一種操作三相初級繞組結構的方法和初級單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種操作用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的三相初級繞組結構(6)的方法，其中，所述初級繞組結構(6)包括第一相位線(P1)、第二相位線(P2)和第三相位線(P3)，其中，在標準工作模式中，第一相位輸入電壓(U1)、第二相位輸入電壓(U2)和第三相位輸入電壓(U3)被控制為使得提供所有三個相位輸入電壓(U1、U2、U3)之間的預定相移，并且其中，在經修改的工作模式中，所述第一相位輸入電壓(U1)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)被控制為使得相移值的集合包括至多兩個非零的值并且所有非零的相移值是相同的。此外，本發(fā)明涉及用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的初級單元。
【專利說明】
一種操作三相初級繞組結構的方法和初級單元
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及操作用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的三相繞組結構的方法和用于感應功率傳輸?shù)乃鱿到y(tǒng)的初級單元。
【背景技術】
[0002]車輛，尤其是電動車輛和/或軌道車輛和公路汽車，可以由通過感應功率傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)碾娔軄聿僮鳌?br>[0003]感應功率傳輸通常是使用初級單元和次級單元來執(zhí)行的，所述初級單元生成交變電磁場，所述次級單元包括用于接收所述電磁場的接收設備。
[0004]初級單元和次級單元可以例如每者包括三相繞組集合。初級單元的繞組集合可以安裝在地面(初級繞組結構)上，并可以由路邊功率轉換器(WPC)提供饋送。次級單元的繞組集合(次級繞組結構)安裝在車輛上。例如，次級繞組結構可以附著在車輛下，在電車的情形下在其某些車廂的下面。
[0005]此外，這樣的車輛可以包括被適于將交流電(AC)轉換為直流電(DC)的整流器。DC可用于對牽引電池充電或者操作電動機器。整流器將接收設備提供的AC轉換為DC。
[0006]第一和次級側(特別是初級和次級繞組結構)可以是高頻變壓器中將功率能源傳輸?shù)杰囕v的一部分。此傳輸可以在靜止狀態(tài)(當車輛沒有運動時)中和在動態(tài)狀態(tài)(當車輛移動時)中進行。
[0007]為了提供高效的感應功率傳輸，期望有經調諧的感應功率傳輸系統(tǒng)。這意味著初級和次級繞組結構的諧振頻率同預定的操作頻率相匹配，其中諧振頻率取決于這些繞組結構的電容和電感元件。在經調諧的系統(tǒng)中，可以達到最大的功率傳輸效率。
[0008]前述的諧振頻率取決于初級和次級繞組結構之間的互耦。由于互耦取決于初級繞組結構相對于次級繞組結構的對齊，該對齊將對功率傳輸效率有影響。特別是在未對齊的情況下，功率傳輸效率降低。
[0009]此外，如果功率需要感應地傳輸給汽車，那么期望初級單元具有小尺寸。然而在這種情況下，即使細微的未對齊也將會導致功率傳輸效率明顯降低。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種操作三相初級繞組結構的方法和初級單元，三相初級繞組結構和初級單元允許可靠且快速地補償降低的功率傳輸效率，特別是在初級繞組結構和二次繞組結構之間未對齊的情況下。
[0011]本發(fā)明的基本思想是改變三相初級繞組結構的標準操作，使得在用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)內，預定的操作標準(特別是與傳輸?shù)墓β视嘘P的標準)、電壓參數(shù)或電流參數(shù)得以滿足，其中，標準操作是通過關閉三個相位輸入電壓中的一個或通過改變相位輸入電壓的至少一個的相位角來修改的。
[0012]本文提出了一種操作用于向車輛進行感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的三相繞組結構的方法。
[0013]本發(fā)明可以應用于任何陸上車輛(包括但不是優(yōu)選地，只是暫時在陸上的任何車輛)特別是諸如有軌車輛(如有軌電車)的軌道車輛，但是也可以應用于公路汽車，諸如個人(私人)客運汽車或公共交通工具(如公共汽車包括無軌電車，其也是有軌車輛)。
[0014]感應功率傳輸系統(tǒng)可以以特別是在從20千赫到300千赫的范圍內的預定的操作頻率操作。然而，這并不排除選擇較高或較低的操作頻率。操作頻率可以取決于將由感應功率傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)钠谕?最大的)功率來選擇。要被傳輸?shù)钠谕墓β士梢岳绫贿x擇為高達500千瓦。期望的功率可以對應于在次級單元的輸出處提供的功率，例如，提供給次級側電池的功率。
[0015]初級繞組結構包括第一相位線、第二相位線和第三相位線。相位線的幾何設計和幾何布局可以根據(jù)已規(guī)劃的應用的需求來選擇。
