使用電感和整流器給車輛提供電能的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于給車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車提供電能的裝置，其中：所述裝置包括適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備(1)；接收設(shè)備(1)包括用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相的由導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)電感(3)；至少一個(gè)電感(3)和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件(4)包括諧振頻率，如果相應(yīng)頻率的交變電磁場由接收設(shè)備(1)接收，則以諧振頻率產(chǎn)生交變電流的相，至少一個(gè)另外的電氣元件連接到電感(3)以便產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相；電感(3)連接到用于將交變電流整流并從而產(chǎn)生直流電的整流器(10)；整流器(10)包括至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)(12，13)，所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)——或在多于一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的情況下——布置成使得閉合開關(guān)(12，13)或閉合多個(gè)開關(guān)導(dǎo)致跨越所述電感(3)或跨越兩個(gè)或多個(gè)電感(3)的短路；所述裝置包括適合于控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)(12，13)的控制設(shè)備；以及控制設(shè)備適合于以小于諧振頻率的頻率接通和斷開至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)(12，13)。
【專利說明】使用電感和整流器給車輛提供電能
[0001] 本發(fā)明涉及用于給車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車提供電能的裝置，其中該 裝置包括適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)（即，由電磁場引起的磁感應(yīng)，且該感應(yīng) 產(chǎn)生電能）產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備。接收設(shè)備包括用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的一 個(gè)相的由導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)電感。至少一個(gè)電感和可選地至少一個(gè)另外的電氣元件 (特別是電容）包括諧振頻率，如果相應(yīng)頻率的交變電磁場由接收設(shè)備接收，則以諧振頻率 產(chǎn)生交變電流的相，該至少一個(gè)另外的電氣元件連接（特別是串聯(lián)）到電感以便產(chǎn)生交變 電流的一個(gè)相。電感連接到用于對交變電流進(jìn)行整流并從而產(chǎn)生直流電的整流器。如技術(shù) 人員將知道的，交變電流的相產(chǎn)生時(shí)的諧振頻率可根據(jù)在接收設(shè)備和產(chǎn)生電磁場的設(shè)備之 間的電感耦合而變化。
[0002] 此外，本發(fā)明涉及用于將能量轉(zhuǎn)移到車輛的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括所述裝置，并涉 及包括所述裝置的車輛。本發(fā)明還涉及制造所述裝置的方法和涉及借助于接收交變電磁場 并通過磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備來操作車輛的方法。
[0003] W0 2010/031595 A2公開了用于給車輛（特別是有軌車輛）提供電能的裝置，其中 該裝置包括適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備。接收設(shè)備包 括由導(dǎo)電材料制成的多個(gè)繞組和/或線圈，其中每個(gè)繞組或線圈適合于產(chǎn)生交變電流的單 獨(dú)相。
[0004] 本發(fā)明可應(yīng)用于任何陸地車輛（包括一但不是優(yōu)選地一僅僅臨時(shí)在陸地上的 任何車輛），特別是有軌車輛，例如鐵路車輛（例如有軌電車），但也應(yīng)用于公路汽車，例如 個(gè)人（私人）客車或公共交通車輛（例如巴士，包括也是有軌車輛的無軌電車）。優(yōu)選地， 產(chǎn)生交變電磁場的初級側(cè)導(dǎo)體裝置集成在車輛的軌道或道路中，使得初級側(cè)導(dǎo)體裝置的電 線在幾乎平行于車輛可行進(jìn)于的道路或軌道的表面的平面中延伸。也如W0 2010/031595 A2所描述的，接收設(shè)備可位于車輛的下側(cè)處，并可被鐵磁體例如以厚片或板的形狀的主體 覆蓋。適當(dāng)?shù)牟牧鲜氰F氧體。主體歸攏并重定向磁場的場線，并因此將在主體之上的場強(qiáng) 減小到幾乎零。然而，初級側(cè)導(dǎo)體裝置的其它配置、位置和/或方位是可能的。例如，初級 側(cè)導(dǎo)體裝置可位于車輛的側(cè)面上。
[0005] 在任何情況下，在初級側(cè)導(dǎo)體裝置和接收設(shè)備的至少一個(gè)電感之間的間隙應(yīng)盡可 能小，因?yàn)閷τ谳^大的間隙，在初級側(cè)和次級側(cè)之間的無線能量傳遞的效率較小。由于相同 的原因,在至少一個(gè)電感中感應(yīng)的電壓取決于間隙的尺寸。處理在系統(tǒng)的次級側(cè)上的變化 的電壓的一種方式是只向用電器供應(yīng)電能，用電器是能耐電壓的，即，可以在電壓的寬范圍 中操作。本發(fā)明可應(yīng)用于的一個(gè)例子是鐵路車輛的牽引系統(tǒng)，其包括連接到接收設(shè)備的直 流中間電路并且還包括將直流電轉(zhuǎn)換成交流電用于操作車輛的至少一個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)的至 少一個(gè)逆變器。逆變器可被控制來補(bǔ)償在直流中間電路中的電壓波動(dòng)。
