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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung kontaktloser Übertragung von elektrischer Energie.
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Die Prinzipien induktiven Energietransfers sind seit vielen Jahren bekannt. Resultierend aus der beidseitigen Gegeninduktivität kann Energie von einer primären Spule in den Versorgungsschaltkreis einer sekundären Spule übertragen werden. Mit dem sekundären Schaltkreis wird eine Last wie z. B. eine Lampe, ein Motor, ein Ladegerät oder Anderes mit elektrischer Energie versorgt. Der schnurlose Anschluss beinhaltet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber einem konventionellen Anschluss per Kabel. So kann die schnurlose Versorgung eine große elektrische Isolierung gewährleisten. Außerdem beinhaltet die schnurlose Versorgung große Freiheiten bei der Positionierung im Raum, ohne Anforderungen an eine Verkabelung zu stellen. Durch den Wegfall der Kontaktierung über diverse Stecksysteme ergibt sich eine erhöhte Flexibilität und Interoperabilität. Andererseits wurde induktiver Energietransfer lange aufgrund der schlechteren Effizienz nur in Nischenprodukten eingesetzt. So benötigt ein effizienter Energietransfer einen möglichst kleinen Spalt zwischen primärer und sekundärer Spule. Außerdem bestimmt die Ausrichtung der primären und sekundären Spule zueinander die Effizienz des Energietransfers.
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US 7 118 240 beschreibt ein induktives Spannungsversorgungssystem, das über eine Primärspule und sekundär über mehrere Spulen verfügt, die in verschiedene Orientierungen in Bezug auf die Primärspule angeordnet sind. Dabei ist das Spulensystem so abgestimmt, dass es sich in Resonanz befindet.
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Weitere Spulenanordnungen sind in
US 7 116 200 und in
US 7 132 918 beschrieben, die eine effektive Kopplung zwischen einer oder mehreren primären und sekundären Spulen zur Energieversorgung, zum Kommunizieren oder zu beidem ermöglichen.
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US 2004/0130915 A1 beschreibt eine kontaktlose Spannungsversorgung, die einen Receiver für die Kommunikation mit dem zu versorgenden Gerät aufweist. Dieses Gerät sendet Leistungsdaten zu der Steuerung in der Spannungsversorgung, der entsprechend die Daten die Betriebsfrequenz in der Primärspule der Spannungsversorgung variiert. So kann die Steuerung die Betriebsparameter der Spannungsversorgung auf die Betriebsbedingungen einstellen, um einen effizienten Energietransfer zwischen Spannungsversorgung und Gerät zu gewährleisten.
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EP 2 154 763 A2 beschreibt einen Effizienz-Monitor, der die Leistung in der primären und in der sekundären Spule misst und über eine Kommunikationsschnittstelle die Daten an eine Steuereinheit leitet, die die Verluste berechnet. So kann bei einer Ausführungsform mit mehreren primären Spulen diejenige erkannt werden, die der sekundären Spule am nahsten ist und die daher am effektivsten den Energietransfer bei geringster Beeinflussung der Umgebung bewerkstelligen kann.
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Nachteil dieser kontaktlosen Spannungsversorgungen ist, dass die Feldverteilung der Primärspulen nicht auf die Position des Verbrauchers eingestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Magnetfeldverteilung der Primärspulen bezüglich der Verbraucher und lokaler Felddämpfungen durch z. B. Eisen im Feldbereich zu optimieren.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist, durch Überlagerung der Felder der Primärspulen unter Ausnutzung von Interferenzen die Feldverteilung der Primärspulen zu modellieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und ein Verfahren mit den Merkmalen des 6. Patentanspruchs gelöst, indem die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage des Stroms durch die jeweilige Primärspule zur Optimierung der Übertragungseffizienz geregelt wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass neben der Optimierung der Feldverteilung der Primärspulen auf den Verbraucher diese außerdem so eingestellt werden kann, dass in der Umgebung von Eisenteilen, die Energiesenken darstellen, da in Eisen induzierte Wirbelströme das Magnetfeld dämpfen, die Feldstärke minimiert werden kann. Weiterhin kann die Feldverteilung auch für mehrere Verbraucher optimiert werden. Selbst für bewegte Lasten kann innerhalb der Regelungsbandbreite die Feldverteilung an die jeweilige Position angepasst werden.
