DE102014215299A1 - Verfahren zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts - Google Patents

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Jan Riedel
Tobias Diekhans
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar, welches eine Primärspule (6) einer Lade-/Entladestation (2) und eine Sekundärspule (8) des Objekts (4) umfasst, wobei in einem ersten Schritt das Objekt (4) in eine Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) überführt wird, in einem zweiten Schritt in der Referenzposition ein Referenzparameter ermittelt wird, in einem dritten Schritt anhand des Referenzparameters ein lateraler Soll-Versatz des Objekts (4) zu der Lade-/Entladestation (2) ermittelt wird und in einem vierten Schritt auf Basis des lateralen Soll-Versatzes das Objekt (4) in eine Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) überführt wird, in welcher das berührungslose Laden oder Entladen erfolgt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm, ein System (100), eine Lade-/Entladestation (2) und ein Objekt (4), welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts, zum Beispiel eines Elektrofahrzeugs oder eines E-Bikes. Weitere Anwendungsfälle können beispielsweise Elektrowerkzeuge oder Consumer-Geräte betreffen.
  • Weiterhin werden ein Computerprogramm, ein System sowie eine Lade-/Entladestation und ein batteriebetriebenes Objekt angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.
  • Beim berührungslosen Lade- oder Entladevorgang eines batteriebetriebenen Objekts erfolgt eine Übertragung von elektrischer Leistung über einen Luftspalt. Hierzu wird ein Spulenpaar verwendet, das über ein magnetisches Wechselfeld induktiv miteinander gekoppelt ist.
  • Das magnetisch gekoppelte Spulenpaar kann als ein Transformator mit einem großen Luftspalt modelliert werden. Die Größe des Luftspaltes beeinflusst die Größe von Streuinduktivitäten des Systems und bestimmt den Grad einer Kopplung zwischen den Spulen des Spulenpaars, welche im Rahmen der Erfindung als ein Koppelfaktor dargestellt wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar bereitzustellen, wobei die Anzahl der notwendigen Regelkomponenten im System gering zu halten ist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren und ein derartiges System bereitzustellen, welches bei geringer Komplexität und geringen Kosten einen breiten Einsatzbereich erlaubt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar, welches eine Primärspule, eine Lade-/Entladestation und eine Sekundärspule des Objekts umfasst, ist vorgesehen, dass
    in einem ersten Schritt das Objekt in eine Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation überführt wird,
    in einem zweiten Schritt in der Referenzposition ein Referenzparameter ermittelt wird,
    in einem dritten Schritt anhand des Referenzparameters ein lateraler Soll-Versatz und/oder eine vertikale Soll-Höhe des Objekts zu der Lade-/Entladestation ermittelt wird und
    in einem vierten Schritt auf Basis des lateralen Soll-Versatzes und/oder der vertikalen Soll-Höhe das Objekt in eine Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation überführt wird, in welcher das berührungslose Laden oder Entladen erfolgt.
  • Eine Positionsbestimmung des Objekts bezüglich der Lade-/Entladestation kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise mithilfe von GPS, Indoor-GPS, optischen oder Ultraschallsensoren, eines Videosystems oder einer Kombination hieraus. Auch kann eine Messung der elektrischen und/oder magnetischen Parameter des Spulenpaars als Referenz verwendet werden.
