DE102018129315A1 - Switching arrangement with adjustable capacity - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltanordnung (400) beschrieben, die eine erste Teilschaltung umfasst, mit einer ersten Kapazität (401), die einen ersten Kapazitätswert aufweist, und mit einem ersten Schaltelement (402), das eine parallel zu dem ersten Schaltelement (402) angeordnete erste Diode (403) aufweist. Außerdem umfasst die Schaltanordnung (400) eine Steuereinheit (216, 226), die eingerichtet ist, einen Ziel-Kapazitätswert zu ermitteln. Des Weiteren ist die Steuereinheit (216, 226) eingerichtet, während einer Sequenz von Perioden einer Wechselspannung, das erste Schaltelement (402) jeweils für eine Off-Zeitdauer zu öffnen, wobei die Off-Zeitdauer von dem Ziel-Kapazitätswert abhängt.A switching arrangement (400) is described, which comprises a first subcircuit, with a first capacitance (401), which has a first capacitance value, and with a first switching element (402), which has a first one arranged parallel to the first switching element (402) Has diode (403). The switching arrangement (400) also comprises a control unit (216, 226) which is set up to determine a target capacitance value. Furthermore, the control unit (216, 226) is set up to open the first switching element (402) for an off time period during a sequence of periods of an alternating voltage, the off time period depending on the target capacitance value.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung sowie ein Verfahren zur Einstellung des Kapazitätswertes einer Kapazität, insbesondere für ein induktives Ladesystem.The invention relates to a switching arrangement and a method for setting the capacitance value of a capacitance, in particular for an inductive charging system.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über einen elektrischen Energiespeicher, in dem elektrische Energie zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Der Energiespeicher des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird der Energiespeicher mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in den Energiespeicher 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.Vehicles with an electric drive typically have an electrical energy store in which electrical energy for operating an electrical drive machine of the vehicle can be stored. The vehicle's energy storage device can be charged with electrical energy from a power supply network. For this purpose, the energy store is coupled to the power supply network in order to transfer the electrical energy from the power supply network into the energy store of the vehicle. The coupling can be wired (via a charging cable) and / or wireless (using an inductive coupling between a charging station and the vehicle).
Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden des Energiespeichers des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu dem Energiespeicher übertragen wird. Dies ist beispielhaft in
Die Sekundärspule
Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule
Zur Überbrückung einer relativ großen Unterbodenfreiheit
Der Primär- und/oder der Sekundärschwingkreis können jeweils eine einstellbare Kapazität aufweisen, um die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise je nach spezifischer Ladesituation aufeinander abzustimmen.The primary and / or the secondary resonant circuit can each have an adjustable capacitance in order to match the resonance frequencies of the two resonant circuits to one another depending on the specific charging situation.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in kosteneffizienter Weise eine flexibel einstellbare Kapazität bereitzustellen, insbesondere für ein induktives Ladesystem.The present document deals with the technical problem of providing a flexibly adjustable capacity in a cost-effective manner, in particular for an inductive charging system.
Die Aufgabe wird jeweils durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können. The task is solved in each case by the independent claims. Advantageous embodiments are described, inter alia, in the dependent claims. It is pointed out that additional features of a claim dependent on an independent claim without the features of the independent claim or only in combination with a subset of the features of the independent claim can form a separate invention that is independent of the combination of all features of the independent claim can be made the subject of an independent claim, a divisional application or a late application. This applies in the same way to the technical teachings described in the description, which can form an invention that is independent of the features of the independent claims.
Gemäß einem Aspekt wird eine Schaltanordnung bzw. eine Schaltung bzw. ein Schaltkreis bzw. eine Vorrichtung beschrieben. Die Schaltanordnung umfasst eine erste Teilschaltung mit einer ersten Kapazität (z.B. einem ersten Kondensator), die einen ersten Kapazitätswert aufweist, und mit (insbesondere genau) einem ersten Schaltelement (z.B. einem ersten Transistor), das eine parallel zu dem ersten Schaltelement angeordnete erste Diode aufweist. Die erste Teilschaltung kann insbesondere eine Reihenschaltung mit der ersten Kapazität und dem ersten Schaltelement sein. Das erste Schaltelement kann z.B. (genau) ein MOS (metaloxide semiconductor) Transistor sein. Die erste Diode kann eine Body-Diode des MOS Transistors sein. Die Reihenschaltung aus der ersten Kapazität und dem ersten Schaltelement kann parallel zu einem (relativ nieder-ohmigen) Stromumleitungspfad angeordnet sein, der eingerichtet ist, einen Strom aufnehmen, wenn das erste Schaltelement geöffnet ist (und kein Stromfluss über die erste Diode ermöglicht wird).According to one aspect, a circuit arrangement or a circuit or a circuit or a device is described. The switching arrangement comprises a first subcircuit with a first capacitance (for example a first capacitor) which has a first capacitance value and (in particular exactly) with a first switching element (for example a first transistor) which has a first diode arranged in parallel with the first switching element . The first subcircuit can in particular be a series circuit with the first capacitance and the first switching element. The first switching element can e.g. (Exactly) a MOS (metal oxide semiconductor) transistor. The first diode can be a body diode of the MOS transistor. The series connection of the first capacitance and the first switching element can be arranged in parallel to a (relatively low-ohmic) current diversion path, which is set up to receive a current when the first switching element is open (and no current flow via the first diode is permitted).