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Wichtig für das Prinzip ist die Wirkung der Interferenz, das heißt, eine phasenabhängige Feldüberlagerung von zwei oder mehreren Primärwicklungen. Dabei ist zu beobachten, dass sich gleichphasige Signale verstärken und gegenphasige Signale gegenseitig auslöschen. Wenn also zwei Primärwicklungen im gleichen Takt ein Signal aussenden, so wird eine Überlagerung erzielt. Das Signal wird in der Hauptrichtung verstärkt und in den Nebenrichtungen abgeschwächt. Wenn nun das auszustrahlende Signal durch eine die Phase regelnde Baugruppe geleitet wird, kann also die Abstrahlrichtung elektronisch gesteuert werden. Das ist aber nicht unbegrenzt möglich, weil die Effektivität dieser Anordnung in einer senkrecht zu dem Primärspulenfeld liegenden Hauptrichtung am größten ist, während bei einer extremen Schwenkung der Hauptrichtung gleichzeitig die effektive Primärspulenfläche verkleinert wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Figuren beschrieben:
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1 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit 10 Spulen in einer Ebene.
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2 zeigt die Abhängigkeiten zur Berechnung der magnetischen Flussdichte eines Linienleiters.
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3 zeigt den Betrag der magnetischen Flussdichte im Nahfeld der Ausführungsform mit 10 Spulen.
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4 zeigt schematisch den Aufbau der Steuerung.
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5 zeigt schematisch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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Eine Ausführung der Erfindung mit 10 Spulen in einer Ebene wird in
1 gezeigt. Diese Spulen (
3a) bis (
3k) sind in eine biegsame Kunststoffmatte (
1) einlaminiert. Alle Spulen sind an die Steuerung (
2) angeschlossen, die sie jeweils mit einem Strom I
n (A
n, f
n, ψ
n), n = a..k, versorgt, der für jede Spule in der Amplitude A
n, der Frequenz f
n und der Phase ψ
n eingestellt wird. Die resultierende magnetische Flussdichte B →(r →) ergibt sich nach dem Biot-Savartschen Gesetz zu:
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Die Ströme I
n (A
n, f
n, ψ
n) betrachten wir als quasistationär. Das heißt, dass der Strom an jeder Stelle des Drahtes gleich ist. Er kann sich aber zeitlich ändern. Die Spulen betrachten wir als eine rechteckige Linie mit den Seitenlängen a und b. Sie haben einen Abstand von c zueinander. Den Ursprung des Koordinatensystems legen wir zwischen die fünfte und sechste Spule, die sich in der x-y-Ebene befinden. Zur Berechnung der magnetischen Flussdichte betrachten wir für jede Spule die geraden Anteile als Linienleiter.
2 zeigt die Abhängigkeiten zur Berechnung der magnetischen Flussdichte in einem Punkt P in der Umgebung eines Linienleiters der Länge 1. Nach dem Biot-Savartschen Gesetz ergibt sich:
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r →PQ ist der Vektor zwischen dem Punkt P und einem Punkt Q auf dem Linienleiter, x1 und x2 sind die beiden Endpunkte des Linienleiters. Zur einfacheren Beschreibung stellen wir r →PQ über seinen Abstand ρ zu einer Geraden g durch den Linienleiter und dem Winkel α zwischen dem Abstandsvektor von P zur Geraden g und dem Vektor r →PQ gemäß 2 dar. n ist die Länge zwischen dem Endpunkt x1 und dem Schnittpunkt des Abstandsvektors von P mit der Geraden g. s beschreibt die Länge zwischen den Punkten x1 und Q. Somit ergibt sich: n + s = ρtanα, |r →PQ| = ρ / cosα und ds = ρdα / cos²α
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Damit ergibt sich die magnetische Flussdichte:
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e →a ist der Einheitsvektor senkrecht der Ebene, in der P und der Leiter liegen (Richtung nach den Regeln des Kreuzprodukts).
