具有谐振变换器的电路布置和用于运行谐振变换器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有谐振变换器的电路布置以及用于运行谐振变换器的方法。
【背景技术】
[0002]谐振变换器是一种直流电压变换器，其利用振荡回路工作并且将直流电压转换成单相或者多相交流电压。如果在谐振变换器的输出端不进行整流，那么其也被称为逆变器。
[0003]逆变器的简单构造形式例如由US 2 783 384 A所公开，该逆变器相应以一对晶体管作为开关件工作。
[0004]由DE 10 2008 027 126 Al公开了一种用于运行具有至少两个电子开关的振荡回路的方法。在断开开关期间或者断开开关后经过该开关的电流达到或者超过预设的阈值时，应该断开在谐振变换器内部形成的振荡回路。谐振变换器用于在功率部分(发电机)和与之电隔离的消耗部分之间借助于变压器进行功率传输，其中，功率部分和消耗部分能够是家用设备系统的一部分。在DE 10 2008 027 126 Al中公开了一种咖啡机作为实例。
[0005]由EP O 820 653 BI公开了一种具有感应地耦合装置的牵引电池充电系统。在此，充电能量作为在1kHz至200kHz范围中的交流电从充电站传输到电动车辆上并且在电动车辆中进行整流。牵引电池充电系统应该尤其适用于车辆，其配备有电池能量管理系统(BEMS)。存在于电动车辆中的车内部的电池专用的充电控制模块做出决定并且将有关充电电流的大小和时间点的信号发送给充电站。在EP O 820 653 BI中，充电站在以下意义上被称为通用的，即应该能够连接多种不同的电动车辆。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，不仅特别可靠地运行也经济地运行适用于无线电池充电系统中、尤其适用于电动车辆的谐振变换器。
[0007]根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的包括有谐振变换器的电路布置实现以及通过具有权利要求11所述的特征的用于运行谐振变换器的方法来实现。本发明的优选的设计方案和进一步改进方案是从属权利要求的内容。接下来联系电路布置阐述的设计方案和优点在大体上也适用于该方法，并且反之亦然。
[0008]电路布置包括:设计用于在超谐振的范围内运行的、将能量输送到变压器的初级绕组中的谐振变换器以及为了对其进行驱控而设置的驱控电路，驱控电路具有多个模块，即
[0009]-能以变化的频率运行的频率发生器，
[0010]-设计用于保护谐振变换器的半导体组件的短路监控单元，
[0011]-谐振故障监控单元，以及
[0012]-谐振趋势识别单元。
[0013]在此，谐振趋势识别单元设计用于对谐振变换器的频率进行再调整，从而-一旦可能-对谐振变换器的运行向谐振区域的靠近进行补偿。在此，谐振变换器的频率的所调节的变化被称为“再调整”，其尤其实现对谐振频率的变化做出反应。谐振故障监控单元设计用于在识别到谐振变换器的运行向谐振区域的靠近时断开谐振变换器。当通过再调整频率不能足够地对向谐振区域的靠近进行补偿时，尤其是当谐振变换器过于快速地进入到其谐振区域附近中时，谐振故障监控单元在此尤其仅仅-通过断开谐振变换器-做出行动，以便能够通过再调整来对其进行安全地补偿。
[0014]优选的是，谐振趋势识别单元不仅仅用于对谐振变换器的频率进行再调整，而且此外也用于在-尽管尝试对频率进行再调整-识别到严重地接近谐振频率时，断开谐振变换器。在本发明的该实施方案中，不仅谐振故障监控单元而且谐振趋势识别单元都设计用于在识别到谐振变换器的运行向谐振区域接近时断开谐振变换器。然而，在此谐振故障监控单元的反应速度高于谐振趋势识别单元的反应速度，从而在快速地、跳跃式地接近谐振频率时，在谐振故障识别单元的作用下可靠地断开谐振变换器，而谐振趋势识别单元对缓慢地(时间上缓慢地推进)靠近谐振频率尤其敏感地做出反应。
[0015]本发明从这样的考虑出发，即谐振变换器能够以最经济的方式在其谐振频率附近运行，其中，不应该精确地达到该谐振频率，以避免组件的过载。只要频率可靠地保持谐振频率之上、即在超谐振的区域中，就特别地能够实现谐振变换器的无干扰运行。相反在最不利的情况中，从超谐振区域到亚谐振区域的过渡会导致组件、尤其是功率半导体的损毁。
