Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung, wobei die Vorrichtung primärseitige und sekundärseitige Reihenschwingkreise aufweist, die jeweils mindestens eine Spule und mindestens zwei Kapazitäten aufweisen, und der primärseitige Reihenschwingkreis an eine vorgeordnete Schaltung der sekundärseitge Reihenschwingkreis an eine nachgeordnete Schaltung angeschlossen ist.

Bei Systemen der berührungslosen Energieübertragung ist es oft erwünscht bzw. vorgeschrieben, die Isolation zwischen den Wicklungen der Spulen und dem Ferrit bzw. der Trägerplatte der induktiven Komponenten im magnetischen Übertragungskreis zu überwachen. Bei netzgebundenen Anlagen ist es ausreichend, einen Masseschluss über einen Fehlerstromschutzschalter zu de- tektieren. Bei isolierten Anordnungen, wie es bei Elektrofahrzeugen der Fall ist, wird ein Isolationswächter eingesetzt.

Zur Blindleistungskompensation müssen zu den Spulen der kontaktlosen Energieübertragung Kondensatoren entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Figur 1 zeigt die Reihenkompensation und die zugehörige lokale Blindspannungsverteilung entlang der Reihenschwingkreise.

Bei einer Parallelschaltung ist die Isolationsüberwachung dadurch gegeben, dass die Spulen ohnehin an den Zwischenkreis bzw. Ausgang des Gleichrichters über Dioden angebunden sind . Dieser Zwischenkreis wird durch einen Isolationswächter überwacht, der den Widerstand zwischen den Spulen und der Masse der sekundären Vorrichtung des mindestens einen sekundärseitigen Parallelschwingkreises misst und mit abgespeicherten Werten vergleicht. Sofern der gemessene Widerstandswert von dem gespeicherten um mehr als einen Betrag abweicht, wird dies als Isolationsfehler erkannt und an eine übergeordnete Steuerung gemeldet.

Im Falle einer Reihenkompensation sind die Wicklungen der Spulen über Kondensatoren vom Rest der Leistungselektronik galvanisch getrennt, so dass hier keine Isolationsüberwachung durch eine Widerstandsmessung mehr möglich ist.

Figur 2 zeigt eine Schaltung, bei der Widerstände R _P parallel zu den Kondensatoren C geschaltet sind, und die grundsätzlich für das Entladen im Fehlerfall nach ECE R 100 vorgesehen werden können. Der Widerstandswert dieser Widerstände R _P ist aber möglichst groß zu wählen, damit keine unnötigen Verluste entstehen. Aufgrund der hochohmigen Widerstände R _P ist aber eine Isolationsmessung wenig zuverlässig, da der Widerstandswert der eigentlich als Ent- lade-Widerstände vorgesehenen Widerstände R _P in der Größenordnung des Isolationswiderstandes der Wicklungen liegt und somit auch bei einem Isolationsdurchbruch keine große Widerstandsänderung gemessen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Isolationsüberwachung bei der Verwendung von Reihenschwingkreisen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird vorteilhaft mittels der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Die Fehlererkennungswiderstände dienen zur Aufhebung der galvanischen Trennung durch die Kapazitäten der Reihenschwingkreise, so dass im Falle eines Isolationsfehlers einer Spule ein Fehlerstrom durch einen oder mehrere Fehlererkennungswiderstände fließen kann . Der Fehlerstrom fließt dabei von einer Steuereinrichtung, welche ein Isolationswächter sein kann, durch die eine Verbindungsleitung hin zu einem Fehlererkennungswiderstand durch mindestens eine Spule und gelangt so zur Isolationsunterbrechung von wo er aus zu einem Bezugspotential der primär- oder sekundärseitigen Vorrichtung hin abfließt. Aufgrund des gemessenen Fehlerstroms oder der an einem Wider- stand oder mehreren Widerständen, insbesondere den Fehlererkennungswiderständen, abfallenden Spannung(en) kann ein Isolationsdurchbruch erkannt werden. Sofern der Fehlerstrom sehr klein ist, ist dies ein Hinweis darauf, dass die Isolation noch intakt ist.

Vorteilhaft ist dabei, dass der Fehlerstrom nicht über eine Diode des nachgeschalteten Gleichrichters fließt.

Hierzu ist der mindestens eine Fehlererkennungswiderstand vorhanden, der die Steuereinrichtung mit einem Pol einer Spule oder deren Mittenabgriffspol verbindet.

