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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Energieübertragungssystems. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Energieübertragungssystem zur Verwendung für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge können über ein Ladekabel mit einer Energiequelle verbunden und aufgeladen werden. Im Unterschied zu diesem konduktiven Laden ist auch ein induktiver Ladevorgang bekannt, wobei die für das Laden der Fahrzeugbatterie benötigte Energie über einen Transformator mit Luftspalt übertragen wird. Die Primärspule des Transformators kann beispielsweise im Straßenboden eingelassen oder auf dem Boden aufgesetzt sein und mit dem Stromnetz verbunden werden. Die Sekundärspule des Transformators ist im Unterboden des Fahrzeugs montiert und mit der Fahrzeugbatterie verbunden.
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Aus der Druckschrift
DE 2014 207 854 A1 ist ein derartiges Übertragungssystem bekannt, wobei der primärseitige Wechselrichter und der sekundärseitige Gleichrichter mittels Ansteuersignalen zyklisch angesteuert werden.
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Beim induktiven Laden wird das verwendete Übertragungssystem mit einem Frequenzspektrum angeregt, welches neben der Grundfrequenz harmonische Frequenzen bzw. Oberschwingungen sowie subharmonische Frequenzen bzw. Unterschwingungen enthält. Falls die hierbei auftretenden Frequenzen jedoch den Eigenfrequenzen von elektrischen oder mechanischen Elementen des Übertragungssystems oder weiterer Fahrzeugkomponenten entsprechen, kann es zu unerwünschten Resonanzeffekten kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Energieübertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Energieübertragungssystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bereit.
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Demnach ist gemäß einem ersten Aspekt ein Energieübertragungssystem vorgesehen, welches eine Übertragungseinrichtung, eine Wechselrichtereinrichtung, eine Gleichrichtereinrichtung und eine Steuereinrichtung aufweist. Die Wechselrichtereinrichtung ist dazu ausgebildet, elektrische Energie von einer Energiequelle an die Übertragungseinrichtung zu übertragen. Die Übertragungseinrichtung ist dazu ausgebildet, die elektrische Energie kontaktlos an die Gleichrichtereinrichtung zu übertragen. Die Gleichrichtereinrichtung ist dazu ausgebildet, die elektrische Energie von der Übertragungseinrichtung an einen Verbraucher zu übertragen. Die Steuereinrichtung ist schließlich dazu ausgebildet, die Wechselrichtereinrichtung und/oder die Gleichrichtereinrichtung mit Ansteuersignalen zyklisch anzusteuern und eine Leistung der übertragenen Energie durch Anpassen von Aussteuergraden der Ansteuersignale einzustellen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Minimalfrequenz zu bestimmen und Frequenzen der Ansteuersignale derart einzustellen, dass diese größer als die Minimalfrequenz sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Energieübertragungssystems bereit. Die Wechselrichtereinrichtung und/oder Gleichrichtereinrichtung wird mittels Ansteuersignalen zyklisch angesteuert. Eine Minimalfrequenz wird bestimmt und eine Leistung der übertragenen Energie wird durch Anpassen von Aussteuergraden der Ansteuersignale eingestellt, wobei Frequenzen der Ansteuersignale derart eingestellt werden, dass diese größer als die Minimalfrequenz sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Ansteuersignale für die Wechselrichtereinrichtung und Gleichrichtereinrichtung können gleich oder auch verschieden sein. Unter Ansteuersignalen werden vorzugsweise Schaltsignale verstanden, aufgrund derer die Wechselrichtereinrichtung bzw. die Gleichrichtereinrichtung entweder kurzgeschlossen oder mit der Energiequelle bzw. mit dem Verbraucher verbunden werden, um somit die Energieübertragung mittels der Übertragungseinrichtung auf der Primärseite bzw. Sekundärseite zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Insbesondere kann das Ansteuersignal ein Rechtecksignal sein, wobei ein Wert 1 einem Schaltzustand entspricht, in welchem die