[0016]優(yōu)選地，每一相位線都可以被設計成使得相位線的路線提供被設置成彼此相鄰的多個子繞組。在這樣的背景下，子繞組指示優(yōu)選地完整的導體回路，該導體回路環(huán)繞一預定區(qū)域。導體回路可以提供或包括相應子繞組的一匝或多匝。彼此相鄰意味著所述子繞組的中心軸(特別是對稱軸)沿著共同的直線彼此間隔例如預定的距離。直線可以與相位線的延伸方向相對應。每一相位線可以提供偶數(shù)個或奇數(shù)個所述子繞組。子繞組可以具有長方形的形狀。然而，子繞組也可能具有另一幾何形狀，例如，圓形的幾何形狀。
[0017]鄰近的(即相鄰的)子繞組可以是相反取向的。在這種背景下，相反取向意味著第一子繞組中的電流為順時針取向的，其中鄰近的第二子繞組中的電流流動為逆時針取向的。順時針方向可以相對于指向相同方向的平行的中心軸來定義。如果電流流過子繞組的集合，則鄰近的子繞組將生成大小與其匝數(shù)成比例的磁場，特別是幅度相同但方向相反的磁場。
[0018]初級繞組結構的相位線的這種設計在在GB1306403.5(尚未出版)中提出。
[0019]此外，相位線可以被設計成使得預定數(shù)量的磁極被提供。參照相位線的前述設計，每個子繞組可以提供相位線的一個極。
[0020]相位線還可以被布置為彼此相距預定距離，使得當操作初級繞組結構時生成電磁場的期望路線。特別而言，相位線可以被布置有一距離，該距離對應于由相位線提供的極間距的寬度的2/3。如果相位線包括2個或更多個子繞組，那么第一相位線的第一子繞組的中心軸可以被布置成沿延伸方向(例如共同的延伸方向)與第二相位線的第一子繞組的中心軸相距預定距離，其中，所述第二相位線的所述中心軸可以被布置成沿延伸方向與第三相位線的第一子繞組的中心軸相距預定距離。
[0021]另外，每條相位線可以被設計成使得提供期望的極間距。
[0022]優(yōu)選地，相位線的路線是8字形。這意味著相位線包括根據(jù)前述實施例被布置成沿延伸方向彼此相鄰的兩個子繞組。
[0023]至少一條相位線的這種設計有益地降低對于初級繞組結構期望的安裝空間。這繼而允許更加緊湊地設計初級單元。初級單元可以例如包括或被設計為充電板，其中所述充電板可以集成到地面或安裝在地面上的表面(架高的充電板)上。相位線可以被集成到初級單元。
[0024]在標準工作模式中，第一相位輸入電壓、第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓被控制使得提供所有三個相位輸入電壓之間的預定的相移。相位輸入電壓指示跨越相應的相位線的輸入端子與參考電位例如接地電位而降下的電壓。相移可以是根據(jù)所有三個相位輸入電壓之間的相位角來表不的。
[0025]特別地，第一相位輸入電壓和第二相位輸入電壓之間的相移可以是120°的相位角。相應地，第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓之間的相移可以是120°的相位角。因此，第一相位輸入電壓和第三相位輸入電壓之間的相移是240°的相位角。因此，在標準工作模式中，非零的相移值的集合包括兩個不同的非零相移值，例如120°和240°。
[0026]換言之，第一相位輸入電壓和第二相位輸入電壓之間的第一差異電壓(特別是該差異電壓的時間進程)是與第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓之間的第二差異電壓不同的，該第二差異電壓又不同于第一相位輸入電壓和第三相位輸入電壓之間的第三差異電壓。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，在經修改的工作模式中，第一相位輸入電壓、第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓被控制為使得相移值的集合包括至多兩個非零的值并且所有非零的相移值是相同的。
[0028]現(xiàn)有的相位輸入電壓之間的相移值的集合可以僅包括一個非零的值。這例如意味著現(xiàn)有的相移值的數(shù)目降低至一個。
[0029]替代地，現(xiàn)有的相位輸入電壓之間的相移值的集合可以包括兩個非零的值，其中，這些值是相同的。在這種情況下，剩余的相移值可以為零。這意味著相移值的集合內的不同的非零的相移值的數(shù)目減少。在這種情況下，沒有彼此不同的非零的相移值。
[0030]這意味著，相位輸入電壓之間的所有相移的值或等于特定的非零的值或等于零。
[0031]換句話說，現(xiàn)有的相位差電壓中只有一個或兩個是非零的。在第一替代方案中，在經修改的工作模式內的相位之間的差異電壓僅有一個是非零的。這尤其適用于在關閉三條相位線中的一條并因此存在僅一個相差電壓的情況下。替代地，所有三條相位線都被提供了對應的相位輸入電壓，其中，三個差異電壓中的兩個是相同的，且這些差異電壓中的一個是零。這尤其適用于在其中三個相位輸入電壓中的兩個的相位輸入電壓的電壓過程相同的情況。
[0032]經修改的工作模式可以例如是取決于初級繞組結構對次級繞組結構的幾何對齊而激活的。這將在后面解釋。
[0033]如由本發(fā)明提出地修改工作模式有益地允許滿足所期望的功率傳輸準則，特別是在初級和次級繞組結構之間存在未對齊的情況下。
[0034]可以假設，存在初級繞組結構和次級繞組結構之間的參考相對位置和/或取向，其中，在標準工作模式中，如果初級繞組結構和次級繞組結構是用該參考相對位置和/或取向來布置的，那么以特定的操作頻率例如20kHz來調諧初級系統(tǒng)。