Sofern die Isolationsüberwachung auf der Primärseite des Energieübertragungssystems erfolgt, sind die Fehlerstromwiderstände zwischen einem Bezugspotential der primärseitig vorgeordneten Schaltung und einem Pol oder mittenabgriff der jeweiligen Spule geschaltet.

Sofern der Fehlererkennungswiderstand mit seinem einen Pol mit dem Mittelpunkt oder Mittelabgriff eines Spannungsteilers der nachgeordneten Schaltung verbunden ist, ist es sinnvoll, den anderen Pol des Fehlererkennungswiderstandes mit dem Mittenabgriffspol der jeweiligen Spule zu verbinden, damit im Normalbetrieb des Energieübertragungssystems durch den Fehlererkennungswiderstand kein Strom fließt und somit keine Verluste entstehen.

Die nachgeordnete Schaltung ist in der Regel ein Spannungszwischenkreis, welcher einen Brückengleichrichter und nachgeschaltete Glättungskondensato- ren aufweist. Die Glättungskondensatoren bilden dabei den Spannungsteiler, wobei der Verbindungspunkt der gleich groß dimensionierten Glättungskondensatoren den Mittenabgriff des Spannungsteilers bildet.

Es ist möglich, dass nicht jeder Spule ein Fehlererkennungswiderstand zugeordnet ist. Damit diese Spule bzw. Spulen nicht galvanisch von der Steuereinrichtung getrennt sind, sind zu den benachbarten Kapazitäten Überbrückungs- widerstände parallel geschaltet.

Die Steuereinrichtung misst fortwährend oder in zeitlichen Abständen den Widerstandswert, den Fehlerstrom oder die an einem Shuntwiderstand in der gemeinsamen Verbindungsleitung oder den Fehlererkennungswiderständen abfallende Spannung, wobei bei Unterschreiten eines bestimmten Widerstandswertes bzw. bei einem Überschreiten eines bestimmten Fehlerstromwertes bzw. der gemessenen Spannungswerte ein Fehlersignal ausgesendet wird.

Sofern durch den mindestens einen Fehlererkennungswiderstand während des Betriebes der Energieübertragungsvorrichtung Verluste entstehen, können die Fehlererkennungswiderstände vorteilhaft mittels mindestens einem Schaltmittel funktionslos oder von den Reihenschwingkreisen abgekoppelt werden, so dass durch die Fehlererkennungswiderstände während des Normalbetriebes kein Strom fließt. Zur Bestimmung eines Isolationsfehlers kann das mindestens eine Schaltmittel geschlossen und die Messung zur Überprüfung eines Isolationsfehlers von der Steuerungseinrichtung durchgeführt werden.

Damit das System erkennen kann, in welcher Spule ein Isolationsfehler aufgetreten ist, können die Fehlererkennungswiderstände zur Ermittlung der fehlerhaften Spule unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, so dass anhand der Größe des Fehlerstroms oder der gemessenen Spannung die fehlerhafte Spule ermittelbar ist.

Das berührungslose Energieübertragungssystem kann ein ein- oder mehrphasiges System sein. Sofern das System mehrphasig ist, sind den jeweiligen Spulen der einzelnen Phasen jeweils Fehlererkennungswiderstände zuzuordnen und/oder zu den zu den Spulen benachbart angeordneten Kapazitäten Über- brückungswiderstände parallel zu schalten.

Die Isolationsüberwachung kann entweder nur primär- oder sekundärseitig vorgesehen werden. Es ist jedoch genauso gut möglich, sowohl die Primärseite als auch die Sekundärseite mit einer erfindungsgemäßen Isolationsüberwachung auszustatten.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 : Reihenkompensation eines Reihenschwingkreises einer sekundären kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung sowie die zugehörige lokale Blindspannungsverteilung;

Fig. 2 : reihenkompensierte Pickup mit parallel zu den Kapazitäten geschalteten Widerständen zur Entladung der Kondensatoren im Falle einer Störung oder eines Unfalls;

Fig. 3 : erfindungsgemäße reihenkompensierte sekundäre Pickup-

Vorrichtung mit jeweils einem Fehlererkennungswiderstand je Reihenschwingkreisspule, wobei die Fehlererkennungswiderstände jeweils an einem Seitenanschluss jeder Spule angeschlossen sind;

Fig. 3a : Schaltung gemäß Figur 3 mit Schaltern in den Verbindungsleitungen zur Entkopplung der Fehlererkennungswiderstände;

Fig. 3b: alternative Schalteranordnung zur Schaltung gemäß Figur 3a;

Fig. 4: weitere mögliche Ausführungsform einer sekundären Pickup, wobei die Fehlererkennungswiderstände an dem Mittenabgriffspol jeder Spule angeschlossen sind;

Fig. 5 : weitere mögliche Ausführungsform einer sekundären Pickup, wobei der mittleren Spule kein Fehlererkennungswiderstand zugeordnet ist und dafür Überbrückungswiderstände parallel zu den der Spule benachbarten Kapazitäten geschaltet sind;

Fig. 5a : Darstellung des Fehlerstromverlaufs bei einem Isolationsfehler in der mittleren Spule;

Fig. 6: bevorzugte Schaltung für eine primärseitige Vorrichtung.

