電容器模塊、電路布置及運行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計一種可加熱的電容器以及具有該可加熱的電容器的電路布置。該電路 布置例如涉及一種諧振變換器，特別是用于對電動車輛的無線充電，以及一種用于運行諧 振變換器（尤其是充電諧振變換器（load resonance converters))的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 諧振變換器尤其是直流電壓變換器，其利用振蕩回路工作并且將直流電壓轉(zhuǎn)換成 單相或者多相交流電壓。分別利用一對晶體管作為開關(guān)元件工作的反相器的簡單結(jié)構(gòu)構(gòu)造 例如由US 2 783 384 A公開。
[0003] 由EP 0 820 653 Bl公開了一種具有感應(yīng)耦合的牽引電池系統(tǒng)。在此，將充電站 的充電能量作為在IOkHz至200kHz范圍內(nèi)的交流電流傳輸給電動車輛，并且在電動車輛中 整流。牽引電池系統(tǒng)應(yīng)該適用于這樣的車輛，該車輛配備有電池能量管理系統(tǒng)（BEMS)。存 在于電動車輛中的車輛內(nèi)置的電池特定的充電控制模塊向充電站發(fā)出關(guān)于充電電流的大 小和時間的信號。
[0004] 諧振的直流電壓變換器為了進行能量傳輸而使用具有電阻抗（電容和電感）的電 諧振回路或者振蕩回路。該能量傳輸方法也如上所述地也在不同類型的感應(yīng)充電系統(tǒng)中得 以應(yīng)用。為了最佳的功率傳輸，直流電壓變換器在諧振頻率的范圍的情況下或之內(nèi)運行。
[0005] 振蕩回路的特征可以基于組件容差以及環(huán)境影響、例如環(huán)境溫度而顯著變化。由 此出現(xiàn)振蕩回路的不和諧，這例如能夠通過改變運行頻率來補償。
[0006] 在將能量無線傳輸?shù)骄哂谐跫壘€圈和次級線圈的電磁傳輸系統(tǒng)中的情況下，基于 充電系統(tǒng)的初級線圈和次級線圈的偏差位置也會產(chǎn)生其協(xié)調(diào)一致或者不和諧。在用于感應(yīng) 充電的諧振變換器中，例如通過固定連接的電容獲得補償網(wǎng)絡(luò)。通過使用不同的補償手段 能夠使得傳輸系統(tǒng)協(xié)調(diào)。在傳輸系統(tǒng)中，尤其是對相應(yīng)的線圈系統(tǒng)的初級和次級側(cè)的漏電 感進行補償。能量傳輸系統(tǒng)的相應(yīng)的電工作點的匹配例如通過改變工作頻率或者通過在初 級側(cè)變換器上的能調(diào)節(jié)的電壓實現(xiàn)。但是，在機動車領(lǐng)域中，變換器的可變工作功率的允許 帶寬僅僅大約10kHz，以例如不對機動車的無鑰匙進入系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在初級側(cè)變換器上的 待調(diào)節(jié)的電壓范圍在此多數(shù)也處于10%的額定電壓之下。由此得出的用于將能量傳輸系統(tǒng) 匹配于最大可能高效的傳輸上的調(diào)節(jié)范圍因此被極大地限制。因此，大多情況并不力求能 量傳輸系統(tǒng)的另外的工作范圍。更確切地說，多數(shù)的傳輸系統(tǒng)對于確定的工作點這樣地優(yōu) 化，即允許某個的系統(tǒng)容差。因此，由此獲得在線圈系統(tǒng)和固定的補償網(wǎng)絡(luò)之間的固定的協(xié) 調(diào)。因為在感應(yīng)的充電系統(tǒng)中，發(fā)射線圈（初級側(cè)）和接收線圈（次級側(cè)）的幾何錯置是 可以的，因此諧振回路的調(diào)節(jié)器在某種預(yù)定規(guī)定下也不再能補償諧振回路的非和諧，這是 因為標準化的預(yù)定規(guī)定限制了運行頻率（也稱為工作頻率）的調(diào)節(jié)范圍。初級側(cè)相對于次 級側(cè)如此地協(xié)調(diào)一致，即可以實現(xiàn)高效的能量傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于給出一種阻抗（Blindwiderstand)和電路布置，其尤其能夠簡 單地影響振蕩回路。此外，該目的涉及一種相應(yīng)的方法。
[0008] 該目的的解決方案通過一種電容器模塊和電路布置給出。此外，根據(jù)一種方法給 出了一個解決方案。