Außerdem umfasst die Schaltanordnung eine Steuereinheit (z.B. mit einem Mikroprozessor), die eingerichtet ist, einen Ziel-Kapazitätswert zu ermitteln. Insbesondere kann ein Ziel-Kapazitätswert ermittelt werden, der von der Schaltanordnung bereitgestellt werden soll. Dabei ist der Ziel-Kapazitätswert typischer kleiner als oder gleich wie der erste Kapazitätswert. Der Ziel-Kapazitätswert kann z.B. von einer Ziel-Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises abhängen, in dem die Schaltanordnung als kapazitive Einheit verwendet wird. Mit anderen Worten, die Schaltanordnung kann dazu verwendet werden, die Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises einzustellen. Alternativ oder ergänzend kann die Schaltanordnung für eine flexible Anhebung der Spannung verwendet werden.In addition, the switching arrangement comprises a control unit (e.g. with a microprocessor), which is set up to determine a target capacitance value. In particular, a target capacitance value can be determined that is to be provided by the switching arrangement. The target capacity value is typically less than or equal to the first capacity value. The target capacity value can e.g. depend on a target resonance frequency of an electrical resonant circuit in which the switching arrangement is used as a capacitive unit. In other words, the switching arrangement can be used to set the resonance frequency of an electrical resonant circuit. Alternatively or additionally, the switching arrangement can be used for a flexible increase in the voltage.
Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, während einer Sequenz von Perioden einer Wechselspannung, das erste Schaltelement jeweils für eine Off-Zeitdauer zu öffnen. Dabei kann das erste Schaltelemente in jeder Periode der Sequenz von Perioden jeweils für eine Off-Zeitdauer geöffnet werden. Das Öffnen des ersten Schaltelements kann dabei bei einer Halbwelle der Wechselspannung erfolgen, bei der die erste Diode zumindest zeitweise in einem sperrenden Zustand sein kann bzw. ist. Die Wechselspannung kann an der ersten Teilschaltung anliegen. Die Wechselspannung kann in einer Periode jeweils eine erste (z.B. eine positive) Halbwelle und eine zweite (z.B. eine negative) Halbwelle aufweisen. Die erste Diode kann derart angeordnet sein, dass die erste Diode in der ersten Halbwelle zumindest zeitweise in dem sperrenden Zustand und in der zweiten Halbwelle zumindest zeitweise in einem leitenden Zustand ist. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, das erste Schaltelement bei jeder der ersten Halbwellen der Sequenz von Perioden für die Off-Zeitdauer zu öffnen. Für den Rest der Zeit einer Periode kann das erste Schaltelement dagegen geschlossen sein (und somit einen Stromfluss durch die erste Kapazität ermöglichen).The control unit is also set up to open the first switching element for an off time period during a sequence of periods of an AC voltage. The first switching element can be opened for each off-period in each period of the sequence of periods. The opening of the first switching element can take place during a half-wave of the AC voltage, in which the first diode can be or is at least temporarily in a blocking state. The AC voltage can be applied to the first subcircuit. The AC voltage can have a first (e.g. a positive) half-wave and a second (e.g. a negative) half-wave in each period. The first diode can be arranged such that the first diode is at least temporarily in the blocking state in the first half-wave and at least temporarily in a conductive state in the second half-wave. The control unit can then be set up to open the first switching element on each of the first half-waves of the sequence of periods for the off-period. In contrast, the first switching element can be closed for the rest of the time of a period (and thus allow current to flow through the first capacitance).
Die Off-Zeitdauer kann dabei flexibel eingestellt werden. Insbesondere kann die Off-Zeitdauer zwischen Null und der Periodendauer
Durch das Schließen des ersten Schaltelements kann bewirkt werden, das Strom durch die erste Kapazität (z.B. einen ersten Kondensator) fließt, und dabei ein Spannungsabfall an der ersten Kapazität bewirkt wird. Der Spannungsabfall kann dann zu einem Offset der Spannung an dem ersten Schaltelement führen. Insbesondere kann die Spannung (z.B. die Drain-Source-Spannung) an dem ersten Schaltelement in diesem Fall der Wechselspannung entsprechen, die eine bestimmten Offset aufweist. Der Offset kann zur Folge haben, dass die erste Diode des ersten Schaltelements nur zeitweise während der zweiten Halbwelle der Wechselspannung in den leitenden Zustand ist. Insbesondere kann durch Erhöhen des Spannungsabfalls an der ersten Kapazität bewirkt werden, dass der Zeitraum der zweiten Halbwelle, in dem die erste Diode in dem leitenden Zustand ist, verkürzt werden. Der Spannungsabfall an der ersten Kapazität kann durch Verlängerung der Off-Zeitdauer erhöht werden.Closing the first switching element can cause the current to flow through the first capacitance (e.g. a first capacitor) and thereby cause a voltage drop across the first capacitance. The voltage drop can then lead to an offset of the voltage at the first switching element. In particular, the voltage (e.g. the drain-source voltage) at the first switching element in this case can correspond to the AC voltage which has a specific offset. The offset can have the consequence that the first diode of the first switching element is only temporarily in the conductive state during the second half-wave of the AC voltage. In particular, by increasing the voltage drop across the first capacitance, the period of the second half-wave in which the first diode is in the conductive state can be shortened. The voltage drop across the first capacitance can be increased by extending the off time period.