[0035]在此背景中，調諧可以意味著不需要或不抽取來自路邊功率供給(例如WPC)無功功率。在本發(fā)明的此背景中，WPC可以指示也可以稱為初級側逆變器的逆變器。在特定的情形中，調諧意味著每條相位線的相電流和相電壓在至少相位輸入電壓/電流的一次諧振頻率處是同相的。換言之，操作頻率匹配于與相應的相位線的輸入端子連接的電子電路的諧振頻率。所述電子電路不僅包括初級側元件，還包括轉移到初級側的次級側元件。
[0036]如果初級繞組結構和次級繞組結構是用相關的參考位置和/或取向來布置的，那么初級單元和次級單元是對齊的。
[0037]初級繞組結構和次級繞組結構之間的對齊可以例如相是對于初級側參考點和次級側參考點來表示的。初級側參考點可以例如是多條相位線中的一條(例如第一相位線)的幾何中心。特別地，參考點可以是第一相位線的第一子繞組的幾何中心。
[0038]次級側參考點可以是次級繞組結構的相位線(例如第一相位線的)的幾何中心。特別地，參考點可以是次級繞組結構的第一相位線的第一子繞組的中心點。
[0039]對齊可以隨后是相對于初級側坐標系來表示的，其中，縱向軸可以對應于初級繞組結構的擴展的方向，垂直軸可以被取向為與在其中布置初級繞組結構的平面表面垂直的方向。橫向軸可以隨后垂直于縱向軸和垂直軸。
[0040]初級側坐標系的原點可以例如位于初級側參考點處。相對于這種初級側坐標系，可以表示初級繞組結構和次級繞組結構之間的相關的位置和/或取向。
[0041 ]在未對齊(例如，從相關的參考位置和/或取向的偏離)的情形中，由初級側和次級側提供的變壓器將失諧。這繼而將促使功率傳輸性能下降以及(特別是初級側逆變器內)初級側的損耗增加。為了補償功率傳輸性能的降低，需要初級側上的較高電流，這繼而將產生較大的損耗并降低總的功率傳輸效率。
[0042]這種效應尤其適用于具有小幾何維度的初級單元，其中，小的未對齊將導致功率傳輸性能的明顯下降。換言之，具有小維度的初級單元的特征在于關于未對齊的較低容忍。
[0043]例如，在次級繞組結構的(例如，拾取器的)未對齊的情形中，初級繞組結構的較大部分(特別是初級繞組結構的相位線的部分)可能將未由次級繞組結構的部分覆蓋。在本發(fā)明的此背景中，覆蓋意味著初級繞組結構和次級繞組結構在公共的投影平面中交疊，該投影平面可以被取向為垂直于前述的垂直方向的方向。在不完全覆蓋的情形中，注入到初級繞組結構的能量將不會有效地貢獻于感應能量傳輸過程。
[0044]通過在未對齊的情形中激活經修改的工作模式，前述的缺點(特別是功率傳輸性能的下降以及初級繞組結構的較高電流)將有益地得到充分地或者至少部分地補償。
[0045]在另一實施例中，相位輸入電壓的一個降低到零。
[0046]重要地是，三個相位輸入電壓中僅一個降低到零。換言之，三個相位輸入電壓中的一個被關閉。對應的相位線從而不工作。因而，三個相位輸入電壓中僅存在兩個。在這種情形中，相移值的集合包括僅一個值，其中，所述值是非零的值。這有效地提供了虛擬單相系統(tǒng)，其中，在受操作的相位線的輸入端子之間提供虛擬單相位線。如稍后將解釋地，這種虛擬單相系統(tǒng)有益地允許改變跨越虛擬單相位線的輸入端子而下降的電壓的操作頻率，以便例如匹配所述虛擬單相位線的諧振頻率。這繼而降低無功功率并從而增加感應功率傳輸性會K。
[0047]在初級繞組結構和次級繞組結構之間有不期望的降低的氣隙的情況下，將相位輸入電壓中的一個降低至零是特別有效的。對于期望的感應功率傳輸，需要提供具有預定寬度的氣隙，該氣隙還可以作為垂直位移來指示。如果所述氣隙的寬度例如由于車輛的癟胎或重荷而得以降低，那么在感應功率傳輸?shù)那樾沃锌梢栽诖渭壚@組結構內生成額外的電壓。這些額外的電壓可以損害次級側的元件，例如，整流器或電容器。
[0048]通過斷開一條相位線，經傳輸?shù)哪芰康靡越档?。這繼而有益地降低甚或消除次級側上的額外電壓。另一益處在于，對比于標準工作模式，去往初級側上的逆變器的輸入DC電流能夠得以降低。
[0049]在優(yōu)選的實施例中，其余的相位輸入電壓被控制使得非零的相移值是180°。如果例如第二相位線是斷開的，那么第三相位輸入電壓的相位角可以增加60°，這提供了第一和第三相位輸入電壓之間的180°的相移。通過將相移調節(jié)到180°，跨其余的相位線的輸入端子而降下較高的AC電壓。所述AC電壓可以例如應用于初級側上的電流整形濾波器，其生成初級繞組結構中的較高電流。該較高電流有益地增加去往次級側的感應能量傳輸。然而，初級側逆變器的DC輸入電壓未增加。
[0050]在替代實施例中，三個相位輸入電壓中的兩個被控制為使得它們各自的電壓曲線是相同的。這意味著相位輸入電壓的時間進程是相同的。換言之，這兩個(被控制的)相位輸入電壓的中每個與其余的相位輸入電壓之間的相位角是相同的。
[0051]控制相位輸入電壓可以通過控制相位輸入電壓的相位角來進行。這意味著三個相位輸入電壓中的兩個的相位角被控制為使得它們各自的電壓曲線是相同的。
[0052]在此情形中，相移值的集合仍可以包括三個值，其中，一個值是零，其余的兩個值是相同且非零的。
[0053]這種控制還提供虛擬單相系統(tǒng)。如果例如第二和第三相位輸入電壓的電壓曲線是相同的，那么在第一相位線的輸入端子與具有相同電位的第三和第三相位線的輸入端子之間提供虛擬單相位線。如稍后將解釋地，這種虛擬單相系統(tǒng)有益地允許改變跨越虛擬單相位線的輸入端子而下降的電壓的操作頻率，以便例如匹配所述虛擬單相位線的諧振頻率。這繼而降低無功功率并從而增加感應功率傳輸性能。
[0054]控制三個相位輸入電壓中的兩個使得它們各自的電壓曲線是相同的，這可以例如增加相位線內的用于提供初級繞組結構中的完全覆蓋部分的電流，其中，相位線中的用于提供初級繞組結構中的部分暴露的部分的電流將得以降低。通過降低相位線中的用于提供初級繞組結構中的部分暴露的部分的電流，初級側繞組結構中的這些部分內的傳導損耗量將有益地降低。通過相位線中的較高電流提供完全覆蓋的初級側繞組，可接受的未對齊的范圍將得到有益地擴展。
