DE102013213801A1

DE102013213801A1 - Einrichtung zur resonant - induktiven Energieübertragung

Info

Publication number: DE102013213801A1
Application number: DE201310213801
Authority: DE
Inventors: Alexander Trnka; Vladislav Damec
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2014-06-12
Also published as: AT513220B1; AT513220A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur induktiven Energieübertragung von einem Sendegerät (1) an ein Empfangsgerät (2), umfassend
– zumindest ein Sendegerät mit zumindest einer Sendeeinrichtung, etwa einer Sendespule (3),
– zumindest ein Empfangsgerät mit zumindest einer Empfangseinrichtung, die als Empfangsspule (9) ausgebildet ist.
Um bei einfacher Schaltungsanordnung einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, ist vorgesehen, dass zumindest ein erster Kondensator (11) parallel zur Empfangsspule (9) geschaltet ist, sodass Empfangsspule und erster Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden, wobei Leiter zur Entnahme der Wechselspannung der Empfangsspule am ersten Kondensator (11) vorgesehen sind, und zur Empfangsspule (9) ein zweiter Kondensator (12) in Serie geschaltet ist, sodass erster (11) und zweiter Kondensator (12) einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur induktiven Energieübertragung von einem Sendegerät an ein Empfangsgerät, umfassend

– zumindest ein Sendegerät mit zumindest einer Sendeeinrichtung, etwa einer Sendespule,
– zumindest ein Empfangsgerät mit zumindest einer Empfangseinrichtung, die als Empfangsspule ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Elektrische Energie kann drahtlos übertragen werden, eine Möglichkeit dazu ist Induktion. Bei der Energieübertragung mittels Induktion wird mittels einer Sendeeinrichtung, meist einer Senderspule, ein sich veränderndes magnetisches Feld erzeugt, welches in einer Empfänger-Spule einen elektrischen Strom induziert. Die Energie kann so über verhältnismäßig kleine Entfernungen, typischerweise in der Größenordnung von Zentimetern, übertragen werden.
Stand der Technik
Grundsätzlich sind solche Einrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, siehe hierzu etwa die Veröffentlichung WO 2010/036980 A1 .
Herkömmliche Einrichtungen weisen aber oft eine nicht zufriedenstellenden Wirkungsgrad für die Übertragung der Energie auf, sodass die Verbesserung dieses Wirkungsgrads immer Gegenstand von weiteren Verbesserungen ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, welche einerseits eine einfache Schaltungsanordnung aufweist, andererseits einen guten Wirkungsgrad für die Übertragung der Energie vom Sendegerät zum Empfangsgerät.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Anspruch 1 betrifft eine Einrichtung zur induktiven Energieübertragung von einem Sendegerät an ein Empfangsgerät, umfassend

– zumindest ein Sendegerät mit zumindest einer Sendeeinrichtung, etwa einer Sendespule,
– zumindest ein Empfangsgerät mit zumindest einer Empfangseinrichtung, die als Empfangsspule ausgebildet ist, und sieht vor, dass zumindest ein erster Kondensator parallel zur Empfangsspule geschaltet ist, sodass Empfangsspule und erster Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden, wobei Leiter zur Entnahme der Wechselspannung der Empfangsspule am ersten Kondensator vorgesehen sind, und zur Empfangsspule ein zweiter Kondensator in Serie geschaltet ist, sodass erster und zweiter Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.