  • Die Überführung des Objekts in die Referenzposition kann ebenfalls in bekannter Art und Weise erfolgen, gegebenenfalls durch Steuerung eines Antriebssystems des batteriebetriebenen Objekts und/oder durch Anzeige von Positionierhinweisen an Personen. Im Falle von Elektrofahrzeugen kann dabei beispielsweise auf die Mittel eines Parkassistenten zugegriffen werden. Die Referenzposition kann durch eine optimale Ausrichtung oder Position der Spulen zueinander bestimmt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Referenzparameter ein Koppelfaktor oder eine Gegeninduktivität, der, bzw. die die Qualität der magnetischen Kopplung des Spulenpaars beschreibt. Der Koppelfaktor oder die Gegeninduktivität können mittels einer Strom- und/oder Spannungsmessung bei Beaufschlagung durch ein Referenzsignal gemessen werden, d. h. durch ein definiertes Strom- oder Spannungsprofil. Das definierte Strom- oder Spannungsprofil kann dabei sowohl von dem batteriebetriebenen Objekt als auch, was bevorzugt ist, von der Lade-/Entladestation beaufschlagt werden. Das jeweilige systemische Gegenstück, d. h. die Lade-/Entladestation bzw. das batteriebetriebene Objekt, misst mittels geeigneter Sensorik für Spannung und Strom das empfangene Strom- oder Spannungsprofil. Aus dem Verhältnis von übertragenem zu empfangenem Strom oder Spannung wird der Koppelfaktor ermittelt.
  • Der Referenzparameter ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Höhe des Objekts über der Lade-/Entladestation. Die Höhe des Objekts über der Lade-/Entladestation kann in dem oben genannten Modell eine Größe eines Luftspaltes zwischen dem Objekt und der Lade-/Entladestation, insbesondere zwischen den Primär- und Sekundärspulen, bestimmen und damit maßgeblich für die Größe der Streuinduktivität sein. Die Bestimmung der Höhe des Objekts über der Lade-/Entladestation kann mithilfe bekannter Sensorik erfolgen, beispielsweise mithilfe von GPS, Indoor-GPS oder auf optische oder akustische Weise, beispielsweise mithilfe von Kameradaten oder Ultraschall.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird beispielsweise anhand einer Nachschlagetabelle (engl. look-up table) ein lateraler Soll-Versatz, d. h. ein gezielter räumlicher Versatz aus dem Referenzparameter ermittelt. Das Ziel hierbei kann sein, einen relativ gleichbleibenden Koppelfaktor über einen veränderlichen Luftspalt oder über einen veränderlichen Übertragungspartner zu ermöglichen. Dies wird unter Ausnutzung des lateralen Soll-Versatzes zwischen der Primär- und Sekundärspule erreicht, welcher so eingestellt wird, dass sich ein gleichbleibender Koppelfaktor ergibt. Der Zusammenhang zwischen dem Koppelfaktor und dem relativen Versatz kann dabei als funktionaler Zusammenhang vorliegen und in der Nachschlagetabelle abgelegt sein. Auch der funktionale Zusammenhang der Höhe des Objekts über der Lade-/Entladestation und des lateralen Soll-Versatzes kann in derartigen Nachschlagetabellen abgelegt sein.
  • Zusätzlich oder alternativ zu dem lateralen Soll-Versatz wird die Soll-Höhe des Objektes in Bezug zur Ladestation bei vorhandener Aktorik eingestellt. Im Falle eines Fahrzeuges kann es sich dabei beispielsweise um eine vorhandene Luftfederung handeln. Der Zusammenhang zwischen dem Koppelfaktor und der Soll-Höhe kann dabei als funktionaler Zusammenhang vorliegen und in der Nachschlagetabelle abgelegt sein. Auch der funktionale Zusammenhang der Höhe des Objekts über der Lade-/Entladestation und der Soll-Höhe kann in derartigen Nachschlagetabellen abgelegt sein.
  • Nach Ermittlung des lateralen Soll-Versatzes und/oder der Soll-Höhe aus dem Referenzparameter wird das Objekt in die Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation überführt, beispielsweise durch Anwendung des lateralen Soll-Versatzes auf die Referenzposition. Hierbei kann beispielsweise auf die Mittel eines Parkassistenten zugegriffen werden. Es kann vorgesehen sein, hiernach das berührungslose Laden oder Entladen zu initiieren.
