DE102013004179A1 - Erhöhung der Phasenlagentoleranz von magnetischen Kreisen bei der berührungslosen Energieübertragung - Google Patents

Erhöhung der Phasenlagentoleranz von magnetischen Kreisen bei der berührungslosen Energieübertragung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Energieübertragungssystem mit einer primärseitigen Spulenanordnung (Lp) und einer sekundärseitigen Spulenanordnung (Ls), die jeweils zusammen mit Kapazitäten (Cp, Cs) Schwingkreise (RESp, RESs) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das primärseitige Spulensystem (SPp) zwei in Reihe geschaltete Spulen (Lp) aufweist, deren Verbindungspunkt (Pp) über eine primärseitige Impedanz (LPM) mit einer Eingangsklemme (3) des den primärseitigen Schwingkreis (RESp) versorgenden Schaltung (1) verbunden ist und/oder dass das sekundärseitige Spulensystem (SPs) zwei in Reihe geschaltete Spulen (Ls) aufweist, deren Verbindungspunkt (Ps) über eine sekundärseitige Impedanz (LSM) mit einer Ausgangsklemme (4) des der sekundärseitigen Schwingkreis (RESs) nachgeschalteten Schaltung (2) verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Energieübertragungssystem mit einer primärseitigen Spulenanordnung und einer sekundärseitigen Spulenanordnung, die jeweils zusammen mit Kapazitäten Schwingkreise bilden.
  • Bei der berührungslosen Energieübertragung ist eine gute Kopplung zwischen den primärseitigen und der sekundärseitigen Spulenanordnung für den Wirkungsgrad der Energieübertragung wichtig. Sofern zwischen einem Fahrzeug und einer Ladestation Energie übertagen werden soll, so wird die Ladestation meist auf dem Boden platziert, wohingegen die sekundärseitige Pickup unter dem Fahrzeug montiert wird. Meist werden die Spulenanordnungen durch planare Spulen gebildet, wodurch die Ladestation und die Pickup plattenförmig ausgebildet werden können. Die magnetische Kopplung wird dabei maßgeblich vom Abstand der Spulenanordnungen in vertikaler Richtung sowie deren horizontalem Versatz bestimmt. Der vertikale Abstand ist dabei maßgeblich vom Fahrzeugtyp vorgegeben, wohingegen der horizontale Versatz der Spulenanordnungen zueinander von der Parkposition des Fahrzeugs relativ zur Ladestation abhängt.
  • Eine attraktive Spulenkonfiguration für die sekundärseitige Pickup ist die Doppelwicklung, bestehend aus den Spulen LS1 und LS2, wie sie beispielhaft in 1a zusammen mit dem zugehörigen Ersatzschaltbild dargestellt ist. Die primärseitige Ladestation weist meist eine ähnliche Spulenanordnung auf und ist in 1a lediglich durch den Leiter LP1 mit dem ihn durchfließenden Strom Ip dargestellt. In 1a sind die primär- und sekundärseitigen Spulen optimal, d. h. ohne horizontalen Versatz zueinander angeordnet, so dass sich eine optimale Kopplung ergibt und die Ströme IS1 und IS2 in den sekundärseitigen Spulen LS1 und LS2 im Gegentakt-Betrieb fließen. Es bietet sich hierbei an, die Spulen LS1 und LS2, wie in 2 dargestellt, in Reihe zu schalten, da beide Ströme LS1 und LS2 in Phase und gleich groß sind.
  • Die magnetische Kopplung ändert sich bemerkbar, wenn die primär- und sekundärseitige Spulenanordnung horizontal zur optimalen Ausrichtung gemäß 1a versetzt sind, wie es in 1b dargestellt ist. In diesem Fall sind die die beiden Spulen LS1 und LS2 durchdringenden Fluss-Anteile zueinander nicht um 180° phasenverschoben, so dass die Spulen LS1 und LS2 nicht mehr, wie in 2 dargestellt, in Reihe geschaltet werden können.
  • Zur Entkopplung der Spulenströme IS1 und IS2 können die Spulen LS1 und LS2 wie in 3 dargestellt verschaltet werden. Die Spulenströme IS1 und IS2 können bei dieser Schaltung unterschiedliche Phasenlagen und Amplituden aufweisen und werden über die Gleichrichterschaltung GL gleichgerichtet und den Glättungskondensator CGL geglättet. Bei dieser Schaltung ergibt sich jedoch eine Empfindlichkeit bei einem horizontalen Versatz von primärseitiger und sekundärseitiger Spulenanordnung, da aufgrund der Kopplung der Spulen LS1 und LS2 es zu einer Verstimmung des Gesamtschwingkreises kommt. Die 4 zeigt das Ersatzschaltbild zur Schaltung gemäß 3. Solange kein horizontaler Versatz relativ zur optimalen Ausrichtung der primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen besteht, arbeitet der magnetische Kreis im Gegentakt-Betrieb und der Strom I1 ist gleich minus I2. Die Spulen wirken, als wären sie in Reihe geschaltet und besitzen eine Mitkopplung, wobei die Gesamtinduktivität größer als die Summe beider Teilinduktivitäten LS1 und LS2 ist.
