ist, und welche Empfangseinheit (200) eine sekundäre Spule (L2) auf- weist, an die über einen Gleichrichter (210) eine Energiesenke (220) angebunden ist,

wobei in der Empfangseinheit (200) auf einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule (L2) zur Energiesenke (220) überwacht wird, und, wenn ein Fehlerfall erkannt wird, ein Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) mit wenigstens einem Betriebsparameter ( t) der Empfangseinheit (200) durchgeführt wird, und

wobei in der Sendeeinheit (100) eine Überwachung auf den Feh- lerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) vorgenommen wird, und, wenn in der Sendeeinheit (100) der Fehlebetrieb (F) erkannt wird, eine Fehlerreaktion (N) durch die Sendeinheit (100) vorgenom- men wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) mit wenigstens einem Betriebsparameter (lout) der Empfangseinheit (200) außerhalb eines vorgegebenen Spezifikationsbereichs (B) des betreffenden Betriebsparameters durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Fehlerbetrieb (F) der Empfangseinheit (200) durch Detektion einer erhöhten Ein- gangsleistung in der Sendeeinheit (100) erkannt wird.

16. Computerprogramm, das ein Energieübertragungssystem (300) mit einer Sendeinheit (100) und einer Empfangseinheit (200) dazu veranlasst, ein Verfahren nach Anspruch 13 bis 15 durchzuführen, wenn es auf dem Energieübertragungssystem (300) ausgeführt wird.

17. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespei- cherten Computerprogramm nach Anspruch 16.

Description:
Energieübertragungssystem und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem mit ei- ner Sendeeinheit und einer Empfangseinheit zur drahtlosen Energie- Übertragung, ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung sowie ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Zur Energieversorgung von Verbrauchern und insbesondere zum Laden von Energiespeichern kann eine drahtlose, insbesondere induktive Ener- gieübertragung verwendet werden. Bei dieser Art der Energieübertra- gung kann in einer Sendeeinheit mit einer primären Spule ein magneti- sches Feld erzeugt werden, das in einer Empfangseinheit mit einer se- kundären Spule eine Spannung und damit einen Stromfluss induziert.

Diese Art der Energieübertragung kann insbesondere bei der sog. trans- kutanen Energieübertragung, bei der die Empfangseinheit unter der Haut in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet bzw. implan- tiert ist, verwendet werden Eine solche transkutane Energieübertragung ist beispielsweise bei Kreislauf- oder Herzunterstützungssystemen (sog. VAD-Systemen, von engl. „Ventricular Assist Device“) vorteilhaft, da dann keine dauerhafte Wunde in der Haut vorhanden ist, durch welche ein Kabel geführt ist.

Ein entscheidender Punkt ist bei dieser transkutanen Energieübertra- gung, dass etwaige kritische Zustände bzw. Fehler im System, insbeson- dere bei der im Körper angeordneten bzw. implantierten Empfangsein- heit erkannt werden, sodass eine entsprechende Fehlerreaktion einge- leitet werden kann. Zudem sollen solche Konzepte zur Fehlererkennung und Fehlerreaktion möglichst sicher gegenüber Manipulationen bzw. An- griffen von außen sein. Dies hat nicht zuletzt mit hohen Zulassungsstan- dards bei medizintechnischen Produkten zu tun. Außerdem müssen et- waige zeitkritische Fehlerfälle in der Regel innerhalb einer möglichst kur- zen Reaktionszeit behandelt werden können.

Da es bei solcher drahtloser Energieübertragung keine Kabelverbindung gibt, steht ein direkter Kommunikationspfad zur Fehlererkennung bzw. Fehlerreaktion nicht zur Verfügung. Daher ist es üblich, eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen den beiden Teilsystemen Sende- einheit und Empfangseinheit zu realisieren. Insbesondere bei dem An- wendungsfall der transkutanen Energieübertragung stoßen Konzepte wie Infrarot-Kommunikation oder klassische Ansätze durch Funktechnik, wie sie beispielsweise in der EP 0 930 086 A1 beschrieben sind (Stich- wort: Schirmung, Angreifbarkeit), oft an ihre Grenzen.