[0006] 然而，在車輛中存在不能容忍變化的電壓的其它電氣系統(tǒng)或設(shè)備。向車輛提供能 量并使用它的另一可能性因此是控制在初級和次級側(cè)電感之間的間隙的尺寸，以便將電壓 波動(dòng)保持在電壓的小范圍內(nèi)。
[0007] W0 2009/074207 A2描述了用于向系統(tǒng)的一部分特別是系統(tǒng)的可移動(dòng)地布置的部 分的無接觸能量傳遞的系統(tǒng)以及固定安裝的初級導(dǎo)體被提供的方法，由所述部分圍住的一 個(gè)或多個(gè)次級線圈導(dǎo)電地耦合到該初級導(dǎo)體。次級線圈與一個(gè)或多個(gè)電容器串聯(lián)耦合，使 得這樣形成的串聯(lián)諧振電路的諧振頻率本質(zhì)上等于被注入到初級導(dǎo)體中的交變電流的頻 率，其中出現(xiàn)在串聯(lián)諧振電路處的電壓被饋送到整流器，可作為短路器被操縱的開關(guān)設(shè)置 在整流器的輸出側(cè)上，不流過開關(guān)的電流經(jīng)由續(xù)流二極管饋送到平滑電容器，且出現(xiàn)在平 滑電容器處的電壓對用戶來說變得可用。
[0008] 該次級側(cè)裝置的缺點(diǎn)是在操作期間增加損耗的續(xù)流二極管。此外，W02009/074207 A2的在圖1中示出的實(shí)施方式具有下列缺點(diǎn)：電流總是流經(jīng)串聯(lián)連接的兩個(gè)半導(dǎo)體，S卩，續(xù) 流二極管和在整流器中的二極管之一，且因此電損耗增加了。
[0009] 本發(fā)明的目的是提供用于給車輛提供電能的裝置，其中該裝置包括接收設(shè)備，該 接收設(shè)備包括用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的電感，且其中該裝置提供用于減小電壓波 動(dòng)的裝置。與已知的解決方案比較，在操作期間的損耗應(yīng)被減小。特別是，該裝置還應(yīng)提供 用于使可由用于減小電壓波動(dòng)的模塊引起的損耗最小化的模塊。本發(fā)明的另外的目的是提 供用于向車輛傳遞能量的相應(yīng)系統(tǒng)、包括該裝置的車輛、操作該車輛的方法和制造該裝置 的方法。
[0010] 本發(fā)明的基本思想是將至少一個(gè)開關(guān)集成在整流器中。與W02009/074207A2相 反，開關(guān)沒有設(shè)置在整流器的輸出側(cè)上。因此，可省略額外的續(xù)流二極管。集成在整流器中 的至少一個(gè)開關(guān)被操作來產(chǎn)生跨越電感或跨越接收設(shè)備的兩個(gè)或多個(gè)電感的短路，該接收 設(shè)備適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流。特別是，提出了下列內(nèi)容： [0011] 一種給車輛--特別是有軌車輛和/或公路汽車--提供電能的裝置，其中：
[0012] ?該裝置包括適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備，
[0013] ?該接收設(shè)備包括用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相的由導(dǎo)電材料形成 的至少一個(gè)電感，
[0014] ?該至少一個(gè)電感和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件包括諧振頻率，如果相應(yīng)頻 率的交變電磁場由接收設(shè)備接收，則交變電流的相以該諧振頻率產(chǎn)生，該至少一個(gè)另外的 電氣元件連接到電感以便產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相，
[0015] ?該電感和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件連接到用于對交變電流整流并從而 產(chǎn)生直流電的整流器，
[0016] ?該整流器包括至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)，該開關(guān)（或在多于一個(gè)自動(dòng)可控制開 關(guān)的情況下）被布置成使得閉合該開關(guān)（即，接通它）或閉合多個(gè)開關(guān)導(dǎo)致跨越電感或跨 越兩個(gè)或多個(gè)電感（可選地包括至少一個(gè)另外的電氣元件）的短路，
[0017] ?該裝置包括適合于控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的控制設(shè)備，以及
[0018] ?該控制設(shè)備適合于以小于諧振頻率的頻率接通（即，閉合開關(guān)）和關(guān)斷（S卩，斷 開開關(guān)）至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)。
[0019] 與上面提到的現(xiàn)有技術(shù)相比，該至少一個(gè)開關(guān)并聯(lián)連接到整流器的單向閥（特別 是二極管），或可選地，該開關(guān)集成在單向閥中（例如可使用具有集成二極管一所謂的主 體二極管--的IGBT或M0SFET)，其中整流器的相應(yīng)閥適合于僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流， 使得如果該開關(guān)接通則電流可在相反的方向上流經(jīng)閥或可在相反的方向上繞過該閥。如果 開關(guān)并聯(lián)連接到（第一）單向閥且如果整流器包括具有彼此串聯(lián)連接的兩個(gè)單向閥的橋， 則該開關(guān)也串聯(lián)連接到另一（第二）單向閥。
[0020] 優(yōu)選地，由于在相應(yīng)數(shù)量的相線中的電磁感應(yīng)，該裝置產(chǎn)生交變電流的多于一個(gè) 相（例如三個(gè)相）。多個(gè)相提供在整流器的輸出側(cè)上的更平滑的直流電。此外，多相接收器 可產(chǎn)生更高的功率，且雜散效應(yīng)可減小。
