Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum zeitlichen Festlegen von Schaltvorgängen in einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung und eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung.

Stand der Technik

Bei der Anwendung von induktiven Ladevorgängen erfolgt die Übertragung von für das Laden einer Energiespeichereinheit notwendigen Energie über einen Luftspalt hinweg. Der Luftspalt ist hierbei Teil eines Transformators und insbesondere der Abstand zwischen der Primär- und Sekundärspule des

Transformators. Beim Laden von Elektrofahrzeugen kommt typischerweise ein Transformator mit großem Luftspalt zur Anwendung. Meist ist die Primärspule im Form einer auf dem Boden unter dem Elektrofahrzeug aufgelegten Platte ausgeführt oder in den Straßenboden integriert. Die Sekundärspule ist im

Unterboden des Elektrofahrzeugs angeordnet und bei der Ladeposition der Primärspule zugewandt. Durch ein Wechselfeld der Primärspule wird ein entsprechender Strom in der Sekundärspule induziert. Die übertragbare Leistung skaliert linear mit der Schaltfrequenz. Bedingt durch typischerweise angewandte Bauteile der Ansteuerungselektronik des Transformators, Verluste im

Übertragungspfad und durch gesetzliche Grenzwerte für elektromagnetische Felder, ist die Schaltfrequenz selbst begrenzt, tyischerweise liegt die

Schaltfrequenz im Frequenzbereich von 10 kHz bis 150 kHz.

Zum induktiven Laden wird auf der Sekundärseite üblicherweise ein Gleichrichter mit einem H-Brückenschalter verwendet. Für die zur Gleichrichtung notwendige Modulation von Schaltvorgängen am H-Brückenschalter wird typischerweise auf den Brückenstrom (Eingangsstrom an der H-Brücke) synchronisiert, wobei sich allerdings Verzerrungen des Brückenstroms gegenüber einem unmodulierten Betrieb der H-Brücke ergeben können. Durch diese Verzerrung kann es schwierig sein, solche Nulldurchgänge des Brückenstroms für die

Synchronisation der Schaltvorgänge des H- Brückenschalters zu bestimmen, welche einer zeitlichen Grundwelle des Systems des Transformators auf der Sekundärseite (verzerrt durch die Resonanztopologie der Bauelemente auf der

Sekundärseite) entsprechen. Zur korrekten zeitlichen Modulation des H- Brückenschalters ist eine geeignete Referenzgröße oder Zeitbasis nötig. Nach der Verzerrung des Brückenstroms ist typischerweise eine Rekonstruktion der Grundwelle nur noch mit aufwändigen Verfahren möglich.

Aus der DE 102013222227 AI ist eine Vorrichtung zur induktiven

Energieübertragung sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen

Vorrichtung bekannt. Mittels einer Steuerung kann die induktive

Energieübertragung zwischen einem Primärkreis und einem Sekundärkreis reguliert werden, wobei Messignale eines Wechselrichters und eines

Gleichrichters berücksichtigt werden können. Die Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung kann in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum zeitlichen Festlegen von Schaltvorgängen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur induktiven

Übertragung von Leistung nach Anspruch 12. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung eine genaue Zeitbasis einer

Grundwelle für die Modulation eines H- Brückenschalters auf der Sekundärseite eines Transformators einfach und genau zu generieren. Somit ist es möglich, mittels der Zeitbasis die Schaltvorgänge in einem H- Brückenschalter auch bei einem verzerrten Brückenstrom korrekt zu synchronisieren, wobei keine aufwändigen Verfahren zur Rekonstruktion der Zeitbasis nötig sind. Erfindungsgemäß wird an einem H-Brückenschalter auf der Sekundärseite eines Transformators in einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung in einem Verfahrensschritt Sl ein Brückenstrom und/oder eine Brückenspannung an einer H-Brücke des H- Brückenschalters bestimmt. Weiterhin wird in einem weiteren Verfahrensschritt S2 ein elektrischer Strom an einer Sekundärspule des