Wechselrichtereinrichtung bzw. die Gleichrichtereinrichtung mit der Energiequelle bzw. dem Verbraucher verbunden sind. Weiter entspricht ein Wert 0 einem Schaltzustand, in welchem die Wechselrichtereinrichtung bzw. die Gleichrichtereinrichtung kurzgeschlossen, das heißt von der Energiequelle bzw. dem Verbraucher getrennt sind. Unter einem zyklischen Ansteuersignal ist ein Ansteuersignal mit einer bestimmten Frequenz zu verstehen, insbesondere ein Rechtecksignal, welches sich nach einer bestimmten Anzahl von Halbwellen wiederholt. Die einzustellende Leistung der übertragenen Energie kann insbesondere die Leistung der Energie bezeichnen, welche von der Energiequelle an den Verbraucher übertragen wird oder der Energie, welche mittels der Übertragungseinrichtung übertragen wird. Unter Aussteuergrad bzw. Tastgrad wird das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer bezeichnet, das heißt der Quotient aus der Zeit während einer Periode, während welcher das Ansteuersignal den Wert 1 annimmt, und der gesamten Periodendauer. Das Bestimmen der Minimalfrequenz kann bei Inbetriebnahme des Energieübertragungssystems, kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß werden die Frequenzen der Ansteuersignale derart eingestellt, dass diese größer als die Minimalfrequenz sind. Insbesondere kann somit die maximale Anzahl von Halbwellen, nach denen sich ein Pulsmuster der Ansteuersignale wiederholt, eingestellt bzw. begrenzt werden. Dadurch können die kleinste subharmonische Frequenz im Anregungsspektrum auf der Primärseite und/oder auf der Sekundärseite eingestellt werden. Somit können unerwünschte Resonanzeffekte verhindert werden, da die entsprechenden Schwingungsfrequenzen nicht auftreten. Zusätzlich werden Verluste vermieden, welche bei zu starken Schwingungen auftreten würden.
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Vorzugsweise können auch die Frequenzen der Ansteuersignale derart eingestellt werden, dass diese außerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs liegen. Kritische und unerwünschte Frequenzbereiche des Übertragungssystems bzw. weiterer elektronischer Komponenten im Fahrzeug oder im Energieübertragungssystem können gezielt vermieden werden.
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Vorzugsweise wird die Minimalfrequenz anhand eines vorgebbaren Kriteriums bestimmt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Energieübertragungssystems kann dies darin bestehen, dass die Steuereinrichtung eine erste Größe bezüglich eines Stroms der Wechselrichtereinrichtung und/oder eine zweite Größe bezüglich eines Stroms der Gleichrichtereinrichtung bestimmt. Die Steuereinrichtung bestimmt die Minimalfrequenz schließlich derart, dass die erste Größe und/oder die zweite Größe in jeweiligen vorgegebenen Wertebereichen liegen. Die erste Größe des Stroms bzw. die zweite Größe des Stroms kann insbesondere eine Größe des Gleichstroms der Energiequelle bzw. des Verbrauchers sein, welcher an der Wechselrichtereinrichtung bzw. Gleichrichtereinrichtung anliegt. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein Amplitudenspektrum oder einen Root-Mean-Square-(RMS)-Wert des entsprechenden Gleichstroms zu erfassen. Die Steuereinrichtung kann nun insbesondere die Minimalfrequenz derart bestimmen, dass die erste Größe und/oder die zweite Größe unter jeweiligen vorgegebenen Schwellenwerten liegen, also die Schwingungen begrenzt sind. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung die Minimalfrequenz sukzessive verringern, bis die Schwellenwerte erreicht werden. Die Einstellung kann durch Regelung erfolgen. Die Einstellung kann jedoch auch einmalig beim Starten des Energieübertragungssystems erfolgen oder auch zyklisch wiederholt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Energieübertragungssystems ist die Minimalfrequenz ein vorgegebener Wert zwischen 5 und 20 kHz, vorzugsweise 10 kHz. Eine derartige Minimalfrequenz ist üblicherweise ausreichend, um die meisten störenden Resonanzeffekte zu vermeiden. Das Bestimmen der Minimalfrequenz kann durch Auslesen des Wertes, etwa aus einem Speicher, oder mittels Datenübertragung erfolgen.