Die Figur 1 zeigt eine Reihenkompensation eines Reihenschwingkreises einer sekundären kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung sowie die zugehörige lokale Blindspannungsverteilung gemäß dem Stand der Technik. Der Reihenschwingkreis besteht aus den Spulen SP und den Kapazitäten C. Die Blindspannung ist an den Verbindungspunkten zwischen den Kapazitäten C und den Spulen SP betragsmäßig am größten . Dagegen ist die Blindspannung in der Mitte der Spule stets gleich Null .

Die Figur 2 zeigt eine reihenkompensierte Pickup mit parallel zu den Kapazitäten C geschalteten Widerständen R _P , die zur Entladung der Kapazitäten C im Falle einer Störung oder eines Unfalls dienen, wie es die Norm ECE R 100 fordert. Wie bereits beschrieben, müssen die Parallelwiderstände R _P hochohmig sein, so dass eine Detektion eines Isolationsfehlers schwierig ist.

Damit ein Isolationsfehler sicher detektierbar ist, schlägt die Erfindung einen ersten möglichen Schaltungsaufbau vor, wie er in Figur 3 dargestellt ist. Die galvanische Trennung der Spulen SP zur nachgeordneten Schaltung 1, welche als Spannungszwischenkreis, bestehend aus Brückengleichrichter BR und Glät- tungskondensatoren C _G i_i und C _G i_2, ausgebildet ist, ist durch die Fehlererkennungswiderstände R _F E aufgehoben . Dabei sind die Fehlererkennungswiderstände R _FE mit ihren ersten Polen P _RFE i an dem Ausgangspol PL der Spulen SP angeschlossen . Mit ihren anderen ersten Polen P _RFE 2 sind die Fehlererkennungswiderstände R _FE an dem Mittelpunkt oder Mittelabgriff MTS des Spannungsteilers CGLI , C _G L2 der nachgeordneten Schaltung 1 verbunden . Die Steuereinrichtung CPU ist mit ihren Anschlüssen mit den Potentialen SPL1 und SPL2 der nachgeordneten Schaltung 1 verbunden . Da die Glättungskondensatoren C _G i_i, CGL2 der nachgeordneten Schaltung 1 derart groß dimensioniert sind, stellen sie für den zu messenden Fehlerstrom i _F keinen nennenswerten Widerstand dar.

Bei dieser Schaltung liegt jedoch im normalen Betrieb der Energieübertragungsvorrichtung eine hohe Spannung an den Fehlererkennungswiderständen R _FE an, so dass die Verluste relativ groß sind .

Abhilfe können hier die Schaltungen gemäß der Figuren 3a und 3b schaffen, bei denen Schalter Si in den Verbindungsleitungen VU, Vl_u und VU ₂ angeordnet sind . Im normalen Betrieb der Energieübertragungsvorrichtung sind die Schalter Si geöffnet, so dass keine Ströme durch die Fehlererkennungswiderstände R _FE fließen könne, wodurch die Verluste im Betriebsfall vermieden werden können . Um die Isolation zu überprüfen, können auch während des Be- triebes die Schalter geschlossen werden, um zu überprüfen, ob ein Fehlerstrom i _F ausgehend von der Steuereinrichtung CPU durch die Fehlererkennungswiderstände R _F E fließt. Es versteht sich von selbst, dass die Schalter Si Relais, elektronische Schalter wie z. B. MOSFETS, etc. sein können .

Die Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen sekundären Vorrichtung, bei der die Fehlererkennungswiderständen R _FE i und R _FE 2 mit ihrem einen Pol an den M ittenabgriffspol M PL der jeweiligen Spulen SPi und SP ₂ angeschlossen sind . Da sich an dem Mittelpunkt der Wicklungen der Spulen SP theoretisch unter Last genau das Mittelpotential des Gleichspannungszwischenkreises einstellt, sind die Punkte M PL und MTS auf gleichem Potentialniveau, wodurch im Betrieb durch die Fehlererkennungswiderstände R _F EI und R _F E2 kein Strom fließt und somit keine unerwünschten Verluste auftreten .