Bekannt ist auch, die Kommunikation durch eine Aufmodulierung eines Datensignals auf die Energieübertragungsstrecke zu realisieren, wie dies beispielsweise in der US 2013/0260676 A1 beschrieben wird. In der US 2017/0093218 A1 wird eine Modulationsstrategie durch die Variation der Schaltzeitpunkte des synchronen Gleichrichters vorgeschlagen. Diese Kommunikationsstrategien eignen sich auch zur Absetzung von Fehler- meldungen, bringen aber durch protokollspezifischen Overhead Verzö- gerungen mit sich, die gerade bei besonders zeitkritischen Fehlerfällen wie beispielsweise Überspannung problematisch sein können.

Bei zeitkritischen Fehlerfällen wird deshalb oftmals auf Flardware- Schutzeinrichtungen zurückgegriffen, die durch Zuschaltung einer weite- ren Flardware-Einheit Fehlerfälle abfangen können, wie dies beispiels weise in der US 2016/0254659 A1 vorgeschlagen wird. Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Systeme und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung weiter zu verbessern und zeitkritische Fehlerfälle möglichst ohne aufwändige Hardware schnell zu erkennen und geeig- nete Gegenmaßnahmen zu treffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Energieübertragungssystem und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung sowie ein Computerpro- gramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei- terbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfol- genden Beschreibung.

Die Erfindung geht aus von einem Energieübertragungssystem zur draht- losen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer von der Sen- deinheit getrennten Empfangseinheit. Die Sendeinheit weist dabei eine primäre Spule auf, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist. Hierzu ist in der Regel auch ein Wechselrichter, beispielsweise mit ge- eigneten Halbleiterschaltern, vorgesehen, um mit einer als Gleichspan- nung vorliegenden Versorgungsspannung eine Oszillation der Spannung in der primären Spule zu erzeugen. Damit kann mittels der Sendeeinheit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.

Die Empfangseinheit weist entsprechend eine sekundäre Spule auf, an die über einen Gleichrichter eine Energiesenke, wie z. B. ein Energie- speicher und/oder Verbraucher, und insbesondere auch ein Zwischen- kreiskondensator bzw. allgemein eine Zwischenkreiskapazität angebun- den sind. Bei dem Gleichrichter kann es sich insbesondere um einen passiven Gleichrichter mit geeigneten Dioden handeln. Vorteilhaft ist je- doch auch ein aktiver Gleichrichter mit beispielsweise geeigneten Halb- leiterschaltern. Der Zwischenkreiskondensator, der im Falle der Energieübertragung geladen wird, dient insbesondere zum Glätten der in der sekundären Spule induzierten und dann gleichgerichteten Wechsel- spannung. Bei dieser Art der drahtlosen Energieübertragung handelt sich damit, wie eingangs schon erwähnt, um eine induktive Energieübertra- gung.

Ein Energiespeicher als Energiesenke, beispielsweise ein Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie, der an den Gleichrichter angebunden ist, kann oder soll dabei - mittels der drahtlosen bzw. induktiven Energie- Übertragung - geladen werden. Hierzu ist vorzugsweise eine geeignete Schaltung wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller vorgesehen, um an den Energiespeicher eine geeignete Spannung anzulegen und einen geeig- neten Stromfluss bereitzustellen.

Zusätzlich oder alternativ kann an den Gleichrichter beispielsweise auch ein Verbraucher als Energiesenke angebunden sein, der - mit der in dem Zwischenkreis bzw. an dem Zwischenkreiskondensator anliegenden Zwischenkreisspannung - mit Spannung und damit mit Energie versorgt wird.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Empfangseinheit dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundä- ren Spule zur Energiesenke zu erkennen und, wenn ein Fehlerfall er- kannt wurde, einen Fehlerbetrieb mit wenigstens einem Betriebsparame- ter der Empfangseinheit vorzugsweise in einem Bereich außerhalb vor- gegebener Spezifikation durchzuführen. Weiterhin ist die Sendeeinheit dazu eingerichtet, den Fehlerbetrieb der Empfangseinheit zu erkennen, insbesondere durch eine Plausibilitätsprüfung eines Systemzustandes, und, wenn der Fehlerbetrieb der Empfangseinheit erkannt wurde, eine Fehlerreaktion vorzunehmen. Die Sendeeinheit ist hierzu insbesondere dazu eingerichtet, eine konti- nuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerbe- triebs vorzunehmen. Bei der erwähnten Fehlerreaktion kann es sich ins- besondere um eine Notabschaltung handeln, bei der die Energieübertra- gung beispielsweise gezielt und schnell abgeschaltet bzw. beendet wird, was entsprechend mit einer Beendigung der Energiezufuhr in der Emp- fangseinheit einhergeht.