[0021] 特別是，接收設(shè)備包括由導(dǎo)電材料制成的多個(gè)相線，其中每個(gè)相線包括電感之一， 每個(gè)電感適合于產(chǎn)生交變電流的多個(gè)相之一，且其中相線連接到彼此以在相線的一端處形 成星點(diǎn)連接，并在相線的相對端處連接到整流器。
[0022] 特別是，相線的每個(gè)相對端連接到整流器的多個(gè)橋之一，其中每個(gè)橋包括串聯(lián)連 接到彼此的兩個(gè)單向閥，其中每個(gè)閥適合于僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流，且其中每個(gè)橋的至 少一個(gè)閥與自動(dòng)可控制開關(guān)之一組合，使得如果開關(guān)接通則電流可在相反的方向上流經(jīng)該 閥或可在相反的方向上繞過該閥。在單相接收設(shè)備的情況下，同樣的原理適用于全橋整流 器。
[0023] 至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)可與整流器的閥組合（例如可集成在該閥中或可并聯(lián) 連接到該閥），其中該閥適合于僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流，且其中如果開關(guān)接通則電流可在 相反的方向上流經(jīng)該閥或可在相反的方向上繞過該閥，其中控制設(shè)備適合于僅當(dāng)流過閥的 電流的大小為零或小于預(yù)定的閾值時(shí)才能夠接通開關(guān)?？赏ㄟ^這個(gè)實(shí)施方式明顯減小在操 作期間的損耗。這是可能的，因?yàn)榭刂圃O(shè)備適合于以小于諧振頻率的開關(guān)頻率切換至少一 個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)。使用這個(gè)開關(guān)頻率，至少一個(gè)開關(guān)被接通。此外以這個(gè)開關(guān)頻率斷開 該至少一個(gè)開關(guān)。因?yàn)樵诮油ê蛿嚅_開關(guān)之間的時(shí)間間隔不同于在斷開和接通開關(guān)之間的 時(shí)間間隔，且因?yàn)檫@些時(shí)間間隔可改變，可設(shè)置這些時(shí)間間隔的不同比率或占空比（見下 文）。
[0024] 根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，為了當(dāng)流過閥的電流的大小為零或小于預(yù)定的閾值時(shí)能夠接 通和斷開至少一個(gè)開關(guān)，開關(guān)頻率是諧振頻率的整數(shù)分?jǐn)?shù)，即，諧振頻率是開關(guān)頻率的整數(shù) 倍。特別是，整數(shù)分?jǐn)?shù)可被預(yù)先定義，即，可在接收設(shè)備的操作之前被設(shè)置。這不排除在操 作期間將整數(shù)分?jǐn)?shù)調(diào)整為另一值。
[0025] 特別是，可在操作期間確定諧振頻率或等價(jià)量。因此，諧振頻率可以是在操作期間 的開關(guān)頻率的精確整數(shù)倍。例如，如果諧振頻率改變，則相應(yīng)地和優(yōu)選地自動(dòng)地調(diào)整開關(guān)頻 率。等價(jià)量可以是在整流器的輸入側(cè)上的交變電流或交變電壓（例如接收設(shè)備的一個(gè)或多 于一個(gè)相的交變電流或交變電壓）的周期或半周期的時(shí)間。例如，耦合到計(jì)數(shù)器的檢測器 反復(fù)地測量何時(shí)交變電流或交變電壓變成零，且計(jì)算設(shè)備計(jì)算諧振頻率。然而，交變電流或 交變電壓的頻率也可能以不同的方式觸發(fā)開關(guān)頻率的產(chǎn)生。
[0026] 控制設(shè)備可包括適合于控制在至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)接通且因此短路存在時(shí) 的時(shí)間間隔與在至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)斷開時(shí)的時(shí)間間隔之比的控制器。由于開關(guān)過程 的時(shí)序，將在開關(guān)和否則閥內(nèi)產(chǎn)生的電損耗明顯減小。此外，開關(guān)產(chǎn)生較少的熱，且便于開 關(guān)的冷卻。
[0027] 特別是，控制設(shè)備可適合于根據(jù)在整流器的直流側(cè)上的電壓和/或電流的大小來 控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的切換。下面將給出例子。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的特定應(yīng)用，該裝置包括用于儲(chǔ)存由整流器傳送的電能的儲(chǔ)存器，其 中整流器連接到儲(chǔ)存器，且其中控制設(shè)備適合于根據(jù)對儲(chǔ)存器充電所需的電壓和/或電流 的大小來控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的切換。
[0029] 此外，本發(fā)明包括車輛，該車輛包括根據(jù)這里描述的實(shí)施方式之一的裝置，其中整 流器連接到用于儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)存器。
[0030] 此外，本發(fā)明包括使用電能來操作車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車的方法， 其中：
[0031] ?接收并使用交變電磁場以通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流，
[0032] ?由至少一個(gè)電感接收交變電磁場，至少一個(gè)電感由導(dǎo)電材料形成并通過電磁感 應(yīng)產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相，
[0033] ?該電感和連接到電感的可選的至少一個(gè)另外的電氣元件以諧振頻率產(chǎn)生交變 電流的相，
[0034] ?由整流器整流交變電流，且因而產(chǎn)生直流電，
