| 专利名称： | 电容器模块、电路布置及运行方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Capacitor module, circuit arrangement and operation method | ||
| 专利号： | CN201510617472.6 | 申请时间： | 20150924 |
| 公开号： | CN105469980A | 公开时间： | 20160406 |
| 申请人： | 西门子公司 | ||
| 申请地址： | 德国慕尼黑 | ||
| 发明人： | 米夏埃尔·芬肯策勒; 彼得·梅塞尔; 马丁·萨利特尼格 | ||
| 分类号： | H01G2/08; H02M7/5383 | 主分类号： | H01G2/08 |
| 代理机构： | 北京康信知识产权代理有限责任公司 11240 | 代理人： | 余刚; 李慧 |
| 摘要： | 本发明涉及一种电容器模块、电路布置及运行方法，该电容器模块(26，27，34，35，36，37，38，80)具有电容器(32)和加热器(33)。借助温度传感器(31)能够测量电容器(32)的温度，其中，该温度受加热器(33)影响。根据温度改变电容值。这样，在电路布置(81，82，83，84，85，86，87)中其能够与谐振变换器协调一致，这是因为电容值是可调节或者可控制的。 | ||
| 摘要(英文)： | A capacitor module having a capacitor and a heater is disclosed. The temperature of the capacitor can be measured by means of a temperature sensor and the temperature of the capacitor is influenced by the heater. The capacitance value changes as a function of the temperature. Thus a circuit apparatus having a resonance converter can be tuned thereby, since the capacitance value can be regulated or controlled. | ||
技术领域本发明设计一种可加热的电容器以及具有该可加热的电容器的电路布置。该电路布置例如涉及一种谐振变换器，特别是用于对电动车辆的无线充电，以及一种用于运行谐振变换器(尤其是充电谐振变换器(loadresonanceconverters))的方法。
背景技术谐振变换器尤其是直流电压变换器，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。分别利用一对晶体管作为开关元件工作的反相器的简单结构构造例如由US2783384A公开。由EP0820653B1公开了一种具有感应耦合的牵引电池系统。在此，将充电站的充电能量作为在10kHz至200kHz范围内的交流电流传输给电动车辆，并且在电动车辆中整流。牵引电池系统应该适用于这样的车辆，该车辆配备有电池能量管理系统(BEMS)。存在于电动车辆中的车辆内置的电池特定的充电控制模块向充电站发出关于充电电流的大小和时间的信号。谐振的直流电压变换器为了进行能量传输而使用具有电阻抗(电容和电感)的电谐振回路或者振荡回路。该能量传输方法也如上所述地也在不同类型的感应充电系统中得以应用。为了最佳的功率传输，直流电压变换器在谐振频率的范围的情况下或之内运行。振荡回路的特征可以基于组件容差以及环境影响、例如环境温度而显著变化。由此出现振荡回路的不和谐，这例如能够通过改变运行频率来补偿。在将能量无线传输到具有初级线圈和次级线圈的电磁传输系统中的情况下，基于充电系统的初级线圈和次级线圈的偏差位置也会产生其协调一致或者不和谐。