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Vorzugsweise kann die Minimalfrequenz auch einstellbar sein, insbesondere von einem Nutzer oder von einem Hersteller. Das Energieübertragungssystem kann jedoch auch eine Sensoreinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, Resonanzfrequenzen des Energieübertragungssystems zu messen und die Minimalfrequenz derart zu bestimmen, dass diese vorzugsweise größer ist als sämtliche gemessenen Resonanzfrequenzen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Energieübertragungssystems ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Wechselrichtereinrichtung und/oder die Gleichrichtereinrichtung mittels Pulsmustermodulation anzusteuern. Das Ansteuersignal der Pulsmustermodulation kann Werte von 1 und 0 annehmen, wie oben beschrieben. Die Ansteuersignale haben eine bestimmte Frequenz, welche bei einer festen Pulsbreite durch die Anzahl der Halbwellen bzw. Vollwellen gegeben ist, nach welchen sich das Muster wiederholt. Die Leistung der mittels der Übertragungseinrichtung von der Wechselrichtereinrichtung auf die Gleichrichtereinrichtung übertragenen elektrischen Energie ist proportional zur Spannung U1 auf der Primärseite und zur Spannung U2 auf der Sekundärseite. Durch zyklische Ansteuerung der Wechselrichtereinrichtung und/oder der Gleichrichtereinrichtung durch die Steuereinrichtung können die Spannung U1 bzw. die Spannung U2 auf der Primärseite bzw. Sekundärseite und dadurch auch die Leistung der übertragenen Energie eingestellt werden. Somit kann die Steuereinrichtung jeden beliebigen Arbeitspunkt in dem Energieübertragungssystem einstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Energieübertragungssystems ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, eine Pulsbreitenanpassung von Pulsen der Ansteuersignale durchzuführen. Die Frequenzen der Ansteuersignale sind beschränkt, da diese größer als die Minimalfrequenz gewählt werden. Dadurch sind bei einer festen Pulsbreite nicht mehr sämtliche Aussteuergrade möglich. Durch eine Pulsbreitenanpassung, das heißt eine leichte Variation der Breiten der Pulse der Ansteuersignale, können die Aussteuergrade durch die Steuereinrichtung genauer angepasst werden, ohne Frequenzen zu erzeugen, welche kleiner als die Minimalfrequenz sind. Somit können beliebige Aussteuergrade erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Energieübertragungssystems ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Aussteuergrade derart zu bestimmen, dass ein Verhältnis von einem Strom einer Primärseite der Übertragungseinrichtung und einem Strom einer Sekundärseite der Übertragungseinrichtung auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Durch ein konstantes Stromverhältnis fließen sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite die gleichen Ströme wie im Nennpunkt, für den das System optimiert wurde. Somit ist eine Impedanzanpassung möglich, ohne einen zusätzlichen DC/DC-Wandler zu benötigen. Die Leistungsmodulation der Gleichrichtereinrichtung und/oder der Wechselrichtereinrichtung kann jedoch auch so angepasst werden, dass unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen, wie einem Kopplungsfaktor der Spulen, einer Batteriespannung sowie der gewünschten Übertragungsleistung, ein optimaler Betriebspunkt des Energieübertragungssystems im Hinblick auf eine Belastung der Bauelemente, ein magnetisches Streufeld, eine Wärmeabfuhr und Übertragungsverluste erreicht wird. Insbesondere können hierzu identische Ansteuersignale sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite verwendet werden.
