УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ИНДУКТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR INDUCTIVE TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER AND METHOD FOR INDUCTIVE TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER

Настоящее изобретение относится к устройству для индуктивной передачи электрической энергии, имеющему по меньшей мере одну индуктивную катушку, соединенную/соединяемую с потребителем и/или с аккумуляторной батареей, и устройство связи, имеющее по меньшей мере один управляющий блок и предназначенное для модуляции нагрузки индуктивной катушки.
Изобретение относится далее к способу управления работой вышеуказанного устройства.
Уровень техники
Устройства для индуктивной передачи электрической энергии в принципе известны из уровня техники. Обычно они имеют первичную сторону, на которой вырабатывается передаваемая энергия и с которой она передается, а также вторичную сторону, на которой принимается и обрабатывается переданная энергия. Для индуктивной передачи энергии вторичная и первичная стороны имеют при этом по индуктивной катушке. Индуктивная катушка вторичной стороны возбуждается индуктивной катушкой первичной стороны и таким путем передает в систему вторичной стороны энергию, которая подводится, например, к потребителю или к аккумуляторной батарее. Предусмотренное на вторичной стороне устройство связи позволяет при этом передавать информацию от вторичной стороны к первичной стороне, например, с тем, чтобы до начала проведения процесса заряда батареи проверить возможность его проведения, поскольку, например, речь идет о модели соответствующего исполнения, которая надежно взаимодействует с зарядным устройством, соответственно, с первичной стороной. Известные устройства связи работают по так называемому методу модуляции нагрузки, при этом обмен данными обычно необходим для регулирования передачи энергии. При использовании метода модуляции нагрузки модулируется нагрузка индуктивной катушки на вторичной стороне. Происходящие в результате этого изменения нагрузки индуктивной катушки на вторичной стороне могут регистрироваться на первичной стороне и обрабатываться соответствующим блоком обработки. Подобные методы используются, например, в системах радиочастотной идентификации (RFID, от англ. "radio-frequency identification"). В отличие от RFID-систем, в которых передается скорее низкая мощность, передаваемая мощность/энергия в системах индуктивной передачи энергии существенно выше. Тем самым при модуляции нагрузки следует учитывать значительное рассеяние мощности на устройстве связи на вторичной стороне. Такая рассеиваемая мощность снижает коэффициент полезного действия всей системы и способствует заметному нагреву, прежде всего батареи на вторичной стороне. Данный фактор может стать критическим в том случае, когда достигается, соответственно превышается заданная максимальная температура нагрева батареи.
Краткое изложение сущности изобретения
Предлагаемое в изобретении устройство отличается тем, что устройство связи имеет преобразователь постоянного напряжения, выход которого соединен/выполнен соединяемым с потребителем/батареей и вход которого соединен с индуктивной катушкой, для модуляции нагрузки которой управляющий блок при этом управляет преобразователем постоянного напряжения. Согласно изобретению, таким образом, необходимая для модуляции нагрузки энергия не превращается, как ранее, например, в тепло из-за наличия электрического сопротивления, а подводится к батарее или потребителю. Таким путем эффективно и явно снижаются потери мощности по сравнению с известными из уровня техники устройствами. Хотя тем самым в процессе обмена данными, соответственно связи энергия и передается от первичной стороны на индуктивную катушку, тем не менее такая энергия не превращается в тепло, а используется прежде всего для заряда батареи и/или для снабжения потребителя, в результате чего обеспечивается своего рода рециркуляция энергии. Помимо этого батарея защищается от нагрева до критических температур.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения к выходу преобразователя постоянного напряжения подключен по меньшей мере один первый переключательный элемент. При приведении в действие этого первого переключательного элемента преимущественно размыкается соединение с батареей или потребителем. Благодаря этому передаваемую энергию можно эффективно использовать для обмена данными, соответственно связи.