[0055]總而言之，通過激活經修改的工作模式，將經傳輸?shù)哪芰吭谙辔痪€當中劃分，使得提供了最有效的功率傳輸。尤其在初級側繞組結構和次級側繞組結構之間未對齊的情況中，初級側的相位線將被失諧。這是例如由于由未對齊提供的雜散電感的增加。失諧將導致容抗或感抗，其繼而可以帶來相電流和相電壓不再同相的影響。因而，額外的無功功率不必由逆變器提供，并且不可能再有零電流開關或者零電壓開關。在由于未對齊的這種失諧的情況中，無法找到針對相位輸入電壓的公共頻率，該公共頻率將補償失諧影響并提供可以在調諧狀態(tài)中操作的系統(tǒng)。所提出的經修改的工作模式通過創(chuàng)建前述的虛擬單相位線來克服了該問題。
[0056]在優(yōu)選的實施例中，兩個相位輸入電壓中的至少一個的相位角移位+/-60°的倍數(shù)。
[0057]這有益地允許對兩個相位輸入電壓的簡單控制，以便實現(xiàn)相同的電壓曲線。
[0058]也可能的是，控制其余的相位輸入電壓使得非零的相移值取也可以不同于180°的所需值。由于在變壓器的次級繞組結構的端子處提供的電壓(特別是電壓的幅值)取決于相移值，所以所述電壓可以取決于非零的相移值來控制。然而，不同于180°的非零的相移值可以抑制WPC的開關元件的零電流開關。即便沒有無功功率從路邊功率供給中抽取，WPC中的開關損耗仍可以在選擇不同于180°的非零的相移值時發(fā)生。
[0059]在優(yōu)選的實施例中，所有相位輸入電壓中的優(yōu)選地至少一個的頻率是變化的。特別而言，所有剩余的相位輸入電壓的頻率可以以相同的量變化。此外，頻率可以被變化為使得得到的虛擬單相位線的電抗得以降低。這有益地增加了功率傳輸效率。
[0060]在優(yōu)選的實施例中，(其余)(一個或多個)相位輸入電壓的一個頻率/多個頻率針對虛擬單相位線的諧振頻率被調整，其中，在相位輸入電壓的輸入端子之間提供虛擬單相位線，該相位輸入電壓提供了非零的相移值(在當一條相位線斷開時的情形中)或者提供了相同的非零的相移值(在當三個相位輸入電壓中的兩個被控制使得它們各自的電壓曲線是相同的時的情形中)。
[0061]在當相位線中的一條相位線斷開時的情形中，在其余的兩個活動的相位線的輸入端子之間提供虛擬單相位線。
[0062]在當三個相位輸入電壓中的兩個被控制為使得它們各自的電壓曲線是相同的時的情形中，在其余的單相位線的輸入端子與具有相同的電壓曲線從而有共同電位的兩條相位線的輸入端子之間提供虛擬單相位線。
[0063]在這種經調整的頻率的情形中，虛擬單相位線的電抗是零。這意味著任何失諧都可以通過參考頻率調整來補償。因此，失諧的三相系統(tǒng)被轉移到經調諧的單相系統(tǒng)。在經調諧的單相系統(tǒng)內，不必由逆變器提供無功功率。另外，可以提供逆變器內的開關元件的零電壓開關。
[0064]在另一實施例中，相位輸入電壓被控制使得提供了預定的次級輸出功率。次級輸出功率可以指示提供給諸如牽引電池的次級側能量庫的充電功率。所述預定的次級輸出功率可以例如是7.2kW。因此，必須找到確保所需求的次級輸出功率被經常提供的控制場景。
[0065]這甚至在未對齊的情形中有益地保證了感應能量的所需傳輸。
[0066]在另一實施例中，相位輸入電壓被控制使得相位線的每條相位線的電流-電壓-曲線具有非電容性的特征。這有益地阻止初級側逆變器的一條臂中的電容開關，電容開關進而可以生成大的開關損耗。非電容性的開關對于最小化初級側功率設備的額定功率且對于最小化冷卻系統(tǒng)的需求是必要的。
[0067]從而，提供非電容性的電流-電壓曲線有益地克服前述的缺點。
[0068]在另一實施例中，相位輸入電壓被控制使得(特別是初級側逆變器的)初級側最大DC輸入電壓小于或等于預定的閾值。這意味著為提供期望的次級輸出功率所需要的DC輸入電壓的最大限制可以降低。
[0069]在另一實施例中，相位輸入電壓被控制使得相電流被最小化。這有益地降低了相位線內的電阻損耗。
[0070]例如，可能的是，如果經修改的工作模式被激活，相位輸入電壓的經修改的工作模式的不同控制場景隨后被激活預定的時間量。隨后，可以選擇滿足前述的全部或大多數(shù)準則的控制場景。替代地，相位輸入電壓的特征(例如，幅值和相位角)可以被調整成使得前述的一個或多個(優(yōu)選地全部)準則得以滿足。
[0071]在另一實施例中，第一、第二和第三相位輸入電壓是由三相逆變器提供的。逆變器的開關元件的開關狀態(tài)(例如，MOSFET或IGBT)被控制使得提供了期望的第一相位輸入電壓、期望的第二相位輸入電壓和期望的第三相位輸入電壓(特別是所述輸入電壓的期望的時間進程)。逆變器可以是三臂逆變器，其中，每條臂包括連接到高電位的第一開關元件和連接到低電位的第二開關元件。這些臂中的一條臂內的開關元件可以在共同的電位處連接，該共同的電位提供一條相位線的輸入端子的電位。
[0072]在此情形中，經修改的工作模式內的控制場景可以由逆變器的開關元件的開關模式來提供。
[0073]換言之，可以應用滿足前述的準則的開關模式，例如，提供期望的次級輸出功率、避免電容開關以及提供DC輸入電壓的最小范圍。
[0074]在另一實施例中，對第一、第二和第三相位輸入電壓的控制被調整成適于初級繞組結構和次級繞組結構的幾何對齊。這意味著相位輸入電壓的特定控制場景可以取決于幾何對齊來激活。