Die erste Diode kann eingerichtet sein, einen Stromfluss in eine erste Richtung zu unterbinden (und somit in dem sperrenden Zustand sein) und in eine zweite Richtung zu ermöglichen (und somit in dem leitenden Zustand sein). Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen ersten Zeitraum in einer Periode zu ermitteln, in dem ein Strom in der ersten Richtung durch das erste Schaltelement fließen würde, wenn das erste Schaltelement geschlossen wäre (aber nicht fließen kann, wenn das erste Schaltelement geöffnet ist, da die erste Richtung der Sperrrichtung der ersten Diode entspricht). Der erste Zeitraum kann dabei die erste Halbwelle der Wechselspannung umfassen. Der erste Zeitraum kann für jede Periode der Sequenz von Perioden ermittelt werden (z.B. auf Basis von Strominformation in Bezug auf den Strom durch das erste Schaltelement und/oder auf Basis von Spannungsinformation in Bezug auf die Spannung an dem ersten Schaltelement).The first diode can be configured to prevent current flow in a first direction (and thus be in the blocking state) and in a second direction (and thus be in the conductive state). The control unit can be set up to determine a first time period in a period in which a current in the first Direction would flow through the first switching element if the first switching element were closed (but cannot flow if the first switching element is open since the first direction corresponds to the blocking direction of the first diode). The first time period can include the first half-wave of the AC voltage. The first time period can be determined for each period of the sequence of periods (for example based on current information relating to the current through the first switching element and / or based on voltage information relating to the voltage at the first switching element).
Das erste Schaltelement kann dann innerhalb des jeweiligen ersten Zeitraums der Sequenz von Perioden jeweils für die Off-Zeitdauer geöffnet werden. So kann der Kapazitätswert der Schaltanordnung in präziser Weise eingestellt werden. Die Off-Zeitdauer kann dabei zwischen 0 und der Periodendauer einer Periode variiert werden.The first switching element can then be opened within the respective first period of the sequence of periods for the off period. In this way, the capacitance value of the switching arrangement can be set in a precise manner. The off-period can be varied between 0 and the period of a period.
Die erste Teilschaltung kann derart ausgebildet sein, dass der erste Zeitraum verlängert wird, wenn die Off-Zeitdauer verlängert wird. Alternativ oder ergänzend kann die erste Teilschaltung derart ausgebildet sein, dass der erste Zeitraum verkürzt wird, wenn die Off-Zeitdauer verkürzt wird. Die Veränderung der zeitlichen Länge des ersten Zeitraums kann dabei durch den Spannungsabfall an der ersten Kapazität (und den daraus folgenden Offset auf die Drain-Source-Spannung des ersten Schaltelements) bewirkt werden, wobei die Höhe des Spannungsabfalls durch die Off-Zeitdauer verändert werden kann. Dabei kann die erste Teilschaltung ferner derart ausgebildet sein, dass sich der erste Zeitraum mindestens über die Hälfte einer Periodendauer einer Periode (z.B. über die erste Halbwelle des Wechselstroms) erstreckt (z.B. wenn die Off-Zeitdauer null ist).The first subcircuit can be designed in such a way that the first period is extended when the off period is extended. Alternatively or in addition, the first subcircuit can be designed in such a way that the first time period is shortened if the off time period is shortened. The change in the temporal length of the first period can be brought about by the voltage drop across the first capacitance (and the consequent offset to the drain-source voltage of the first switching element), the amount of the voltage drop being able to be changed by the off time period . The first subcircuit can furthermore be designed such that the first period extends over at least half a period of a period (e.g. over the first half-wave of the alternating current) (e.g. if the off period is zero).
Beispielsweise kann der Spannungsabfall an der ersten Kapazität der Wechselspannung entsprechen, wenn die Off-Zeitdauer Null ist, und somit das erste Schaltelement durchgehend geschlossen ist. In diesem Fall steuert die erste Kapazität den gesamten ersten Kapazitätswert zu dem Kapazitätswert der Schaltanordnung bei. Der erste Zeitraum kann in diesem Fall der halben Periodendauer entsprechen.For example, the voltage drop across the first capacitance can correspond to the AC voltage if the off-time period is zero and the first switching element is thus continuously closed. In this case, the first capacitance contributes the entire first capacitance value to the capacitance value of the switching arrangement. In this case, the first period can correspond to half the period.
Andererseits kann die Off-Zeitdauer die Periodendauer sein. In diesem Fall baut sich ein Spannungsabfall an der ersten Kapazität auf, der z.B. dem Scheitelwert der Wechselspannung entspricht. Dieser Spannungsabfall wirkt als Offset auf die Drain-Source-Spannung an dem ersten Schaltelement und verlängert damit den ersten Zeitraum (ggf. kann der erste Zeitraum in diesem Fall der gesamten Periodendauer entsprechen).On the other hand, the off period can be the period. In this case, a voltage drop builds up at the first capacitance, which e.g. corresponds to the peak value of the AC voltage. This voltage drop acts as an offset to the drain-source voltage at the first switching element and thus extends the first time period (the first time period may possibly correspond to the entire period in this case).