Die beiden Leiter, welche die Wechselspannung auskoppeln, die für einen an oder im Empfangsgerät angeschlossenen Verbraucher benötigt werden, sind vor bzw. nach dem ersten Kondensator angeschlossen.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nur ein Teil des Schwingkreisstromes direkt (nicht induktiv) aus dem Parallelschwingkreis ausgekoppelt, sodass die Güte des Schwingkreises nur in einem vertretbaren Ausmaß beeinflusst wird. Die auf die Empfangsspule übertragene Energie wird in Form von Spannung am ersten Kondensator entnommen, es wird nur ein Teil der im Parallelschwingkreis gespeicherten Energie entzogen, sodass der Parallelschwingkreis nicht vollkommen gedämpft wird. Dadurch bleibt darin genug Energie enthalten, was dem Wirkungsgrad der Übertragung zugute kommt. Die Beschaltung der Empfangsspule mit den beiden Kondensatoren ist darüber hinaus wenig aufwändig.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Kondensator eine gleich große Kapazität aufweist wie der zweite Kondensator. Damit konnten in Versuchsreihen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Erster und zweiter Kondensator können aber auch verschiedene Kapazität haben.
Wenn die Empfangsspule und/oder gegebenenfalls die Sendespule Hochfrequenz-Litzen aufweist, also in der Regel zur Gänze aus Hochfrequenz-Litzen gefertigt ist, erhöht dies die Güte der Empfangs- bzw. Sendespule. Eine Hochfrequenzlitze, auch HF-Litze genannt, ist ein Leiter, welcher aus einer größeren Anzahl feiner, meist durch Lack voneinander isolierter Drähte besteht, die so verflochten sind, dass im Mittel jeder Einzeldraht möglichst jede Stelle im Gesamtquerschnitt des Leiters gleich oft einnimmt. Die höhere Güte im Hochfrequenzbereich beruht auf der Vergrößerung des effektiv am Stromfluss beteiligten Querschnitts, der beim Volldraht durch den Skin-Effekt und durch den Proximity-Effekt (Ladungsträger werden an eine Seite des Leiters durch das Magnetfeld einer daraus hergestellten Spule verdrängt) eingeschränkt ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Empfangsspule und/oder gegebenenfalls die Sendespule als Tellerspule ausgebildet sein. Bei einer Tellerspule ist der Leiter in Form einer ebenen Spirale gewickelt, was einen geringen Platzbedarf bedingt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Sendegerät zur Versorgung mit Netzspannung ausgebildet ist, indem es einen Gleichrichter und einen Wechselrichter aufweist. Da auch die im Gleichrichter und im Wechselrichter verwendeten Leistungshalbleiter durch deren Schalt- und Durchlassverluste den Wirkungsgrad der Übertragung beeinflussen, ist es vorteilhaft, wenn die verwendeten Leistungshalbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) gefertigt sind.
SiC wird neben Varistoren, Leuchtdioden, ultraschnellen Schottky-Dioden auch für Transistoren, neuerdings auch für Feldeffekttransistoren, und darauf basierende elektronische Schaltkreise verwendet, die hohe Sperrschicht-Temperaturen (180–200°C) aushalten können. Aufgrund der guten Halbleitereigenschaften wird SiC auch als Substrat für andere Halbleitermaterialien eingesetzt. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Verwendung von SiC-Halbleitern den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte deutlich verbessern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im Sendegerät zumindest eine Sendespule vorgesehen ist, die mit weiteren Bauelementen einen Schwingkreis bildet, sowie ein Messgerät, mit welchem die Spannung und/oder der Strom im Schwingkreis messbar ist. Da die Primärspule (Sendespule) lose an den Sekundärschwingkreis (Parallelschwingkreis mit Empfangsspule) gekoppelt ist, kann durch Messung des Primärstromes einerseits die Resonanzfrequenz des Sekundärschwingkreises als auch dessen Vorhandensein in der richtigen Position festgestellt werden. Dadurch kann auch ohne einen weiteren Datenaustausch zwischen Sendegerät und Empfangsgerät eine relative Position zwischen diesen beiden Geräten bestimmt werden, die eine möglichst hohe Energieübertragung – und damit einen hohen Wirkungsgrad der Energieübertragung zwischen Sendegerät und Empfangsgerät – gewährleistet. Eine gute relative Positionierung von Sendegerät und Empfangsgerät liegt etwa dann vor, wenn der Strompegel relativ hoch ist und sich die Stromform einer Sinus-Form annähert.
Entsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Einrichtung vor, dass mit dem Messgerät der Strom im Schwingkreis bei unterschiedlicher relativer Anordnung des Sende- und des Empfangsgeräts gemessen wird, der höchste Pegel des Stroms aller Anordnungen ermittelt wird und vom Empfangsgerät eine Information über die Anordnung mit dem höchsten Pegel des Stroms ausgegeben wird.
Die Erfindung kann angewendet werden für Energieübertragung zwischen Sendegeräten in Ladestationen und Empfangsgeräten in Fahrzeugen zum Laden von deren Batterien, und generell überall dort, wo die Verwendung von Steckverbindungen aus technischen oder Komfortgründen nicht gewünscht ist, aber über eine geringe Distanz Energie übertragen werden muss.
Die Sendeeinrichtung wird sinnvoller Weise mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Bereich von 100–300 kHz betrieben. Die übertragbare Leistung wird durch die verwendete Halbleitertechnologie, die Abmessungen der Spulen sowie Vorschriften für Magnetfeld-Grenzwerte limitiert. Ein Versuchsaufbau wurde etwa bis 600W betrieben.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann elektrische Energie in einem Abstand der Spulen von 2 bis 10 cm induktiv übertragen werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild für eine erfindungsgemäße Einrichtung,
2 eine grafische Darstellung der Verlustleistung der Einrichtung aus 1,
3 eine grafische Darstellung des Wirkungsgrades bei verschiedener elektrischer Leistung,
4 die Beschaltung der Schwingkreise der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit Sendegerät 1 und Empfangsgerät 2. Das Sendegerät 1 enthält als Sendeeinrichtung eine Sendespule 3, wobei der zur bzw. von der Sendespule 3 fließende Strom mittels eines Amperemeters 4 gemessen werden kann. Die übrige Beschaltung des Schwingkreises, der die Sendespule 3 enthält, ist hier nicht eingezeichnet. Das Sendegerät enthält aber sowohl einen Gleichrichter 5, mit welchem die Netzspannung gleichgerichtet wird, als auch einen Wechselrichter 6. Der Wechselrichter 6 wird mittels einer Steuereinheit 7 auf Basis einer PLL Frequenznachführung gesteuert. Eine Hilfsstromversorgung 8 ist vorgesehen, um die Steuerelektronik mit Kleinspannung zu versorgen.
Das Empfangsgerät 2 verfügt über eine Empfangsspule 9, die mit einem ersten Kondensator 11 einen Parallelschwingkreis 10 bildet. Der zweite Kondensator 12 ist zur Empfangsspule 9 in Serie geschaltet. Die Spannung für den Verbraucher des Empfangsgeräts, welche noch durch einen Gleichrichter 13 gleichgerichtet wird, wird einerseits am Kreuzungspunkt 14 zwischen erstem 11 und zweitem Kondensator 12 und andererseits zwischen erstem Kondensator 11 und Empfangsspule 9 aus dem Parallelschwingkreis 10 entnommen.