  • Alternativ wird, nachdem der laterale Soll-Versatz und/oder die Soll-Höhe des Objekts auf die Referenzposition angewendet wurden, das beschriebene Verfahren erneut angewendet. Für den Fall, dass der ermittelte Referenzparameter oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt, wird anhand des Referenzparameters ein weiterer lateraler Soll-Versatz und/oder eine weitere Soll-Höhe ermittelt. Das Verfahren kann also iteriert durchgeführt werden. Ein Abbruchkriterium kann sein, dass ein ermittelter Referenzparameter oberhalb oder unterhalb des Schwellwertes liegt, wodurch die Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation definiert wird.
  • Sobald der ermittelte Referenzwert innerhalb der gewünschten Grenzen liegt, wird das berührungslose Laden oder Entladen initiiert.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Software-Modul, eine Softwareroutine oder eine Software-Subroutine zur Implementierung eines Lade-/Entladesystems mit einem batteriebetriebenen Objekt und einer Lade-/Entladestation handeln. Das Computerprogramm kann auf dem batteriebetriebenen Objekt als auch auf der Lade-/Entladestation oder auf diesen verteilt gespeichert sein, insbesondere auf permanenten oder wiederbeschreibbaren maschinenlesbaren Speichermedien oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher wie einer CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder einem Cloudserver zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk wie das Internet oder über eine Kommunikationsverbindung wie eine Telefonleitung oder eine Drahtlosverbindung. Im Falle eines Elektrofahrzeugs kann das Computerprogramm auf einem Steuergerät im Fahrzeug gespeichert sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System mit einer Lade-/Entladestation, einem batteriebetriebenen Objekt und einem Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, das Objekt in eine Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation zu überführen, in der Referenzposition einen Referenzparameter zu ermitteln, anhand des Referenzparameters einen lateralen Soll-Versatz und/oder eine vertikale Soll-Höhe des Objekts zu der Lade-/Entladestation zu ermitteln, auf Basis des lateralen Soll-Versatzes und/oder der vertikalen Soll-Höhe das Objekt in eine Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation zu überführen und ein berührungsloses Laden oder Entladen des Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar zu initiieren, wobei die Lade-/Entladestation eine Primärspule und das Objekt eine Sekundärspule aufweisen, welche das Spulenpaar bilden.
  • Bevorzugt ist das System zur Durchführung der beschriebenen Verfahren ausgebildet und/oder eingerichtet. Dementsprechend gelten die im Rahmen der Verfahren beschriebenen Merkmale entsprechend für das System und umgekehrt die im Rahmen des Systems beschriebenen Merkmale entsprechend für die Verfahren.
  • Das Steuergerät kann dabei der Lade-/Entladestation oder dem batteriebetriebenen Objekt zugeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sowohl das batteriebetriebene Objekt als auch die Lade-/Entladestation mit Steuergeräten ausgestattet sind, welche gemeinsam das erfindungsgemäße Verfahren durchführen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät mit weiteren Fahrassistenzsystemen, insbesondere mit einem Parkassistenten kommunizieren oder auf deren Ressourcen zugreifen kann.
  • Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung werden eine Lade-/Entladestation sowie ein batteriebetriebenes Objekt zur Verwendung in einem derartigen System bereitgestellt.
  • Die Begriffe „Batterie“ und „batteriebetrieben“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. akkumulatorbetrieben verwendet. In der Batterie sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet, um die geforderten Leistungsdaten mit den Batteriezellen bereitstellen zu können. Prinzipiell ist aber auch jeder andere elektrische Energiespeicher denkbar, beispielsweise Doppelschichtkondensatoren.
  • Insbesondere kann das batteriebetriebene Objekt ein Kraftfahrzeug sein, wobei dessen Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Plugin-Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst, wobei der Energiespeicher extern aufladbar ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das beschriebene Verfahren und das System einen annähernd gleichbleibenden Koppelfaktor über einen veränderlichen Luftspalt und/oder über verschiedene Übertragungspartner ermöglichen. Dies erleichtert die Auslegung der leistungselektronischen Komponenten in der Lade-/Entladestation, sowie des Spulenpaares. Dadurch kann eine Kosten- und/oder Bauraumreduzierung erreicht werden.
