DE102013000900A1 - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen Energieübertragung - Google Patents
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Abstract
Elektrofahrzeuge mit am Netz aufladbarer Batterie haben eine durch die Batteriekapazität begrenzte und in der Regel zu geringe Reichweite. Die Aufladung der Batterien am Netz kostet Zeit, so dass Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb für Reisen über größere Strecken ungeeignet sind. Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, das Elektrofahrzeug 1 drahtlos mit elektrischer Energie zu versorgen und auch den Energiespeicher des Fahrzeuges drahtlos aufzuladen. Um diese Energieversorgung und/oder Aufladung der Energiespeicher mit elektrischer Energie auch während der Fahrt zu ermöglichen wird vorgeschlagen, entlang von Fahrstrecken Energiesender 2 anzuordnen und in den Fahrzeugen einen Energieempfänger 4 anzuordnen, wobei zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades nur die Energiesender aktiviert werden, deren abgestrahlte Energie von Energieempfängern empfangen werden kann, und bei der Weiterschaltung von einem Energiesender zu dem in Fahrtrichtung folgenden die in dem aktivierten Energiesender gespeicherten elektrischen und magnetischen Energien in den folgenden Energiesender umgeladen werden. Die Energiesender 3 werden vorteilhafterweise unterhalb der Decke der Fahrbahn 2 angeordnet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen induktiven Energieübertragung auf bewegte Objekte sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die induktive Energieübertragung erfolgt berührungsfrei von einer Priemäbspule auf eine Sekundäbspule. Durch den anwendungsbedingten Abstand zwischen Primär- und Sekundärspulen ergeben sich hohe Streuinduktivitäten, die die Kopplung begrenzen. Zur Kompensation dieser Streuinduktivitäten wird in der angeführten Literatur die Zuschaltung von Kapazitäten zu den Primär- und Sekundärspulen vorgeschlagen.
- Systeme zur induktiven Leistungsübertragung wurden in den folgenden Druckschriften beschrieben:
- • R. Laouamer, M. Brunello, J. P. Ferrieux, O. Normand, und N. Buchheit, "A multi-resonant converter for non-contact charging with electromagnetic coupling", in 23rd International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1997. IECON 97., 1997, Bd. 2, S. 792–797.
- • O. H. Stielau und G. A. Covic, "Design of loosely coupled inductive power transfer systems", Proceedings of the International Conference on Power System Technology, PowerCon 2000., 2000, Bd. 1, S. 85–90.
- • C.-J. Chef, T.-H. Chu, C.-L. Lin, und Z.-C. Jou, "A Study of Loosely Coupled Coils for Wireless Power Transfer", IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Bd. 57, Nr. 7, S. 536–540, 2010.
- • M. Budhia, G. A. Covic, und J. T. Boys, "Design and Optimization of Circular Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, Bd. 26, Nr. 11, S. 3096–3108, Nov. 2011.
- • J. de Santiago, H. Bernhoff, B. Ekergård, S. Eriksson, S. Ferhatovic, R. Waters, und M. Leijon, "Electrical Motor Drivelines in Commercial All-Electric Vehicles: A Review", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Bd. 61, Nr. 2, S. 475–484, Feb. 2012.