Für Off-Zeitdauern zwischen Null und der Periodendauer kann somit die Länge des ersten Zeitraums zwischen der halben Periodendauer und der gesamten Periodendauer (kontinuierlich) verändert werden.For off periods between zero and the period, the length of the first period between half the period and the entire period can (continuously) be changed.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen Zeitpunkt innerhalb einer Periode zu detektieren, an dem das Schließen des ersten Schaltelements keine sprunghafte Veränderung einer Spannung an der ersten Kapazität verursacht. Beispielsweise kann ein Zeitpunkt ermittelt werden, an dem der aktuelle Wert der Wechselspannung dem Spannungsabfall an der ersten Kapazität entspricht. Das erste Schaltelement kann dann in zuverlässiger Weise an dem detektierten Zeitpunkt geschlossen werden.The control unit can be set up to detect a point in time within a period at which the closing of the first switching element does not cause a sudden change in a voltage across the first capacitance. For example, a point in time can be determined at which the current value of the AC voltage corresponds to the voltage drop across the first capacitance. The first switching element can then be reliably closed at the detected point in time.
Die Schaltanordnung ermöglicht es, in effizienter Weise (z.B. durch Verwendung eines einzigen MOS Transistors) den Kapazitätswert flexibel zu verändern. Insbesondere kann die erste Teilschaltung dabei derart ausgebildet sein, dass ein Stromfluss durch die erste Teilschaltung in eine leitende Richtung der ersten Diode nicht unterbunden werden kann. Des Weiteren kann die erste Teilschaltung derart ausgebildet sein, dass die erste Teilschaltung kein weiteres in Reihe zu dem ersten Schaltelement angeordnetes Schaltelement (insbesondere keinen weiteren anti-seriell zu dem MOS Transistor des ersten Schaltelements angeordneten zweiten MOS Transistor) aufweist. Dennoch wird durch die beschriebene Schaltanordnung eine flexible Einstellung des Kapazitätswertes in einem weiten Wertebereich ermöglicht (insbesondere zwischen Null und dem ersten Kapazitätswert der ersten Kapazität).The switching arrangement makes it possible to flexibly change the capacitance value in an efficient manner (e.g. by using a single MOS transistor). In particular, the first subcircuit can be designed such that a current flow through the first subcircuit in a conductive direction of the first diode cannot be prevented. Furthermore, the first subcircuit can be designed such that the first subcircuit has no further switching element arranged in series with the first switching element (in particular no further second MOS transistor arranged anti-serially with the MOS transistor of the first switching element). Nevertheless, the switching arrangement described enables a flexible setting of the capacitance value in a wide range of values (in particular between zero and the first capacitance value of the first capacitance).
Die Schaltanordnung kann eine zweite Kapazität aufweisen (als Umleitungsstrompfad), die parallel zu der ersten Teilschaltung angeordnet ist, wobei die zweite Kapazität einen zweiten Kapazitätswert aufweist. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Off-Zeitdauer zwischen 0 und der gesamten Periodendauer
Alternativ oder ergänzend kann die Schaltanordnung eine zweite Teilschaltung (insbesondere eine zweite Reihenschaltung) umfassen, wobei die zweite Teilschaltung eine zweite Kapazität, die einen zweiten Kapazitätswert aufweist, und (insbesondere genau) ein zweites Schaltelement (z.B. einem zweiten MOS Transistor) umfasst, das eine parallel zu dem zweiten Schaltelement angeordnete zweite Diode aufweist. Die erste Teilschaltung und die zweite Teilschaltung können parallel zueinander angeordnet sein (und somit jeweils einen Umleitungsstrompfad für die jeweils andere Teilschaltung bilden).As an alternative or in addition, the switching arrangement can comprise a second subcircuit (in particular a second series circuit), the second subcircuit comprising a second capacitance which has a second capacitance value and (in particular exactly) a second switching element (for example a second MOS transistor) which comprises one has a second diode arranged in parallel with the second switching element. The first subcircuit and the second subcircuit can be arranged parallel to one another be (and thus each form a bypass current path for the other subcircuit).
Die erste Diode kann derart angeordnet sein, dass die erste Diode jeweils bei einer ersten Halbwelle der Wechselspannung sperrt, während die zweite Diode derart angeordnet sein kann, dass die zweite Diode jeweils bei einer zweiten Halbwelle der Wechselspannung sperrt. Mit anderen Worten, die erste Diode und die zweite Diode können ausgebildet sein, einen Stromfluss in zueinander entgegengesetzten Richtungen zu sperren. Folglich können das erste und zweite Schaltelement in jeweils unterschiedlichen Halbwellen bzw. Zeiträumen einer Periode geöffnet werden, um den Stromfluss durch die jeweilige Kapazität zu unterbinden.The first diode can be arranged such that the first diode blocks in each case on a first half-wave of the AC voltage, while the second diode can be arranged in such a way that the second diode blocks in each case on a second half-wave of the AC voltage. In other words, the first diode and the second diode can be designed to block a current flow in opposite directions. Consequently, the first and second switching elements can be opened in different half-waves or periods of a period in order to prevent the current flow through the respective capacitance.
Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, das erste Schaltelement für eine erste Off-Zeitdauer in jeweils einem Zeitraum einer Periode zu öffnen (z.B. in jeder Periode einer Sequenz von Perioden). Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, das zweite Schaltelement für eine zweite Off-Zeitdauer bei jeweils einem Zeitraum einer Periode zu öffnen (z.B. in jeder Periode einer Sequenz von Perioden). Dabei können die Zeiträume, in denen das erste Schaltelement geöffnet wird, komplementär in Bezug auf die jeweilige Periode zu den Zeiträumen sein, in denen das zweite Schaltelement geöffnet wird.In particular, the control unit can be set up to open the first switching element for a first off-period in a respective period of a period (e.g. in each period of a sequence of periods). Furthermore, the control unit can be set up to open the second switching element for a second off-time period in each case of a period of a period (e.g. in each period of a sequence of periods). The periods in which the first switching element is opened can be complementary with respect to the respective period to the periods in which the second switching element is opened.