  • Durch Verkleinerung des Wertebereichs für den Koppelfaktor unter Festlegung einer Position des batteriebetriebenen Objekts bezüglich der Lade-/Entladestation bzw. zwischen diesen ergibt sich die Möglichkeit, Kosten und Komplexität des Systems einzusparen. Auf bestimmte Komponenten im System, beispielsweise zusätzliche DC/DC-Wandler kann durch den vorgestellten Ansatz vollständig verzichtet werden, ebenso sind komplexe Regelstrategien, wie z. B. eine beidseitige Regelung, d.h. eine Kombination von aktiver Elektronik auf Primär- und Sekundärseite, nicht zwingend nötig. Der zusätzliche Aufwand der Erfindung ist dabei als klein zu bewerten, da vorhandene Systeme mit induktiver berührungsloser Energieübertragung oftmals bereits mit Positioniereinrichtungen ausgestattet sind.
  • Darüber hinaus kann der Mindestwirkungsgrad des induktiven Lade-/Entladesystems bei ungünstiger Positionierung des Spulenpaares ohne Zusatzaufwand gesteigert werden, da eine gezieltere Auslegung auf den kleineren Parameterbereich erfolgen kann. Durch eine Mittelung des Wirkungsgrades wird erreicht, dass ein Minimum/Maximum-Verhalten des Systems signifikant reduziert wird.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Erfindung auf einen im Prinzip beliebigen Übertrager anwenden lässt, insbesondere was die Topologie der Leistungselektronik betrifft als auch die Art der eingesetzten Primär- und Sekundärspulen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein System mit einem batteriebetriebenen Objekt und einer Lade-/Entladestation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine schematische Darstellung von Primär- und Sekundärschaltkreisen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 3 eine weitere schematische Darstellung von Primär- und Sekundärschaltkreisen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Koppelfaktors von Lateralversatz und Höhe,
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Lateralversatzes von der Höhe,
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Wirkungsgrads und des Koppelfaktors vom Luftspalt,
  • 7A–7D Strom- und Spannungsverläufe beim berührungslosen Laden oder Entladen gemäß dem Stand der Technik und mit den Maßnahmen der Erfindung im Vergleich.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 100 mit einem batteriebetriebenen Objekt 4, beispielsweise ein Elektrofahrzeug, und einer Lade-/Entladestation 2, welche in einer bestimmten räumlichen Position zueinander angeordnet sind. Das batteriebetriebene Objekt 4 wird im Folgenden auch kurz als Objekt 4 bezeichnet. Die räumliche Position zueinander in diesem Beispiel wird durch eine Größe h eines Luftspaltes und durch einen lateralen Versatz beschrieben, welcher in eine erste Richtung mit dx und in eine zweite Richtung mit dy gemessen wird. Die Größe h des Luftspaltes kann einer Höhe des Objekts 4 über der Lade-/Entladestation 2 entsprechen.
  • Die Lade-/Entladestation 2 weist in dieser Ausführungsform eine planar angeordnete Primärspule 6 auf, welche in einem Boden angeordnet ist. Das Objekt 4 weist eine ebenfalls planar angeordnete Sekundärspule 8 auf, über welche eine Batterie (nicht dargestellt) geladen oder entladen werden kann. Zum optimalen Energieübertrag werden die Primärspule 6 und die Sekundärspule 8 exakt übereinander positioniert. Die Größe h des Luftspaltes kann einer Größe eines Vertikalabstandes der Spulen 6, 8 zueinander entsprechen.
