DE102017113425A1

DE102017113425A1 - Vorrichtung und Verfahren zur aktiven Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in induktive Übertragungssysteme

Info

Publication number: DE102017113425A1
Application number: DE102017113425.5A
Authority: DE
Inventors: Carsten Kempiak
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20
Also published as: WO2018233766A1; EP3642932A1; US20200203952A1; CN110771006A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) und eine Verfahren zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12), umfassend zumindest eine Einrichtung (1) zur aktiven Erzeugung einer Blindleistung, wobei die Blindleistung mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, umfassend zumindest eine leistungselektronische Schaltung (1.1) und einen elektrischen Energiezwischenspeicher (1.2), aktiv erzeugbar ist und eine Einrichtung (2) zur Blindleistungseinkopplung, wobei die von der Einrichtung (1) erzeugte Blindleistung über einen Transformator in das induktive Übertragungssystem (12) einkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in induktive Übertragungssysteme.
Bei der kontaktlosen Energieübertragung über schwach gekoppelte Spulen entstehen große Streufelder, aus denen ein großer Blindleistungsbedarf des Übertragungssystems resultiert. Für eine effiziente Energieübertragung ist es daher notwendig, die induktive Blindleistung zu kompensieren. Dafür werden primär- und sekundärseitig Kondensatoren eingesetzt, deren Dimensionierung wesentlich das Systemverhalten bestimmt.
Dabei ist der hohe Wirkungsgrad induktiver Übertragungssysteme im Bereich von - und teilweise sogar oberhalb - 90% bekannt. Bekannt ist ebenfalls, dass sich diese hohe Effizienz dabei immer auf den Nennarbeitspunkt bezieht, das heißt bei Volllast, optimalem Abgleich und optimaler Positionierung.
Bei Teillast oder Parameter- bzw. Positionsvariationen sinken der Wirkungsgrad und die übertragbare Wirkleistung infolge der hohen Sensitivität des Übertragungssystems gegenüber Parametervariationen rapide. Insbesondere der steigende Blindleistungsbedarf des Spulensystems bei Fehlpositionierung führt neben einer schlechteren Effizienz auch zu erhöhten Magnetfeldemissionen und zu schlechteren Schaltbedingungen der Leistungshalbleiter, weshalb eine Überdimensionierung notwendig wird.
Durch eine Nachführung des idealen Abgleichs können die aufgezeigten Nachteile vermieden werden. So entsteht bei allen untersuchten Störeinflüssen kein erhöhter Blindleistungsbedarf des Übertragungssystems, wodurch sich bei Parameter- und Positionierungsvariationen die übertragbare Wirkleistung und der Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Senkung der Systemkosten erhöhen ließen. Im Betrieb der Einrichtungen werden zur Nachführung des Abgleichs ideale kontinuierlich verstellbare, Kapazitäten angenommen. Die Realisierung dieser variablen Kompensation erweist sich jedoch als schwierig.
Bei der Regelung induktiver Übertragungssysteme können primärseitige und sekundärseitige Regelverfahren unterschieden werden. Da die zu regelnde Ausgangsgröße an der Sekundärseite anliegt, bedarf es bei primärseitigem Regelverfahren eines zusätzlichen Kommunikationskanals, welcher die Systemkomplexität erhöht und die Regeldynamik einschränkt. Zudem eignet sich die primärseitige Regelung nicht für Systeme mit mehreren Abnehmern, wodurch das Einsatzfeld eingeschränkt wird.
Bei der sekundärseitigen Regelung wird im Wesentlichen zwischen der Regelung mit einem zusätzlichen DC/DC-Wandler und der Kurzschlusssteuerung unterschieden. Wird zur Regelung ein DC/DC-Wandler eingesetzt, ist neben dem aktiven Stellglied ein DC-Zwischenkreis notwendig, der den erforderlichen Bauraum, das Gewicht und die Systemkosten erhöht. Mithilfe der Kurzschlusssteuerung kann bei Systemen mit Stromausgang durch Kurzschließen der Last die Ausgangsleistung begrenzt werden.