Die erste Off-Zeitdauer und die zweite Off-Zeitdauer können in Abhängigkeit von dem Ziel-Kapazitätswert eingestellt werden. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die erste und die zweite Off-Zeitdauer jeweils zwischen 0 und der Periodendauer
Durch das Einstellen der jeweiligen Off-Zeitdauer kann jeweils ein Spannungsabfall an der ersten bzw. der zweiten Kapazität bewirkt werden. Dabei kann der Anteil des Kapazitätswertes, den eine Kapazität zu dem Kapazitätswert der Schaltanordnung beiträgt, mit steigendem Spannungsabfall an der jeweiligen Kapazität sinken. Der Spannungsabfall steigt dabei typischerweise mit sinkender Off-Zeitdauer an. Somit kann durch Einstellen der jeweiligen Off-Zeitdauer der Kapazitätswert der Schaltanordnung in präziser Weise eingestellt werden.By setting the respective off time period, a voltage drop can be brought about at the first or the second capacitance. The proportion of the capacitance value that a capacitance contributes to the capacitance value of the switching arrangement can decrease with an increasing voltage drop in the respective capacitance. The voltage drop typically increases with decreasing off-time. Thus, the capacitance value of the switching arrangement can be set in a precise manner by setting the respective off time period.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das erste Schaltelement zu schließen, wenn der Strom durch die erste Diode zu fließen beginnt (z.B. nach einem Spannungsnulldurchgang an dem ersten Schaltelement). Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen Off-Zeitraum, in dem das erste Schaltelement (für die Off-Zeitdauer) geöffnet ist, an das Ende oder an den Anfang einer Halbwelle der Wechselspannung zu legen. Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, Strominformation in Bezug auf den Strom durch das erste Schaltelemente und/oder Spannungsinformation in Bezug auf die Spannung an dem ersten Schaltelement zu ermitteln. Das erste Schaltelement kann dann in präziser Weise in Abhängigkeit von der Strominformation und/oder der Spannungsinformation geöffnet werden. So kann ein besonders zuverlässiger Betrieb der Schaltanordnung ermöglicht werden.The control unit can be set up to close the first switching element when the current begins to flow through the first diode (e.g. after a voltage zero across the first switching element). As an alternative or in addition, the control unit can be set up to place an off period in which the first switching element (for the off period) is open at the end or at the beginning of a half-wave of the AC voltage. Furthermore, the control unit can be set up to determine current information in relation to the current through the first switching element and / or voltage information in relation to the voltage at the first switching element. The first switching element can then be opened in a precise manner depending on the current information and / or the voltage information. This enables particularly reliable operation of the switching arrangement.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein induktives Ladesystem beschrieben, das eine Primäreinheit umfasst, die eingerichtet ist, ein magnetisches Ladefeld zu erzeugen. Des Weiteren umfasst das induktive Ladesystem eine Sekundäreinheit, die eingerichtet ist, auf Basis des magnetischen Ladefelds einen Ladestrom zum Laden eines elektrischen Energiespeichers zu erzeugen. Dabei können die Primäreinheit und/oder die Sekundäreinheit eine in diesem Dokument beschriebene Schaltanordnung umfassen.According to a further aspect, an inductive charging system is described which comprises a primary unit which is set up to generate a magnetic charging field. Furthermore, the inductive charging system comprises a secondary unit, which is set up to generate a charging current for charging an electrical energy store on the basis of the magnetic charging field. The primary unit and / or the secondary unit can comprise a switching arrangement described in this document.
Die Primäreinheit und/oder die Sekundäreinheit können jeweils einen elektrischen Schwingkreis umfassen, wobei der elektrische Schwingkreis der Primär und/oder Sekundäreinheit jeweils eine in diesem Dokument beschriebene Schaltanordnung umfassen kann, um eine Kapazität mit einem einstellbaren Kapazitätswert bereitzustellen (und um dadurch die Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises zu verändern).The primary unit and / or the secondary unit can each comprise an electrical resonant circuit, wherein the electrical resonant circuit of the primary and / or secondary unit can each comprise a switching arrangement described in this document in order to provide a capacitance with an adjustable capacitance value (and thereby thereby the resonance frequency of the respective one To change the resonant circuit).
Des Weiteren werden in diesem Dokument eine Primäreinheit und eine Sekundäreinheit für ein induktives Ladesystem beschrieben, die jeweils zumindest eine der in diesem Dokument beschriebenen Schaltanordnungen umfassen.Furthermore, a primary unit and a secondary unit for an inductive charging system are described in this document, each comprising at least one of the switching arrangements described in this document.