  • Sobald jedoch die horizontale Position der primärseitigen und sekundärseitigen Spulenanordnungen von der optimalen Position abweicht, besitzen die Ströme einen Gleichtakt-Anteil, wodurch sich die Gesamtinduktivität verringert, da die Spulen im Gleichtakt-Betrieb eine Gegenkopplung aufweisen. Im Extremfall I1 = I2 heben sich beide Ströme in der Hauptinduktivität gegenseitig auf, wodurch Ih = I1 – I2 = 0 ist. Die Gesamtinduktivität ändert sich somit mit der Positionierung des Sekundärkreises über dem Primärkreis, wodurch es zu einer Verstimmung des Resonanzkreises und damit zu einer Verschlechterung der Übertragungseigenschaften kommt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung für das oben geschilderte Problem bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass entweder das primärseitige Spulensystem zwei in Reihe geschaltete Spulen aufweist, deren Verbindungspunkt über eine primärseitige Impedanz mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff eines Spannungsteilers, oder dem Plus- oder Minus-Pol des Zwischenkreises der den primärseitigen Schwingkreis versorgenden Schaltung, insbesondere in Form eines gesteuerten Wechselrichters, verbunden ist und/oder dass das sekundärseitige Spulensystem zwei in Reihe geschaltete Spulen aufweist, deren Verbindungspunkt über eine sekundärseitige Impedanz mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff eines Spannungsteilers, oder dem Plus- oder Minus-Pol einer dem sekundärseitigen Schwingkreis nachgeschalteten Schaltung, insbesondere in Form eines Gleichrichters, verbunden ist.
  • Das erfindungsgemäße Vorsehen einer zusätzlichen Impedanz bewirkt, dass sich bei einem Versatz zur optimalen horizontalen Ausrichtung die Induktivität im Reihenschwingkreis der in Reihe geschalteten primär- und/oder sekundärseitigen Spulen erhöht, wodurch eine Anpassung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises an die System-Frequenz erfolgt.
  • Die den primärseitigen Schwingkreis versorgende Schaltung ist dabei bevorzugt ein gesteuerter Brückenwechselrichter, wobei jede primärseitige Spule in Reihe mit einer Kapazität geschaltet ist und mit dieser einen Reihenschwingkreis bildet, und die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise an den Wechselspannungsanschluss des gesteuerten Brückenwechselrichters angeschlossen ist. Die Impedanz bildet dabei einen Mittenabgriff zwischen den primärseitigen Spulen und dient zur Anpassung der Resonanzfrequenz der primärseitigen Schwingkreise an die Systemfrequenz.
  • Die dem sekundärseitigen Schwingkreis nachgeschaltete Schaltung ist bevorzugt ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, wobei im Falle eines Brückengleichrichters jede sekundärseitige Spule in Reihe mit einer Kapazität geschaltet ist und mit dieser einen Reihenschwingkreis bildet, und die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise an den Wechselspannungs-Anschluss des Brückengleichrichters angeschlossen ist. Die zusätzliche Impedanz bildet dabei einen Mittenabgriff zwischen den sekundärseitigen Spulen und dient zur Anpassung der Resonanzfrequenz der sekundärseitigen Schwingkreise an die Systemfrequenz dient.
  • Es ist selbstverständlich möglich, dass sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite jeweils eine zusätzliche Impedanz vorgesehen werden kann. Ebenso ist es möglich, dass lediglich auf der Sekundärseite oder auf der Primärseite eine zusätzliche Impedanz vorgesehen wird. In der Regel kann die zusätzliche Impedanz gleich der Gegeninduktivität der zueinander gekoppelten Spulen sein.