[0075]例如，可以確定(例如測量)初級和次級繞組結構的相關的位置和/或取向。這可以例如是通過使用至少一個傳感器元件來執(zhí)行的。取決于相關的位置和/或取向，可以例如當繞組結構對齊或未對齊時確定對齊狀態(tài)。當然，也可以量化地確定(未)對齊。相位輸入電壓的充足的控制場景可以取決于對齊狀態(tài)或量化值來激活。
[0076]當然也可以取決于對齊狀態(tài)或確定的相關的位置和/或取向來激活相位輸入電壓的特定控制場景。例如，可以執(zhí)行校準過程，其中，對于特定校準狀態(tài)或相關的位置和/或取向，優(yōu)化的控制場景(例如，開關模式)得以確定。在本領域內，在稍后的時間點處，可以確定校準狀態(tài)或相關的位置和/或取向，并可以在經修改的工作狀態(tài)中激活對應的控制場景。
[0077]進一步提出的是用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的初級單元，其中，初級單元包括具有第一相位線、第二相位線和第三相位線的三相初級繞組結構。初級單元還包括用于控制第一相位輸入電壓、第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓的至少一個控制單元。在標準工作模式中，第一相位輸入電壓、第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓是可控制的，使得提供了所有三個相位輸入電壓之間的預定的相移。在標準工作模式內，不同的非零的相移值的數(shù)量可以是三個。
[0078]根據(jù)本發(fā)明，在經修改的工作模式中，第一相位輸入電壓、第二相位輸入電壓和第三相位輸入電壓是可控制的，使得相移值的集合包括至多兩個非零的值并且所有非零的相移值都是相同的。
[0079]利用所提出的初級單元，可以有益地執(zhí)行先前描述的方法中的一種方法。
[0080]在另一實施例中，初級單元包括三相逆變器，其中，第一、第二和第三相位輸入電壓是能由三相逆變器提供的，其中，所述逆變器的開關元件的開關狀態(tài)是可控的，使得提供了期望的第一相位輸入電壓、期望的第二相位輸入電壓和期望的第三相位輸入電壓。
【附圖說明】
[0081]本發(fā)明將參照附圖來描述。這些附圖示出了:
[0082]圖1用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的初級單元的示意性電路圖，
[0083]圖2定位于初級單元上面的車輛的示例性側視圖，
[0084]圖3標準工作模式中的門信號和電流的示例性時間進程，
[0085]圖4經修改的工作模式的第一控制場景中的門信號和電流的示例性時間進程，以及
[0086]圖5經修改的工作模式的另一控制場景中的門信號和電流的示例性時間進程。
【具體實施方式】
[0087I圖1示出了初級單元I (參見圖2)的示意性電路圖。初級單元I包括DC電壓源2，其向逆變器3提供DC輸入電壓。該逆變器包括三條臂4a、4b、4c。
[0088]第一條臂4a包括第一開關元件GjP第二開關元件G2。第一開關元件G1的輸入端子連接到由DC電壓源2提供的高電位。第一開關元件61的第二端子連接到第二開關元件G2的第一端子。第二開關元件62的第二端子電連接到由DC電壓源2提供的低電位。第一和第二開關元件G1、G2的公共連接點還提供第一相位線Pl的輸入端子ITl。
[0089]逆變器3的其余兩條臂4b、4c被進行相應地設計。特別地，逆變器3的第二條臂4b包括按照與第一條臂4a的開關元件G1X2相比相同的方式來連接的第一開關元件G3和第二開關元件G4。第二條臂4b的第一開關元件G3和第二開關元件G4的公共連接點提供第二相位線P2的輸入端子IT2。
[0090]第三條臂4c包括與第一條臂4a的開關元件G1X2對應設計和布置的第一開關元件G5和第二開關元件&。第三條臂4c的第一開關元件&和第二開關元件G6的公共連接點提供第三相位線P3的輸入端子IT3。
[0091]續(xù)流二極管D和開關電容CG并聯(lián)連接到每個開關元件GhG2X^GhG5X6t3
[0092]初級單元I還包括電流整形濾波器5。電流整形濾波器5在每條相位線都包括電感濾波器元件?1^1、？1^、？1^3和電容濾波器元件?(:1、？02、？03。在每條相位線？1、？2、？3內，電流整形濾波器5的電感濾波器元件FL1、FL2、FL3串聯(lián)到每條相位線P1、P2、P3的相應的輸入端子111、幾2、幾3。此外，在每條相位線中，相應的電容濾波器元件?(:1、？02、？03連接到電感濾波器元件?1^1、？1^、？1^3，并連接到串聯(lián)的初級繞組結構6的電感元件1^1、1^、1^3和電阻結構7的電阻元件町、1?2、1?。
[0093]電流整形濾波器5用于調諧初級單元I。
[0094]初級單元I還包括初級繞組結構6。初級繞組結構6在每條相位線Pl、P2、P3包括一個電感元件11、1^2、1^3。這些電感元件1^1、1^2、]^3串聯(lián)到電流整形濾波器5，特別連接到電感濾波器元件?1^1、？1^、？1^3。電感元件1^1、1^、1^3代表對應的相位線？1、？2、？3的繞組結構的電感，用于生成用于感應功率傳輸?shù)慕蛔冸姶艌觥?br>[0095]進一步示出的是初級單元I的電阻結構7，其包括電阻單元Rl、R2、R3。這些電阻單元R1、R2、R3代表每條相位線P1、P2、P3的電阻。