  • Typischerweise erfolgt die Auslegung der Leistungselektronik 18, 24 in der Lade-/Entladestation 2 und im Objekt 4 auf einen nominalen Arbeitspunkt und für einen bestimmten Koppelfaktor. Der tatsächliche Arbeitspunkt weicht allerdings in der Realität vom nominalen Arbeitspunkt ab, da die Größe h des Luftspaltes abhängig vom Einbauort der Sekundärspule 8 ist und beispielsweise im Fall eines Elektrofahrzeugs auch abhängig von der Beladung des Fahrzeugs ist. Der tatsächliche Arbeitspunkt bzw. tatsächliche Koppelfaktor weicht auch durch den tatsächlichen lateralen Versatz der Spulen 6, 8 zueinander ab. Dies erschwert die Auslegung der leistungselektronischen Komponenten, sowie des Spulenpaares, und hat zur Folge, dass das Systemverhalten ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen einen stark bevorzugten Arbeitspunkt besitzt, andere Arbeitspunkte jedoch signifikant benachteiligt werden, beispielsweise im Hinblick auf den Wirkungsgrad.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System 100 ist, wie dargestellt, zur Überwindung dieser Nachteile ein Steuergerät 10 vorgesehen, welches einerseits an eine der Spulen 6, 8 und andererseits an Sensoren 11 angeschlossen ist, beispielsweise Ultraschallsensoren.
  • Das Steuergerät 10 ist eingerichtet, einen oder mehrere Referenzparameter zu ermitteln und anhand des oder der Referenzparameter einen lateralen Soll-Versatz des Objekts 4 zu der Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation 2 zu ermitteln.
  • Über die Verbindung des Steuergeräts 10 mit einer der Spulen 6, 8 kann das Steuergerät 10 als einen Referenzparameter beispielsweise einen Koppelfaktor k bestimmen, welcher sich durch die tatsächliche Position des Objekts 4 gegenüber der Lade-/Entladestation 2 einstellt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Steuergerät 10 über die Sensoren 11 als einen weiteren Referenzparameter die Größe h des Luftspalts bestimmen.
  • Das Steuergerät 10 ist darüber hinaus dazu eingerichtet, das Objekt 4 auf Basis des ermittelten lateralen Soll-Versatzes in eine Lade-/Entladeposition zu überführen. Dies kann entweder in einem iterativen Prozess oder in einem direkten Prozess erfolgen.
  • In 1 ist das Steuergerät 10 auf der Seite des Objekts 4 angeordnet. Selbstverständlich können einige im Rahmen der Erfindung dem Steuergerät 10 zugeschriebene Funktionen auch auf einem weiteren Steuergerät (nicht dargestellt) ablaufen, welches der Lade-/Entladestation 2 zugeordnet ist. Insbesondere können das Steuergerät 10 des Objekts 4 und das nicht dargestellte weitere Steuergerät der Lade-/Entladestation 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander kommunizieren.
  • 2 zeigt einen Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Primärschaltkreis 12 umfasst ein Netz 16, welches eine Strom- oder Spannungsquelle oder mehrere zusammengeschaltete Strom- oder Spannungsquellen umfasst, beispielsweise ein öffentliches Stromnetz. Das Netz 16 ist mit einer primärseitigen Leistungselektronik 18 verbunden, welches eine Gleichrichtungselektronik sowie gegebenenfalls Schutz- und Sicherungsschaltungen umfassen kann. Der Primärschaltkreis 12 umfasst ein primärseitiges Resonanznetzwerk 20, welches an die primärseitige Leistungselektronik 18 angeschlossen ist. Das primärseitige Resonanznetzwerk 20 ist an die Primärspule 6 angeschlossen, welche die Schnittstelle der Energieübertragung zu dem batteriebetriebenen Objekt 4 darstellt.
  • Im Rahmen der Erfindung wird das batteriebetriebene Objekt 4 als sekundärseitig bezeichnet und die Lade-/Entladestation 2 als primärseitig. Dies bezieht sich jedoch eigentlich nur auf den Ladevorgang. Im Entladevorgang sind die Rollen des Objekts 4 und der Lade-/Entladestation 2 vertauscht.
  • Der Sekundärschaltkreis 14 umfasst die Sekundärspule 8, welche mit der Primärspule 6 ein magnetisch gekoppeltes, d. h. induktiv gekoppeltes Spulenpaar bildet. An die Sekundärspule 8 ist ein sekundärseitiges Resonanznetzwerk 22 angeschlossen. An das sekundärseitige Resonanznetzwerk 22 ist eine sekundärseitige Leistungselektronik 24 angeschlossen, welche eine Gleichrichtungselektronik und gegebenenfalls Schutz- und Sicherungsschaltungen umfasst. An die sekundärseitige Leistungselektronik 24 ist die Last 26 angeschlossen, insbesondere eine zu ladende oder entladende Batterie des Objekts 4.