在用于感应充电的谐振变换器中，例如通过固定连接的电容获得补偿网络。通过使用不同的补偿手段能够使得传输系统协调。在传输系统中，尤其是对相应的线圈系统的初级和次级侧的漏电感进行补偿。能量传输系统的相应的电工作点的匹配例如通过改变工作频率或者通过在初级侧变换器上的能调节的电压实现。但是，在机动车领域中，变换器的可变工作功率的允许带宽仅仅大约10kHz，以例如不对机动车的无钥匙进入系统产生干扰。在初级侧变换器上的待调节的电压范围在此多数也处于10％的额定电压之下。由此得出的用于将能量传输系统匹配于最大可能高效的传输上的调节范围因此被极大地限制。因此，大多情况并不力求能量传输系统的另外的工作范围。更确切地说，多数的传输系统对于确定的工作点这样地优化，即允许某个的系统容差。因此，由此获得在线圈系统和固定的补偿网络之间的固定的协调。因为在感应的充电系统中，发射线圈(初级侧)和接收线圈(次级侧)的几何错置是可以的，因此谐振回路的调节器在某种预定规定下也不再能补偿谐振回路的非和谐，这是因为标准化的预定规定限制了运行频率(也称为工作频率)的调节范围。初级侧相对于次级侧如此地协调一致，即可以实现高效的能量传输。
发明内容本发明的目的在于给出一种阻抗(Blindwiderstand)和电路布置，其尤其能够简单地影响振荡回路。此外，该目的涉及一种相应的方法。该目的的解决方案通过一种电容器模块和电路布置给出。此外，根据一种方法给出了一个解决方案。接下来联系电容模块和电路布置阐述的设计方案和优点按照精神也适用于方法并且反之亦然。通过使用具有可变的阻抗的(尤其是具有可变的电容的)电容器模块，设置例如用于应用在无线电池充电系统中的谐振变换器(特别是用于电动车辆)能够特别稳固地相对于在充电过程中的可能的干扰进行设计。占空比的变化或者用于设定电容器(例如可变电容器)的电容的机械装置或者能够分级接通和断开的电容器组能够用于对谐振变换器进行协调。可机械调节的电容器在功率电子器件中不能简单地通过回转器或者类似物替代。由于易维修性和高的成本的原因同样总是不能呈现令人满意的解决方案，用于实现机械地或者电子机械地可调节的电容器。在本发明中，在无线能量传输系统的初级侧和/或次级侧上借助取决于温度的电容和用于改变温度的组件实现了可变的补偿网络。由此产生的调节机构例如能够实现在对无线能量传输系统进行协调时的附加的自由度。该调节机构是电容器模块，其电容值取决于温度进行改变，并且其具有用于改变温度的加热器。通过改变电容，补偿网络或者谐振变换器设计为可变的。这实现了特别大的工作范围。电容器模块具有一个或者多个电容器，其中，电容器串联或者并联地连接。电容器模块此外具有加热器。加热器例如是电阻或者也是帕尔贴元件。电容器模块除了加热器之外还具有冷却器。帕尔贴元件可以作为加热器使用也可以作为冷却器使用。借助在热封闭的壳体中的电加热和/或冷却装置，能够这样地调节所需的温度，即将取决于温度的电容最优地匹配于谐振变换器的相应的电工作点。电容器模块优选地形成用于具有加热器或冷却器的电容器的组件。电容器模块例如具有壳体，在该壳体中定位有至少一个电容器和加热器或冷却器。在此，电容器模块例如可以被浇注。电容器模块例如定位在电路板上。电容器模块在一个实施例中除了其电接口之外都是电绝缘的。然而，在电容器模块的一个设计方案中，不仅在整个组件中的集成是可能的，而且也可以将单个组件例如构建在电路载体上。在此提出并且确保的是，加热器影响电容器的温度。电容器模块也可以具有一个或者多个传感器。在电容器模块的一个设计方案中，该电容器模块除了电容器和加热器(和/或冷却器)之外还具有温度传感器。由该传感器测量的温度取决于相应的电容器的温度。通过温度传感器能够测量电容器的温度或者至少在电容器处的温度，从而通过对该温度的认知能够推断出电容器模块的一个或者多个电容器的电容。为了能够使得加热器或者冷却器作为用于改变电容器的进而电容器模块的电特性的元件使用，为电容器选择这样的材料，其根据温度改变其特性。例如，电极电容器和陶瓷电容器都是已知的。