Transformators bestimmt, wobei die Sekundärspule über die H-Brücke mit dem H-Brückenschalter elektrisch verschaltet ist. In weiterer Folge wird in einem Verfahrensschritt S3 eine zeitliche Phasendifferenz zwischen einem zeitlichen Verlauf des Stroms an der Sekundärspule und einem zeitlichen Verlauf des Brückenstroms und/oder der Brückenspannung in einem Kalibrierungsmodus der

H-Brücke ermittelt. Des Weiteren werden in einem Verfahrensschritt S4 Ein- und/oder Ausschaltvorgänge an elektrischen Schaltern des H-Brückenschalters an der Sekundärseite durchgeführt, wobei ein jeweiliger Schaltvorgang zu einem zeitlich um die Phasendifferenz verschobenen Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Stroms an der Sekundärspule erfolgt.

Die Ermittlung der Phasendifferenz im Kalibrierungsmodus ergibt eine zeitliche Phasendifferenz vorteilhaft als konstante Größe. Wird der H-Brückenschalter und damit die elektrischen Schaltvorgänge durch ein externes Signal gesteuert (moduliert), kann der vorteilhaft stets sinusförmige Strom an der Sekundärspule

(durch einen Wechselstrom an der Primärspule) als zeitliche Referenz (Zeitbasis) für diese Schaltvorgänge dienen, um diese zeitlich korrekt mit der Zeitbasis zu synchronisieren, unabhängig von nicht vorhersehbaren Phasenverschiebungen des Brückenstroms im modulierten Modus. Der Kalibrierungsmodus entspricht einem Betriebsmodus des H-Brückenschalters auf der Sekundärseite, in welchem die elektrischen Schalter vorteilhaft nicht aktiv moduliert werden und die Topologie von Bauelementen auf der Sekundärseite nur angeregt durch das an der Sekundärspule induzierte, vorteilhaft sinusförmige, Signal schwingt. Hierbei wird durch die Phasendifferenz zwischen dem Strom an der Sekundärspule und dem Brückenstrom und/oder der Brückenspannung vorteilhaft die

Grundschwingung der Resonanztopologie der Bauelemente auf der

Sekundärseite berücksichtigt (Verzerrung auch durch Bauteiltoleranzen,

Temperaturabhängigkeit oder Alter der Bauteile). Mit anderen Worten dient zur Synchronisation der Schaltvorgänge lediglich der Strom an der Sekundärspule, wobei in einem modulierten Betriebsmodus ein Schaltvorgang zeitlich um die konstante Phasendifferenz nach einem Nulldurchgang des Stroms an der Sekundärspule erfolgt. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine einfach zu bestimmende und korrekte Zeitbasis für die Synchronisation der Schaltvorgänge am H-Brückenschalter an der Sekundärseite erlangt, welche unabhängig von einem verzerrten Brückenstrom und etwaigen Verstimmungen der

Resonanztopologie auf der Sekundärseite ist. Die somit erhaltenen Zeitbasis kann vorteilhaft auch für beidseitige Regelungen oder Synchronisationen der Primärseite und der Sekundärseite dienen. Die genannten Verfahrensschritte Sl bis S4 werden vorzugsweise in der genannten Reihenfolge Sl, S2, S3, S4 durchgeführt. Vorteilhaft erfolgen die Verfahrensschritte Sl, S2 und S3 im Kalibrierungsmodus und danach die Verfahrensschritte S2 und S4 im

modulierten Modus.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S3 die Phasendifferenz zwischen einem Nulldurchgang des zeitlichen Verlaufs des Stroms an der Sekundärspule und einem Nulldurchgang des zeitlichen