  • 3 zeigt den Primärschaltkreis 12 und den Sekundärschaltkreis 14 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in detaillierter Ansicht.
  • Der Primärschaltkreis 12 weist als Netz 16 eine Spannungsquelle auf, die dem System eine Zwischenkreisspannung U0 bereitstellt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Gleichrichter mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction, PFC) handeln.
  • Die primärseitige Leistungselektronik 18 umfasst hier beispielhaft vier Richtelemente 28, welche jeweils einen schaltbaren Transistor 30, typischerweise IGBT oder MOSFET, und eine Diode 32 aufweisen, die antiparallel zueinander geschaltet sind. Die Diode 32 kann entweder separat ausgeführt sein oder mit dem IGBT in ein Gehäuse integriert sein, oder es kann sich auch um eine intrinsische Body-Diode eines MOSFETs handeln. Die Transistoren 30 werden von einer nicht dargestellten Elektronik gesteuert. Von den vier Richtelementen 28 sind jeweils zwei miteinander in Reihe geschaltet. Die beiden Reihenschaltungen der Richtelemente 28 sind zueinander parallel geschaltet, so dass sich insgesamt eine Vollbrückenanordnung ergibt. Jeweils zwischen den beiden in Reihe geschalteten Richtelementen 28 wird die Spannung dem primärseitigen Resonanznetzwerk 20 zugeführt, welches hier lediglich einen Kondensator 38 in Form eines Serien-Resonanzkondensators umfasst. Das primärseitige Resonanznetzwerk 20 wird an einem Ende von der ersten Reihenschaltung der Richtelemente 28 und an dem zweiten Ende von der zweiten Reihenschaltung der Richtelemente 28 gespeist. Ausgangsseitig des primärseitigen Resonanznetzwerks 20 befindet sich die Primärspule 6.
  • Auf der Seite des Sekundärschaltkreises 14 schließt sich an die Sekundärspule 8 ein Kondensator 40 des sekundärseitigen Resonanznetzwerks 22 an.
  • Selbstverständlich sind die Spulen 6, 8 funktionell derart mit den Resonanznetzwerken 20, 22 verbunden, dass in anderen Sprachregelungen die Spulen 6, 8 als zu den Resonanznetzwerken 20, 22 gehörig gezählt werden können.
  • Ausgangsseitig des sekundärseitigen Resonanznetzwerks 22 wird der Strom der sekundärseitigen Leistungselektronik 24 zugeführt, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Dioden 34 umfasst, welche im Wesentlichen wie die Richtelemente 28 in der primärseitigen Leistungselektronik 18 miteinander verschaltet sind, so dass ein passiver Brückengleichrichter gebildet wird.
  • Die sekundärseitige Leistungselektronik 24 umfasst außerdem einen parallel zu den Dioden 34 geschalteten Kondensator 36, dessen Zweck es ist, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom zu glätten. Ausgangsseitig befindet sich als Last 26 die Batterie des batteriebetriebenen Objekts 4, welcher die Spannung Ubat und der Strom Ibat bereitgestellt wird. Zwischen einem Ausgangskondensator und der Batterie können aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) weitere Filterelemente wie Drosseln oder weitere Kondensatoren vorgesehen werden.
  • Die sekundärseitige Leistungselektronik 24 erfüllt die Aufgabe der Gleichrichtung des empfangenen Wechselstromsignals des sekundärseitigen Resonanznetzwerks 22.