[0009] 接下來聯(lián)系電容模塊和電路布置闡述的設(shè)計方案和優(yōu)點按照精神也適用于方法 并且反之亦然。通過使用具有可變的阻抗的（尤其是具有可變的電容的）電容器模塊，設(shè) 置例如用于應(yīng)用在無線電池充電系統(tǒng)中的諧振變換器（特別是用于電動車輛）能夠特別穩(wěn) 固地相對于在充電過程中的可能的干擾進行設(shè)計。占空比的變化或者用于設(shè)定電容器（例 如可變電容器）的電容的機械裝置或者能夠分級接通和斷開的電容器組能夠用于對諧振 變換器進行協(xié)調(diào)。可機械調(diào)節(jié)的電容器在功率電子器件中不能簡單地通過回轉(zhuǎn)器或者類似 物替代。由于易維修性和高的成本的原因同樣總是不能呈現(xiàn)令人滿意的解決方案，用于實 現(xiàn)機械地或者電子機械地可調(diào)節(jié)的電容器。在本發(fā)明中，在無線能量傳輸系統(tǒng)的初級側(cè)和 /或次級側(cè)上借助取決于溫度的電容和用于改變溫度的組件實現(xiàn)了可變的補償網(wǎng)絡(luò)。由此 產(chǎn)生的調(diào)節(jié)機構(gòu)例如能夠?qū)崿F(xiàn)在對無線能量傳輸系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)時的附加的自由度。該調(diào)節(jié) 機構(gòu)是電容器模塊，其電容值取決于溫度進行改變，并且其具有用于改變溫度的加熱器。通 過改變電容，補償網(wǎng)絡(luò)或者諧振變換器設(shè)計為可變的。這實現(xiàn)了特別大的工作范圍。
[0010] 電容器模塊具有一個或者多個電容器，其中，電容器串聯(lián)或者并聯(lián)地連接。電容器 模塊此外具有加熱器。加熱器例如是電阻或者也是帕爾貼元件。電容器模塊除了加熱器之 外還具有冷卻器。帕爾貼元件可以作為加熱器使用也可以作為冷卻器使用。借助在熱封閉 的殼體中的電加熱和/或冷卻裝置，能夠這樣地調(diào)節(jié)所需的溫度，即將取決于溫度的電容 最優(yōu)地匹配于諧振變換器的相應(yīng)的電工作點。電容器模塊優(yōu)選地形成用于具有加熱器或冷 卻器的電容器的組件。電容器模塊例如具有殼體，在該殼體中定位有至少一個電容器和加 熱器或冷卻器。在此，電容器模塊例如可以被澆注。電容器模塊例如定位在電路板上。電 容器模塊在一個實施例中除了其電接口之外都是電絕緣的。然而，在電容器模塊的一個設(shè) 計方案中，不僅在整個組件中的集成是可能的，而且也可以將單個組件例如構(gòu)建在電路載 體上。在此提出并且確保的是，加熱器影響電容器的溫度。電容器模塊也可以具有一個或 者多個傳感器。
[0011] 在電容器模塊的一個設(shè)計方案中，該電容器模塊除了電容器和加熱器（和/或冷 卻器）之外還具有溫度傳感器。由該傳感器測量的溫度取決于相應(yīng)的電容器的溫度。通過 溫度傳感器能夠測量電容器的溫度或者至少在電容器處的溫度，從而通過對該溫度的認知 能夠推斷出電容器模塊的一個或者多個電容器的電容。
[0012] 為了能夠使得加熱器或者冷卻器作為用于改變電容器的進而電容器模塊的電特 性的元件使用，為電容器選擇這樣的材料，其根據(jù)溫度改變其特性。例如，電極電容器和陶 瓷電容器都是已知的。優(yōu)選的是，確定的材料的特性被有目的地使用，該材料用于生產(chǎn)陶瓷 電容器。
[0013] 在電容器的一個設(shè)計方案中，電容器是陶瓷電容器，其尤其具有等級2的陶瓷。等 級2的陶瓷（鐵電材料是顯著取決于場強的）具有電容值的足夠大的溫度依賴性和電壓依 賴性。已知的等級2的陶瓷例如是：X7R，Z5U，Y5V，X7S或者X8R。在型號為Y5V的等級2 的陶瓷電容器的情況中，例如在從25攝氏度至90攝氏度的溫度范圍中觀察到大約80%的 電容變化。這在IOnF的電容器的實例中也許意味著：利用該電容器可以覆蓋2nF至IOnF 的范圍。在型號為Z5U的電容器的情況中，也識別到對溫度的顯著的依賴性，其同樣能夠被 使用。也能夠使用型號X7R的電容器，然而在該范圍中僅僅示出了大約10%的變化。
[0014] 在電容器模塊的一個設(shè)計方案中，電容器與加熱器和/或冷卻器和/或與溫度傳 感器電隔離。該電隔離尤其通過電路板得出，該電路板將電容器與其他元件（例如像加熱 器）分開。這在電容器以較高的電壓或者如另外的元件-如加熱器和溫度傳感器-在另外 的電平上運行時是有利的。
[0015] 加熱器或者冷卻器能夠集成在電路布置中。該電路布置具有電容器，其電容能夠 借助控制裝置和加熱器改變。控制裝置例如是可編程存儲控制裝置、具有微電子元件的整 流器或者具有微控制器的另外的裝置或者類似物。控制裝置可作為溫度調(diào)節(jié)器或者作為溫 度控制器使用?？刂蒲b置用于影響加熱器，并且其例如可以接通或者斷開。電路布置尤其 涉及一種無線電池充電系統(tǒng)，這例如可以用于對電動車輛進行充電