[0096]控制單元(未示出)控制逆變器3的每條臂4a、4b、4c的開關元件Gr"G6，特別是控制每個開關元件Gr-G6的開關時間。通過控制開關時間特別是打開或閉合開關元件Gr-G6的時間點，可以針對每條相位線P1、P2、P3提供相位輸入電壓U1、U2、U3的期望的電壓進程。通過控制開關時間，相位輸入電壓Ul、U2、U3的幅值和頻率以及相位輸入電壓Ul、U2、U3之間的相移也可以得到控制。
[0097]圖2示出了沿路線10的表面9行駛車輛8的示意性側視圖。在表面9上，安裝了初級單元I。初級單元I可以例如被設計成架高的充電板。替代地，初級單元I可以集成到提供路線表面9的地面中。車輛8包括次級單元11，其可以稱為接收設備或拾取器。
[0098]示出的是初級單元I的參考點RPP，其關于初級單元I是靜止的。另外示出的是次級單元11的參考點RPS，其關于次級單元11是靜止的。另外示出的是參考坐標系的縱軸X和豎軸z，其始于初級單元I的參考點RPP?？v軸X指向縱向方向。該縱向方向可以例如是當車輛在路線10的表面9上直著向前行駛時的行駛方向。豎軸z取向為與路線10的表面9垂直的方向。橫軸(未示出)取向為與所示出的縱和橫軸x、z垂直的方向。相對于參考坐標系，在初級和次級單元1、11的參考點RPP、RPS之間相應地提供了縱向和豎向位移。沒有示出的是橫向位移。
[0099]在初級單元I和次級單元11的相關的參考位置和/或取向，對由初級單元I和次級單元11的電元件特別是由初級繞組結構6 (參見圖1)和次級繞組結構(未示出)提供的變壓器進行調諧。
[0100]這意味著，對于預定的縱向、橫向和/或豎向的參考位置以及當適用時對于預定的相關的參考取向，可以以預定的操作頻率操作逆變器3，其中，不必由逆變器3提供或補償無功功率。以預定的頻率操作逆變器3意味著開關元件61...G6的開關狀態(tài)可以隨所述操作頻率改變。因而，相位輸入電壓U1、U2、U3或者所述相位輸入電壓U1、U2、U3中的至少一次諧波具有所述操作頻率。
[0101]換言之，在該預定的相關的參考位置和/或取向，連接到每條臂4a、4b、4c的輸入端子IT1、IT2、IT3的電路結構的諧振頻率與操作頻率匹配。需要注意地是，連接到輸入端子IT1、IΤ2、IΤ3的前述電路結構不僅包括在圖1中示出的初級側的元件，還包括次級側的元件，其中，所述次級側的元件的電感、電容和/或電阻被轉移到初級側，其中，這些經轉移的元件也是電路結構的部分。
[0102]圖3示出了在圖1中示出的開關元件Gr"G6的門信號G1_S、G2_S、G3_S、G4_S、G5_S、G6_S的示例性時間進程。如果相應的門信號GI_S…66_5對應于值I，那么相應的開關元件Gr-G6是閉合的。如果相應的門信號G1_S…66_5對應于值O，那么相應的開關元件Gr-G6是打開的。在第一開關時刻tl處，關閉第一條臂4a的第二開關元件62并開啟第一條臂4a的第一開關元件Gi。在第一開關時刻11處，將由DC電壓源2提供的DC輸入電壓應用到第一相位線Pl的輸入端子ITl。
[0103]在第二開關時刻t2處，關閉第三條臂4c的第一開關元件G5。在此關閉時刻后的預定的時間間隔內，開啟第三條臂4c的第二開關元件G6。
[0104]在第三開關時刻t3處，關閉第二條臂4b的第二開關元件G4。在此關閉時刻后的預定的時間間隔內，開啟第二條臂4b的第一開關元件G3。
[0105]在第四開關時刻t4處，關閉第一條臂4a的第一開關元件61并開啟第一條臂4a的第二開關元件G2。在第五開關時刻t5處，關閉第三條臂4c的第二開關元件G6并開啟第三條臂4c的第一開關元件&。在第六開關時刻t6處，關閉第二條臂4b的第一開關元件G3并開啟第二條臂4b的第二開關元件G4。在第七開關時刻t7處，已過去了第一相位線Pl的一個開關時段。對應地，在第八開關時刻t8處已過去了第三相位線P3的一個開關時段，并且在第九開關時刻t9處，已過去了第二相位線P2的一個開關時段。
[0106]己示出，預定的時間間隔被布置為在圖3示出的所有關閉和開啟時刻之間。
[0107]因此，相位輸入電壓Ul、U2、U3具有方波的形式。
[0108]第一相位輸入電壓Ul和第二相位輸入電壓U2之間的相位角是由第三開關時刻t3和第一開關時刻tl之間的時間間隔來不出的。第一相位輸入電壓Ul和第三相位輸入電壓U3之間的相移是由是由第一開關時刻tl和第五開關時刻t5之間的時間間隔來提供的。第二相位輸入電壓U2和第三相位輸入電壓U3之間的相移是由是由第三開關時刻t3和第五開關時刻t3之間的時間間隔來提供的。
[0109]可以看出，第一和第二相位輸入電壓Ul、U2之間的相移等于第二和第三相位輸入電壓U2、U3之間的相移且非零，特別是120°。另外，第一和第三相位輸入電壓U1、U3之間的相移對應于第一和第二相位輸入電壓Ul、U2之間的相移的雙倍值，例如對應于240°。因此，相移值的集合包括三個非零值。
[0110]圖3示出了標準工作模式的時間進程。另外示出的是流過電流整形濾波器5的電感濾波器元件卩1^1、？1^、？1^3的電流1_?1^1、1_?1^、1_?1^3。另外示出了繞組電流1_1^1、1_1^、1_L3，繞組電流I_L1、I_L2、I_L3流過例如初級繞組結構6的繞組結構的電感元件L1、L2、L3。
[0111]在標準的工作模式中，電流I_L1、I_L2、I_L3具有正弦形式并具有120°或240°的相移。
[0112]圖4示出了門信號G 1_S、G2_S、G3_S、G4_S、G5_S、G6_S的示例性時間進程。(參見圖1)第一條臂4a的門信號G1_S、G2_S的時間進程等于在圖3中示出的時間進程。
[0113]然而，相對于在圖3中示出的門信號G3_S、G4_S的時間進程，第二條臂4b的開關元件G3、G4的門信號63_3、64_3的時間進程移位-60°。這意味著第二條臂4b的開關兀件G4在第四時刻t4處關閉而在第三時刻t3處未關閉，如圖3所示。