Mit der beispielhaften erfindungsgemäßen Einrichtung aus 1 werden mit den Daten gemäß folgender Tabelle 1 die in der Tabelle angeführten Wirkungsgrade erreicht:

	100W	300W	400W	500W	600W
Freq /kHz/	164,49269	164,91853	164,98386	165,36032	166,01919
Pin /W/	141,5	393	526,1	686,5	752
Pinsp /W/	118	332	437	557	606
Iinsp /A/	5,29	8,76	10,2	11,62	12,22
Uinsp /V/	60,1	103,4	120,2	136,2	142,6
Uout /Vdc/	97,3	167,1	195,8	225,8	250,5
Iout /Adc/	1,1158	1,842	2,1053	2,3842	2,3795
Pout /W/	108,6	307,8	412,2	538,4	596,1
WGtot /%/	76,73%	78,32%	78,35%	78,42%	79,26%
WGum /%/	83,39%	84,48%	83,06%	81,14%	80,59%
WGüt /%/	92,01%	92,71%	94,33%	96,65%	98,36%

Tabelle 1

Dabei sind für verschiedene Sekundärbelastungen, nämlich 100W, 300W, 400W, 500W und 600W die folgenden Daten ersichtlich:
Freq: die Schaltfrequenz des Wechselrichters in kHz,
Pin: die elektrische Eingangsleistung in das Sendegerät in W,
Pinsp: die elektrische Leistung nach dem Wechselrichter in W,
Iinsp: der Strom in der Sendespule (Primärspule) in A,
Uinsp: die Spannung in der Sendespule (Primärspule) in V,
Uout: die Ausgangs-Gleichspannung in V am Ausgang des Empfangsgeräts 2,
Iout: die Ausgangs-Gleichstromstärke in A am Ausgang des Empfangsgeräts 2,
Pout: die elektrische Ausgangsleistung in W am Ausgang des Empfangsgeräts 2,
WGtot: den Gesamtwirkungsgrad in %
WGum: den Wirkungsgrad des Wechselrichters (bestimmt durch die Halbleiter) in %
WGüt: den Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Sendespule 3 auf die Empfangsspule 9 in %.
2 zeigt die grafische Darstellung der Verlustleistung der Einrichtung aus 1. Im oberen Teil der 2 ist nochmals schematisch die Schaltung aus 1 dargestellt, im unteren Teil der 2 ist die Leistung dargestellt, die vom Stromnetz 17 mit einer Spannung von 220 V und einer Frequenz von 50 Hz in das Sendegerät 1 gelangt. Das Sendegerät 1 ist hier durch den Gleichrichter 5 (50 Hz), den Wechselrichter 6 (200 kHz) und die Sendespule 3 repräsentiert. Das Empfangsgerät 2 umfasst die Empfangsspule 9, den Gleichrichter 13 (ca. 165 kHz) sowie einen Filter 16, der etwa einen Kondensator umfasst. An das Empfangsgerät 2 ist ein Verbraucher 15 angeschlossenen, etwa ein Batterieladeregler, ein Motor oder generell ein Verbraucher, welcher mit Gleichspannung betrieben werden kann. Die beiden Spulen 3, 9 sind in einem Abstand von 40 mm voneinander angeordnet.
Im unteren Teil der 2 ist erkennbar, dass von 100% elektrischer Leistung aus dem Stromnetz 17 etwa 17% durch die Umrichtung von der Netzspannung in hochfrequente Spannung nach dem Wechselrichter 6 verloren gehen. Weitere 5% Leistung gehen durch die Übertragung auf die Empfangsspule 9 und durch die Gleichrichtung im Gleichrichter 13 verloren. Schließlich gelangt 78% der elektrischen Leistung in den Verbraucher 15.
In 3 ist auf der waagrechten Achse die elektrische Leistung in Watt dargestellt, die am Ausgang der Einrichtung aus 1 bzw. 2, also am Verbraucher 15, entnommen werden kann. Auf der senkrechten Achse ist der Wirkungsgrad der Übertragung in % dargestellt. Die Daten entsprechen jenen der Tabelle 1.
Die dreieckigen Messpunkte stellen den Gesamtwirkungsgrad dar, also den Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Stromnetz 17 zum Verbraucher 15. Dieser Wirkungsgrad liegt für alle Leistungen bei etwa 78% und steigt nach 500 W etwas an. Die runden Messpunkte stellen den Wirkungsgrad des Wechselrichters dar. Die quadratischen Messpunkte stellen den Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Sendespule 3 auf die Empfangsspule 9 dar. Dieser steigt von etwa 93% bei 300 W Ausgangsleistung auf etwa 98% bei 600 W Ausgangsleistung an.
In 4 ist ein Beispiel für eine Simulationsschaltung der beiden Schwingkreise angegeben. Die Sendespule 3 weist eine Induktivität 127 µH auf, ebenso die Empfangsspule 9. Der erste Kondensator 11, weist eine Kapazität von 22 nF auf, ebenso der zweite Kondensator 12.