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1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Entlang einer Wegstrecke sind die Primärspulen31 ,32 ,33 ,34 , .... angeordnet. Oberhalb der Primärspulen bewegt sich die Sekundärspule41 entlang der Primärspulen, so dass die Sekundärspule jeweils mindestens eine der Primärspulen31 ,32 ,33 ,34 , .... voll überdeckt. Zur Erläuterung der Funktion der Anordnung nehmen wir an, dass sich die Sekundärspule41 zunächst in einer Position befindet, bei der sie die Spule32 voll, die Spulen31 und33 nur teilweise überdeckt. Die Primärspule32 wird von einem Wechselstrom durchflossen und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches in der Sekundärspule41 eine elektromotorische Kraft induziert. Die anderen Primärspulen31 ,33 ,34 , .... sind nicht von Strom durchflossen. Bewegt sich die Sekundärspule nach rechts, so wird innerhalb des Zeitintervalls während dessen die Sekundärspule sowohl die Primärspulen32 als auch34 überdeckt der Primärstrom von Spule32 zu Spule33 umgeschaltet. Dieses Umschalten erfolgt während der Strom durch die Primärspule32 den Wert Null erreicht, so dass durch die Umschaltung von einer Primärspule zur nächsten keine Spannung in den Primärspulen induziert wird.2 zeigt schematisch die Position der Sekundärspule41 oberhalb der Primärspulen32 und33 zu dem Zeitpunkt in dem die Umschaltung von Primärspule32 auf Primärspule33 erfolgt. - Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, durch Zuschalten von Kondensatoren, im folgenden Kompensationskondensatoren genannt, die Streuinduktivitäten der Magnetspulen zu kompensieren und auf diese Weise die magnetisch gekoppelten Primär- und Sekundärspulen in Resonanz zu betreiben und dadurch einen hohen Wirkungsgrad für die Leistungsübertragung zu erreichen. Um beim Weiterschalten von einer Primärspule auf die nächste eine durch den Resonanzbetrieb verursachte lange Einschwingzeit zu vermeiden und des weiteren die in der abgeschalteten Primärspule und dem zugeordneten Kompensationskondensator gespeicherte Energie nicht zu verlieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Energie auf die nächste Primärspule und einen zugeordneten Kompensationskondensator umzuladen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Primärspulen31 ,32 ,33 ,34 , .... sind mit Wechselspannungsquellen81 ,82 ,83 ,84 , ... verbunden. Von den Wechselspannungsquellen ist nur die Quelle82 eingeschaltet. Zunächst ist der Schalter62 geschlossen und die Schalter71 und72 geöffnet. Die Induktivität32 und der Kondensator52 auf der Sendeseite bilden gemeinsam mit der Induktivität41 und dem Kondensator42 auf der Empfangsseite zwei magnetisch gekoppelte Schwingkreise. Die von der Sekundärspule aufgenommene elektrische Energie wird dem Verbraucher100 zugeführt. Die Sekundärspule41 ist, wie in1 oberhalb der Primärspulen angeordnet. Die Darstellung in3 stellt die Schaltung dar und gibt die in1 und2 korrekt dargestellte geometrische Anordnung der Spulen nicht wieder. - Die zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen sind in
6 dargestellt. Zunächst wird vom Kondensator52 auf den Kondensator53 umgeschaltet. Zum Zeitpunkt t1 ist die Spannung des Kondensators52 gleich Null und die Energie des vom Kondensator52 und der Spule32 gebildeten Primärkreises ist vollständig in der Spule32 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter72 geschlossen und unmittelbar danach der Schalter62 geöffnet. Der durch die Spule32 fließende Strom wird ohne Unterbrechung auf den Kondensator53 umgeleitet und lädt nun diesen auf. Der Zustand der Schaltung ist nun in4 dargestellt. Es wird nun der Kondensator53 aufgeladen. - Wenn sich die Sekundärspule
41 sowohl oberhalb der Primärspule32 als auch oberhalb der Primärspule33 befindet wird zu einem Zeitpunkt t2, wenn der Strom durch die Spule32 gleich Null ist, der Schalter72 geöffnet und der Schalter63 geschlossen. Gleichzeitig wird die Quelle83 aktiviert und die Quelle82 abgeschaltet. Die Schaltung geht dabei in den in5 dargestellten Zustand über. Es wird nun der Strom iL33 durch die Spule33 aufgebaut. Der Zustand der Schaltung entspricht nun dem Zustand am Ausgangspunkt dieser Beschreibung, wobei jedoch die Aktivierung der Primärspule um eine Position nach rechts verschoben ist. - Die Zeitpunkte der Umschaltung von einer Primärspule zur nächsten hängen von der Geschwindigkeit mit der sich das Objekt mit der Sekundärspule bewegt ab. Es besteht keine Synchronität zwischen der Fortbewegung des Objektes mit der Sekundärspule und der Frequenz des Wechselfeldes. Es muß lediglich für das Umschalten der Spulen ein Zeitpunkt gewählt werden, in dem sich die Sekundärspule über beiden Primärspulen befindet und die Spulen im stromlosen Zustand sind. Die Umschaltung zwischen den Kondensatoren kann zu irgendeinem Zeitpunkt dazwischen erfolgen in welchem die Kondensatoren im spannungslosen Zustand sind.