[0035] ?使用至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)來操作整流器，至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（或在 多于一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的情況下）被暫時(shí)閉合，使得實(shí)現(xiàn)跨越電感或跨越兩個(gè)或多個(gè)電 感（可選地包括至少一個(gè)另外的電氣元件）的短路，
[0036] ?至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)由控制設(shè)備控制，使得至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)以小 于諧振頻率的頻率被接通和斷開。
[0037] 特別是，可使用導(dǎo)電材料的多個(gè)相線來產(chǎn)生交變電流，其中每個(gè)相線包括產(chǎn)生交 變電流的多個(gè)相之一的電感之一。根據(jù)該裝置的描述，緊接著該方法的其它實(shí)施方式。
[0038] 例如，整流器可包括用于對交變電流整流的閥，其中自動(dòng)可控制開關(guān)與該閥組合， 其中閥在開關(guān)斷開時(shí)的第一操作狀態(tài)中僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流，且閥或閥的旁路可在開 關(guān)接通時(shí)的第二操作狀態(tài)中在相反的方向上傳導(dǎo)電流，其中僅當(dāng)流過閥的電流的大小為零 或小于預(yù)定的閾值時(shí)實(shí)現(xiàn)接通該開關(guān)。
[0039] 在至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)接通且因此短路存在時(shí)的時(shí)間間隔與在至少一個(gè)自 動(dòng)可控制開關(guān)斷開時(shí)的時(shí)間間隔之比可由控制設(shè)備控制。
[0040] 特別是，控制設(shè)備可根據(jù)在整流器的直流側(cè)上的電壓和/或電流的大小來控制至 少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的切換。
[0041] 電能可由整流器傳送到車輛的能量儲(chǔ)存器，且控制設(shè)備可根據(jù)對儲(chǔ)存器充電所需 的電壓和/或電流的大小來控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的切換。
[0042] 本發(fā)明包括制造車輛（特別是有軌車輛和/或公路汽車）的方法，其包括下列步 驟：
[0043] ?提供適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備，
[0044] ?為接收設(shè)備提供用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相的由導(dǎo)電材料形成 的至少一個(gè)電感，
[0045] ?使至少一個(gè)電感和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件適合于以諧振頻率操作，如 果相應(yīng)頻率的交變電磁場由接收設(shè)備接收，則以該諧振頻率產(chǎn)生交變電流的相，該至少一 個(gè)另外的電氣元件連接到電感以便產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相，
[0046] ?將電感和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件連接到用于對交變電流整流并從而 產(chǎn)生直流電的整流器，
[0047] ?布置整流器的至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)，使得閉合開關(guān)或閉合多個(gè)開關(guān)導(dǎo)致跨 越電感或跨越兩個(gè)或多個(gè)電感（可選地包括至少一個(gè)另外的電氣元件）的短路，
[0048] ?提供控制設(shè)備并調(diào)節(jié)控制設(shè)備，使得它能夠控制至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)，以 及，
[0049] ?調(diào)節(jié)控制設(shè)備，使得它能夠以小于諧振頻率的頻率接通和斷開至少一個(gè)自動(dòng)可 控制開關(guān)。
[0050] 將在下文中參考附圖描述本發(fā)明的例子：
[0051] 圖1示出連接到整流器的接收設(shè)備的電路圖，其中整流器的直流側(cè)經(jīng)由直流中間 電路連接到負(fù)載，例如連接到牽引轉(zhuǎn)換器，
[0052] 圖2示出只有兩個(gè)橋的修改的整流器，
[0053] 圖3示出與圖1的裝置類似的裝置的電路圖，其中示出用于測量接收設(shè)備的相電 流和用于測量直流中間電路的電壓的測量設(shè)備，
[0054] 圖4示出與圖3的裝置類似的裝置的電路圖，其中整流器的每個(gè)橋只包括一個(gè)開 關(guān)，
[0055] 圖5示出用于控制開關(guān)的開關(guān)過程的控制回路的電路圖，該開關(guān)集成在整流器， 例如圖1、圖3或圖4的整流器中，以及
[0056] 圖6示出作為時(shí)間的函數(shù)的量的圖，在圖的上三分之一部分中是由連接到整流器 (例如圖4所示的整流器）的接收設(shè)備產(chǎn)生的交變電流，在圖的中間三分之一部分中是在整 流器的輸出處的直流電壓以及在圖的下三分之一部分中是三角信號(hào)和指示開關(guān)的開關(guān)狀 態(tài)的階躍函數(shù)。
[0057] 圖1所示的用于接收電磁場的接收設(shè)備1包括在一側(cè)上連接到公共星點(diǎn)5的三個(gè) 相線2a、2b、2c。每個(gè)相線2a、2b、2c的另一側(cè)連接到整流器10的相應(yīng)橋。每個(gè)相線2a、2b、 2c包括電感3 &、313、3(：，電感3&、313、3(3串聯(lián)連接到電容4&、413、4(3，以便補(bǔ)償由電感3 &、313、 3c引起的雜散電感。每個(gè)電感3和每個(gè)補(bǔ)償電容2可由單個(gè)元件（例如電感器或電容器） 或由元件的組合（例如電感器或電容器的串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接）實(shí)現(xiàn)。相線2的電感 3的第一部分也可能經(jīng)由電容4的第一部分或唯一部分連接到電感3的第二部分。