Die Sekundäreinheit kann einen Gleichrichter und eine Spannungsanhebungsschaltung zur Anhebung der Ausgangsspannung des Gleichrichters zum Laden eines Energiespeichers umfassen. Dabei kann die Spannungsanhebungsschaltung eine in diesem Dokument beschriebene Schaltanordnung umfassen, um das Ausmaß der Anhebung der Ausgangsspannung des Gleichrichters zu verändern. So können die Güte und Schnelligkeit von Ladevorgängen in effizienter Weise erhöht werden.The secondary unit can include a rectifier and a voltage boost circuit for boosting the output voltage of the rectifier for charging an energy store. The voltage boost circuit may include a circuit arrangement described in this document to change the amount of boost in the rectifier output voltage. In this way, the quality and speed of charging processes can be increased in an efficient manner.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Gleichrichterschaltung beschrieben (z.B. als Teil einer Sekundäreinheit eines induktiven Ladesystems). Dabei umfasst die Gleichrichterschaltung einen Brückengleichrichter, der eingerichtet ist, auf Basis einer an Eingangs-Brückenpunkten anliegenden Wechselspannung an Ausgangs-Brückenpunkten des Brückengleichrichters einen gleichgerichteten Strom und/oder eine gleichgerichtete Ausgangsspannung zu generieren.According to a further aspect, a rectifier circuit is described (for example as part of a secondary unit of an inductive charging system). The rectifier circuit comprises a bridge rectifier that is set up Generate a rectified current and / or a rectified output voltage on the basis of an AC voltage present at input bridge points at the output bridge points of the bridge rectifier.
Die Gleichrichterschaltung umfasst ferner einen ersten Kondensator, der (direkt) mit einem ersten Ausgangs-Brückenpunkt der beiden Ausgangs-Brückenpunkte des Brückengleichrichters gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator, der (direkt) mit einem zweiten Ausgangs-Brückenpunkt der beiden Ausgangs-Brückenpunkte des Brückengleichrichters gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst die Gleichrichterschaltung (insbesondere genau) ein erstes Schaltelement (z.B. (genau) einen ersten MOS Transistor), das eine parallel zu dem ersten Schaltelement angeordnete erste Diode aufweist. Das erste Schaltelement kann (direkt) mit einem ersten Eingangs-Brückenpunkt der beiden Eingangs-Brückenpunkte gekoppelt sein.The rectifier circuit further comprises a first capacitor (directly) coupled to a first output junction of the two output jumper points of the bridge rectifier and a second capacitor (directly) to a second output junction of the two output jumper points of the bridge rectifier is coupled. Furthermore, the rectifier circuit comprises (in particular exactly) a first switching element (e.g. (exactly) a first MOS transistor) which has a first diode arranged in parallel with the first switching element. The first switching element can be (directly) coupled to a first input bridge point of the two input bridge points.
Das erste Schaltelement kann eingerichtet sein, den ersten Kondensator zwischen den ersten Eingangs-Brückenpunkt und den ersten Ausgangs-Brückenpunkt zu schalten (so dass ein zwischen dem ersten Eingangs-Brückenpunkt und dem ersten Ausgangs-Brückenpunkt fließender Strom nur über das erste Schaltelement und den ersten Kondensator fließt) bzw. von dem ersten Eingangs-Brückenpunkt zu entkoppeln. Des Weiteren kann das erste Schaltelement eingerichtet sein, den zweiten Kondensator zwischen den ersten Eingangs-Brückenpunkt und den zweiten Ausgangs-Brückenpunkt zu schalten (so dass ein zwischen dem ersten Eingangs-Brückenpunkt und dem zweiten Ausgangs-Brückenpunkt fließender Strom nur über das erste Schaltelement und den zweiten Kondensator fließt) bzw. von dem ersten Eingangs-Brückenpunkt zu entkoppeln.The first switching element can be configured to switch the first capacitor between the first input junction point and the first output junction point (so that a current flowing between the first input junction point and the first output junction point) only through the first switching element and the first Capacitor flows) or to decouple from the first input bridge point. Furthermore, the first switching element can be set up to switch the second capacitor between the first input bridge point and the second output bridge point (so that a current flowing between the first input bridge point and the second output bridge point only via the first switching element and the second capacitor flows) or to decouple from the first input bridge point.
Außerdem umfasst die Gleichrichterschaltung eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, einen Zielspannungswert der Ausgangspannung zwischen den Ausgangs-Brückenpunkten zu ermitteln (z.B. als Ladespannung für einen Energiespeicher). Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, während einer Sequenz von Perioden der Wechselspannung, das erste Schaltelement jeweils bei einer Halbwelle der Wechselspannung bzw. in einem Zeitraum einer Periode, bei der bzw. in dem die erste Diode in einem sperrenden Zustand ist, für eine Off-Zeitdauer zu öffnen, wobei die Off-Zeitdauer von dem Zielspannungswert abhängt. Mit anderen Worten, durch Einstellung der Off-Zeitdauer kann der Zielspannungswert eingestellt werden. Somit kann in effizienter Weise (insbesondere durch Verwendung eines einzigen Transistors) der Wert der Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung eingestellt werden.In addition, the rectifier circuit comprises a control unit which is set up to determine a target voltage value of the output voltage between the output junction points (e.g. as a charging voltage for an energy store). Furthermore, the control unit can be set up during a sequence of periods of the AC voltage, the first switching element in each case at a half-wave of the AC voltage or in a period of a period in which or in which the first diode is in a blocking state, for one Open time period, the time period depending on the target voltage value. In other words, by setting the off period, the target voltage value can be set. The value of the output voltage of a rectifier circuit can thus be set in an efficient manner (in particular by using a single transistor).