[0114]另外，相對于在圖3中示出的門信號G5_S、G6_S的時間進程，第三條臂4c的開關元件G5、G6的門信號65_3、66_3的時間進程移位+60°。這意味著第三條臂4c的開關兀件G5、G6的門信號G5_S、G6_S的時間進程等于第二條臂4b的開關元件G3、G4的門信號G3_S、G4_S的時間進程。這繼而意味著第二和第三輸入電壓U2、U3的電壓曲線是相同的。
[0115]在圖4中示出的開關模式可以特別應用于在圖2示出的初級單元I和次級單元11之間存在未對齊的情況。當初級單元I和次級單元11之間的相關的位置和/或取向偏離相關的參考位置和/或取向時可以提供未對齊。
[0116]另外示出了濾波器電流I_FL1、I_FL2、I_FL3以及繞組電流I_L1、I_L2、I_L3。如前所述，第二和第三相位的濾波器電流和繞組電流1^^2丄_?1^3、I_L2、I_L3相互是相同的。
[0117]對比在圖3中示出的繞組電流I_L1、I_L2、I_L3的時間進程可以看出，通過第一相位線Pl中的繞組結構6的電感元件LI的繞組電流I_L1的最大幅值已增大。經對比，繞組電流I_L2、I_L3例如最大幅值已減小。如圖所示，較大量的功率是由第一相位線Pl中的繞組結構6的電感元件LI傳輸?shù)?，其中，較少量的功率是由由其余相位線P2、P3中的繞組結構6的電感元件L2、L3傳輸?shù)?。這可以例如發(fā)生在初級側的繞組結構6中由第三相位線P3中的電感元件L3提供的部分僅由次級單元11的次級繞組結構部分地覆蓋時。
[0118]圖5示出了門信號G1_S-G6_S的示例性時間進程。在圖5示出的開關模式中，第一條臂4a的第一和第二開關元件61、62的的門信號61_5、62_5的時間進程對應于在圖3中示出的時間進程。另外，第二條臂4b的開關元件G3、G4的門信號G3_S、G4_S的時間進程對應于在圖4中示出的時間進程。這意味著，該時間進程相對于在圖3中示出的門信號G3_S、G4_S的時間進程移位_60°。
[0119]第三條臂4c的開關元件G5、G6是斷開的。這意味著第三相位輸入電壓U3降低到零。
[0120]還示出了濾波器電流1_?1^1、1_?1^、1_?1^3和繞組電流1_1^1、1_1^、1_1^3。第三相位線P3的濾波器電流I_FL3和繞組電流I_L3等于零。示出的是，繞組電流I_L1、I_L2具有180°的相移，且其最大幅值相比于在圖3中示出的相應的繞組電流I_L1、I_L2的最大幅值而增大。如圖所示，較大量的功率是由第一和第二相位線P1、P2中的繞組結構6的電感元件L1、L2傳輸?shù)?，其中，第三相位線P3中的繞組結構6的電感元件L3沒有傳輸功率。例如在初級和次級單元1、11之間存在垂直未對齊的情況下特別是在相關的差異位置的垂直距離減小的情況下可以應用這種開關模式。
[0121]已針對不同的未對齊場景執(zhí)行了模擬。在所有的未對齊場景內，已分析了感應功率傳輸?shù)牟煌瑴蕜t。如果次級輸出功率已等于7.2kW，那么已滿足了第一準則。如果已在開關時刻tl...t9(參見圖3、圖4、圖5)處提供了非電容性的開關，那么已滿足了第二準則。
[0122]所提出的方法可以有益地實行，而不改變感應功率傳輸?shù)默F(xiàn)有系統(tǒng)的硬件配置，例如通過軟件更新。向路邊或車輛添加無源或有源組件是不需要的。也沒有必要改變現(xiàn)有部件的額定功率。事實上，甚至也可以在較低的壓力下選擇較小的額定功率或者使用相同的組件。
[0123]前述的非電容性的開關對于最小化組件的額定功率而言是必須的并且還降低所需的冷卻努力。為了獲得非電容性的開關，相位線P1、P2、P3中的與分配給相位線P1、P2、P3的開關元件Gr-G6的正的門信號對應的相電流可以小于預定的值。
[0124]模擬已表明，總是存在滿足針對用于任何對齊場景的非電容性的開關(S卩，具有非電容性的特征的開關)的需求的開關模式。已表明地還有，存在經調整的開關模式，其中，初級側上的相電流的RMS值在與對稱三相開關相比時是明顯較低的。這些較低的相電流是在功率傳輸能力方面不折衷的情況下獲得的。這繼而有助于最小化初級損耗以得到較高的效率。
[0125]模擬還已表明，相比對稱三相開關中的電流而言，經由電流整形濾波器5流過的電流通過使用經調整的開關模式可以低得多。這意味著所述電容器的等效串聯(lián)電阻的損耗可以大大降低。另外，相比對稱三相開關中的電壓而言，跨越電流整形濾波器5的電容器而降下的電壓通過使用經調整的開關模式可以低得多。
[0126]模擬已進一步表明，相比對稱三相開關而言，針對DC輸入電壓的所需范圍通過使用經調整的開關模式可以降低。這意味著，對于次級繞組結構相關于初級繞組結構的每個位置和/或取向而言，可能的是，選擇經調整的開關模式以獲取具有DC輸入電壓的可接受值的足夠的功率傳輸。這提供了較高可控性(特別在當DC輸入電壓不接近極限的情況下)，同時保持了零電壓開關特性和較高的效率。
[0127]還示出的是，通過改變開關模式，沒有顯著增加電磁輻射。
[0128]氣隙與極距的較大比率可以促使初級繞組結構和次級繞組結構之間的耦合根據(jù)垂直和水平位移以非常高的程度改變，特別是在幾何結構上短的初級繞組結構的情形中。因而，即便電壓和電流可以使用額外的單元而成為對稱的，初級和次級繞組結構之間的任何位移也可以導致失諧。通過調整開關模式，可以例如通過逐個檢查開關模式來找出最有利的圖案。由此找出的開關模式可以允許在滿足要求的需求的同時實現(xiàn)針對感應功率傳輸系統(tǒng)的期望特性。通過使用經調整的開關模式，可以降低損耗?？偠灾?，系統(tǒng)可以設計地更輕便、更低廉且更可靠。