[0058] 在接收設(shè)備1的操作期間，入射電磁場引起在電感3a、3b、3c中的電壓，使得在一 端處的星點(diǎn)5和到在另一端處的整流器10的橋11的連接之間的每個(gè)相線2a、2b、2c兩端 存在電壓。如果負(fù)載17連接到整流器10的直流側(cè)且如果負(fù)載被操作，相應(yīng)的交變電流流 經(jīng)由整流器10整流的相線2a、2b、2c，并被提供到負(fù)載17作為流過連接線18a、18b的直流。 流過相線2a、2b、2c的電流可如所示由圖3和圖4所示的測量設(shè)備36a、36b、36c測量（例 如使用Rogowski線圈）。
[0059] 接收設(shè)備1的電感3a、3b、3c優(yōu)選地布置成使得入射電磁場以120°的相移在相線 2a、2b、2c中產(chǎn)生交變電流（如其是一般三相交變電流的情況）。
[0060] 圖1所示的整流器10包括三個(gè)橋lla、llb、llc。橋11中的每個(gè)包括兩個(gè)二極管 14a，15a ;14b，15b ;14c，15c的串聯(lián)連接。這些二極管14、15允許電流從圖1所示的底側(cè)到 圖1所示的頂側(cè)，使得在電流線18b中的電位高于在電流線18a中的。平滑電容器16連接 在直流線18a、18b之間。平滑電容器16連接到整流器的輸出側(cè)，即，三個(gè)橋11的輸出側(cè)， 且不是整流器10的一部分。每個(gè)橋11在一端連接到第一直流線18a，而在另一端連接到第 二直流線18b。
[0061] 在圖1所示的特定實(shí)施方式中，每個(gè)二極管14、15并聯(lián)連接到開關(guān)12、13,使得開 關(guān)12、13允許電流在開關(guān)接通的時(shí)候繞過二極管14、15。
[0062] 在接收設(shè)備1和整流器10的操作期間，開關(guān)12、13可重復(fù)地接通和斷開，以便與 整流器10的正常操作相比增加或降低在整流器10的輸出側(cè)上的直流。"正常操作"意指開 關(guān)12、13中沒有一個(gè)被操作。特別是，開關(guān)12、13被操作，使得橋11的第一開關(guān)12a、12b、 12c或第二開關(guān)13a、13b、13c同時(shí)被接通。例如，在當(dāng)所有開關(guān)12、13被斷開時(shí)的第一操作 狀態(tài)開始，第一開關(guān)12a、12b、12c被接通并在某個(gè)時(shí)間間隔之后被斷開，且然后在第二時(shí) 間間隔之后，第二開關(guān)13a、13b、13c被接通并在第三時(shí)間間隔之后被斷開。在第四時(shí)間間 隔之后，第一開關(guān)12a、12b、12c再次被接通持續(xù)第一時(shí)間間隔，依此類推。對于這個(gè)操作， 可定義占空比d，占空比d為第一和第三時(shí)間間隔（當(dāng)開關(guān)12或開關(guān)13接通時(shí)）的和與第 二和第四時(shí)間間隔（當(dāng)開關(guān)12、13都斷開時(shí)）的和之比。在整流器10的輸出側(cè)上的電壓 是：
[0063] UA = 1/(1 - d)*UE
[0064] 其中隊(duì)是在平滑電容器16兩端的在整流器10的輸出側(cè)上的直流電壓，且UE是在 接收設(shè)備1和整流器10之間的連接處的三相交變電壓的均方根（RMS)。
[0065] 特別是，不僅與圖1到圖5的電路圖有關(guān)，開關(guān)12、13的開關(guān)頻率小于由接收設(shè)備 的相線產(chǎn)生的交變電流的頻率。因此，僅當(dāng)流過閥（例如二極管14、15)的電流為零或小于 預(yù)定的閾值時(shí)接通開關(guān)12或13是可能和優(yōu)選的。因此，可避免或減小由在負(fù)載之下切換 開關(guān)12、13引起的損耗。為了檢測流過閥的電流是否為零或小于預(yù)定的閾值，可使用聯(lián)系 圖3和圖4提到的測量設(shè)備36。
[0066] 圖2示出只有兩個(gè)橋21a、21b的修改的整流器。再次，每個(gè)橋21包括兩個(gè)閥（二極 管34a，35a ;34b，35b)的串聯(lián)連接，且存在與每個(gè)閥34、35并聯(lián)的開關(guān)32a，33a ;32b，33b， 從而在開關(guān)32、33接通時(shí)旁路該閥。
[0067] 圖2所示的相線22a、22b可以是兩相交變電流的相線，或可以是到接收器的連接 線，接收器當(dāng)電磁場是入射的時(shí)只產(chǎn)生交變電流的一個(gè)相。
[0068] 在不同附圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同或功能上相同的元件。因此，圖2中的 18a、18b表示在整流器的輸出側(cè)處的直流線。
[0069] 如圖4所示，可省略一組開關(guān)（S卩，圖1和圖3的開關(guān)13)。這基于發(fā)現(xiàn)只需要開 關(guān)組（例如圖1和圖3的開關(guān)12或開關(guān)13)來產(chǎn)生跨越相線2的短路，以便改變在電感3 兩端且因此改變在整流器的輸出側(cè)上的直流電壓。同樣的原理適用于圖2所示的整流器的 修改的結(jié)構(gòu)或任何其它整流器。在圖2的情況中，可省略開關(guān)32a、32b，且可重復(fù)地和優(yōu)選 地同時(shí)接通和斷開開關(guān)33a、33b，以便產(chǎn)生分別跨越連接線22a、22b或相線22a、22b的短 路。