优选的是，确定的材料的特性被有目的地使用，该材料用于生产陶瓷电容器。在电容器的一个设计方案中，电容器是陶瓷电容器，其尤其具有等级2的陶瓷。等级2的陶瓷(铁电材料是显著取决于场强的)具有电容值的足够大的温度依赖性和电压依赖性。已知的等级2的陶瓷例如是：X7R，Z5U，Y5V，X7S或者X8R。在型号为Y5V的等级2的陶瓷电容器的情况中，例如在从25摄氏度至90摄氏度的温度范围中观察到大约80％的电容变化。这在10nF的电容器的实例中也许意味着：利用该电容器可以覆盖2nF至10nF的范围。在型号为Z5U的电容器的情况中，也识别到对温度的显著的依赖性，其同样能够被使用。也能够使用型号X7R的电容器，然而在该范围中仅仅示出了大约10％的变化。在电容器模块的一个设计方案中，电容器与加热器和/或冷却器和/或与温度传感器电隔离。该电隔离尤其通过电路板得出，该电路板将电容器与其他元件(例如像加热器)分开。这在电容器以较高的电压或者如另外的元件-如加热器和温度传感器-在另外的电平上运行时是有利的。加热器或者冷却器能够集成在电路布置中。该电路布置具有电容器，其电容能够借助控制装置和加热器改变。控制装置例如是可编程存储控制装置、具有微电子元件的整流器或者具有微控制器的另外的装置或者类似物。控制装置可作为温度调节器或者作为温度控制器使用。控制装置用于影响加热器，并且其例如可以接通或者断开。电路布置尤其涉及一种无线电池充电系统，这例如可以用于对电动车辆进行充电。所描述的类型的电容器模块或者电路布置可以应用在尤其用于对蓄电池(电池)进行充电的谐振变换器中。这同样也涉及对电动车辆的充电。为此，提出了包括带有被供给能量的谐振变换器的初级侧的绕组以及用于为了对其进行控制而提出的驱控电路。次级侧通常不与初级侧绕组机械地连接。在对蓄电池进行无线充电期间，对于充电过程至关重要的参数发生变化。这针对例如在快速地改变待充电蓄电池相对于充电站的位置的情况、或者在材料侵入充电站和待充电的电池所处于其中的物体之间的空隙中的情况。因此，充电站的理想的运行在实践中尤其是在对电动车进行充电时仅仅能以特定的安全措施来确保，其中在该理想的运行中，待充电的蓄电池以及在相同的物体中设置的次级侧绕组相对于初级侧、即处于充电站侧的绕组在几何上精确地确定的关系。在谐振变换器运行时，其将能量供给到变压器的或者感应充电系统、尤其是用于对电驱动车辆进行无线充电的充电站的初级侧绕组中，现在能够改变在振荡回路中的电容。这例如用于使得谐振变换器在超谐振的范围中运行。谐振变换器的驱控借助控制器实现。通过使用用于电容器模块的温度调节器能够设定或者调节所需的电容，这导致优最佳匹配的传输系统并由此导致能量传输的高效率。由此可以较小地选择初级侧的变换器的工作频率的允许的频率范围，这对电磁兼容性起到积极的影响。必要的滤波措施和屏蔽措施的工作范围可以非常小地下降。在电路布置的另外的设计方案中，其也具有电容器模块的所描述的设计方案之一。根据该方法，为了运行电路布置或者电容器或者在其运行中对温度进行测量。测量到的温度涉及电容器的温度，也就是电容器温度。基于用于电容器的测量到的温度值，激活或者去激活电容器模块的加热器。如果加热器是电阻，那么加热功率就取决于电流和电压。电流和/或电压能够优选分级地或者线性的改变。电容器可以因此取决于测量到的电容器温度来加热。在方法的一个设计方案中，电容器温度被保存，其中借助保存的温度值来计算剩余寿命。高的温度会缩短电容器的寿命，从而基于存储的电容器温度值能够计算出剩余寿命。该剩余寿命取决于对应于组件的总寿命。在方法的一个设计方案中，取决于计算出的剩余寿命产生用于更换电容器的信息。该信息例如给传输给服务技术人员或者服务软件。通过在电容器或者电容器模块故障之前及时地对其进行更换，能够提高谐振系统的可用性，在该系统中使用了电容器模块。附图说明接下来基于实施例示意性地对本发明进行说明。图中示出：图1是第一谐振直流电压变换器；图2是具有LLC变换器的第二谐振直流电压变换器；图3是具有次级侧的可调节的电容器(电容器模块)的谐振直流电压变换器；图4是具有初级侧的可调节的电容器的谐振直流电压变换器；图5是具有初级侧并联的电容器的谐振直流电压变换器；图6是用于电容器的电容的温度依赖性的图表；图7是具有加热电阻的电容器模块；图8是具有帕尔贴元件的电容器模块；图9是电容器组；图10是用于电容器模块的驱控装置；图11是电容器模块的机械构造；图12是具有电源和负载的无线能量传输系统；以及图13是热绝缘的电容器模块。
