DE102013000900B4 - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen Energieübertragung - Google Patents

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Abstract

Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung von einer Anzahl ruhender Primärspulen (31, 32, 33, 34) auf jeweils eine in einem oder mehreren bewegten Objekten angeordnete Sekundärspule (41), wobei die Primärspulen (31, 32, 33, 34) mit Wechselspannungsquellen (81, 82, 83, 84) verbunden sind, wobei die Streuinduktivitäten der Primär- und Sekundärspulen jeweils durch zu den Primär- und Sekundärspulen parallel oder in Serie geschaltete Kompensationskondensatoren (42, 51, 52, 53, 54, 55) kompensiert werden, wobei nur die Primärspulen (31, 32, 33, 34) mit der jeweiligen Wechselspannungsquelle (81, 82, 83, 84) angesteuert und aktiviert sind, welche mit einer Sekundärspule (41) eines bewegten Objekts auf Grund der momentanen Position des bewegten Objekts magnetisch verkoppelt sind, und die Aktivierung der Primärspulen (31, 32, 33, 34) der Bewegung der bewegten Objekte mittels Umschaltung folgt, wobei die Umschaltung von einer Primärspule zur folgenden im stromlosen Zustand der beteiligten Primärspulen (31, 32, 33, 34) zu einem Zeitpunkt in dem sich die Sekundärspule (41) über beiden Primärspulen befindet, und zu einem Zeitpunkt dazwischen, die Umschaltung von einem Kompensationskondensator zum folgenden im spannungslosen Zustand der beteiligten Kompensationskondensatoren (51, 52, 53, 54, 55) erfolgt.