Die Gleichrichterschaltung kann einen dritten Kondensator umfassen, der (direkt) mit dem ersten Ausgangs-Brückenpunkt des Brückengleichrichters gekoppelt ist, und einen vierten Kondensator umfassen, der (direkt) mit dem zweiten Ausgangs-Brückenpunkt des Brückengleichrichters gekoppelt ist. Des Weiteren kann die Gleichrichterschaltung ein zweites Schaltelement (z.B. einen zweiten MOS Transistor) umfassen, das eine parallel zu dem zweiten Schaltelement angeordnete zweite Diode (z.B. eine Body-Diode) aufweist.The rectifier circuit may include a third capacitor (directly) coupled to the first output bridge point of the bridge rectifier and a fourth capacitor (directly) coupled to the second output bridge point of the bridge rectifier. Furthermore, the rectifier circuit can comprise a second switching element (e.g. a second MOS transistor) which has a second diode (e.g. a body diode) arranged in parallel with the second switching element.
Mit anderen Worten, die Gleichrichterschaltung kann mehrere Module von hintereinander angeordneten Paaren von Kondensatoren umfassen, die (direkt) zwischen dem ersten Ausgangs-Brückenpunkt und dem zweiten Ausgangs-Brückenpunkt angeordnet sind und die über den Mittelpunkt zwischen den beiden Kondensatoren jeweils über (genau) ein Schaltelement (direkt) mit dem ersten Eingangs-Brückenpunkt gekoppelt oder davon entkoppelt werden können.In other words, the rectifier circuit can comprise a plurality of modules of pairs of capacitors arranged one behind the other, which are arranged (directly) between the first output junction point and the second output junction point and which, via the center point between the two capacitors, each have a (precise) input Switching element (directly) can be coupled to or decoupled from the first input junction point.
Wie bereits oben dargelegt, umfasst die Wechselspannung in einer Periode typischerweise jeweils eine erste Halbwelle und eine zweite Halbwelle. Dabei kann die erste Diode (des ersten Schaltelements) derart angeordnet sein, dass die erste Diode bei einer ersten Halbwelle der Wechselspannung sperrt. Des Weiteren kann die zweite Diode (des zweiten Schaltelements) derart angeordnet sein, dass die zweite Diode bei einer zweiten Halbwelle der Wechselspannung sperrt. Mit anderen Worten, die erste Diode und die zweite Diode können in zueinander entgegengesetzten Richtungen sperrend sein.As already explained above, the AC voltage typically comprises a first half-wave and a second half-wave in one period. The first diode (of the first switching element) can be arranged in such a way that the first diode blocks on a first half-wave of the AC voltage. Furthermore, the second diode (of the second switching element) can be arranged such that the second diode blocks on a second half-wave of the AC voltage. In other words, the first diode and the second diode can be blocking in opposite directions.
In analoger Weise zu dem ersten Schaltelement kann das zweite Schaltelement eingerichtet sein, den dritten Kondensator (direkt) zwischen den ersten Eingangs-Brückenpunkt und den ersten Ausgangs-Brückenpunkt zu schalten (wenn das zweite Schaltelement geschlossen ist und/oder die zweite Diode leitend ist) bzw. von dem ersten Eingangs-Brückenpunkt zu entkoppeln (wenn das zweite Schaltelement geöffnet ist und die zweite Diode sperrend ist). Des Weiteren kann das zweite Schaltelement eingerichtet sein, den vierten Kondensator (direkt) zwischen den ersten Eingangs-Brückenpunkt und den zweiten Ausgangs-Brückenpunkt zu schalten (wenn das zweite Schaltelement geschlossen ist und/oder die zweite Diode leitend ist) bzw. von dem ersten Eingangs-Brückenpunkt zu entkoppeln (wenn das zweite Schaltelement geöffnet ist und die zweite Diode sperrend ist).Analogously to the first switching element, the second switching element can be set up to switch the third capacitor (directly) between the first input junction point and the first output junction point (if the second switching element is closed and / or the second diode is conductive) or to decouple from the first input bridge point (when the second switching element is open and the second diode is blocking). Furthermore, the second switching element can be set up to switch the fourth capacitor (directly) between the first input junction point and the second output junction point (when the second switching element is closed and / or the second diode is conductive) or from the first Decouple the input bridge point (when the second switching element is open and the second diode is blocking).
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das erste Schaltelement für jeweils eine erste Off-Zeitdauer bei einer ersten Halbwelle der Wechselspannung bzw. in einem ersten Zeitraum einer Periode zu öffnen (typischerweise wiederholt für jede Periode einer Sequenz von Perioden der Wechselspannung). Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, das zweite Schaltelement jeweils für eine zweite Off-Zeitdauer bei einer zweiten Halbwelle bzw. in einem zweiten Zeitraum einer Periode zu öffnen (typischerweise wiederholt für jede Periode einer Sequenz von Perioden der Wechselspannung). Dabei können die erste Off-Zeitdauer und die zweite Off-Zeitdauer in Abhängigkeit von dem Zielspannungswert eingestellt werden. Insbesondere können die erste und zweite Off-Zeitdauer derart eingestellt werden, dass die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangs-Brückenpunkten den Zielspannungswert aufweist.The control unit can be set up to switch the first switching element for a first off-time period in each case at a first half-wave of the AC voltage or in a first period of a period to open (typically repeated for each period of a sequence of periods of AC voltage). Furthermore, the control unit can be set up to open the second switching element for a second off-period in a second half-wave or in a second period of a period (typically repeated for each period of a sequence of periods of the AC voltage). The first off time period and the second off time period can be set as a function of the target voltage value. In particular, the first and second off time periods can be set such that the output voltage between the output junction points has the target voltage value.