Bei Systemen mit Spannungsausgang kann - analog zum Kurzschließen des Lastkreises bei Systemen mit Stromausgang - der Lastkreis geöffnet, d.h. es wird mit einer Leerlaufsteuerung gearbeitet, um die Ausgangsleistung zu begrenzen. Dabei wird, neben der Einsparung des DC-Zwischenkreises, ein höherer Wirkungsgrad als bei Verwendung eines DC/DC-Wandlers erreicht. Mit beiden Verfahren lässt sich die Ausgangsleistung nur begrenzen. Eine Erhöhung der abgenommenen Leistung, z.B. bei Fehlpositionierung, ist nicht möglich.
Bekannt ist ebenfalls, dass sich die Manipulation der Abgleichkondensatoren im Betrieb auch zur sekundärseitigen Regelung der Ausgangsgrößen eignet. Dabei kann durch Senkung der aufgenommenen Scheinleistung, bei gleicher Wirkleistungsaufnahme der Sekundärseite, ein hoher Wirkungsgrad im Teillastbereich erzielt werden. Dazu ist allerdings ein kontinuierlicher, dynamischer und verlustarmer Stelleingriff zur Manipulation der Kompensationskondensatoren im Betrieb nötig, wofür momentan kein praktikables Stellglied existiert.
Bekannt ist ebenfalls eine Vorrichtung, in welcher für einen variablen Kompensationskondensator eine geschaltete feste Impedanz mit PWM-Ansteuerung vorliegt. Dabei sollte die Schaltfrequenz mindestens der Resonanzfrequenz entsprechen. Eine Ansteuerung mit einer deutlich höheren Frequenz ist aufgrund der hohen Resonanzfrequenz nicht praktikabel, so dass die variable Kapazität durch Zuschalten einer festen Impedanz für n Schaltperioden erzeugt wird und die Schaltvorgänge mit den Nulldurchgängen der Spannung über den Schalter synchronisiert werden. Hierdurch entsteht jedoch eine diskontinuierliche Belastung des speisenden Wechselrichters, was zu einer Schwingneigung des Wechselrichterausgangsstromes führt. Hieraus resultieren erhöhte Verluste auf der Primärseite, erhöhte Magnetfeldemissionen und schlechtere Schaltbedingungen der Leistungshalbleiter.
Dies kann vermieden werden, wenn der Strom durch die zusätzliche Impedanz mit Phasenverschiebungs-Ansteuerung eingestellt wird, wie in WO 2004/105208 A1 offenbart. Allerdings ist bei diesem Ansatz eine Synchronisation der Schaltvorgänge mit den Nulldurchgängen der Spannung über den Schaltern nicht möglich, was aufgrund der harten Schaltvorgänge zu hohen Schaltverlusten und hochfrequenten Oszillationen führt. Ferner ist mit einer hohen Bauteilbelastung durch das Schalten im Resonanzkreis zu rechnen, was die Verwendung von großen, teuren und langsam schaltenden IGBT-Modulen notwendig macht.
In DE 10 2015 005 927 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur adaptiven Anpassung der Kompensation mit einer diskreten Kondensatorbank bestehend aus n schaltbaren Kondensatoren beschrieben. Zur Adaption der Kompensation wird vorgeschlagen, diese entweder statisch ein- oder auszuschalten. Hierdurch treten keine transienten Überspannungen durch schnelle Schaltvorgänge an den Schaltern auf. Allerdings ist eine große, schwere und teure Kondensatorbank nötig. Ferner entsteht durch die diskontinuierliche Schrittweite des Kondensatorarrays ein Fehler im Abgleich, was zu einer geringeren Effizienz und übertragbaren Wirkleistung führt. Zudem eignet sich dieses Verfahren nicht zur kontinuierlichen Regelung der Ausgangsgrößen, weshalb ein weiteres Stellglied notwendig wird.
In WO 99/26329 wird zur Nachführung des Abgleichs und zur Regelung der Ausgangsspannung eine variable Induktivität beschrieben, deren Permeabilität über einen eingeprägten Gleichstrom verändert wird, um so die Spule gezielt in Sättigung zu treiben und die wirksame Induktivität zu variieren. Um mit diesem stark nichtlinearem Stellprinzip einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist jedoch ein komplexer Regelalgorithmus mit adaptiver Schrittweite notwendig.
Hierfür kann ein auf Fuzzylogik basierender Suchalgorithmus genutzt werden. Dieser ist applikationsabhängig und muss für jedes System angepasst werden. Ferner ist mit diesem Stellprinzip keine dynamische Regelung möglich, was für einige Anwendungen nicht tolerierbar ist.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Überwindung der aufgezeigten Nachteile.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung (3) zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12), umfassend zumindest:

- eine Einrichtung (1) zur aktiven Erzeugung einer Blindleistung, wobei die Blindleistung mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, umfassend zumindest eine leistungselektronische Schaltung (1.1) und einen elektrischen Energiezwischenspeicher (1.2), aktiv erzeugbar ist,
- eine Einrichtung (2) zur Blindleistungseinkopplung, wobei die von der Einrichtung (1) erzeugte Blindleistung über einen Transformator in das induktive Übertragungssystem (12) einkoppelbar ist.

Die Erfindung beruht darauf, Blindleistung aktiv mittels Leistungselektronik, in einem zum induktiven Übertragungssystem parallelen System, zu erzeugen und zur Adaption der Kompensation in das kompensierte Spulensystem (4) einzuspeisen.
Dabei ermöglicht die aktive Blindleistungseinprägung eine kontinuierliche, dynamische und effiziente Variation der Kompensation während des Energieübertragungsprozesses, also im Betrieb, wodurch dieser neue Lösungsansatz das Potential für eine Vielzahl von Vorteilen bietet. Diese sind insbesondere:

• Ausgleich von Parametervariationen im Betrieb
• Erhöhung der Positionierungstoleranz
• Realisierung einer robusten und hocheffizienten Regelung
• Kostenreduktion durch Vermeidung von Überdimensionierung
• Mehr Freiheitsgrade im Betrieb induktiver Übertragungssysteme

Unter einer „aktiven Erzeugung“ ist zu verstehen, dass die Blindleistung mittels Leistungselektronik erzeugt wird.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine leistungselektronische Schaltung, die zumindest zwei steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente umfasst. Neben einer Steuerung für die Leistungselektronik hat sich auch eine Regelung als vorteilhaft erwiesen.
Eine Ausbildungsform der Erfindung sieht für die Vorrichtung (3) vor, dass die Speisung der Einrichtung (1) zur aktive Blindleistungserzeugung