  • Nachfolgend wird anhand der Figuren die Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1a und 1b: Induktives Energieübertragungssystem mit zwei sekundärseitigen Spulen gemäß dem Stand der Technik, nebst Ersatzschaltbildern;
  • 2: mögliche Verschaltung der sekundärseitigen Spulen nach 1a;
  • 3: Entkopplungsschaltung für Spulenanordnung nach 1b, bei horizontalem Versatz;
  • 4: Ersatzschaltbild für Schaltung gemäß 3;
  • 5: erfindungsgemäße Schaltung mit zusätzlicher Impedanz für Sekundärseite des induktiven Energieübertragungssystems;
  • 6: erfindungsgemäße Schaltung mit zusätzlicher Impedanz für Primärseite des induktiven Energieübertragungssystems;
  • 7 und 8: Schaltungen gemäß 5 und 6, wobei zusätzliche Impedanz an Mittenabgriff eines kapazitiven Teilers angeschlossen ist;
  • 9 und 10: Schaltungen mit zusätzlicher veränderbarer Impedanz für die Sekundärseite des induktiven Energieübertragungssystems;
  • 11: Induktives Energieübertragungssystem gemäß dem Stand der Technik mit zwei planaren sekundärseitigen Spulen, welche auf einer Ferritplatte angeordnet sind;
  • 12: Induktives Energieübertragungssystem gemäß dem Stand der Technik sekundärseitiger U-Pickup;
  • 13: Ersatzschaltbilder zur Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens.
  • Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit zusätzlicher Impedanz LSM für die Sekundärseite des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die sekundärseitigen Spulen LS zusammen mit den Kondensatoren C Reihenschwingkreise RESS bilden. Die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise RESS ist an den Wechselspannungs-Anschluss des Gleichrichters GL angeschlossen. Die zusätzliche Impedanz LSM ist mit ihrem einen Pol LSM1 mit dem Verbindungspunkt VS und mit ihrem anderen Pol LSM2 mit dem Plus- oder Minus-Pol (4) des nachgeschalteten Gleichrichters GL verbunden.
  • Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit zusätzlicher Impedanz LPM für die Primärseite des induktiven Energieübertragungssystems, wobei die primärseitigen Spulen LP zusammen mit den Kondensatoren C Reihenschwingkreise RESP bilden. Die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise RESP ist an den Wechselspannungs-Anschluss des Wechselrichters 1 angeschlossen. Die zusätzliche Impedanz LPM ist mit ihrem einen Pol LPM1 mit dem Verbindungspunkt VP der Resonanzkreise RESP und mit ihrem anderen Pol LPM2 mit dem dem Plus- oder Minus-Pol (3) des Zwischenkreises der den primärseitigen Schwingkreis (RESp) speisenden Wechselrichters 1 verbunden.
  • Die 7 und 8 zeigen Schaltungen gemäß 5 und 6, wobei die zusätzliche Impedanz LPM bzw. LSM nicht an einem Plus- oder Minus-Pol, sondern an dem Mittenabgriff MTP bzw. MTS eines kapazitiven Spannungsteilers CGL1, CGL2 angeschlossen ist.
  • Die 9 und 10 zeigen Erweiterungen der Schaltung gemäß 5, die es ermöglichen, den Wert der sekundären zusätzlichen Impedanz LSM zu verändern. Wie in 9 dargestellt, kann mittels des Schaltmittels S1 der Kondensator CSM bei Bedarf parallel zur Impedanz L'SM geschaltet werden. Hierdurch ist es möglich, die Resonanzfrequenz der sekundären Schwingkreise RESS bei verschiedenen horizontalen Versätzen zwischen der primären und sekundären Spulenanordnung der primärseitigen Frequenz anzupassen. Selbstverständlich ist es möglich, mehrere Kondensatoren bedarfsweise parallel zu schalten, so dass eine noch feinere Abstimmung der Resonanzfrequenzen möglich ist.
  • Wie in 10 dargestellt, ist es ebenso möglich, einen Kondensator in Reihe zu schalten. Dies geschieht, in dem die Schaltmittel S2, S3 sperren. Sofern der Kondensator CSM außer Funktion gebracht werden soll, so können die Schaltmittel S2 und S3 leitend geschaltet werden.
  • Die 11 und 12 zeigen eine Flachpickup mit planaren Spulen sowie eine U-förmige Pickup im Zusammenspiel mit einer als Linienleiter angedeuteten Primäranordnung. Die Darstellungen entsprechen den 1a und 1b, wobei zur Verdeutlichung die Feldlinien und die Ferritkerne dargestellt sind.
  • Die 13 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der zusätzlichen Impedanz. Links ist das magnetische T-Ersatzschaltbild für einen Gleichtakt-Betrieb dargestellt. Durch den Gleichtakt-Betrieb heben sich die Ströme Is1 uns Is2 in den Spulen (siehe 1a) auf, so dass die Induktivität Lsh entfällt, wie es im mittleren Schaltbild dargestellt ist. Die äquivalente Spulen-Induktivität Leq beträgt Ls1 und nicht mehr Ls1 + 2Lsh wie im Gegentakt-Betrieb. Der Resonanzkondensator ist aber für den Gegentakt-Betrieb ausgelegt, so dass hier eine Erhöhung der Spulen-Induktivität um 2Lsh nötig ist. Dies wird realisiert durch die ”Umkehr” einer der Streuinduktivitäten für den Gleichtakt-Betrieb um das magnetische T-Ersatzschaltbild (rechts dargestellt) in einer diskreten Schaltung mit einer zusätzlichen Induktivität Lsm zu emulieren. Als Ergebnis entsteht eine Schaltung, die für den Gleichtakt-Betrieb die gleiche Impedanz wie das magnetische Ersatzschaltbild im Gegentakt-Modus aufweist.