Die Empfangseinheit kann hierzu neben der Energiesenke eine geeig- nete Sensorik bzw. Mittel zur Regelung des Leistungsflusses bzw. des Energieflusses von der sekundären Spule zur Energiesenke aufweisen. Beispielsweise kann hierbei ein Spannungssensor bzw. eine Span- nungsmesseinrichtung zur Erkennung einer Überspannung in der Emp- fangseinheit vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist die Empfangsein- heit bevorzugt dazu eingerichtet, eine Spannung an der Energiesenke oder direkt an einem Zwischenkreis nach dem Gleichrichter (die Span- nung am Zwischenkreis nach dem Gleichrichter kann sich von der Span- nung direkt an der Energiesenke unterscheiden) zu erfassen und den Fehlerfall anhand eines Überschreitens eines Schwellwerts der erfassten Spannung zu erkennen. Insbesondere ist die Empfangseinheit auch dazu eingerichtet, eine kontinuierliche oder wiederholte Überwachung zur Erkennung des Fehlerfalls vorzunehmen. Eine Messung der Span- nung direkt am Zwischenkreis bzw. dort an einem Zwischenkreiskonden- sator nach dem Gleichrichter ist dabei besonders vorteilhaft.

Wird ein Fehlerfall, also beispielsweise eine Überspannung, erkannt, wird der erwähnte Fehlerbetrieb durchgeführt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Verstellung eines Arbeitspunktes des Systems, also der Empfangseinheit, und zwar derart, dass sich das System außer- halb des Spezifikationsbereiches befindet. Bei einem solchen Spezifika- tionsbereich handelt es sich insbesondere um einen vorgegebenen oder bestimmten Bereich für Betriebsparameter wie Spannung und Strom in der Empfangseinheit, innerhalb dessen ein ordnungsgemäßer Betrieb der Empfangseinheit gewährleistet werden kann oder zumindest vorge- sehen ist.

Die Durchführung des Fehlerbetriebs kann beispielsweise durch eine, insbesondere kurzzeitige, Erhöhung einer aktuellen Leistung über die maximal spezifizierte bzw. innerhalb der vorgegebenen Spezifikation lie- gende Leistung erfolgen. Beispielsweise ist die Empfangseinheit dazu eingerichtet, den Fehlerbetrieb durch eine Erhöhung einer Ausgangsleis- tung der Empfangseinheit und/oder eines Ausgangsstroms für die Ener- giesenke als den wenigstens einen Betriebsparameter einzustellen. Ins- besondere wird der Ladestrom für eine als Batterie ausgebildete Ener- giesenke erhöht. Durch eine solche kurzzeitige erhöhte Leistung müsste die Batterie eigentlich kurzzeitig mit einer höheren Rate geladen werden. Unter der Annahme, dass etwaige Kapazitäten in der Empfangseinheit im Verhältnis zum Leistungs- bzw. Energiefluss klein sind, kann die Än- derung im Arbeitspunkt in der Sendeeinheit sehr schnell detektiert bzw. erkannt werden.

Durch geeignete Mittel in der Sendeeinheit bzw. eine entsprechende Sensorik zur Erfassung des Systemzustandes, d. h. des Zustandes der Sendeeinheit, beispielsweise zur Erfassung bzw. Messung einer Ein- gangsleistung der primären Spule kann insbesondere anhand einer Plau- sibilitätsprüfung der Fehlerfall sehr schnell erkannt werden. Der in der Empfangseinheit durchgeführte bzw. vorgenommene Fehlerbetrieb, z. B. durch eine Erhöhung des Ladestromes und damit der Ausgangsleistung der Empfangseinheit, ist in der Sendeeinheit z. B. ebenfalls durch einen erhöhten Leistungsbedarf außerhalb des Spezifikationsbereichs am Ein- gang der Sendeeinheit ersichtlich, da der Leistungsfluss von Sende- zu Empfangseinheit stattfindet. Der erhöhte Leistungsbedarf ist beispielsweise durch eine entsprechende Sensorik zur Messung der Ein- gangsleistung der Sendeeinheit z. B. durch eine Messung der Versor- gungsspannung und des Stromes der Sendeeinheit innerhalb derselben detektierbar, wodurch auf einen Fehlerfall geschlossen werden kann. Je nach gewählter Topologie beinhalten einzelne Zustände in der Sende- einheit mehr oder weniger Informationen über den aktuellen Betriebszu- stand der Empfangseinheit und eignen sich damit mehr oder weniger gut zur Detektion des in der Empfangseinheit provozierten Fehlerbetriebs. So würde für die nachfolgend noch näher beschriebene Ausführungs- form im Falle einer konstanten Versorgungsspannung der Sendeeinheit eine Messung des Eingangsstromes der Sendeeinheit zur Erfassung der benötigten Eingangsleistung ausreichen.