Die Schaltung gemäß Figur 3b unterscheidet sich von der Schaltung gemäß der Figuren 3 und 3a dadurch, dass die Verbindungsleitung VLi nicht mit dem Punkt MTS sondern dem Potential SPLi _s des Zwischenkreises 1 verbunden ist.

Wie in Figur 4 dargestellt, weist die Spule SP ₂ einen Isolationsfehler auf. In diesem Fall fließt der Fehlerstrom i _F von der Steuereinrichtung CPU über die Verbindungsleitungen VLi und VLi ₂ über den Fehlererkennungswiderstand R _F E ₂ und die Spule SP ₂ hin zum Bezugspotential SPLi _s der sekundären Vorrichtung . Durch Messung des Fehlerstroms i _F oder dem Spanungsabfall am Fehlererkennungswiderstand R _FE2 oder einem in der Verbindungsleitung VLi optional angeordneten und gestrichelt dargestellten Shuntwiderstand R _S H, kann der Isolationsfehler der Spule SP ₂ sicher erkannt werden .

Selbstverständlich ist es möglich, auch bei der Schaltung gemäß Figur 4 Schalter Si vorzusehen, wobei durch die im normalen Betrieb geöffneten Schalter sichergestellt ist, dass durch die Fehlererkennungswiderstände R _FE i und R _FE2 keine Verluste auftreten .

Es ist selbstverständlich nicht notwendig, jeder Spule SP einen Fehlererkennungswiderstand R _F E zuzuordnen . Die Figur 5 zeigt eine weitere mögliche Schaltung, bei der der mittleren Spule SP ₂ kein Fehlererkennungswiderstand RFE zugeordnet ist. Da die Spule SP ₂ hierdurch normalerweise durch ihre be ^¬ nachbarten Kapazitäten C galvanisch von der Steuereinrichtung CPU getrennt wäre, sieht die Erfindung Überbrückungswiderstände RÜB vor, die parallel zu den der Spule SP ₂ benachbarten Kapazitäten C geschaltet sind. Durch die Überbrückungswiderstände RÜB kann der Fehlerstrom i _F (dicker Pfeil) bei ge ^¬ schlossenem Schalter Si, wie in Figur 5a dargestellt, über den Fehlererkennungswiderstand R _F EI die Spule SPi und den Überbrückungswiderstand RÜBI hin zur defekten Spule SP ₂ fließen, wodurch der Isolationsfehler der Spule SP ₂ sicher erkannt werden kann.

Die Figur 6 zeigt eine bevorzugte Schaltung für eine erfindungsgemäße pri- märseitige Vorrichtung, welche eine vorgeordnete Schaltung la, welche wie dargestellt ein Wechselrichter sein kann und den Reihenschwingkreis LC aufweist, wobei jeder Fehlererkennungswiderstand R _FE mit seinem einen ersten Pol PRFEI mit dem Mittenabgriffspol MPL der Spulen SP verbunden ist und mit seinem anderen zweiten Pol P _RFE2 an dem Mittenabgriff MTS eines Spannungs ^¬ teilers, welcher durch die beiden Kondensatoren C _G i_i und C _G i_ ₂ gebildet ist, der vorgeordneten Schaltung la verbunden ist. Die Steuereinrichtung CPU, welche eine Isolationswächterfunktion aufweist, ist mit ihren Anschlüssen an die beiden Spannungspotentiale SPU _P , SPL _2p angeschlossen. Der Fehlerstrom iF fließt wie in Figur 6 dargestellt, maßgeblich über die Verbindungsleitungen VU und Vl_i ₂ , den Fehlererkennungswiderstand R _F E ₂ und die Spule SP ₂ hin zur Bezugs ^¬ masse der primärseitigen Vorrichtung la, sofern die Spulenisolierung der Spule SP ₂ fehlerhaft sein sollte. Selbstverständlich ist es auch bei der primärseitigen Vorrichtung möglich, dass nicht jeder Spule SP genau ein Fehlererkennungswiderstand R _F E zugeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführungsform müssten analog zur in den Figuren 5 und 5a dargestellten Schaltungen die Kapazitäten C, welche benachbart zu der jeweiligen Spule, der kein ein Fehlererkennungswiderstand R _F E zugeordnet ist, mittels eines Überbrückungswider- standes Rüb überbrückt werden, damit diese Spule nicht galvanisch von der vorgeordneten Schaltung la getrennt ist.