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Die Steuereinrichtung des Energieübertragungssystems kann vorzugsweise weiter dazu ausgebildet sein, optimale Aussteuergrade zum Einstellen der Leistung der übertragenen Energie zu bestimmen und anhand der optimalen Aussteuergrade die Ansteuersignale unter Berücksichtigung der Minimalfrequenz zu bestimmen. Beispielsweise bestimmt die Steuereinrichtung zuerst die für die gewünschte Leistungseinstellung optimalen Aussteuergrade. Anschließend bestimmt die Steuereinrichtung die Ansteuersignale derart, dass die Aussteuergrade der Ansteuersignale den optimalen Aussteuergraden möglichst nahe kommen, ohne jedoch Ansteuersignale zu verwenden, welche Frequenzen aufweisen, welche kleiner als die Minimalfrequenz sind. Falls mehrere derartige Ansteuersignale möglich sind, etwa Ansteuersignale mit n Werten von 1 und m Werten von 0, so wird die Abfolge der Schaltzustände 1, 0 derart gewählt, dass möglichst häufig zwischen den beiden Schaltzuständen gewechselt wird. Die Steuereinrichtung wird also beispielsweise ein Ansteuersignal 101010 bevorzugt auswählen vor einem Ansteuersignal 111000. Durch möglichst häufiges Abwechseln der Schaltzustände entstehen möglichst kurze Unterbrechungen, wodurch die Abschwingeffekte in den deaktivierten Schaltzuständen minimiert werden. Dadurch wird eine gleichmäßigere Energieübertragung gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Wechselrichtereinrichtung und/oder die Gleichrichtereinrichtung mittels Pulsmustermodulation angesteuert.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Aussteuergrade derart bestimmt, dass ein Verhältnis von einem Strom einer Primärseite der Übertragungseinrichtung zu einem Strom einer Sekundärseite der Übertragungseinrichtung auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Energieübertragungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Schaltbild eines Energieübertragungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 schematische Verläufe der Spannungen, Ströme und Schaltzustände des in 2 illustrierten Energieübertragungssystems; und
- 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben eines Energieübertragungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Energieübertragungssystems 1 illustriert. Das Energieübertragungssystem 1 weist eine Wechselrichtereinrichtung 4, eine Gleichrichtereinrichtung 5 und eine mit der Wechselrichtereinrichtung 4 und der Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelte Übertragungseinrichtung 3 auf. Die Wechselrichtereinrichtung 4 ist mit einer Energiequelle 6, beispielsweise einem Versorgungsnetz, gekoppelt und ist dazu ausgebildet, elektrische Energie von der Energiequelle 6 an die Übertragungseinrichtung 3 zu übertragen. Die Übertragungseinrichtung 3 überträgt die elektrische Energie kontaktlos an die Gleichrichtereinrichtung 5. Die Gleichrichtereinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, die elektrische Energie von der Übertragungseinrichtung 3 an einen Verbraucher 2 zu übertragen. Der Verbraucher 2 kann beispielsweise eine Fahrzeugbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs sein. Die Übertragungseinrichtung 3 umfasst vorzugsweise mindestens eine Primärspule und eine Sekundärspule, wobei durch eine induktive Kopplung elektrische Energie von der Primärspule auf die Sekundärspule übertragen wird. Die mit der Wechselrichtereinrichtung 4 gekoppelte Seite der Übertragungseinrichtung stellt eine Primärseite der Übertragungseinrichtung 3 dar und die mit der Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelte Seite der Übertragungseinrichtung 3 stellt eine Sekundärseite der Übertragungseinrichtung 3 dar.
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Weiter umfasst das Energieübertragungssystem 1 eine Steuereinrichtung 7, welche dazu ausgebildet ist, die Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder die Gleichrichtereinrichtung 5 mit Ansteuersignalen zyklisch anzusteuern. Die Steuereinrichtung 7 kann vorzugsweise drahtlos mit der Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder der Gleichrichtereinrichtung 5 verbunden sein. Die Steuereinrichtung 7 kann mittels der Ansteuersignale die Wechselrichtereinrichtung 4 bzw. Gleichrichtereinrichtung 5 kurzschließen und dadurch eine Übertragung von Energie von der Energiequelle 6 an die Wechselrichtereinrichtung 4 bzw. von der Gleichrichtereinrichtung 5 an den Verbraucher 2 unterbrechen. Dadurch können die primärseitigen und sekundärseitigen Ströme bzw. Spannungen eingestellt bzw. geregelt werden und die Leistung der übertragenen Energie durch die Steuereinrichtung eingestellt werden. Insbesondere passt die Steuereinrichtung 7 die Aussteuergrade der Ansteuersignale an. Die von der Steuereinrichtung 7 verwendeten Ansteuersignale werden derart gewählt, dass Frequenzen der Ansteuersignale größer als eine Minimalfrequenz sind. Die Minimalfrequenz 7 kann ein vorgegebener Wert, insbesondere von 10 kHz sein, welcher auf einem Speicher der Steuereinrichtung 7 gespeichert sein kann.