Je nach Größe des Ohm´schen Widerstands des angeschlossenen Verbrauchers 15, der in 1 an den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 13 angeschlossen wäre, ändert sich die durchschnittliche Ausgangsleistung in Watt, wie folgender Tabelle 2 entnommen werden kann:

Belastungswiderstand [Ohm]	Ausgangsleistung [W_AVG]
50	221
100	406
200	630
300	696
310	698
320	697
330	698
340	697
350	696
360	695
400	684
500	642
600	594
700	547
900	467
1200	380

Tabelle 2

Bezugszeichenliste

1: Sendegerät
2: Empfangsgerät
3: Sendespule
4: Amperemeter
5: Gleichrichter im Sendegerät 1
6: Wechselrichter
7: Steuereinheit
8: Hilfsstromversorgung
9: Empfangsspule
10: Parallelschwingkreis
11: erster Kondensator
12: zweiter Kondensator
13: Gleichrichter im Empfangsgerät 2
14: Kreuzungspunkt
15: Verbraucher
16: Filter
17: Stromnetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/036980 A1 [0004]

Claims

Einrichtung zur induktiven Energieübertragung von einem Sendegerät (1) an ein Empfangsgerät (2), umfassend – zumindest ein Sendegerät mit zumindest einer Sendeeinrichtung, etwa einer Sendespule (3), – zumindest ein Empfangsgerät mit zumindest einer Empfangseinrichtung, die als Empfangsspule (9) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Kondensator (11) parallel zur Empfangsspule (9) geschaltet ist, sodass Empfangsspule und erster Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden, wobei Leiter zur Entnahme der Wechselspannung der Empfangsspule am ersten Kondensator (11) vorgesehen sind, und zur Empfangsspule (9) ein zweiter Kondensator (12) in Serie geschaltet ist, sodass erster (11) und zweiter Kondensator (12) einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (11) eine gleich große Kapazität aufweist wie der zweite Kondensator (12).
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule (9) und/oder gegebenenfalls die Sendespule (3) Hochfrequenz-Litzen aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule (9) und/oder gegebenenfalls die Sendespule (3) als Tellerspule ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendegerät (1) zur Versorgung mit Netzspannung ausgebildet ist, indem es einen Gleichrichter (5) und einen Wechselrichter (6) aufweist, wobei die darin angeordneten Leistungshalbleiter auf Basis von Siliziumkarbid gefertigt sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendegerät (1) zumindest eine Sendespule (3) vorgesehen ist, die mit weiteren Bauelementen einen Schwingkreis bildet, sowie ein Messgerät (4), mit welchem der Strom im Schwingkreis messbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Messgerät (4) der Strom im Schwingkreis bei unterschiedlicher relativer Anordnung des Sende- und des Empfangsgeräts (1, 2) gemessen werden, der höchste Pegel des Stroms aller Anordnungen ermittelt wird und vom Empfangsgerät eine Information über die Anordnung mit dem höchsten Pegel des Stroms ausgegeben wird.