[0070] 如圖3和圖4所示，兩個(gè)另外的電容42、43的串聯(lián)連接可在其相對端處連接到直 流線18a、18b。此外，在電容42、43之間的連接點(diǎn)可連接到如圖3和圖4所示的地電位。此 外或可選地，測量設(shè)備41可連接在直流線18a、18b之間。特別是，測量設(shè)備41可適合于測 量在線18a、18b之間的電壓，并優(yōu)選地還測量流過線18a、18b中的至少一個(gè)的電流。由測 量設(shè)備41傳送的測量值可用于控制負(fù)載（例如圖1的負(fù)載17或另一負(fù)載，例如用于儲(chǔ)存 電能的能量儲(chǔ)存器）的操作，和/或可用于控制整流器的開關(guān)的操作。特別是，基于測量設(shè) 備41的測量值，開關(guān)的占空比可被設(shè)置成使得實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。因此，例如，在直流線18a、 18b之間的直流電壓可被控制為恒定的?？蛇x地，在整流器的輸出側(cè)上的電壓和/或電流可 被控制為符合負(fù)載的其它要求。
[0071] 將參考圖5解釋用于控制整流器（例如圖1中示出的整流器10)的開關(guān)的操作的 控制回路的例子。如上所述，測量（特別是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)地）流過接收設(shè)備的相線的交變 電流。在三相接收設(shè)備作為例子的情況下（可針對接收設(shè)備的任何其它數(shù)量的相線實(shí)現(xiàn)相 應(yīng)的控制回路），三相交變電流的三個(gè)相電流由Ia、Ib、Ic表示。這些相電流被輸入到用于 針對每個(gè)相單獨(dú)地計(jì)算相電流的均方根（RMS)的第一計(jì)算設(shè)備51a、51b、51c。RMS被輸出 到用于將值相加的相加設(shè)備52并將因而產(chǎn)生的和輸出到用于從設(shè)置值Iset減去該和的相 減設(shè)備53。根據(jù)控制的要求來產(chǎn)生這個(gè)設(shè)置值Iset。例如，可基于在如上所述的整流器的 輸出側(cè)上的直流電壓的測量來產(chǎn)生設(shè)置值。
[0072] 由減法設(shè)備53輸出的差被輸入到控制器54,控制器54可以是PI控制器（比例積 分控制器）?？刂破?4的輸出值被輸入到比較該輸出與三角產(chǎn)生設(shè)備55所產(chǎn)生的三角信 號(hào)的比較器56。三角信號(hào)的頻率等于開關(guān)頻率，開關(guān)頻率為諧振頻率的整數(shù)分?jǐn)?shù)，S卩，諧振 頻率是開關(guān)頻率的整數(shù)倍。
[0073] 特別是，由比較器56從控制器54接收的輸入可以是上面提到的占空比d。比較 器56的因而產(chǎn)生的輸出是具有兩個(gè)不同的功能值（即，1和0,其對應(yīng)于占空比）的階躍函 數(shù)。這個(gè)階躍函數(shù)被饋送到用于例如驅(qū)動(dòng)圖1的開關(guān)12和13或圖4的開關(guān)12的單獨(dú)驅(qū) 動(dòng)設(shè)備59a、59b、59c。在具有兩組開關(guān)12、13的情況下，驅(qū)動(dòng)設(shè)備59與用于交替地驅(qū)動(dòng)開 關(guān)12和13的交流發(fā)電機(jī)組合，S卩，在開關(guān)13被接通和斷開之前，開關(guān)12被接通和斷開，反 之亦然。
[0074] 比較器56的輸出被輸入到驅(qū)動(dòng)設(shè)備59的第一輸入端D，且優(yōu)選地，存在被輸入到 驅(qū)動(dòng)設(shè)備59的第二輸入端Q的第二輸入值，以便僅在流過相應(yīng)的閥的電流為零或小于預(yù)定 的閾值Ilim時(shí)接通開關(guān)。這個(gè)閾值Ilim被輸入到一組第二比較器58a、58b、58c，且相線 的所測量的交變電流（即，相電流la、lb、Ic)也輸入到針對分別用于每個(gè)相的第二比較器 58。第二比較器58比較交變電流的當(dāng)前值與閾值Ilim，并且只有當(dāng)相電流小于閾值Ilim 或小于或等于閾值Ilim時(shí)向相應(yīng)的指定驅(qū)動(dòng)設(shè)備59輸出使能信號(hào)。
[0075] 圖6示出在包括連接到圖4所示的整流器的接收設(shè)備（例如圖1所示的接收設(shè) 備）的裝置的操作期間作為時(shí)間的函數(shù)的不同量的例子。僅為了簡單起見選擇圖4的整流 器?？墒褂脠D1到圖3所示的整流器并使用對應(yīng)于在整流器的每個(gè)分支中有兩個(gè)開關(guān)的事 實(shí)的修改的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)在整流器的輸出側(cè)上的直流電壓的類似行為。
[0076] 圖的水平軸對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間，S卩，時(shí)間t與接通或斷開開關(guān)12的循環(huán)的周期 tau_AR的商。在圖的上三分之一部分中，垂直軸對應(yīng)于接收設(shè)備的交變電流。水平雙箭頭 示出以諧振頻率f_RES波動(dòng)的交變電流的周期tau_RES。在本例中，電流的峰值在-20A和 20A的范圍內(nèi)。在圖的中間三分之一部分中，垂直軸對應(yīng)于整流器的直流電壓。在本例中， 電壓的值在60V和70V之間改變。在圖的下三分之一部分中，垂直軸對應(yīng)于相應(yīng)信號(hào)和閾 值的電壓。在本例中，閾值是0.4V，且由在該水平處的水平線指示。水平雙箭頭示出斷開開 關(guān)12的循環(huán)的周期tau_AR。
[0077] 如在圖6的上三分之一部分中所示的，在整流器的輸入側(cè)上的交變電流以諧振頻 率振蕩。例如，如上面聯(lián)系圖5所描述的，將三角信號(hào)（圖6中的下三分之一部分，在峰值OV 和IV之間波動(dòng)）與閾值比較，并觸發(fā)整流器的開關(guān)12的切換。當(dāng)三角信號(hào)落在閾值（在 本例中：0.4V)之下時(shí)，開關(guān)12被接通，如在圖6中的圖的下三分之一部分中的從-IV逐步 升高到IV的階躍函數(shù)所指示的。當(dāng)三角信號(hào)再次達(dá)到閾值時(shí)，這些開關(guān)12被再次斷開，如 從IV逐步降低到0V的階躍函數(shù)所指示的。
[0078] 在當(dāng)開關(guān)12被接通時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，接收設(shè)備的相線被短路。因此，在圖的上三分之 一部分中所示的交變電流的峰值在接下來的周期期間增大。此外，在圖的中間三分之一部 分中所示的直流電壓降低。通過再次斷開開關(guān)12來停止該降低。以后，當(dāng)開關(guān)12斷開時(shí)， 直流電壓升高。