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Die Minimalfrequenz kann jedoch auch dynamisch angepasst werden, insbesondere indem die Steuereinrichtung 7 eine Größe bezüglich eines Stroms der Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder eine Größe bezüglich eines Stroms der Gleichrichtereinrichtung 5 bestimmt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 7 ein Amplitudenspektrum oder einen Root-Mean-Square-Wert des jeweiligen Stroms bestimmen. Durch Regeln der Aussteuergrade der Ansteuersignale kann die Steuereinrichtung 7 dazu ausgebildet sein, die Minimalfrequenz derart zu bestimmen, dass die erste Größe und/oder die zweite Größe in jeweiligen vorgegebenen Wertebereichen liegen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 7 die Minimalfrequenz derart einregeln, dass die erste Größe und/oder die zweite Größe unter jeweiligen Schwellenwerten liegen.
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In 2 ist ein schematisches Schaltbild eines Energieübertragungssystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Eine Energiequelle 6 stellt eine Versorgungsspannung U0 bereit. Die Energiequelle 6 ist mit einer Wechselrichtereinrichtung 4 verbunden, welche vier Zweige aufweist. Zwei der Zweige sind mit dem positiven Pol der Energiequelle 6 und zwei der Zweige sind mit dem negativen Pol der Energiequelle 6 gekoppelt. Jeweils ein Zweig, welcher mit dem positiven Pol gekoppelt ist, und ein Zweig, welcher mit dem negativen Pol gekoppelt ist, ist mit einem ersten Pol einer Sendespule 3-1 einer Übertragungseinrichtung 3 gekoppelt, wobei die Sendespule 3-1 eine Induktivität L1 darstellt. Die beiden verbleibenden Zweige sind über einen Kondensator C1 mit einem zweiten Pol der Sendespule 3-1 gekoppelt. Jeder Zweig weist eine erste Schalteinrichtung 15-1 bis 15-4 auf und eine mit der jeweiligen ersten Schalteinrichtung 15-1 bis 15-4 antiparallel geschaltete erste Diode 16-1 bis 16-4. Sekundärseitig weist die Übertragungseinrichtung 3 eine Empfängerspule 3-2 auf, welche mit einer Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelt ist. Die Gleichrichtereinrichtung 5 weist zwei Zweige auf, welche jeweils einen der beiden Pole der Empfängerspule 3-2 mit dem negativen Pol eines Energiespeichers 2, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, koppeln. Jeder dieser Zweige weist eine zweite Schaltvorrichtung 17-1, 17-2 mit jeweils einer antiparallel angeordneten zweiten Diode 18-1, 18-2 auf. Weiter weist die Gleichrichtereinrichtung 5 zwei Zweige auf, welche jeweils einen der Pole der Empfängerspule 3-2 über einen Kondensator C2 mit dem positiven Pol des Energiespeichers 2 koppeln. Jeder dieser Zweige weist eine dritte Diode 19-1, 19-2 auf. An der Sendespule 3-1 fällt ein erste Spannung U1 ab und fließt ein erster Strom 11. Sekundärseitig fällt an der zweiten Empfängerspule 3-2 eine zweite Spannung U2 ab, wobei ein zweiter Strom I2 fließt. Der Energiespeicher 2 weist eine Spannung Ubat auf und es fließt ein Ladestrom Ibat.
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Eine Steuereinrichtung 7 ist mit den ersten Schalteinrichtungen 15-1 bis 15-4 und zweiten Schalteinrichtungen 17-1 bis 17-2 vorzugsweise drahtlos verbunden. Durch Schalten der ersten Schaltvorrichtungen 15-1 bis 15-4 bzw. zweiten Schaltvorrichtungen 17-1, 17-2 kann die Steuereinrichtung 7 die Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder Gleichrichtereinrichtung 5 kurzschließen, wie in den dick gezeichneten Verbindungslinien der Strompfade illustriert. Ein erster Pol der Primärspule 3-1 wird über den Kondensator C1, das Schaltelement 15-1 und das Schaltelement 15-2 mit einem zweiten Pol der Primärspule 3-1 kurzgeschlossen. Ein derartiges Kurzschließen wird durch ein Ansteuersignal der Wechselrichtereinrichtung 4 mit einem Wert 0 verursacht.