Eine solche Plausibilitätsprüfung kann insbesondere online bzw. in Echt- zeit erfolgen. So können unterschiedliche Fehlerfälle definierten System- zuständen zugeordnet werden, die im Normalbetrieb nicht auftreten. Das System wird bewusst beim Auftreten des Fehlerfalls in den definierten, im Normalbetrieb nicht auftretenden, Systemzustand gezwungen, um be- stimmte Fehlerfälle von der Empfangseinheit an die Sendeeinheit zu kommunizieren. Dabei ist zu beachten, dass unterschiedliche Systeme auch unterschiedliche Freiheitsgrade (z. B. die Möglichkeit, die Aus- gangsleistung kurzzeitig zu erhöhen) ermöglichen.

Aufgrund der indirekten Kommunikation über den Systemzustand bzw. den Leistungs- oder Energiefluss ist das vorgeschlagene Konzept für ex- terne Angreifer schwierig zu stören. Es wäre eine große Menge an Ener- gie nötig, um auf das System, insbesondere die Empfangseinheit, signi- fikant einwirken zu können. Klassische Störsender können hier nicht zum Einsatz kommen. Zudem ist eine Erfassung des Systemzustandes deut- lich dynamischer als eine klassische Modulation des Leistungsflusses (z. B. über Frequenzmodulation). Solche Verfahren eignen sich zwar zum Absetzen von Fehlermeldungen, wie eingangs erwähnt, basieren aber in aller Regel auf einem bestimmten Protokoll, bei dem häufig ein gewisser Overhead anfällt, was in zeitkritischen Situationen Probleme verursachen kann. Auch ist dort meist ein erheblicher Zusatzaufwand (z. B. mehr Entwicklungsaufwand, Einsatz eines Hardware-Modulators etc.) nötig. Im vorgeschlagenen Energieübertragungssystem hingegen ist keine zusätzliche Hardware erforderlich. Die Fehlererkennung kann bei einem geeigneten System durch lediglich eine Anpassung der Soft- ware realisiert werden.

Wenngleich das vorgestellte Energieübertragungssystem mit Sendein- heit und Empfangseinheit für beliebige Arten der drahtlosen bzw. induk- tiven Energieübertragung vorteilhaft ist, ist es dennoch besonders zweckmäßig, wenn die Empfangseinheit dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Haut in einem menschlichen oder tierischen Körper angeordnet, insbesondere implantiert, zu werden, und/oder wenn die Sendeeinheit dazu ausgebildet ist, auf einer Haut außerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers angeordnet zu werden. Damit dient das Energieüber- tragungssystem der eingangs erwähnten transkutanen Energieübertra- gung. Hier kommen die erwähnten Vorteile besonders deutlich zur Gel- tung, da - wie erwähnt - eine besonders manipulationssichere bzw. ge- gen Angriffe von außen geschützte Energieübertragung gewünscht bzw. gefordert ist.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung mit einer Sendeeinheit und einer von der Sendein- heit getrennten Empfangseinheit, welche Sendeinheit eine primäre Spule aufweist, die mit einer Versorgungsspannung versorgbar ist, und welche Empfangseinheit eine sekundäre Spule aufweist, an die über einen Gleichrichter eine Energiesenke angebunden ist. Dabei wird in der Emp- fangseinheit auf einen Fehlerfall in einem Energiefluss von der sekundären Spule zur Energiesenke überwacht, und, wenn ein Fehlerfall erkannt wird, wird ein Fehlerbetrieb der Empfangseinheit mit wenigstens einem Betriebsparameter der Empfangseinheit vorzugsweise in einem Bereich außerhalb vorgegebener Betriebsspezifikation durchgeführt, so- dass der Fehlerbetrieb eindeutig vom Normalbetrieb unterscheidbar ist. In der Sendeeinheit wird eine Überwachung auf den Fehlerbetrieb der Empfangseinheit vorgenommen, und, wenn in der Sendeeinheit der Feh- lebetrieb erkannt wird, wird eine Fehlerreaktion durch die Sendeinheit vorgenommen.