Claims (12)

  1. Induktives Energieübertragungssystem mit einer primärseitigen Spulenanordnung (Lp) und einer sekundärseitigen Spulenanordnung (Ls), die jeweils zusammen mit Kapazitäten (Cp, Cs) Schwingkreise (RESp, RESs) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das primärseitige Spulensystem (SPp) zwei in Reihe geschaltete Spulen (Lp) aufweist, wobei eine primärseitige Impedanz (LPM) mit ihrem einen ersten Pol mit dem Verbindungspunkt (Pp) der in Reihe geschaltete Spulen (Lp) und mit ihrem anderen zweiten Pol mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff (MTP) eines Spannungsteilers (CGL1, CGL2), Plus- oder Minus-Pol (3) des Zwischenkreises der den primärseitigen Schwingkreis (RESp) versorgenden Schaltung (1), insbesondere eines gesteuerten Brückenwechselrichters, verbunden ist und/oder dass das sekundärseitige Spulensystem (SPs) zwei in Reihe geschaltete Spulen (Ls) aufweist, deren Verbindungspunkt (Ps) über eine sekundärseitige Impedanz (LSM) mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff (MTS) eines Spannungsteilers (CGL1, CGL2) oder einer Ausgangsklemme (4) des der sekundärseitigen Schwingkreis (RESs) nachgeschalteten Schaltung (2) verbunden ist.
  2. Induktives Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede primärseitige Spule (Lp) in Reihe mit einer Kapazität (Cp) geschaltet ist und mit dieser einen Reihenschwingkreis (RESp) bildet, und die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise (RESp) an den Wechselspannungs-Anschluss des gesteuerten Brückenwechselrichters (1) angeschlossen.
  3. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete Schaltung (2) ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, ist.
  4. Induktives Energieübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede sekundärseitige Spule (Ls) in Reihe mit einer Kapazität (Cs) geschaltet ist und mit dieser einen Reihenschwingkreis (RESs) bildet, und die Reihenschaltung der Reihenschwingkreise (RESs) an den Wechselspannungs-Anschluss des Brückengleichrichters (2) angeschlossen ist.
  5. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (LPM) einen Mittenabgriff zwischen den Spulen (Lp) bildet, und die Induktivität (LPM) zur Anpassung der Resonanzfrequenz der primärseitigen Schwingkreise (RESp) an die Systemfrequenz dient.
  6. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (LSM) einen Mittenabgriff zwischen den Spulen (Ls) bildet, und die Induktivität (LSM) zur Anpassung der Resonanzfrequenz der sekundärseitigen Schwingkreise (RESs) an die Systemfrequenz dient.
  7. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitigen Spulen (Ls) bei optimaler Ausrichtung zu den primärseitigen Spulen (Lp) maximal mit diesen magnetisch gekoppelt sind, und dass bei einer abnehmenden Kopplung zwischen den primär und sekundärseitigen Spulen (Lp, Ls) sich die Gesamtinduktivität (Lges) der gekoppelten Spulen (Lp, Ls) verkleinert, wobei der Wert der Induktivität (LPM) und/oder der Wert der Induktivität (LSM) derart gewählt ist, dass die Resonanzfrequenz der jeweiligen Schwingkreise (RESp) bzw. (RESs) an die Systemfrequenz angepasst bleibt.
  8. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils in Reihe geschalteten Spulen (LP, Ls) die gleiche Windungszahl aufweisen.
  9. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige Impedanz (LPM) und/oder die sekundärseitige Impedanz (LSM) durch einen Schwingkreis gebildet ist.
  10. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige Impedanz (LPM) gleich der Gegeninduktivität (LPH) der zueinander gekoppelten primärseitigen Spulen (Lp) ist.
  11. Induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Impedanz (LSM) einen Wert zwischen dem Wert der Gegeninduktivität (LSH) der zueinander gekoppelten sekundärseitigen Spulen (Ls) und dem Zweifachen des Wertes der Gegeninduktivität (LSH) aufweist.
  12. Induktives Energieübertragungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Impedanz (LSM) veränderbar ist, insbesondere durch mindestens eine hinzu- oder kurzschließbare Reiheninduktivität und/oder durch mindestens einen mittels Schaltmitteln (S1, S2, S3) parallel oder in Reihe zur sekundärseitige Impedanz (L'SM) schaltbaren Parallelkondensator (CSM).
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