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:
    • • WO 93/ 23 909 A1
    • • US 2011 / 0 315 496 A1
    • • US 2009 / 0 045 773 A1
    • • GB 2 476 497 A
    • • 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. Chen, 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. Ekergärd, 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.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Entlang einer Wegstrecke sind die Primärspulen 31, 32, 33, 34, .... angeordnet. Oberhalb der Primärspulen bewegt sich die Sekundärspule 41 entlang der Primärspulen, so dass die Sekundärspule jeweils mindestens eine der Primärspulen 31, 32, 33, 34, .... voll überdeckt. Zur Erläuterung der Funktion der Anordnung nehmen wir an, dass sich die Sekundärspule 41 zunächst in einer Position befindet, bei der sie die Spule 32 voll, die Spulen 31 und 33 nur teilweise überdeckt. Die Primärspule 32 wird von einem Wechselstrom durchflossen und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches in der Sekundärspule 41 eine elektromotorische Kraft induziert. Die anderen Primärspulen 31, 33, 34, .... sind nicht von Strom durchflossen. Bewegt sich die Sekundärspule nach rechts, so wird innerhalb des Zeitintervalls während dessen die Sekundärspule sowohl die Primärspulen 32 als auch 34 überdeckt der Primärstrom von Spule 32 zu Spule 33 umgeschaltet. Dieses Umschalten erfolgt während der Strom durch die Primärspule 32 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 Sekundärspule 41 oberhalb der Primärspulen 32 und 33 zu dem Zeitpunkt in dem die Umschaltung von Primärspule 32 auf Primärspule 33 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.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Primärspulen 31, 32, 33, 34, .... sind mit Wechselspannungsquellen 81, 82, 83, 84, ... verbunden. Von den Wechselspannungsquellen ist nur die Quelle 82 eingeschaltet. Zunächst ist der Schalter 62 geschlossen und die Schalter 71 und 72 geöffnet. Die Induktivität 32 und der Kondensator 52 auf der Sendeseite bilden gemeinsam mit der Induktivität 41 und dem Kondensator 42 auf der Empfangsseite zwei magnetisch gekoppelte Schwingkreise. Die von der Sekundärspule aufgenommene elektrische Energie wird dem Verbraucher 100 zugeführt. Die Sekundärspule 41 ist, wie in 1 oberhalb der Primärspulen angeordnet. Die Darstellung in 3 stellt die Schaltung dar und gibt die in 1 und 2 korrekt dargestellte geometrische Anordnung der Spulen nicht wieder.
  • Die zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen sind in 6 dargestellt. Zunächst wird vom Kondensator 52 auf den Kondensator 53 umgeschaltet. Zum Zeitpunkt t1 ist die Spannung des Kondensators 52 gleich Null und die Energie des vom Kondensator 52 und der Spule 32 gebildeten Primärkreises ist vollständig in der Spule 32 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 72 geschlossen und unmittelbar danach der Schalter 62 geöffnet. Der durch die Spule 32 fließende Strom wird ohne Unterbrechung auf den Kondensator 53 umgeleitet und lädt nun diesen auf. Der Zustand der Schaltung ist nun in 4 dargestellt. Es wird nun der Kondensator 53 aufgeladen.Die zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen sind in 6 dargestellt. Zunächst wird vom Kondensator 52 auf den Kondensator 53 umgeschaltet. Zum Zeitpunkt t1 ist die Spannung des Kondensators 52 gleich Null und die Energie des vom Kondensator 52 und der Spule 32 gebildeten Primärkreises ist vollständig in der Spule 32 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 72 geschlossen und unmittelbar danach der Schalter 62 geöffnet. Der durch die Spule 32 fließende Strom wird ohne Unterbrechung auf den Kondensator 53 umgeleitet und lädt nun diesen auf. Der Zustand der Schaltung ist nun in 4 dargestellt. Es wird nun der Kondensator 53 aufgeladen.
  • Wenn sich die Sekundärspule 41 sowohl oberhalb der Primärspule 32 als auch oberhalb der Primärspule 33 befindet wird zu einem Zeitpunkt t2, wenn der Strom durch die Spule 32 gleich Null ist, der Schalter 72 geöffnet und der Schalter 63 geschlossen. Gleichzeitig wird die Quelle 83 aktiviert und die Quelle 82 abgeschaltet. Die Schaltung geht dabei in den in 5 dargestellten Zustand über. Es wird nun der Strom iL33 durch die Spule 33 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 Parallelals 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 -Y0 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 nach 7 zur Gewinnung der Wechselspannung zur Ansteuerung der Primärspulen verwendet wird. Die Schalter 91, 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 Spule 32 Energie sendet und die anderen Spulen passiv, d.h. nicht von Strom durchflossen sind. In dem in 8 dargestellten Zustand bilden der Kondensator 52 und die Spule 32 den Primärkreis welcher über den getakteten Schalter 92 mit einem Wechselspannungssignal versorgt wird. Zur Vorbereitung der Weiterschaltung der Primärspule wird zunächst der Kondensator 52 durch den Kondensator 53 ersetzt. dazu wird im spannungslosen Zustand des Kondensators 52 der ebenfalls spannungslose Kondensator 53 durch Schließen des Schalters 72 der Spule zugeschaltet und unmittelbar danach durch Öffnen des Schalters 62 die Verbindung der Spule 32 zum Kondensator 52 getrennt. Bei diesem Schaltvorgang wird der Stromfluss der Spule 32 nicht unterbrochen und es entsteht kein momentaner Spannungssprung an der Spule. Der primäre Schwingkreis wird jetzt von der Spule 32 und dem Kondensator 53 gebildet. Der Zustand der Schaltung ist in 9 dargestellt.
  • Nachdem die Sekundärspule 41 bereits die Primärspule 33 voll überdeckt, kann von der Primärspule 32 auf die Primärspule 33 weiter geschaltet werden. Dazu wird im stromlosen Zustand der Spule 32, in dem die gesamte Energie des Primärkreises im Kondensator 53 gespeichert ist, der Schalter 72 geöffnet und der Schalter 63 geschlossen. Gleichzeitig wird die Taktung von Schalter 92 beendet und die Energiezufuhr in Spule 33 durch die Taktung von Schalter 93 übernommen. Der Schalter 92 kann dabei in einem der beiden Ruhezustände bleiben. Der Zustand der Schaltung ist nun in 10 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 transfer 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 Inductive Power Transfer Systems“, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Bd. 56, Nr. 7, S. 2393 - 2400, 2009.
  • 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 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 2 von Primärspulen 3 gebildete induktive Energiesender anzuordnen und in den Fahrzeugen einen von einer Sekundärspule 4 gebildeten Energieempfänger anzuordnen, wobei zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades nur die Primärspulen aktiviert werden, deren abgestrahlte Energie von Energieempfängern empfangen werden kann. Die Energiesender 3 werden vorteilhafterweise unterhalb der Decke der Fahrbahn 2 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. Konzepte, welche auf drahtloser Energieversorgung von Fahrzeugen in Verbindung mit Energiespeicherung in Kondensatoren beruhen, wurden in den folgenden Druckschriften vorgestellt:
    • • Y. Hori, „Fliture vehicle society based on 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.