Vorteilhafterweise wird der Fehlerbetrieb der Empfangseinheit durch eine erhöhte Eingangsleistung in der Sendeeinheit erkannt.

Hinsichtlich der Vorteile sowie weiterer Ausgestaltungen des Verfahrens wird auf obige Ausführungen zum erfindungsgemäßen Energieübertra- gungssystem verwiesen, die hier entsprechend gelten.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerpro- gramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, ins- besondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufga- ben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträ- ger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere mag- netische, optische und elektrische Speicher, wie z. B. Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Pro- gramms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertra- gungssystem in einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt einen Verlauf von Zwischenkreisspannung und Aus- gangsstrom bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Ener- gieübertragungssystems in einer bevorzugten Ausführungs- form.

Fig. 3 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in ei- ner bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Energieübertragungs- system 300 zur drahtlosen Energieübertragung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Energieübertragungssystem weist hierbei eine Sendeeinheit 100 und eine davon getrennte Empfangsein- heit 200 auf, jeweils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er- findung.

Die Sendeeinheit 100 weist eine primäre Spule Li auf, an die über einen Wechselrichter 110, der vier mit Si bis S 4 bezeichnete Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs oder Bipolartransistoren, aufweist, eine Ver- sorgungsspannung Uv anlegbar ist. Zudem sind ein Vorfilter 120 mit nicht näher bezeichneten Komponenten sowie eine Kompensationskapazität zwischen den Wechselrichter 110 und die primäre Spule Li geschaltet. Die Kompensationskapazität dient bei resonanter Ansteuerung (Ansteu- erung mit der Auslegungsfrequenz) als Blindleistungskompensation. Bei angelegter Versorgungsspannung Uv und geeigneter Ansteuerung des Wechselrichters 1 10 kann also mittels der Spule Li ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.

Eine Recheneinheit 140 ist in die Sendeeinheit 100 integriert.

Die Empfangseinheit 200 weist eine sekundäre Spule l_2 auf, an die über eine Kompensationskapazität und einen Gleichrichter 210 ein Zwischen- kreiskondensator Cz angebunden ist. An den Zwischenkreiskondensator Cz wiederum ist mittels zweier Halbleitschalter Ss und S6, die beispiels- weise als MOSFETs oder Bipolartransistoren ausgebildet sein können und zusammen mit einer Induktivität und einer Kapazität insbesondere als Tiefsetzsteller dienen, eine Energiespeichereinheit 220 als Energie- senke angebunden. Ein Verbraucher kann beispielsweise über die ange- deuteten Anschlüsse angebunden sein.

Der Gleichrichter 210 ist als passiver Gleichrichter mit vier nicht näher bezeichneten Dioden ausgebildet. Vorteilhaft ist aber auch die Verwen- dung eines aktiven Gleichrichters mit beispielsweise Halbleiterschaltern. Bei der Energiespeichereinheit 220 kann es sich insbesondere um einen Akkumulator bzw. eine aufladbare Batterie handeln.

Die Empfangseinheit 200 kann nun insbesondere dazu ausgebildet sein, unter einer Haut, die hier mit 310 angedeutet ist, angeordnet bzw. im- plantiert zu sein, und beispielsweise für ein Kreislauf- oder Herzunterstüt- zungssystem verwendet werden. Insbesondere kann die Energiespei- chereinheit 220 zur Energieversorgung eines solchen Kreislauf- oder Herzunterstützungssystems verwendet werden.

Bei entsprechend außerhalb bzw. auf der Haut 310 positionierter Sende- einheit 100 wird - bei entsprechender Positionierung - eine Kopplung zwischen der primären Spule Li der Sendeeinheit 100 und der sekundä- ren Spule l_2 der Empfangseinheit 200 erreicht. Diese Kopplung ist mit einem Kopplungsfaktor K bezeichnet.