Durch die Verwendung von mehreren Modulen von hintereinander angeordneten Paaren von Kondensatoren kann die Strombelastung für die einzelnen Kondensatoren und Schaltelemente reduziert werden. Des Weiteren kann der Rippel des Ausgangsspannung reduziert werden. Außerdem kann der Kapazitätswert der einzelnen Kondensatoren reduziert werden.By using several modules of pairs of capacitors arranged one behind the other, the current load for the individual capacitors and switching elements can be reduced. Furthermore, the ripple of the output voltage can be reduced. In addition, the capacitance value of the individual capacitors can be reduced.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Einstellung eines Kapazitätswertes einer Schaltanordnung beschrieben, wobei die Schaltanordnung eine erste Teilschaltung mit einer ersten Kapazität, die einen ersten Kapazitätswert aufweist, und mit einem ersten Schaltelement, das eine parallel zu dem ersten Schaltelement angeordnete erste Diode aufweist, umfasst. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Ziel-Kapazitätswerts der Schaltanordnung. Außerdem umfasst das Verfahren, während einer Sequenz von Perioden einer Wechselspannung, das wiederholte Öffnen des ersten Schaltelements (in jeder Periode) in einem Zeitraum, in dem die erste Diode in einem sperrenden Zustand ist, für eine Off-Zeitdauer, wobei die Off-Zeitdauer von dem Ziel-Kapazitätswert abhängt.According to a further aspect, a method for setting a capacitance value of a switching arrangement is described, the switching arrangement comprising a first subcircuit with a first capacitance, which has a first capacitance value, and with a first switching element, which has a first diode arranged in parallel with the first switching element, includes. The method comprises determining a target capacitance value of the switching arrangement. In addition, during a sequence of periods of an alternating voltage, the method comprises repeatedly opening the first switching element (in each period) in a period in which the first diode is in a blocking state for an off period, the off period depends on the target capacity value.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Straßenkraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Schaltanordnung umfasst.According to a further aspect, a road motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the switching arrangement described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a software (SW) program is described. The SW program can be set up to be executed on a processor (e.g. on a control device of a vehicle) and thereby to carry out the method described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a storage medium is described. The storage medium can comprise a software program which is set up to be executed on a processor and thereby to carry out the method described in this document.
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. Des Weiteren 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 noted that the methods, devices and systems described in this document can be used both alone and in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspect of the methods, devices and systems described in this document can be combined with one another in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in a variety of ways.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems zum Laden des Energiespeichers eines Fahrzeugs; -
2 ein beispielhaftes resonantes induktives Ladesystem; -
3 eine beispielhafte Gleichrichterschaltung; -
4a eine beispielhafte Schaltanordnung für eine einstellbare Kapazität; -
4b und4c beispielhafte Ströme und Spannungen an einer einstellbaren Kapazität; -
5a eine weitere beispielhafte Schaltanordnung für eine einstellbare Kapazität; -
5b beispielhafte Ströme und Spannungen an einer einstellbaren Kapazität; -
6a ,6b beispielhafte Schaltungen zur Anhebung einer Spannung; und -
7 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Einstellung des Kapazitätswertes einer Schaltanordnung mit einer einstellbaren Kapazität.
-
1 exemplary components of an inductive charging system for charging the energy store of a vehicle; -
2nd an exemplary resonant inductive charging system; -
3rd an exemplary rectifier circuit; -
4a an exemplary switching arrangement for an adjustable capacitance; -
4b and4c exemplary currents and voltages on an adjustable capacitance; -
5a another exemplary switching arrangement for an adjustable capacitance; -
5b exemplary currents and voltages on an adjustable capacitance; -
6a ,6b exemplary voltage boost circuits; and -
7 a flow chart of an exemplary method for setting the capacitance value of a switching arrangement with an adjustable capacitance.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer kosteneffizienten Kapazität mit einem flexibel einstellbaren Kapazitätswert. Eine derartige einstellbare Kapazität kann z.B. im Rahmen eines induktiven Ladesystem verwendet werden.As stated at the beginning, the present document deals with the provision of a cost-efficient capacity with a flexibly adjustable capacity value. Such an adjustable capacity can e.g. can be used as part of an inductive charging system.
In analoger Weise umfasst die Sekundäreinheit
Das induktive Ladesystem
Die Spannungsdopplerschaltung umfasst einen ersten Kondensator
Die Sekundäreinheit
Wie in
Die Steuereinheit
Die in den
Wie in Zusammenhang mit
Das in
Das Verfahren
Außerdem umfasst das Verfahren
Die Off-Zeitdauer kann von dem Ziel-Kapazitätswert abhängen. Insbesondere kann die Off-Zeitdauer eingestellt werden, um einen bestimmten Ziel-Kapazitätswert der Schaltanordnung
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 restricted to the exemplary embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are only intended to illustrate the principle of the proposed methods, devices and systems.
Claims (18)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE102018129315.1A DE102018129315A1 (en) | 2018-11-21 | 2018-11-21 | Switching arrangement with adjustable capacity |
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| DE102018129315.1A DE102018129315A1 (en) | 2018-11-21 | 2018-11-21 | Switching arrangement with adjustable capacity |
Publications (1)
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ID=70545620
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