[0016]在用于电动车辆的无线电池充电系统中的谐振变换器的应用中，能量能从位置固定的充电站借助于变压器传输至电动车辆，该变压器的初级侧位于充电站中并且其次级侧位于车辆中。变压器的传输性能基本上取决于车辆相对于充电站的布置。通常相对于充电站存在车辆的唯一的理想定位，在定位时给出在充电站和车辆之间的理想能量传递并且同时给出电池充电系统的安全运行。该理想定位的每个通常在变压器的初级侧和次级侧之间完全地掩盖时存在的偏差都会改变传输性能。同样，传输性能的变化也能够由侵入到变压器的初级侧和次级侧之间的气隙中的材料造成。在此，传输性能的变化意味着尤其是谐振频率的移动，该谐振频率通过形成振荡回路的一个组件的变压器的主电感和漏电感来确定。此外，在较小的范围中，谐振频率的移动也由于温度的变化或者由于组件的老化而出现。
[0017]因此，总体上给出了对电池充电系统的电性能的大量可能影响，其位置固定的部分中的初级电压借助于谐振变换器来生成，该谐振变换器例如通过半桥或者全桥运行，其中，具有电压或电流强度的至少近似正弦的曲线的电流与通过功率电子元件激发的振荡回路并联地退親。
[0018]根据本发明，所有的所谓影响在谐振变换器的实际运行中、特别是在电池充电系统的内部通过多级的安全概念来管理，其包括不同的组件，即尤其是谐振故障监控单元和谐振趋势识别单元，二者在其敏感度上进行区分。在此，谐振趋势识别单元及时地在达到安全技术上的临界状态之前对谐振变换器的频率进行再调整，从而能够在许多情况中避免断开谐振变换器。只有在通过再调整不能避免向谐振区域的严重靠近时，例如因为谐振频率过快和/或过强地变化时，谐振变换器才被断开。在这些情况中，优选冗余的、已经对向边界状态发展的趋势做出反应的谐振变换器的保护装置通过谐振故障识别单元和通过谐振趋势识别单元自身在具有不精确地确定的几何形状的、如其在对电动车辆进行充电时可能出现的那样的配置中实现谐振变换器在超谐振区域中的特别经济的运行，其中，尽管没有精确预定运行条件，而仅仅保持了到谐振频率的较小的安全间距。
[0019]谐振变换器优选在使用为了对其进行驱控而设置的控制器的情况下在超谐振区域中运行，其中，向谐振频率的靠近借助于与控制器共同作用的两个模块、即谐振故障监控模块以及谐振趋势识别模块来监控，二者以不同的反应速度识别谐振变换器的运行向谐振区域的靠近。
[0020]尤其在控制器的非同步性方面相关于谐振变换器的功率电子桥接的工作频率以及相关于控制器的功能失误的可能性来确保两个分别能够对谐振变换器的断开产生影响的所述的模块的独立性。用于识别谐振变换器的次谐振运行的特殊的、昂贵的传感器系统由于其在超谐振区域中的多重保险而不是必要的，并且因此优选地也没有设置。
[0021]谐振故障监控单元在优选的设计方案中包括比较器和连接在比较器下游的两个触发器，其中，比较器对在谐振变换器中流动的电流与开关阈值进行比较。在此，触发器中的一个构造为D触发器并且另一个触发器构造为RS触发器。D触发器在此以优选的方式直接与比较器的输出端连接，而RS触发器与D触发器连接。优选地，比较器的开关阈值是能设定的。
[0022]谐振趋势识别单元以优选的方式包括两个逆相驱控的、级联的(也就是串联的)取样和保持电路。在此优选地，第二(连接在下游的)取样和保持电路的输出端位于控制器的数模转换器的输入端上。为了对频率进行再调整，优选地在控制器中执行调节算法、尤其是以PI调节器的形式，为控制器提供作为调节参量(实际值)的第二取样和保持电路的输出信号。
[0023]在该方法的优选的改进方案中，在至少通过模块谐振故障监控单元和谐振趋势识别单元中的一个触发谐振变换器断开之后，谐振变换器以提高的频率自动地再次进入到运行状态。在谐振变换器自动地再次进入到运行状态中之后，优选地逐步地减小谐振变换器运行所用的频率。
[0024]本发明的优点尤其在于，谐振变换器能够可靠地在超谐振区域中、但是接近其谐振频率地运行，其中设置有对不可靠地接近谐振区域的多重保护措施。为此目的而存在不同的模块、即谐振故障监控单元和谐振趋势识别单元，二者在偏离于确定的运行时首先对频率进行再调整(调整地升高或者降低)以及在再调整失效时断开谐振变换器。优选的是，多个模块在断开谐振变换器方面冗余地、但是以不同的惯性做出反应，从而能够持续测量地对谐振频率的不仅缓慢的还有快速的变化做出反应。
【附图说明】