Wird nun die Sendeinheit 100 derart angesteuert bzw. betrieben, dass mittels der primären Spule Li ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wird durch die Kopplung eine Spannung bzw. ein Stromfluss in der sekundären Spule l_2 induziert. Dies wiederum führt dazu, dass der Zwi- schenkreiskondensator Cz geladen wird, sodass dort eine Spannung Uz anliegt.

Die Versorgungsspannung Uv (auch als Eingangsspannung bezeichnet) an der primären Spule Li kann dabei durch Phasenverschiebung bzw. Phasenanschnitt beliebig eingestellt werden, d. h. die Versorgungsspan- nung kann angepasst werden.

An dem Energiespeicher kann - unter der Verwendung des erwähnten Tiefsetzstellers - eine Ausgangsspannung U out mit einem Ausgangs- strom lout eingestellt werden. Der Ausgangsstrom t entspricht damit ei- nem Ladestrom für den Energiespeicher.

Bei dem gezeigten Energieübertragungssystem 300 kann ein stationärer Zusammenhang für die Zwischenkreisspannung Uz in Abhängigkeit von verschiedenen, bereits erwähnten Größen, im Falle der gewählten Topo- logie (parallele Kompensation in der Sendeeinheit und serielle Kompen- sation in der Empfangseinheit), wie folgt dargestellt werden: Dabei gibt A einen ermittelbaren bzw. vorgebbaren Auslegungsparame- ter des Vorfilters bzw. Spannungsteilers 120 in der Sendeeinheit 100 an. Hierbei wird ersichtlich, dass der Kopplungsfaktor K linear in eine statio- näre Übertragungsfunktion eingeht. Die Zwischenkreisspannung Uz ist also stark von der relativen Positionierung von Sendeinheit 100 und Empfangseinheit 200 bzw. deren Spulen Li und l_2 zueinander abhängig.

Der Kopplungsfaktor K kann im Falle der transkutanen Energieübertra- gung teils bis zu einem Faktor von zehn variieren (beispielsweise durch Verrutschten des extrakorporalen Systems, d. h. der Sendeeinheit, durch einen Sturz, durch starken Druck durch fehlerhafte Positionierung im Schlaf). Das intrakorporale System, d. h. die Sendeeinheit, auf einen der- art weiten Spannungsbereich auszulegen, würde in großem Zusatzauf- wand und erhöhten Verlusten resultieren.

Deswegen wird eine kritische Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz detektiert und die Versorgungsspannung Uv entsprechend angepasst. Da die Versorgungsspannung Uv jedoch extrakorporal in aller Regel durch Phasenverschiebung bzw. Phasenanschnitt eingestellt wird, kann eine kritische Erhöhung der intrakorporalen Spannung bzw. der Zwi- schenkreisspannung Uz auf der extrakorporalen Seite nicht unmittelbar detektiert werden.

Im Rahmen der Erfindung wird daher eine unzulässige Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz auf der intrakorporalen Seite durch eine Spannungsmessung erkannt. Dies kann beispielsweise durch eine in die Empfangseinheit 200 integrierte Recheneinheit 240 mit nicht gezeigter Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Daraufhin wird der Arbeitspunkt aus dem Spezifikationsbereich geschoben, indem die Ausgangsleistung des Systems intrakorporal durch ein schnelles Hochregeln bzw. ein Er- höhen des Ladestromes für den Energiespeicher, d. h. des Ausgangsstroms t, erhöht wird. Dies kann durch eine entsprechende Ansteuerung des stromgeregelt betriebenen Tiefsetzstellers mittels der Rechen- bzw. Kontrolleinheit 240 erfolgen. Es wird also gezielt ein Feh- lerbetrieb eingestellt.

Auf der extrakorporalen Seite wird permanent eine online-Plausibilitäts- prüfung (d. h. in Echtzeit) durchgeführt, indem die Eingangsleistung der Sendeeinheit überwacht und gegebenenfalls mit einer wirkungsgrad- bereinigten Ausgangsleistung der Empfangseinheit verglichen wird. Da- bei ist es auch denkbar, dass intrakorporal ermittelte Werte der Aus- gangsleistung an die extrakorporale Recheneinheit 140 kommuniziert werden, ohne dass dies zeitkritisch wäre. Durch diese Plausibilitätsprü fung wird die Änderung im Systemzustand - also der Fehlerbetrieb - so- fort erkannt und es wird eine Notabschaltung als Fehlerreaktion eingelei- tet. Diese Erkennung des Fehlerbetriebs bzw. die Plausibilitätsprüfung kann beispielsweise durch die in die Sendeeinheit 100 integrierte Re- cheneinheit 140 erfolgen.