Claims (6)

  1. Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung von einer Anzahl ruhender Primärspulen (31, 32, 33, 34) auf jeweils eine in einem oder mehreren bewegten Objekten angeordnete Sekundärspule (41), wobei die Primärspulen (31, 32, 33, 34) mit Wechselspannungsquellen (81, 82, 83, 84) verbunden sind, wobei die Streuinduktivitäten der Primär- und Sekundärspulen jeweils durch zu den Primär- und Sekundärspulen parallel oder in Serie geschaltete Kompensationskondensatoren (42, 51, 52, 53, 54, 55) kompensiert werden, wobei nur die Primärspulen (31, 32, 33, 34) mit der jeweiligen Wechselspannungsquelle (81, 82, 83, 84) angesteuert und aktiviert sind, welche mit einer Sekundärspule (41) eines bewegten Objekts auf Grund der momentanen Position des bewegten Objekts magnetisch verkoppelt sind, und die Aktivierung der Primärspulen (31, 32, 33, 34) der Bewegung der bewegten Objekte mittels Umschaltung folgt, wobei die Umschaltung von einer Primärspule zur folgenden im stromlosen Zustand der beteiligten Primärspulen (31, 32, 33, 34) zu einem Zeitpunkt in dem sich die Sekundärspule (41) über beiden Primärspulen befindet, und zu einem Zeitpunkt dazwischen, die Umschaltung von einem Kompensationskondensator zum folgenden im spannungslosen Zustand der beteiligten Kompensationskondensatoren (51, 52, 53, 54, 55) erfolgt.
  2. Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach Anspruch 1, wobei die aktivierte oder die aktivierten Primärspulen (31, 32, 33, 34) durch periodisch getaktete Schalter (91, 92, 93, 94) alternierend mit zwei Leitern, welche sich auf unterschiedlichen Gleichspannungspotentialen befinden, verbunden werden, so dass auf diese Weise die aktivierte oder die aktivierten Primärspulen (31, 32, 33, 34) mit einer periodischen Folge von Rechteckimpulsen angesteuert werden.
  3. Verfahren und Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu jedem Zeitpunkt unter jedem bewegten Objekt jeweils nur eine Primärspule aktiviert ist.
  4. Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den in den Anordnungen verwendeten Schaltern um Halbleiterbauelemente handelt.
  5. Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung zur Versorgung von Elektrofahrzeugen dient und die Primärspulen (31, 32, 33, 34) entlang einer Wegstrecke angeordnet sind und die Sekundärspule (4, 41) sich im Elektrofahrzeug (1) befindet.
  6. Anordnung zur drahtlosen induktiven Energieübertragung nach Anspruch 5, wobei die Anordnung zur Versorgung von Elektrofahrzeugen dient und die Primärspulen (3, 31, 32, 33, 34) unterhalb des Straßenbelages angeordnet sind und die Sekundärspule (4, 41) sich am Boden des Elektrofahrzeuges (1) befindet.
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