В еще одном предпочтительном варианте между первым переключательным элементом и преобразователем постоянного напряжения предусмотрен по меньшей мере один конденсатор. Такой конденсатор может использоваться для промежуточного накопления энергии, отдаваемой преобразователем постоянного напряжения в процессе обмена данными, соответственно связи. В предпочтительном варианте первый переключательный элемент замыкается управляющим блоком, когда приложенное к конденсатору напряжение становится выше задаваемого значения, прежде всего становится выше напряжения батареи, с целью обеспечить тем самым возможность энергообмена между конденсатором и батареей в направлении нее.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения с батареей функционально связан второй переключательный элемент, который служит для соединения батареи с "массой" и/или для отсоединения батареи от "массы". В предпочтительном варианте такой второй переключательный элемент размыкается управляющими блоками, когда необходимо прервать процесс заряда батареи, соответственно прервать электроснабжение потребителя. В противном случае зарядный ток, соответственно ток потребителя отрицательно влияли бы на модуляцию нагрузки, из-за чего при определенных обстоятельствах могло бы затрудниться, соответственно стало бы невозможным обнаружение процесса обмена данными на первичной стороне. Поэтому в особенно предпочтительном варианте управляющий блок в то время, когда он управляет преобразователем постоянного напряжения для модуляции нагрузки, размыкает второй переключательный элемент. Благодаря этому в любой момент обеспечивается успешный обмен данными. Второй переключательный элемент целесообразно размыкать и в том случае, когда не должен происходить или не должен продолжаться заряд батареи, например, когда она достигла своей максимальной зарядной емкости либо превышена предельно допустимая температура.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения между первым переключательным элементом и батареей предусмотрен безынерционный диод (нулевой вентиль), который предотвращает нежелательный разряд батареи и/или расположенного, соответственно включенного в цепь между ней и индуктивной катушкой конденсатора. Такой безынерционный диод включен в цепь между индуктивной катушкой и батареей таким образом, что он допускает прохождение тока в направлении батареи и тем самым простым путем предотвращает обратный поток энергии.
В особенно предпочтительном варианте преобразователь постоянного напряжения выполнен в виде разделительного преобразователя или инверсного (обратного) преобразователя. В отличие от инверсного преобразователя разделительный преобразователь может иметь гальваническую развязку.
В еще одном предпочтительном варианте с разделительным преобразователем функционально связан третий переключательный элемент, который благодаря постоянно заданным моментам его переключения делает излишней регистрацию тока катушки разделительного преобразователя на стороне входа. Управляющий блок управляет преобразователем постоянного напряжения на основании задаваемой битовой последовательности, которая для модуляции нагрузки преобразуется в соответствующие моменты переключения третьего переключательного элемента. Момент подключения разделительного преобразователя в предпочтительном варианте задается устройством связи, соответственно управляющим блоком и длиной битовой последовательности передаваемой информации.
Предлагаемый в изобретении способ управления работой устройства для индуктивной передачи электрической энергии, прежде всего в соответствии с одним из описанных выше вариантов его выполнения, отличается тем, что устройство связи имеет преобразователь постоянного напряжения, выход которого соединяют с потребителем/батареей и вход которого соединяют с индуктивной катушкой, для модуляции нагрузки которой управляющий блок при этом управляет преобразователем постоянного напряжения.
Другие предпочтительные стадии осуществления предлагаемого в изобретении способа вытекают из уже сказанного выше в описании предлагаемого в изобретении устройства.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - выполненное по первому варианту устройство для индуктивной передачи электрической энергии и
на фиг. 2 - выполненное по альтернативному варианту устройство для индуктивной передачи электрической энергии.
На фиг. 1 в упрощенном виде показано устройство 1 для индуктивной передачи электрической энергии. Такое устройство 1 имеет индуктивную катушку 2, которая в качестве вторичной катушки служит для приема энергии, передаваемой первичной катушкой 3. К выводам индуктивной катушки 2 подключены два безынерционных диода 4 и 5. Далее выводы индуктивной катушки 2 сходятся в узловой точке 6. К узловой точке 6 подключена линия 7, соединенная с выводом аккумуляторной батареи 8. От выводов индуктивной катушки 2 ответвляются, кроме того, две линии, в каждой из которых предусмотрено по диоду 9, 10 и которые за ними объединяются в одну линию, ведущую ко входу преобразователя 11 постоянного напряжения. Преобразователем 11 постоянного напряжения управляет управляющий блок 12. На выходе преобразователя постоянного напряжения предусмотрен первый переключательный элемент 13, которым также управляет управляющий блок 12, соответственно который приводится им в действие. Между переключательным элементом 13 и преобразователем 11 постоянного напряжения включен далее конденсатор 14. Через диод 15 переключательный элемент 13 вновь соединен с линией 7 в узловой точке 16. К линии 7 на ее участке между узловой точкой 6 и узловой точкой 16 подключен еще один конденсатор 17. Помимо этого для другого вывода аккумуляторной батареи 8 предусмотрен еще один переключательный элемент 18, которым батарея, преимущественно по мере необходимости, соединяется с "массой". Дополнительно может быть предусмотрен обозначенный штриховыми линиями потребитель 19, подключенный к батарее либо предусмотренный вместо нее.