Verlaufs des Brückenstroms ermittelt. Der Nulldurchgang kann vorteilhaft eineindeutig detektiert werden und eignet sich vorteilhaft gut als zeitlicher Referenzpunkt und als Ereignis, bei welchem ein Schaltvorgang durchgeführt werden kann. Mittels einer zeitlichen Messung kann die Phasendifferenz ermittelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S3 die Phasendifferenz zwischen einem Nulldurchgang des zeitlichen Verlaufs des Stroms an der Sekundärspule und einem Nulldurchgang einer Flanke im zeitlichen Verlauf der Brückenspannung ermittelt. Eine Messung der Flanke, beispielsweise eines stufenartigen Anstiegs oder Abfalls der Brückenspannung, ergibt im Kalibrierungsmodus vorteilhaft einen Nulldurchgang, der zeitlich dem Nulldurchgang des Brückenstroms im Kalibrierungsmodus entspricht. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens entspricht der

Kalibrierungsmodus der H-Brücke einem Betrieb der H-Brücke an der

Sekundärseite, bei welchem die elektrischen Schalter der H-Brücke an der Sekundärseite nicht aktiv moduliert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgen im

Verfahrensschritt S4 die Ein- und/oder Ausschaltvorgänge durch ein

Modulationssignal so, dass der H-Brückenschalter an der Sekundärseite als Gleichrichter wirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst der H- Brückenschalter an der Sekundärseite, als elektrische Schalter, Transistoren, welche mit einem gepulstem Modulationssignal im Nullstrom- oder

Nullspannungsmodus oder im Phasenschiebeverfahren (Phase-Shift-Verfahren) betrieben werden. Die Transistoren können zueinander in Phase verschoben geschaltet werden (Phase-Shift-Verfahren). Vorteillhaft ist somit ein Betrieb mit vergleichsweise niedrigen Spannungen möglich. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Betrieb im Nullstrom- oder Nullspannungsmodus erfolgen, wobei ein Schaltvorgang bei einem Nulldurchgang des Stroms oder der Spannung des Modulationssignals erfolgt. Hierbei werden vorteilhaft bei hohen Leistungen auftretende Induktionsspitzen vermieden und eine sichere Schaltung bei hohen Leistungen ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst der H- Brückenschalter an der Sekundärseite eine LCCL-Topologie. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um jeweils zumindest eine Spule, insbesondere um die

Sekundärspule, einen Kondensator, einen Kondensator und eine Spule, wobei die LCCL-Topologie vorteilhaft über die Brücke mit dem H-Brückenschalter verschaltet ist. Alternativ zur LCCL-Topologie kann der H-Brückenschalter auch in anderen Topologien von Bauteilen verschaltet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung für induktive Ladevorgänge einer

Energiespeichereinheit an der Sekundärseite genutzt. Dies ist vorteilhaft bei Batterien für Elektrofahrzeuge oder elektronischer Geräte anwendbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst die Primärseite einen H-Brückenschalter als Wechselrichter mit elektrischen Schaltern, welche mit einem gepulstem Modulationssignal im Nullstrom- oder Nullspannungsmodus oder im Phasenschiebeverfahren (Phase-Shift-Verfahren) betrieben werden. Die

Primärseite (Wechselrichter) und die Sekundärseite (Gleichrichter) können vorteilhaft durch Modulationssignale beidseitig geregelt werden und jeweils im

Nullstrom- (oder Nullspannungsmodus) und/oder im Phasenschiebeverfahren betrieben werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt

52 der elektrische Strom an der Sekundärspule über ein Zeitintervall mittels

eines Sensors gemessen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt

53 die Phasendifferenz mittels einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere eines Rechners oder einer Steuereinheit, bestimmt.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung einen Transformator mit einer Primärseite mit einer Primärspule und einer

Sekundärseite mit einer Sekundärspule, wobei die Primärseite dazu eingerichtet ist, an der Primärspule einen Wechselstrom bereitzustellen und einen H-Brückenschalter an der Sekundärseite mit elektrischen Schaltern und einer H-Brücke, wobei die

Sekundärspule über die H-Brücke mit dem H-Brückenschalter elektrisch verschaltet ist, und eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist die Verfahrensschritte Sl bis S4 durchzuführen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundärspule über eine

LCCL-Topologie mit der H-Brücke des H- Brückenschalters an der Sekundärseite verschaltet. Alternativ zur LCCL-Topologie kann die Sekundärspule auch über andere Topologien von Bauteilen verschaltet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sekundärseite eine