【主權項】
1.一種操作用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的三相初級繞組結構(6)的方法，其中，所述初級繞組結構(6)包括第一相位線(P1)、第二相位線(P2)和第三相位線(P3)，其中，在標準工作模式中，第一相位輸入電壓(Ul)、第二相位輸入電壓(U2)和第三相位輸入電壓(U3)被控制為使得提供所有三個相位輸入電壓(U1、U2、U3)之間的預定相移， 其特征在于: 在經修改的工作模式中，所述第一相位輸入電壓(Ul)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)被控制為使得相移值的集合包括至多兩個非零的值并且所有非零的相移值是相同的。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位輸入電壓(U1、U2、U3)中的一個被降低至零。3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，其余的相位輸入電壓(Ul、U2、U3)被控制為使得所述非零的相移值是180°的相位角。4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述三個相位輸入電壓(U1、U2、U3)中的兩個相位輸入電壓被控制為使得它們各自的電壓曲線是相同的。5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述兩個相位輸入電壓(U1、U2、U3)中的至少一個的相位角被移位+/-60°的相位角的倍數(shù)。6.根據(jù)權利要求1到5中的一項所述的方法，其中，至少一個相位輸入電壓(U1、U2、U3)的頻率是變化的。7.根據(jù)權利要求6中的一項所述的方法，其中，所述一個或多個相位輸入電壓(U1、U2、U3)的頻率針對虛擬單相位線的諧振頻率被調整，其中，在所述相位輸入電壓(Ul、U2、U3)的輸入端子(IPT1、IPT2、IPT3)之間提供所述虛擬單相位線，所述相位輸入電壓(Ul、U2、U3)提供了所述非零的相移值。8.根據(jù)權利要求1到7中的一項所述的方法，其特征在于，所述相位輸入電壓(U1、U2、U3)被控制為使得提供預定次級輸出功率。9.根據(jù)權利要求1到8中的一項所述的方法，其特征在于，所述相位輸入電壓(U1、U2、U3)被控制為使得所述相位線中的每條的電流-電壓曲線具有非電容性的特征。10.根據(jù)權利要求1到9中的一項所述的方法，其特征在于，所述相位輸入電壓(U1、U2、U3)被控制為使得初級側最大DC輸入電壓小于或等于預定閾值。11.根據(jù)權利要求1到10中的一項所述的方法，其特征在于，所述相位輸入電壓(U1、U2、U3)被控制為使得相位電流被最小化。12.根據(jù)權利要求1到11中的一項所述的方法，其特征在于，所述第一相位輸入電壓(Ul )、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)是由三相逆變器(3)提供的，其中，所述逆變器(3)的開關元件(G1X2X3X4X5X6)的開關狀態(tài)被控制為使得提供所期望的第一相位輸入電壓(U1)、所期望的第二相位輸入電壓(U2)和所期望的第三相位輸入電壓(U3)。13.根據(jù)權利要求1到12中的一項所述的方法，其特征在于，對所述第一相位輸入電壓(U1)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)的控制針對所述初級繞組結構(6)和次級繞組結構的幾何對齊而被調整。14.一種用于感應功率傳輸?shù)南到y(tǒng)的初級單元，其中，所述初級單元(I)包括具有第一相位線(Pl)、第二相位線(P2)和第三相位線(P3)的三相初級繞組結構(6)，其中，所述初級單元(I)還包括用于控制第一相位輸入電壓(Ul)、第二相位輸入電壓(U2)和第三相位輸入電壓(U3)的至少一個控制單元，其中，在標準工作模式中，所述第一相位輸入電壓(U1)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)能夠被控制為使得提供所有三個相位輸入電壓(Ul、U2、U3)之間的預定的相移， 其特征在于: 在經修改的工作模式中，所述第一相位輸入電壓(Ul)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)能夠被控制為使得相移值的集合包括至多兩個非零的值并且所有非零的相移值是相同的。15.根據(jù)權利要求14所述的初級單元，其特征在于，所述初級單元(I)包括三相逆變器(3)，其中，所述第一相位輸入電壓(Ul)、所述第二相位輸入電壓(U2)和所述第三相位輸入電壓(U3)是能夠由所述三相逆變器⑶提供的，其中，所述逆變器的開關元件(GlG2J3X^G5、G6)的開關狀態(tài)能夠被控制為使得提供所期望的第一相位輸入電壓(U1)、所期望的第二相位輸入電壓(U2)和所期望的第三相位輸入電壓(U3)。
【文檔編號】B60L11/18GK105873790SQ201480063187
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月18日
【發(fā)明人】K·沃羅諾維茨, R·查因斯基, D·安德斯, A·薩法伊
【申請人】龐巴迪無接觸運行有限責任公司