【權(quán)利要求】
1. 一種給車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車提供電能的裝置，其中： ?所述裝置包括適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備 ⑴， ?所述接收設(shè)備（1)包括用于通過所述電磁感應(yīng)產(chǎn)生所述交變電流的一個(gè)相的由導(dǎo) 電材料形成的至少一個(gè)電感（3)， ?所述至少一個(gè)電感（3)和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件（4)包括諧振頻率，如果 相應(yīng)頻率的交變電磁場由所述接收設(shè)備（1)接收，則以所述諧振頻率產(chǎn)生所述交變電流的 所述相，可選的所述至少一個(gè)另外的電氣元件（4)連接到所述電感（3)以便產(chǎn)生所述交變 電流的一個(gè)相， 籲所述電感（3)和可選的所述至少一個(gè)另外的電氣元件（4)連接到用于對所述交變電 流進(jìn)行整流并從而產(chǎn)生直流電的整流器（10)， ?所述整流器（10)包括至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)，所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制 開關(guān)，或在多于一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)的情況下，被布置成使得閉合所述開關(guān)（12，13)或閉 合多個(gè)所述開關(guān)導(dǎo)致跨越所述電感（3)或跨越兩個(gè)或更多個(gè)所述電感（3)--可選地包括 至少一個(gè)另外的電氣元件（4)--的短路， ?所述裝置包括適合于控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)的控制設(shè)備，并且 ?所述控制設(shè)備適合于以小于所述諧振頻率的頻率接通和斷開所述至少一個(gè)自動(dòng)可 控制開關(guān)（12,13)。
2. 如前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述接收設(shè)備（1)包括由導(dǎo)電材料制成的多個(gè) 相線（2a，2b，2c)，其中，每個(gè)相線（2a，2b，2c)包括所述電感（3)之一，每個(gè)電感（3)適合 于產(chǎn)生所述交變電流的多個(gè)相之一，且其中所述相線（2a，2b，2c)連接到彼此以在所述相 線（2a，2b，2c)的一端處形成星點(diǎn)連接，并在所述相線（2a，2b，2c)的相對端處連接到所述 整流器（10)。
3. 如前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述相線（2a，2b，2c)的每個(gè)所述相對端連接到 所述整流器（10)的多個(gè)橋之一，其中，每個(gè)橋包括串聯(lián)連接到彼此的兩個(gè)單向閥（14,15)， 其中，每個(gè)閥（14,15)適合于僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流，且其中，每個(gè)橋的所述閥中的至少 一個(gè)閥與所述自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)之一組合，使得如果所述開關(guān)（12,13)接通，則電流 能夠在相反的方向上流經(jīng)所述閥（14,15)或能夠在相反的方向上繞過所述閥（14,15)。
4. 如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中，所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12，13)與 所述整流器（10)的閥（14,15)組合，其中所述閥（14,15)適合于僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電 流，且其中如果所述開關(guān)（12,13)接通則電流能夠在相反的方向上流經(jīng)所述閥或能夠在相 反的方向上繞過所述閥（14,15)，其中，所述控制設(shè)備適合于僅當(dāng)流過所述閥（14,15)的電 流的大小為零或小于預(yù)定的閾值時(shí)才使能接通所述開關(guān)（12,13)。
5. 如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中，所述控制設(shè)備包括適合于控制在所述至少 一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)接通且因此所述短路存在時(shí)的時(shí)間間隔與在所述至少一個(gè) 自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)斷開時(shí)的時(shí)間間隔之比的控制器。
6. 如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中，所述控制設(shè)備適合于根據(jù)在所述整流器 (10)的直流側(cè)上的電壓和/或電流的大小來控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)的 切換。
7. 如前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述裝置包括用于儲(chǔ)存所述整流器（10)傳送的 電能的儲(chǔ)存器，其中，所述整流器（10)連接到所述儲(chǔ)存器，且其中，所述控制設(shè)備適合于根 據(jù)對所述儲(chǔ)存器充電所需的電壓和/或電流的大小來控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān) (12,13)的切換。
8. -種包括如前述權(quán)利要求之一所述的裝置的車輛，其中，所述整流器（10)連接到用 于儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)存器。