  • 4 zeigt die qualitative Abhängigkeit des Koppelfaktors k von einem Lateralversatz dx bzw. dy. Dargestellt sind drei Kurven von Koppelfaktoren, welche sich auf eine unterschiedliche Höhe h des Objekts 4 über der Lade-/Entladestation 2 beziehen. Bei der minimalen Höhe hmin ergibt sich ein kleinerer magnetischer Luftspalt und dadurch ein höherer Koppelfaktor k. Bei der maximalen Höhe hmax ergibt sich der geringste Koppelfaktor bei welchem noch eine Übertragung der Nennleistung möglich ist.
  • Der Koppelfaktor k zeigt ein nicht-lineares Verhalten mit einem monotonen Abfall gegenüber dem größer werdenden lateralen Versatz dx bzw. dy.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der laterale Abstand dx bzw. dy so eingestellt, dass sich auch bei unterschiedlichen Luftspalten ein annähernd gleichbleibender Koppelfaktor einstellt, wie eine Linie 43 zeigt. Anstelle dessen kann auch ein Bereich vorgesehen sein, in welchem sich der Koppelfaktor befinden soll, bevor der Lade-/Entladevorgang initiiert werden kann.
  • Um zu erreichen, dass der Koppelfaktor k konstant oder zumindest in den angegebenen Bereich fällt, wird das Fahrzeug bei zu geringem Luftspalt aus einer initialen Position versetzt, wobei die initiale Position typischerweise eine Position ist, in der ein optimaler Energieübertrag stattfindet, bei welcher die Spulen 6, 8 also optimal zueinander ausgerichtet sind. Bei einem großen Luftspalt hingegen wird das Fahrzeug exakt über der Primärspule 6 platziert. Obwohl in diesen beiden Fällen also unterschiedliche Fahrzeuge mit unterschiedlichen Bodenfreiheiten geladen werden sollen, kann in beiden Fällen ein ähnlicher Koppelfaktor eingestellt werden.
  • 5 zeigt eine Abhängigkeit eines Soll-Versatzes dx* bzw. dy* von der Größe h des Luftspaltes. Die Kurve zeigt ein nicht-lineares monoton fallendes Verhalten des Soll-Versatzes dx* bzw. dy* von einem minimalen Wert der Größe hmin bis zu einem maximalen Wert der Größe hmax. Das System bestimmt aus der Messung der Größe h beispielsweise anhand eines in der Nachschlagetabelle hinterlegten dargestellten Verhaltens der Abhängigkeit den Soll-Versatz dx* bzw. dy*, welcher auf die aktuelle Position des Objekts 4 angewendet wird.
  • 6 zeigt den Effekt, den die Anwendung des Soll-Versatzes dx* bzw. dy* auf die aktuelle Position des Objekts 4 hat. In einem oberen Bereich 46 ist die Abhängigkeit eines Wirkungsgrades del_eta von der Größe h des Luftspalts dargestellt und in einem unteren Bereich 48 die Abhängigkeit des Koppelfaktors k von der Größe h des Luftspalts. Der Wirkungsgrad mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei als etan dargestellt. Der Wirkungsgrad etan ist im Wesentlichen konstant, während der Wirkungsgrad etao ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abhängig von der Größe h des Luftspalts ist. Ebenso ist der Koppelfaktor kn nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen konstant, während der Koppelfaktor ko ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine nicht-lineare Abhängigkeit von der Größe h des Luftspalts zeigt.
  • In 7A bis 7D sind Strom- und Spannungsverläufe in Diagrammen dargestellt, wobei 7A und 7B ein System 100 ohne Anwendung der Erfindung zeigen und 7C und 7D ein System 100 mit Anwendung der Erfindung. Die durchgezogene Linien stellen die Spannung dar und die gepunkteten Linien den Strom. 7A und 7C stellen das Signal im Primärschaltkreis 12 dar und 7B und 7D das Signal im Sekundärschaltkreis 14. Beide Systeme 100 sind jeweils daraufhin ausgelegt, dass sowohl beim minimalen Luftspalt hmin wie auch beim maximalen Luftspalt hmax die volle Nennleistung übertragen werden kann.
  • Alle Verläufe sind dabei auf einen maximalen Luftspalt hmax bezogen, bei welchem die Ladung oder Entladung gerade noch funktioniert.