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Sekundärseitig wird ein erster Pol der Sekundärspule 3-2 über den Kondensator C2, das Schaltelement 17-1 und das Schaltelement 17-2 mit einem zweiten Pol der Sekundärspule 13-2 kurzgeschlossen. Ein derartiges Kurzschließen wird durch ein Ansteuersignal der Gleichrichtereinrichtung 5 mit einem Wert 0 verursacht.
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Durch Entfernen bzw. Ausmarkieren von Halbwellen oder Vollwellen des Ansteuersignals der Wechselrichtereinrichtung 4 kann die Steuereinrichtung 7 eine effektiv niedrigere Anregungsamplitude des Schwingkreises der Primärspule 3-1 erreichen. Durch Ausmarkieren von Halbwellen bzw. Vollwellen des Ansteuersignals der Gleichrichtereinrichtung 5 fließt kein Strom in den Energiespeicher 2, so dass die Schaltung eine effektiv niedrigere Spannung U2 sieht, so dass ein kleinerer Stromfluss resultiert.
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In 3 sind die Zeitabhängigkeiten von Spannungen, Strömen und Schaltzuständen für eine beispielhafte Ansteuerung illustriert.
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In der obersten Zeile ist hierbei die Versorgungsspannung U0 der Energiequelle 6 illustriert, welche im Wesentlichen einen zeitlich konstanten Wert aufweist.
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Die Steuereinrichtung 7 steuert die Wechselrichtereinrichtung 4 mit einem ersten Ansteuersignal AS 1 an, welches sich zyklisch mit einer Periodendauer von sechs Halbwellen wiederholt. Das Muster des ersten Ansteuersignals AS1 ist hierbei 110000, das heißt nach zwei aktiven Halbwellen wird für vier Halbwellen die Wechselrichtereinrichtung 4 kurzgeschlossen. Der Aussteuergrad des ersten Ansteuersignals, das heißt die Anzahl der Halbwellen mit Wert 1 im Vergleich zur Gesamtzahl der Halbwellen des ersten Ansteuersignals AS1, beträgt somit 2/6 = 33%. Entsprechend liegt an der Primärspule 3-1 die in der zweiten Zeile illustrierte Spannung U1 an. In der dritten Zeile ist die Stromstärke I1 durch die Primärspule 3-1 illustriert. Ein Abklingen während der Kurzschlusszustände ist zu erkennen. In der vierten Zeile ist die in der Sekundärspule 3-2 induzierte Stromstärke I2 illustriert. Die Steuereinrichtung 7 steuert die Gleichrichtereinrichtung 5 mit einem zweiten Ansteuersignal AS2 an, welches sich nach drei Halbwellen zyklisch wiederholt und ein Muster 001 aufweist. Der Aussteuergrad des zweiten Ansteuersignals AS2 beträgt somit 1/3=33%. Die jeweiligen Pulsbreiten des ersten Ansteuersignals AS1 und des zweiten Ansteuersignals AS2 sind voneinander verschieden. Der Schaltzustand „switch“ der Gleichrichtereinrichtung 5 ist in der fünften Zeile illustriert. In der sechsten Zeile 6 wird schließlich der Ladestrom Ibat in den Energiespeicher 2 illustriert.
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Die Aussteuergrade werden von der Steuereinrichtung 7 derart gewählt, dass die Leistung der übertragenen Energie eingestellt wird. Ein Wert der zu erzielenden Leistung kann insbesondere fest vorgegeben sein. Anschließend bestimmt die Steuereinrichtung 7 zu einem gegebenen Aussteuergrad ein entsprechendes Ansteuersignal. Das Ansteuersignal wird derart ausgewählt, dass die Frequenz des Ansteuersignals größer als die Minimalfrequenz ist. Bei einer vorgegebenen Schwingkreisfrequenz f der Übertragungseinrichtung 3 und einer Minimalfrequenz fmin bestimmt die Steuereinrichtung 7 die Anzahl der maximal möglichen Halbwellen eines Pulsmusters eines Ansteuersignals gemäß der Formel nmax = 2·f / fmin. Ergibt sich nun beispielsweise eine maximale Anzahl von Halbwellen nmax = 4, so sind lediglich Pulsmuster möglich, welche sich nach einer Halbwelle, zwei Halbwellen, drei Halbwellen oder vier Halbwellen wiederholen. Dadurch ist die Auswahl an tatsächlich erzielbaren Aussteuergraden beschränkt.