9. 一種使用電能來操作車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車的方法，其中： 籲接收并使用交變電磁場以通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流， ?由至少一個(gè)電感（3)接收所述交變電磁場，所述至少一個(gè)電感由導(dǎo)電材料形成并通 過所述電磁感應(yīng)產(chǎn)生所述交變電流的一個(gè)相， 籲所述電感（3)和連接到所述電感（3)的可選的至少一個(gè)另外的電氣元件（4)以諧振 頻率產(chǎn)生所述交變電流的所述相， ?由整流器（10)整流所述交變電流，且因而產(chǎn)生直流電， ?使用至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)來操作所述整流器（10)，所述至少一個(gè)自動(dòng) 可控制開關(guān)（12,13)，或在多于一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)的情況下，被暫時(shí)閉合，使得 實(shí)現(xiàn)跨越所述電感（3)或跨越兩個(gè)或更多個(gè)所述電感（3)--可選地包括所述至少一個(gè)另 外的電氣元件（4)--的短路， ?由控制設(shè)備控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)，使得所述至少一個(gè)自動(dòng)可 控制開關(guān)（12,13)以小于所述諧振頻率的頻率被接通和斷開。
10. 如前述權(quán)利要求所述的方法，其中，使用由導(dǎo)電材料制成的多個(gè)相線（2a，2b，2c) 來產(chǎn)生所述交變電流，其中，每個(gè)相線（2a，2b，2c)包括所述電感（3)之一，所述電感（3)之 一產(chǎn)生所述交變電流的多個(gè)相之一。
11. 如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述整流器（10)包括用于對所述交變電 流進(jìn)行整流的閥（14，15)，其中，所述自動(dòng)可控制開關(guān)（12，13)與所述閥（14，15)組合，其 中，所述閥（14,15)在所述開關(guān)（12,13)斷開時(shí)的第一操作狀態(tài)中僅在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電 流，且所述閥或所述閥（14,15)的旁路能夠在所述開關(guān)（12,13)接通時(shí)的第二操作狀態(tài)中 在相反的方向上傳導(dǎo)電流，其中，僅當(dāng)流過所述閥（14,15)的電流的大小為零或小于預(yù)定 的閾值時(shí)實(shí)現(xiàn)接通所述開關(guān)（12,13)。
12. 如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，由所述控制設(shè)備控制在所述至少一個(gè)自動(dòng) 可控制開關(guān)（12,13)接通且因此所述短路存在時(shí)的時(shí)間間隔與在所述至少一個(gè)自動(dòng)可控 制開關(guān)（12,13)斷開時(shí)的時(shí)間間隔之比。
13. 如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述控制設(shè)備根據(jù)在所述整流器（10)的 直流側(cè)上的電壓和/或電流的大小來控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)的切換。
14. 如前述權(quán)利要求所述的方法，其中，由所述整流器（10)將電能傳送到車輛的能量 儲(chǔ)存器，且其中，所述控制設(shè)備根據(jù)對所述儲(chǔ)存器充電所需的電壓和/或電流的大小來控 制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)的切換。
15. -種制造車輛特別是有軌車輛和/或公路汽車的方法，包括下列步驟： ?提供適合于接收交變電磁場并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流的接收設(shè)備（1)， 籲為所述接收設(shè)備（1)提供用于通過所述電磁感應(yīng)產(chǎn)生所述交變電流的一個(gè)相的由 導(dǎo)電材料形成的至少一個(gè)電感（3)， ?使所述至少一個(gè)電感（3)和可選的至少一個(gè)另外的電氣元件（4)適合于以諧振頻率 工作，如果相應(yīng)頻率的交變電磁場由所述接收設(shè)備（1)接收，則以所述諧振頻率產(chǎn)生所述 交變電流的所述相，所述至少一個(gè)另外的電氣元件（4)連接到所述電感（3)以便產(chǎn)生所述 交變電流的一個(gè)相， ?將所述電感（3)和可選的所述至少一個(gè)另外的電氣元件連接到用于對所述交變電 流進(jìn)行整流并從而產(chǎn)生直流電的整流器（10)， ?布置所述整流器（10)的至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12，13)，使得閉合所述開關(guān) (12.13) 或閉合多個(gè)所述開關(guān)（12,13)導(dǎo)致跨越所述電感（3)或跨越兩個(gè)或多個(gè)所述電感 (3)--可選地包括所述至少一個(gè)另外的電氣元件（4)--的短路， ?提供控制設(shè)備并調(diào)節(jié)所述控制設(shè)備，使得它能夠控制所述至少一個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān) (12.13) ，以及 ?調(diào)節(jié)所述控制設(shè)備，使得它能夠以小于所述諧振頻率的頻率接通和斷開所述至少一 個(gè)自動(dòng)可控制開關(guān)（12,13)。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK104114404SQ201380009698
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月17日
【發(fā)明者】D·安德斯 申請人:龐巴迪運(yùn)輸有限公司