具体实施方式彼此相应的部分或者参数在附图中以相同的参考标号标明。根据图1的图示示出了在电路布置81中耦合的系统，具有逆变器9和整流器11，其中，电路布置涉及串联电路或者并联电路以及耦合。该系统是用于例如感应充电系统(尤其是对车辆电池进行充电)的谐振直流电压变换器。逆变器9在桥电路中具有可开关的功率半导体1，2，3和4以及在电压输入端20上的输入侧电容器22。在逆变器9上连接有成串联电路的电容器24和电感28。由此形成了串联的振荡回路12。通过电感28与另外的电感29的感应耦合，其也成为了振荡回路12的一部分。电感29是并联振荡回路18的一部分。其除了电感29之外还具有与之并联的电容器25。通过电感28和29的电感耦合，电感28也成为了振荡回路18的一部分。并联振荡回路18与整流器11电连接。整流器11具有带有四个功率半导体5，6，7和8的桥电路。这些功率半导体例如是二极管。在整流器11输出端施加有输出电压21。在整流器11的输出端与此并联连接有电容器23。如果现在在至少一个振荡回路中使用带有电容器和加热器的电容器模块，那么振荡特性就可以通过借助于对电容器进行加热来改变电容器的电容值而改变。图3示出了这种类型的情况。根据图2的图示示出了在电路布置82中的LLC变换器。初级侧的逆变器10具有两个可开关的功率半导体1和2，以及与之并联连接的电容器22，输入电压22经过该电容器下降。该系统在次级侧具有整流器11。初级侧和次级侧的耦合借助变压器30实现。该变压器30和电容器24形成振荡回路13。该并联的振荡回路13一方面连接在输入电压20的电位上，并且另一方面其具有在串联连接的功率半导体1和2之间的抽头。串联的振荡回路13也与可开关的功率半导体1和2中的一个并联连接。在此，基本上并联振荡回路能够转换成串联振荡回路，并且反之亦然。如果现在在振荡回路13中使用了具有电容器和加热器的电容器模块，那么振荡特性就可以通过借助于对电容器进行加热来改变电容器的电容值而改变。图4示出了这种类型的情况。可加热的和/或可冷却的电容器模块能够应用在每个谐振拓扑和/或每个系统上或中，其中，功率传输以如上描述的类似原理(也就是谐振原理)为基础。在根据图1示出的具有电容器25的系统中，在初级侧实现了主振荡回路12的并行补偿。为了在此对振荡回路的特性进行有利的影响，该电容器设计为能够调节，这在图3中示出。图3是示出了将电容器25替换成可调节的电容器26(电路布置83)。该可调节的电容器是具有电容器和用于改变温度的装置、也就是例如加热器的电容器模块。电容的可调节性通过箭头表示。类似于如图3中的系统，根据图2的系统也可以使用作为电容器24的替代的可调节的电容器27，这形成了根据图4的系统。根据图4(电路布置84)谐振变换器的主LC回路14因此也被阻断。在此，电容器24(见图2)也通过可调节的变体27替代。可调节的变体是所述类型的、也就是具有电容器和例如所属的加热器的电容器模块。加热器例如是相对便宜的电阻或者帕尔贴元件。根据图5的附图示出了作为与图4类似的系统的另外的电路布置85，其中，在初级侧的振荡回路中，也就是在对应于逆变器10的一侧上使用多个连接的电容性组件24和27。在此示出，一个电容也可以由多个彼此连接的电容构成，其中其可以涉及串联和/或并联电路。图5示例性地示出了不可调节的电容器14和可调节的电容器27的并联电路。该并联电路给出了可计算出的总电容。不管是可调节的电容器27还是两个电容器24和27的并联电路都可以描述为电容器模块，这是因为总电容能够通过具有加热器的电容器通过温度变化来改变。