- Für die Realisierung des hier vorgestellten induktiv gekoppelten Übertragungssystems können die Anordnungen von Kondensatoren und Spulen sowohl primärseitig als auch sekundärseitig sowohl in Parallel- als auch in Serienschaltung angeordnet werden. Die Abschaltung der nicht benötigten Spulen oder Kondensatoren kann sowohl, wie hier dargestellt, durch Unterbrechung als auch durch Kurzschließen von Spulen und/oder Kapazitäten erfolgen. Diese Varianten, insbesondere solche, die aus den hier geoffenbarten durch Anwendung des Dualitätsprinzips und Serien-Parallelwandlung (bzw. umgekehrt) auf die vorgestellten Grundschaltungen abgeleitet werden können, folgen direkt aus den hier vorgestellten Schaltungen.
- Im folgenden wird eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt, bei der ein geschalteter Oszillator nach
7 zur Gewinnung der Wechselspannung für die Ansteuerung der Primärspulen verwendet wird. Derartige Schaltungen wurden in der folgenden Literatur bereits für die Verwendung von Leistungsübertragungssystemen induktiv gekoppelten Primär- und Sekundärspulen verwendet: - • H. Abe, H. Sakamoto, und K. Harada, "A noncontact charger using a resonant converter with parallel capacitor of the secondary coil", IEEE Transactions on Industry Applications, Bd. 36, Nr. 2, 2000, S. 444–451.
- • Y. Jang und M. M. Jovanovic, "A contactless electrical energy transmission system for portabletelephone battery chargers", in Twenty-second International Telecommunications Energy Conference, 2000. INTELEC, 2000, S. 726–732.
- Bei der in
7 dargestellten Anordnung sind L1 und L2 die Primär- und Sekundärspulen des induktiv gekoppelten Energieübertragungssystems. Mit den Kondensatoren C1 und C2 wird das Übertragungssystem auf Resonanz abgestimmt. Die Wechselspanunng zu Ansteuerung der des von L1 und C1 gebildeten Primärkreises des induktiv gekoppelten Übertragungssystem wird generiert, indem der Schalter S von einem zeitlich periodischen Steuersignal getaktet, abwechselnd an die positive Gleichspannung +V0 und die negative Gleichspannung –V0 gelegt wird. Dadurch liegt an Kondensator C1 ein periodischer Rechteckpuls. Auf diese Weise wird aus einer Gleichspannungsversorgung mit den Spannungen +V0 und –V0 eine Wechselspannung hoher Leistung gewonnen. Mit den Kondensatoren C1 und C2 wird die Schaltungsanordnung auf die Grundfrequenz des Rechteckpulses abgestimmt. -
8 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemässen Anordnung, bei welcher das Prinzip der Schaltung nach7 zur Gewinnung der Wechselspannung zur Ansteuerung der Primärspulen verwendet wird. Die Schalter91 ,92 ,93 ,94 , ... werden von einem Steuersignal mit der für die induktive Übertragung gewählten Frequenz getaktet. Dabei muss nur der Schalter getaktet werden, dessen zugeordnete Spule gerade sendet. Die anderen Schalter können in Ruhestellung bleiben, z. B. an –V0 liegen. Zur Erklärung der Funktionsweise nehmen wir an, dass zu Beginn unserer Betrachtung Die Spule32 Energie sendet und die anderen Spulen passiv, d. h. nicht von Strom durchflossen sind. In dem in8 dargestellten Zustand bilden der Kondensator52 und die Spule32 den Primärkreis welcher über den getakteten Schalter92 mit einem Wechselspannungssignal versorgt wird. Zur Vorbereitung der Weiterschaltung der Primärspule wird zunächst der Kondensator52 durch den Kondensator53 ersetzt. dazu wird im spannungslosen Zustand des Kondensators52 der ebenfalls spannungslose Kondensator53 durch Schließen des Schalters72 der Spule zugeschaltet und unmittelbar danach durch Öffnen des Schalters62 die Verbindung der Spule32 zum Kondensator52 getrennt. Bei diesem Schaltvorgang wird der Stromfluss der Spule32 nicht unterbrochen und es entsteht kein momentaner Spannungssprung an der Spule. Der primäre Schwingkreis wird jetzt von der Spule32 und dem Kondensator53 gebildet. Der Zustand der Schaltung ist in9 dargestellt. - Nachdem die Sekundärspule