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Bestimmt die Steuereinrichtung 7 beispielsweise, dass ein optimaler Aussteuergrad auf der Primärseite 63 % betragen muss, um die Leistung der übertragenen Energie optimal einzustellen, dann wählt die Steuereinrichtung 7 ein entsprechendes Ansteuersignal. Im vorliegenden Beispiel von 63 % wird die Steuereinrichtung 7 ein Ansteuersignal bestimmen, welches sich nach drei Halbwellen wiederholt und zwei Mal den Wert 1 und einmal den Wert 0 aufweist, das heißt einen Aussteuergrad von 66 % aufweist. Dies ist das Ansteuersignal, welches eine Frequenz größer als die Minimalfrequenz aufweist und dessen Aussteuergrad gleichzeitig dem optimalen Aussteuergrad möglichst nahe kommt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 7 nach dem Bestimmen der maximalen Anzahl nmax von Halbwellen sämtliche erzielbare Aussteuergrade bestimmen. Vorteilhafterweise werden nur Aussteuergrade mit einem ähnlichen Abstand verwendet. Sind beispielsweise Aussteuergrade von 60, 65, 66 und 70 % möglich, so wird der Wert von 66 verworfen. Um mit den möglichen Ansteuersignalen den optimalen Aussteuergrad besser zu erreichen, kann die Steuereinrichtung 7 zusätzlich eine Pulsbreite von Pulsen des Ansteuersignals einstellen.
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Weiter kann die Steuereinrichtung 7 dazu ausgebildet sein, eine Zwischenkreisspannung der Primärseite als zusätzliche Stellgröße zur Kompensation von Abweichungen einzustellen.
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Anstelle eines festen Pulsmusters kann durch zufällige zeitliche Versetzung von Pulsen (dithering) des Pulsmusters das Entstehen von subharmonischen Einzelfrequenzen und dadurch von Resonanzeffekten weiter verringert werden. Hierbei werden mit einer gewählten Verteilungsfunktion einzelne Zyklen des Ansteuersignals mit einem sich kontinuierlich verändernden Pulsmuster variiert.
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In 4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben eines Energieübertragungssystems 1, insbesondere gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, illustriert.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden die Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder die Gleichrichtereinrichtung 5 mittels Ansteuersignalen zyklisch angesteuert.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird eine Minimalfrequenz bestimmt. Die Minimalfrequenz kann fest vorgegeben sein, insbesondere 10 kHz betragen, die Minimalfrequenz kann jedoch auch anhand von Sensoren oder anhand einer Bestimmung von Größen von Strömen auf der Primärseite bzw. Sekundärseite der Übertragungseinrichtung 3 bestimmt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird eine Leistung der übertragenen Energie durch Anpassen von Aussteuergraden der Ansteuersignale angepasst. Vorzugsweise wird hierzu ein optimaler Aussteuergrad bestimmt, um die Leistung der übertragenen Energie einzustellen. Die verwendeten Ansteuersignale werden derart eingestellt, dass die Frequenzen der Ansteuersignale größer als die Minimalfrequenz sind. Vorzugsweise werden die Wechselrichtereinrichtung 4 und/oder die Gleichrichtereinrichtung 5 mittels Pulsmustermodulation angesteuert und geschaltet. Das Verhältnis von einem Strom einer Primärseite der Übertragungseinrichtung 6 und einem Strom einer Sekundärseite der Übertragungseinrichtung 6 wird vorzugsweise auf einen vorgegebenen Wert geregelt, um die Leistung der übertragenen Energie entsprechend einzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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