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Die magnetische Flussdichte im Punkt P ergibt sich somit aus der Überlagerung der Flussdichten aller Linienleiter.
3 zeigt den berechneten Betrag der magnetischen Flussdichte im Nahfeld der Ausführungsform mit 10 Spulen. Der Strom ist konstant und für alle Spulen gleich. Bei Wechselstrom durch die Spulen wird die Spannung
in eine Leiterschleife induziert. A ist dabei die Fläche, die die Leiterschleife umgibt. Diese Spannung kann z. B. zum Laden des Akkus eines Mobiltelefons genutzt werden. Dazu wird das Mobiltelefon mit einer Spule ausgerüstet. Die im Magnetfeld induzierte Spannung wird gleichgerichtet und dem Akku zugeführt. Zur Optimierung der Kopplung zwischen den Sendespulen und der Empfängerspule werden die induzierte Spannung und der Strom im Mobiltelefon gemessen und via Bluetooth an die Steuerung der Sendespulen übermittelt.
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4 zeigt schematisch den Aufbau der Steuerung. Sie ist über einen Eingangsfilter (10) an die Netzspannung angeschlossen. Die gefilterte Netzspannung wird in einem Gleichrichter (11) gleichgerichtet und mit einem Kondensator (12) geglättet. Sie speist zehn Vollbrücken (13a bis k), die die Spulen erregen. Sowohl der Strom in den Vollbrücken als auch die anliegende Spannung werden mit einem Strommesswerk I bzw. einem Spannungsmesswerk U gemessen. Die Vollbrücken werden vom Kontroller (15) angesteuert, der die Amplitude, Phase und Frequenz der Spulenströme gemäß den Daten des Mobiltelefons steuert, die über den Empfänger (14) aufgenommen und an den Kontroller übergeben werden. Im Kontroller werden die Amplituden, Frequenzen und Phasen der Primärspulen mit den Leistungsdaten des Mobiltelefons an verschiedenen Arbeitspunkten verglichen und Richtung Optimum angenähert.
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Dazu werden Amplitude, Frequenz und Phase des Stroms durch jede Spule schrittweise zyklisch nacheinander optimiert, indem der Bereich, in dem das Optimum liegt sukzessiv verkleinert wird. Der jeweilige Bereich wird durch dessen Randwerte a und c und einem Zwischenwert b bestimmt. Für diese Werte werden jeweils die Ausgangsleistung und der Eingangsleistung gemessen. Der Quotient aus beiden beschreibt die Effizienz der Kopplung. Dann wird die Effizienz für einen Zwischenwert x zwischen b und c gemessen. Ist die Effizienz am Punkt x kleiner als die am Punkt b, so wird die Optimierung im Bereich mit den Punkten a, b und x fortgeführt. Ist sie größer so wird der Optimierungsbereich durch die Punkte b, x und c beschrieben. Sobald der Bereich nicht mehr als um den Wert einer festgelegten Schranke verkleinert werden kann, wird mit der Optimierung des nächsten Parameters fortgefahren.
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Alternativ kann jeder Parameter optimiert werden, indem eine nach unten geöffnete Parabel an die den Bereich bestimmenden Punkte a, b und c angepasst wird. Der Punkt im Maximum der nach unten geöffneten Parabel ersetzt jeweils den Punkt mit der kleinsten Effizienz.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Optimierung der Parameter in jedem Iterationsschritt nicht wie oben beschrieben entlang der Einheitsrichtungen des Parameterraums fortgetrieben, sondern es wird nach jeder Iteration eine neue Suchrichtung im Parameterraum bestimmt, die die jeweils älteste Suchrichtung ersetzt. Zu Begin werden wie oben die Parameter entlang der Einheitsrichtungen des Parameterraums optimiert. Dazu wird wieder nach einer der beiden oben beschriebenen Verfahren der entsprechende Parameter optimiert. Die neue Suchrichtung ergibt sich aus der Verbindung des vorherigen Punkts im Parameterraum mit dem neuen Punkt, der sich aus der Optimierung des Parameters ergibt.
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In einer Verbesserung des Verfahrens wird nicht die erste Suchrichtung verworfen sondern diejenige, die den größten Fortschritt gebracht hat.