41 bereits die Primärspule33 voll überdeckt, kann von der Primärspule32 auf die Primärspule33 weiter geschaltet werden. Dazu wird im stromlosen Zustand der Spule32 , in dem die gesamte Energie des Primärkreises im Kondensator53 gespeichert ist, der Schalter72 geöffnet und der Schalter63 geschlossen. Gleichzeitig wird die Taktung von Schalter92 beendet und die Energiezufuhr in Spule33 durch die Taktung von Schalter93 übernommen. Der Schalter92 kann dabei in einem der beiden Ruhezustände bleiben. Der Zustand der Schaltung ist nun in10 dargestellt. - Elektrofahrzeuge mit am Netz aufladbarer Batterie haben eine durch die Batteriekapazität begrenzte und in der Regel zu geringe Reichweite. Die Aufladung der Batterien am Netz kostet Zeit, so dass Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb für Reisen über größere Strecken ungeeignet sind. Die drahtlose Energieversorgung von Fahrzeugen während der Fahrt wurde bereits in der folgenden Literatur beschrieben:
- • C.-S. Wang, G. A. Covic, und O. H. Stielau, "General stability criterions for zero Phase angle controlled loosely coupled inductive Power tansfer systems", Proceedings of the 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society IECON'01, S. 1049–1054, 2001
- • M. L. G. Kissin, J. T. Boys, und G. A. Covic, "Interphase Mutual Inductance in Polyphase Induktive Power Transfer Systems", IEEE Transactions an Industrial Electronics, Bd. 56, Nr. 7, S. 2393–2400, 2009.
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11 zeigt die schematische Darstellung der drahtlosen induktiven Leistungsübertragung von unter der Fahrbahndecke angeordneten Spulen auf eine in einem Fahrzeug angeordnete Spule. Die erfindungsgemäße Lösung des Problems der drahtlosen Versorgung von Elektrofahrzeugen während der Fahrt mit elektrischer Energie besteht darin, das Elektrofahrzeug1 drahtlos mit elektrischer Energie zu versorgen und auch den Energiespeicher des Fahrzeuges drahtlos aufzuladen. Um diese Energieversorgung und/oder Aufladung der Energiespeicher mit elektrischer Energie auch während der Fahrt zu ermöglichen wird vorgeschlagen, entlang von Fahrstrecken2 von Primärspulen3 gebildete induktive Energiesender anzuordnen und in den Fahrzeugen einen von einer Sekundärspule4 gebildeten Energieempfänger anzuordnen, wobei zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades nur die Primärspulen aktiviert werden, deren abgestrahlte Energie von Energieempfängern empfangen werden kann. Die Energiesender3 werden vorteilhafterweise unterhalb der Decke der Fahrbahn2 angeordnet. - Es wird vorgeschlagen, als Energiespeicher entweder Batterien oder Kondensatoren oder eine Kombination von beiden zu verwenden. Batterien können zur Zeit noch wesentlich grössere Energiemengen speichern als Kondensatoren. Kondensatoren sind als zusätzliche Pufferspeicher zur kurzzeitigen Abgabe hoher Leistungen, z. B. beim Beschleunigen des Fahrzeuges vorteilhaft. Mit dem Fortschreiten der Technologie von sogenannten Superkondensatoren und bei einem guten Ausbau des Streckennetzes mit induktiver Energieversorgung wird auch ein Verzicht auf die Energiespeicherung in Batterien möglich und die Überbrückung kurzer Wegstrecken ohne induktive Energieversorgung mit Hilfe der in den Kondensatoren gespeicherten Energie möglich. Kozepte, welche auf drahtloser Energieversorgung von Fahrzeugen in Verbindung mit Energiespeicherung in Kondensatoren beruhen, wurden in den folgenden Druckschriften vorgestellt:
- • Y. Hori, "Future vehicle society based an electric motor, capacitor and wireless Power supply", in Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International, 2010, S. 2930–2934.