该电容器模块80与变压器30共同形成振荡回路15。根据图6的图示示出了具有用于以摄氏度为单位的第一轴45和用于以DeltaC/C(％)为单位的电容器值变化的第二轴46的图表44。第一曲线47示出了在具有Y5V材料的电容器的情况中电容取决于温度的变化。第二曲线48示出了具有Z5V材料的电容器的情况中电容取决于温度的变化。第三曲线49示出了具有X7R材料的电容器的情况中电容取决于温度的变化。第四曲线50是基准线，其示出了不取决于温度的曲线走向。如果电容器模块具有取决于温度的材料，那么也就是说随着通过加热或者冷却造成的温度的主动变化能够主动调节地或者控制地改变电容值。根据图7的附图示出了具有并联振荡回路16的电路布置86。该布置具有电感器29和与之并联连接的电容器模块34。用于可调节的电容器26或27的实例由图3至5所公开，它们也是电容器模块。根据图7的电容器模块34在该细节图中示出了具有确定的电容的电容器32，作为用于电容器32的加热器的电阻33和温度传感器31。还示出了模块类型的单元，其具有用于对温度进行影响和测量来说必要的组件。在根据图7的该实例中，出于简化的目的仅仅示出了感应充电系统或者DCDC变换器的次级侧。温度传感器31是可选的，因为电阻33也能够通过温度模型来驱动。电容器32例如具有YSV材料。当电容器模块35应该不仅能冷却而且也能加热时，那么其可以如图8所示的那样设计。在此，根据该组合方案，加热电阻被帕尔贴元件39替代。利用该元件能够进行加热和冷却。为了能够覆盖较大的电容范围，如在图9中所示的那样，多个电容器模块36，37和38的并联电路也是可以的。为了能够覆盖可能的运行电压的较大范围，电容器模块的串联连接当然也是可以的，然而这并未示出。对电容器模块34的电容值的可能的调节或者控制在图10中示出。借助与温度传感器31连接的微控制器40能够测定温度值。该微控制器40又例如以脉宽方法驱控功率开关41，该开关对加热电阻33通电。通过在DCDC变换器或者感应充电系统的调节回路中执行对加热电阻的通电，由此得出对电容器模块的电容值进行控制或者调节的另外的方法。借助振荡探测识别出LC振荡回路的变化，其中通过加热或者冷却电容器模块，也就是具有电容器和加热器的单个的电容器单元能够主动地相对影响该变化。为了能够在电容器模块的内部实现尽可能良好的热耦合，可以寻求一种紧凑的构造。在此，选择这样的措施来提供特殊的部件，其包含必要的部件，如特别是电容器和加热器。根据图11的图示为此示出了在电路板上的示例性的构造。电容器32处于电路板43的第一侧上(例如上侧)，该电路板也可以是电绝缘体。加热电阻33和温度传感器31处于电路板43的第二侧上(例如下侧)。由此一方面给出了这些组件的接近的空间连接，但是另一方面也能够通过电路板43实现定义的电绝缘。在振荡回路中的所述类型的电容器模块(也就是可调节的电容器)的应用具有极为不同的优点。例如，不需要可移动的部分。在电容器和驱控/测量布置之间可以电分离，其中由此尤其能够将高电压区域(大于100V)与低电压区域(小于等于48V)分离。此外，驱控不仅可以通过脉宽信号而且也可以通过受调节的直流电压/电流来实现，这实现了加热器的最不同的变体方案。电容器模块在振荡回路中可以是并联电路也可以是串联电路。根据图12的图示示出了具有电源61的无线能量传输系统60，该电源通过初级侧的电容性补偿部件62对初级侧的线圈系统63供电。初级侧的线圈系统63与次级侧的线圈系统64感应耦合，其中，其设置用于对电负载66进行供电。无线能量传输系统的次级侧具有次级侧的电容性补偿部件65。初级侧的补偿部件或者还有次级侧的补偿部件可以通过其电容值可调节的电容器来变动。为了进行变动可以使用电容器模块79，如示例性地在图13中示出。图13示出了具有取决于温度的电容器71、温度传感器78以及加热器75和冷却器76的电容器模块79。用于加热或者冷却的装置、还有电容器71和传感器78由热绝缘体74包围。加热器75和冷却器76还有传感器78与处于绝缘体74外部的温度调节器77连接。