Energiespeichereinheit, insbesondere eine Batterie, und die Vorrichtung zum induktiven Übertragen von Leistung ist als eine Vorrichtung zum induktiven

Laden der Energiespeichereinheit eingerichtet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Primärseite einen H- Brückenschalter als Wechselrichter mit elektrischen Schaltern. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten

Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand dem in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur induktiven

Übertragung von Leistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von

Kenngrößen auf der Sekundärseite einer Vorrichtung aus Fig. 1 in einem Kalibrierungsmodus;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von

Kenngrößen auf der Sekundärseite einer Vorrichtung aus Fig. 1 in einem modulierten Modus; und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Leistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Vorrichtung E weist eine Primärseite 1 und eine Sekundärseite 2 eines Transformators mit einer Primärspule LI und einer Sekundärspule L2 auf. Des Weiteren umfasst die Primärseite 1 eine Anordnung von elektrischen Schaltern Τ , Τ2', T3' und T4' und die Sekundärseite 2 eine Anordnung von elektrischen Schaltern Tl, T2, T3 und T4, vorteilhaft Leistungsschalter, welche auf der Primärseite 1 und auf der Sekundärseite 2 jeweils in einem H- Brückenschalter angeordnet sind und bei denen es sich vorteilhaft um Transistoren, mit zugeschalteten Dioden, handelt. An der Primärseite 1 ist die Primärspule LI über eine H-Brücke Hl (Verbindung zwischen den Punkten la und lb) mit dem H-

Brückenschalter und auf der Sekundärseite 2 ist die Sekundärspule L2 über eine H-Brücke H2 (Verbindung zwischen den Punkten 2a und 2b) mit dem H- Brückenschalter verschaltet. Die Sekundärspule L2 kann dabei Teil einer LCCL- Topologie sein, umfassend die Sekundärspule L2, einen Kondensator C2a, einen weiteren Kondensator C2b und eine Spule L2a, wobei zusätzlich noch weitere

Spulen und Kondensatoren mit der H-Brücke H2 oder dem H- Brückenschalter (etwa C2c) verschaltet sein können. Eine solche LCCL- Topologie kann auch auf der Primärseite 1 vorliegen, wobei die Primärspule LI mit den Kondensatoren Cla, Clb und der Spule Lla mit der H-Brücke Hl verschaltet sein kann.

Alternativ zur LCCL- Topologie sind sowohl auf der Primärseite als auch auf der

Sekundärseite auch andere Topologien und Verschaltungen von Bauelementen anwendbar. Auf der Primärseite 1 ist eine Gleichstromquelle lc mit dem H- Brückenschalter, welcher als Wechselrichter wirkt, verschaltet, wobei die

Gleichstromquelle lc mit einem Stromnetz verbunden sein kann.

Die Sekundärseite 2 weist weiterhin eine Steuereinheit SE auf, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Kenntnis des Stroms iL2 an der Sekundärspule L2, des Brückenstrom i2 und/oder der Brückenspannung v2 die Schaltvorgänge an den elektrischen Schaltern Tl, T2, T3 und T4 steuert (in der Fig. 1 ist lediglich eine schematische Verbindung mit dem Sensor M und den

Messpunkten für den Brückenstrom i2 und die Brückenspannung v2 gezeigt, wobei die Steuereinheit ein verarbeitetes Signal an die Schalter Tl, T2, T3 und T4 weitergeben kann). Der Strom iL2 wird hierbei durch einen Sensor M über die Zeit gemessen und dieses Signal an die Steuereinheit SE weitergegeben. Der Sensor detektiert beispielsweise die Nulldurchgänge des Stroms iL2. Die

Steuereiheit kann den Brückenstrom i2 und/oder die Brückenspannung v2 selbst bestimmen oder es können zusätzliche Sensoren (nicht dargestellt) vorhanden sein. Auf der Sekundärseite 2 ist weiterhin eine Energiespeichereinheit B, beispielsweise eine Batterie, gezeigt, welche induktiv geladen werden kann.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Kenngrößen auf der Sekundärseite der Vorrichtung aus Fig. 1 in einem

Kalibrierungsmodus.