- • Y. Hori, "Application of Electric Motor, Supercapacitor, and Wireless Power Transfer to enhance Operation of future vehicles", in Industrial Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium on, 2010, S. 3633–3635.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- R. Laouamer, M. Brunello, J. P. Ferrieux, O. Normand, und N. Buchheit, ”A multi-resonant converter for non-contact charging with electromagnetic coupling”, in 23rd International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1997. IECON 97., 1997, Bd. 2, S. 792–797 [0002]
- O. H. Stielau und G. A. Covic, ”Design of loosely coupled inductive power transfer systems”, Proceedings of the International Conference on Power System Technology, PowerCon 2000., 2000, Bd. 1, S. 85–90 [0002]
- C.-J. Chef, T.-H. Chu, C.-L. Lin, und Z.-C. Jou, ”A Study of Loosely Coupled Coils for Wireless Power Transfer”, IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Bd. 57, Nr. 7, S. 536–540, 2010 [0002]
- M. Budhia, G. A. Covic, und J. T. Boys, ”Design and Optimization of Circular Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, Bd. 26, Nr. 11, S. 3096–3108, Nov. 2011 [0002]
- J. de Santiago, H. Bernhoff, B. Ekergård, S. Eriksson, S. Ferhatovic, R. Waters, und M. Leijon, ”Electrical Motor Drivelines in Commercial All-Electric Vehicles: A Review”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Bd. 61, Nr. 2, S. 475–484, Feb. 2012 [0002]
- H. Abe, H. Sakamoto, und K. Harada, ”A noncontact charger using a resonant converter with parallel capacitor of the secondary coil”, IEEE Transactions on Industry Applications, Bd. 36, Nr. 2, 2000, S. 444–451 [0010]
- Y. Jang und M. M. Jovanovic, ”A contactless electrical energy transmission system for portabletelephone battery chargers”, in Twenty-second International Telecommunications Energy Conference, 2000. INTELEC, 2000, S. 726–732 [0010]
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Claims (7)
- Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung von einer Anzahl ruhender Primärspulen auf jeweils eine in einem oder mehreren bewegten Objekten angeordnete Sekundärspule, wobei die Streuinduktivitäten der Primär- und Sekundärspulen jeweils durch zu den Primär- und Sekundärspulen parallel oder in Serie geschaltete Kompensationskondensatoren kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Primärspulen, welche mit einer Sekundärspule eines bewegten Objekts auf Grund der momentanen Position des bewegten Objekte magnetisch verkoppelt sind, aktiviert sind und dass die Aktivierung der Primärspulen der Bewegung der bewegten Objekte folgt, wobei die Umschaltung von einer Primärspule zur folgenden im stromlosen Zustand der beteiligten Primärspulen und die Umschaltung von einem Kompensationskondensator zum folgenden im spannungslosen Zustand der beteiligten Kompensationskondensatoren erfolgt.
- Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierte bzw. die aktivierten Primärspulen, wie in
3 dargestellt, von Wechselspannungsquellen81 ,82 ,83 , ... angesteuert werden. - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierte bzw. die aktivierten Primärspulen, wie in
8 dargestellt, durch periodisch getaktete Schalter91 ,92 ,93 , ... alternierend mit zwei Leitern, welche sich auf unterschiedlichen Gleichspannungspotentialen befinden, verbunden werden, so dass auf diese Weise die aktivierte bzw. die aktivierten Primärspulen mit einer periodischen Folge von Rechteckimpulsen angesteuert werden. - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zeitpunkt unter jedem bewegten Objekt jeweils nur eine Primärspule aktiviert ist.
- Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in den Anordnungen verwendeten Schaltern um Halbleiterbauelemente handelt.
- Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnug zur Versorgung von Elektrofahrzeugen dient und die Primärspulen entlang einer Wegstrecke angeordnet sind und die Sekundärspule sich im Elektrofahrzeug befindet.
- Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnug zur Versorgung von Elektrofahrzeugen dient und die Primärspulen unterhalb der Straßenbelages angeordnet sind und die Sekundärspule sich am Boden des Elektrofahrzeuges befindet.
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