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In einem alternativen Verfahren werden zunächst Amplitude, Frequenz und Phase jeder Spule auf einen Startwert eingestellt. Dann wird immer jeweils ein Wert verändert, wobei alle anderen auf dem Startwert verbleiben. So ergeben sich 31 Parametersätze mit jeweils einem Wert für die Ausgangsleistung und der Eingangsleistung. Der Quotient aus beiden beschreibt die Effizienz der Kopplung. Diese wird zwischen den Parametersätzen verglichen. Der Parametersatz mit der schlechtesten Kopplung wird durch einen neuen ersetzt, der durch Vergleich der anderen Parametersätze untereinander gewonnen wird, wenn dessen Kopplung besser ist. Mathematisch beschrieben wird der neue Parametersatz durch gewichtete Reflexion des schlechtesten Parametersatzes am Schwerpunkt der verbleibenden Parametersätze im Parameterraum gewonnen.
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Speziell im Nahfeld der Spulen ist die magnetische Flussdichte sehr inhomogen. Dort besteht die Gefahr, dass auf ein Nebenoptimum geregelt wird und nicht auf das globale Optimum. Diese Gefahr kann man mindern, indem nach einer bestimmten Anzahl von Regelschritten neu angesetzt wird. Dazu wird der bisher beste Parametersatz beibehalten und um ihn herum eine neue Startkonfiguration aufgebaut, indem bei jedem weiteren Parametersatz nur ein Parameter variiert wird. Die Regelung wird dann wie oben beschrieben fortgeführt.
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Zum Einstellen des Stroms wird die Vollbrücke vom Kontroller mittels einer Pulsbreitensteuerung (PWM) angesteuert. Die entsprechende Primärspule wird in einem Impuls bestromt und entstromt sich in der folgenden Pause. Durch das zeitliche Verhältnis von Impuls und Pause wird die Stromstärke eingestellt. In dem Fall, dass das Strommesswerk einen unzulässig hohen Strom misst, schaltet eine Schutzeinrichtung im Kontroller die PWM ab.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Abschaltschwelle der Schutzeinrichtung bis zu einer festen oberen Grenze variabel vom Kontroller eingestellt werden. Ist die Vollbrücke eingeschaltet, so steigt der Strom durch die jeweilige Primärspule kontinuierlich an. Beim Erreichen der in der Schutzeinrichtung eingestellten Abschaltschwelle für den Strom schaltet die Schutzeinrichtung die Vollbrücke ab. Die Spule entstromt sich und der Spulenstrom sinkt. Beim Erreichen einer unteren Schwelle wird die Vollbrücke wieder eingeschaltet. Der Spulenstrom steigt erneut an. Durch Variieren der Abschalt- und Einschaltschwelle kann der Spulenstrom entsprechend eingestellt werden. Der Kontroller wählt die Schwellen gemäß der durch die Regelung vorgegebenen Amplitude, Frequenz und Phasenlage des Spulenstroms.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeigt 5. Schematisch dargestellt sind Eingangsfilter (20), Gleichrichter (21), Glättkondensator (22), Empfänger (24) und Kontroller (25). Die Vollbrücken sind durch Halbbrücken und einen Kondensator (23a bis k) ersetzt worden. Die Transistoren der Halbbrücke werden abwechselnd angesteuert. Zwischen den aufeinander folgenden Übergängen ist eine Totzeit eingefügt. Sobald der untere Schalter geschlossen ist, lädt sich der Kondensator auf. Der Ladestrom erregt die Primärspule. Wird der untere Schalter ausgeschaltet, entlädt sich der Kondensator wieder. Während der obere Schalter der Halbbrücke geschlossen ist, filtert der Kondensator den DC-Offset heraus. An der Primärspule liegt so eine reine AC-Spannung an. Da der Strom durch die Primärspule der Spannung nacheilt, können die Schalter im Spannungsnulldurchgang geschaltet werden. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Schaltverluste, sondern auch die elektromagnetische Abstrahlung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7118240 [0003]
- US 7116200 [0004]
- US 7132918 [0004]
- US 2004/0130915 A1 [0005]
- EP 2154763 A2 [0006]