Dargestellt ist die Amplituide (I, U) jeweils des Stroms il_2 an der Sekundärspule, des Brückenstroms i2 und der Brückenspannung v2 in Abhängigkeit von der Zeit t. Da der Strom il_2 an der Sekundärspule durch ein Wechselfeld von der Primärspule stets sinusförmig ist, folgt der zeitliche Verlauf des Brückenstroms i2 dem Strom il_2 derart, dass ein Nulldurchgang 0 des Brückenstroms i2 stets um eine konstante zeitliche Phasendifferenz P einem Nulldurchgang 0 des Stroms il_2 nachfolgt. Durch die Resonanztopologie auf der Sekundärseite ist die Form des Brückenstroms i2 gegenüber der Sinusform des Stroms il_2 jedoch verformt. Der Verlauf des Brückenspannung v2 ähnelt einer Pulsmodulation mit Flanken F zwischen einer maximalen positiven und maximalen negativen Amplitude. Ein Nulldurchgang 0 der Brückenspannung v2 an einer Flanke F erfolgt im

Kalibrierungsmodus zeitlich zum gleichen Zeitpunkt wie ein Nulldurchgang des

Brückenstroms i2. Somit kann über ein Zeitintervall T durch den Verlauf des Stroms il_2 und des Brückenstroms i2 und/oder der Brückenspannung v2 Kenntnis über die Phasendifferenz P erlangt werden, woraus eine genaue Kenntnis über die Nulldurchgänge der Grundwelle resultiert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von

Kenngrößen auf der Sekundärseite einer Vorrichtung aus der Fig. 1 in einem modulierten Modus der elektrischen Schalter. Hierbei ist ersichtlich, dass der Brückenstrom i2 eine starke Verzerrung gegenüber dem sinusförmigen Verlauf des Stroms il_2 aufweisen kann, und dass die Nulldurchgänge 0 des Stroms il_2 und des Brückenstroms i2 nicht immer um eine konstante Phasendifferenz verschoben sind. Des Weiteren fallen auch die Nulldurchgänge von Brückenstrom i2 und Brückenspannung v2 zeitlich nicht immer zusammen. Zur Synchronisation von Schaltvorgängen kann jedoch über die aus dem Kalibrierungsmodus erhaltene Phasendifferenz (Fig. 2) auf den, auch im modulierten Modus der Fig. 3 sinusförmigen, Strom il_2 referenziert werden. Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm von Verfahrensschritten Sl bis S4 gemäß einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Teil der Fig. 4 sind die Verfahrensschritte Sl und S2 sowie S3 im Kalibrierungsmodus gezeigt. Der Brückenstrom i2 und/oder die

Brückenspannung v2 werden im Verfahrensschritt Sl und der Strom il_2 an der Sekundärspule wird im Verfahrensschritt S2 bestimmt, insbesondere gemessen, und im Verfahrensschritt S3 erfolgt dadurch das Ermitteln einer Phasendifferenz P. Die gemessenen Größen können von Sensoren ermittelt werden und an die Steuereinheit oder einen Rechner zur Signalverarbeitung intern in der

Vorrichtung weitergegeben werden. Wie im unteren Teil der Fig. 4 gezeigt, werden in einem modulierten Modus der elektrischen Schalter auf der

Sekundärseite im Verfahrensschritt S4 die Ein- und/oder Ausschaltvorgänge verfahrensgemäß zeitlich festgelegt und durchgeführt, nachdem im

Verfahrensschritt S2 der zeitliche Verlauf des Stroms il_2 bestimmt wurde (nun im modulierten Modus). Durch die Kenntnis der Phasendifferenz P aus dem

Kalibrierungsmodus kann nun, vorteilhaft durch eine Steuereinheit oder durch einen Rechner, zeitlich auf den Strom il_2 referenziert werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten

Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.