  • Aus 7A und 7C ist ersichtlich, dass der Strom beim erfindungsgemäßen System 100 durch die Primärspule 6 deutlich reduziert ist, da die Primärspule 6 mit einer größeren Windungszahl optimal für diesen Arbeitspunkt ausgelegt werden kann. Die primärseitige Leistungselektronik 18 schaltet nahe am Stromnulldurchgang, was zu wesentlich geringeren Verlusten im System 100 führt. Der Wirkungsgrad kann also gesteigert und der Aufwand in der primärseitigen Leistungselektronik 18 reduziert werden, insbesondere in Bezug auf eingesetzte Halbleiterfläche der Transistoren und den Kühlaufwand.
  • Wenn das System 100, wie in den 7A und 7B gezeigt, dagegen auf einen großen Koppelfaktorbereich ausgelegt wird, stellt sich bei dem maximalen Luftspalt hmax ein ungünstiger Arbeitspunkt für die primärseitige Leistungselektronik 18 und das primärseitige Resonanznetzwerk 20 ein. Der Strom im Inverter ist maximal und führt zu hohen Verlusten in den Leistungshalbleitern.
  • Wenn das System 100 dagegen nur auf einen kleinen Koppelfaktorbereich ausgelegt wird, wie in den 7C und 7D dargestellt, ergibt sich bei maximalem Luftspalt hmax ein günstigerer Arbeitspunkt, selbst wenn der absolute Koppelfaktor in beiden Fällen identisch ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum berührungslosen Laden oder Entladen eines batteriebetriebenen Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar, welches eine Primärspule (6) einer Lade-/Entladestation (2) und eine Sekundärspule (8) des Objekts (4) umfasst, wobei in einem ersten Schritt das Objekt (4) in eine Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) überführt wird, in einem zweiten Schritt in der Referenzposition ein Referenzparameter ermittelt wird, in einem dritten Schritt anhand des Referenzparameters ein lateraler Soll-Versatz und/oder eine vertikale Soll-Höhe des Objekts (4) zu der Lade-/Entladestation (2) ermittelt wird und in einem vierten Schritt auf Basis des lateralen Soll-Versatzes und/oder der vertikalen Soll-Höhe das Objekt (4) in eine Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) überführt wird, in welcher das berührungslose Laden oder Entladen erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzparameter ein Koppelfaktor oder eine Gegeninduktivität ist, der bzw. die die Qualität der magnetischen Kopplung des Spulenpaars beschreibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelfaktor oder die Gegeninduktivität mittels einer Strom- und/oder Spannungsmessung bei Beaufschlagung durch ein Referenzsignal gemessen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzparameter eine Höhe des Objekts (4) über der Lade-/Entladestation (2) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Soll-Versatz und/oder die vertikale Soll-Höhe aus dem Referenzparameter über eine Nachschlagetabelle ermittelt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird.
  7. Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung durchgeführt wird.
  8. System (100) mit einer Lade-/Entladestation (2), einem batteriebetriebenen Objekt (4) und einem Steuergerät (10), wobei das Steuergerät (10) eingerichtet ist, das Objekt (4) in eine Referenzposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) zu überführen, in der Referenzposition einen Referenzparameter zu ermitteln, anhand des Referenzparameters einen lateralen Soll-Versatz und/oder eine vertikale Soll-Höhe des Objekts zu der Lade-/Entladestation (2) zu ermitteln, auf Basis des lateralen Soll-Versatzes und/oder der vertikalen Soll-Höhe das Objekt (4) in eine Lade-/Entladeposition bezüglich der Lade-/Entladestation (2) zu überführen und ein berührungsloses Laden oder Entladen des Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar zu initiieren, wobei die Lade-/Entladestation (2) eine Primärspule (6) und das Objekt (4) eine Sekundärspule (8) aufweisen, welche das Spulenpaar bilden.
  9. Lade-/Entladestation (2) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 8.
  10. Batteriebetriebenes Objekt (4) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 8.
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