В то время как индуктивная катушка 3 образует часть не показанной в остальном первичной стороны I системы передачи энергии, устройство 1 образует ее вторичную сторону II.
При работе, т.е. в процессе передачи энергии, происходит обмен данными между первичной стороной I и вторичной стороной II. Такой обмен данными обеспечивает устройство 20 связи, которое образуют в основном управляющий блок 12 и преобразователь 11 постоянного напряжения. Управляющий блок 12 управляет преобразователем 11 постоянного напряжения путем задания битовой комбинации таким образом, что он модулирует нагрузку индуктивной катушки 2. Такая модуляция нагрузки может регистрироваться и обрабатываться на первичной стороне I соответствующим, не показанным на чертеже блоком обработки. Таким путем на первичную сторону I можно, например, передавать информацию о состоянии заряженности батареи 8. При обмене данными, соответственно при модуляции нагрузки переключательный элемент 18 в предпочтительном варианте размыкают с целью воспрепятствовать заряду батареи 8, соответственно воспрепятствовать электроснабжению потребителя 19 во избежание влияния зарядного тока или тока потребителя на модуляцию нагрузки. Переключательный элемент 18 в предпочтительном варианте размыкают и в том случае, когда не должен происходить дальнейший заряд батареи 8, поскольку, например, она достигла своей максимальной зарядной емкости либо достигнута критическая температура.
Преобразователь 11 постоянного напряжения при этом нагружает через диоды 9 и 10 вторичную обмотку трансформатора, т.е. индуктивную катушку 2.
При замкнутом переключательном элементе 13 заряжается конденсатор 17, а также, когда переключательный элемент 18 также замкнут, заряжается батарея 8. Диод 15 предотвращает разряд батареи 8 или конденсатора 17 при замкнутом переключательном элементе 13 на конденсатор 14 или на преобразователь 11 постоянного напряжения. В особенно предпочтительном варианте управление переключательным элементом 13 осуществляется в зависимости от напряжения, приложенного к конденсатору 14. При превышении этим напряжением, например, напряжения батареи 8 переключательный элемент 13 замыкается, в результате чего начинает происходить обмен энергией между конденсатором 14 и батареей 8. Однако возможно также циклическое управление переключательным элементом 13.
На фиг. 2 показано выполненное по альтернативному варианту устройство 1, при этом уже рассмотренные выше при описании фиг. 1 элементы снабжены теми же ссылочными обозначениями, в связи с чем в отношении них можно сослаться на предыдущее описание.
В показанном на фиг. 2 варианте преобразователь постоянного напряжения выполнен в виде разделительного преобразователя 21, т.е. трансформатора с гальванической развязкой. Такой трансформатор имеет расположенную со стороны входа катушку 22 и расположенную со стороны выхода катушку 23, первая из которых связана с индуктивной катушкой 2, а вторая - с батареей 8, соответственно с потребителем 19. Перед расположенной со стороны входа катушкой 22 предусмотрен переключательный элемент 24. Благодаря постоянно заданным моментам переключения переключательного элемента 24 отпадает необходимость в регистрации тока катушки разделительного преобразователя на стороне входа. Момент переключения переключательного элемента в предпочтительном варианте задается устройством 20 связи, прежде всего управляющим блоком 12, путем задания требуемой длины битовой последовательности. Разделительные преобразователи (преобразователи с запирающим диодом) в принципе известны и поэтому не требуют их более детального рассмотрения. Альтернативно выполнению в виде разделительного преобразователя может быть также предусмотрен преобразователь с переключаемыми конденсаторами (инверсный или обратный преобразователь) без гальванической развязки.