Die Schwelle der Eingangsleistung, bei der eine Notabschaltung durch- geführt wird, kann umso genauer gewählt werden, je mehr Informationen über den Systemzustand bekannt sind. So können beispielsweise der aktuelle Soll-Arbeitspunkt des Systems, der Wirkungsgrad sowie der Kopplungsfaktor in die Plausibilitätsprüfung mit einbezogen werden.

In Fig. 2 ist ein Verlauf von Zwischenkreisspannung und Ausgangsstrom bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssys- tems in einer bevorzugten Ausführungsform (bzw. bei Durchführung ei- nes entsprechenden Verfahrens) dargestellt. Flierzu sind ein Ausgangs- strom lout in A und eine Zwischenkreisspannung Uz in V, wie sie Bezug auf Fig. 1 erläutert wurden, über der Zeit t in s aufgetragen. Sobald die Zwischenkreisspannung Uz einen kritischen Wert, also einen Schwellwert, der hier mit Us bezeichnet ist, überschreitet (es gibt also bei einer Spannung in dem Energiefluss von der sekundären Spule zum Energiespeicher eine Überspannung), wird der Ausgangsstrom U t bei konstanter Ausgangsspannung an dem Energiespeicher erhöht, was eine Erhöhung der Ausgangsleistung über den spezifizierten bzw. gefor- derten Arbeitspunkt hinaus bedeutet. Es wird also gezielt ein Fehlerbe- trieb durchgeführt.

Diese Erhöhung der Ausgangsleistung wird extrakorporal, d. h. in der Sendeeinheit erkannt bzw. detektiert. Es ist ersichtlich, dass nach der Notabschaltung die Zwischenkreisspannung Uz absinkt. Der gesamte Ablauf von Überschreiten der kritischen Spannungsgrenze bzw. des Schwellwertes Us bis zum Absinken des Ausgangsstroms Ut dauert für das beschriebene Beispiel etwa 1 ,5 ms, kann aber z. B. durch eine Re- duzierung der systeminternen Energiespeicher oder Vergrößerung einer verfügbaren Stellreserve noch deutlich reduziert werden.

Insbesondere bei der in Fig. 1 gezeigten Energieübertragungsvorrich- tung 300 gibt es zudem weitere Vorteile. Ein Anstieg der Ausgangsleis- tung führt durch ohmsche Anteile in der Empfangseinheit 200 schon au- tomatisch zu einer Verringerung der Zwischenkreisspannung Uz, wie auch in Fig. 2 zu sehen ist. Somit sinkt die Zwischenkreisspannung Uz bereits ab, bevor die Energieübertragung durch die Sendeeinheit been- det wird.

Sollte der Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz eine kleinere Zeitkon- stante haben als die Reaktionszeit des Stromreglers für den Aus- gangstrom U t , erhöht sich allein durch das Systemverhalten des Tief- setzstellers der Ausgangsstrom Ut und somit die Ausgangsleistung. Auch dies führt zu einer Abschaltung durch die Sendeeinheit. In Fig. 3 sind schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfah- rens in einer bevorzugten Ausführungsform bzw. die in einem entspre- chenden Energieübertragungssystem ablaufenden Schritte von oben nach unten dargestellt.

Die Zwischenkreisspannung Uz wird überwacht. Sobald diese Zwischen- kreisspannung Uz den Schwellwert Us überschreitet, wird ein Fehlerbe- trieb F durchgeführt, und zwar indem der Ausgangsstrom bzw. Lade- ström t als Betriebsparameter der Empfangseinheit auf einen Wert aus einem Bereich außerhalb vorgegebener Spezifikation B eingestellt wird.

Dieser Fehlerbetrieb wird durch einen Vergleich V von Eingangs- und Ausgangsleistung und/oder durch einen Vergleich der Eingangsleistung mit einer spezifizierten maximalen Eingangsleistung als festem bzw. vor- gegebenem Schwellwert in der Sendeinheit erkannt und es wird eine No- tabschaltung N als Fehlerreaktion durchgeführt.