- aus dem induktiven Übertragungssystem (12) oder
- aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgt.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass mittels der Einrichtung (1) kapazitive und/oder induktive Blindleistung erzeugbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem oder mehreren Kompensationskondensatoren.
Vorteilhafterweise kann die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem Spulensystem (7) erfolgen.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem kompensierten Spulensystem (4) erfolgt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Blindleistungseinkopplung (2) auf der Primärseite (P) und/oder auf der Sekundärseite (S) induktiven Übertragungssystems (12) erfolgt.
Vorteilhafterweise erfolgt zumindest eine Blindleistungseinkopplung (2), daneben sind jedoch auch mehrere Blindleistungseinkopplungen möglich.
Vorgeschlagen wir ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) die Kompensation des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation kontinuierlich im Betrieb des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird oder kontinuierlich nachgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kompensation im Betrieb durch Einprägung einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Größe des induktiven Übertragungssystems (12) zu regeln, wobei vorzugsweise die Durchflutung der Primärspule (L₁) und/oder die Spannung an der Primär- oder Sekundärspule (L₂) geregelt wird.
Unter einer „Verstimmung“ des induktiven Übertragungssystems (12) wird folgendes verstanden, dass durch aktives Einbringen einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem das induktive Übertragungssystem aus der Resonanz gebracht wird.
Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kompensation im Betrieb verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Ausgangsgröße des induktiven Übertragungssystems zu regeln.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Vorrichtung (3) kann dadurch gekennzeichnet sein, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung das Verhältnis zweier elektrischer Größen des induktiven Übertragungssystems variiert wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert wird.
Das Verfahren kann weiterhin auch dadurch gekennzeichnet sein, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung der Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes des speisenden Wechselrichters variiert und/oder begrenzt wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert und/oder begrenzt wird.
Die aktive Blindleistungseinprägung stellt eine geeignete Methode zur kontinuierlichen, dynamischen und effizienten Manipulation der Kompensationskapazitäten im Betrieb dar. Erfindungsgemäß lässt sich ein robuster und gleichzeitig hoch effizienter Betrieb induktiver Übertragungssysteme realisieren. Durch Nachführung des Abgleichs im Betrieb können Positionstoleranzen, Bauteiltoleranzen, Temperaturdrift und Alterungserscheinungen der realen Bauelemente automatisiert ausgeglichen werden. Gleichzeitig kann die gezielte Verstimmung der Kompensation zur Regelung der Ausgangsgrößen genutzt werden.
Dadurch wird zum einen ein weiteres Stellglied, welches sonst zur Regelung notwendig wäre, eingespart und eine Überdimensionierung vermieden, was Kosten und Baugröße minimiert und zum anderen ein höherer Wirkungsgrad im Teillastbereich erreicht. Diese Aspekte sind insbesondere interessant für Anwendungen mit variabler Positionierung, wie beispielsweise dem induktiven Laden von Elektrofahrzeugen, und für Anwendungen, die zu einem großen Teil im Teillastbereich betrieben werden, was vielfach zutrifft.
Ein Beispiel hierfür sind wiederum Ladesysteme: Moderne Li-Akkus müssen bei kleinem Ladezustand mit einer geringeren Ladespannung als der Nennspannung und bei großem Ladezustand mit einem kleinen Ladestrom geladen werden. Daher befinden sie sich zu einem Großteil des Ladevorgangs im Teillastbereich.
Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich und führt durch die aktive Blindleistungseinprägung zu einer Energieeffizienzsteigerung für den gesamten Ladevorgang, insbesondere bei Ladesystemen höherer Leistung. Ferner ergeben sich mit einer kontinuierlichen Manipulation der Kompensation im Betrieb neue Freiheitsgrade, da die Kompensation einen Einfluss auf zahlreiche Systemparameter hat.
So kann die aktive Blindleistungseinprägung beispielsweise in einer sekundärseitigen Regelung zur Anpassung des Strom-/Spannungsverhältnisses genutzt werden, um beim induktiven Laden bei kleiner Ladespannung den Ladestrom zu erhöhen und so die Ladedauer zu verringern. Die erfindungsgemäße Lösung bietet ein Potential zur Realisierung einer Vielzahl von optimierten, applikationsspezifischen Betriebsstrategien induktiver Übertragungssysteme, wodurch sich unmittelbar ein breites Verwertungspotential in induktiven Energieübertragungsanwendungen ergibt. Somit weist die Anwendung der aktiven Blindleistungseinprägung zur Nachführung des Abgleichs im Betrieb, Regelung der Ausgangsgrößen und gezielten Manipulation der Kompensation das Potential auf, vorhandene Anlagen in mehreren Bereichen wesentlich zu erweitern.
Die Vorrichtung und das Verfahren können beispielsweise in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

- zur induktiven Energieübertragung im Schienenverkehr; damit kann der elektrische/mechanische Verschleiß der Oberleitungen und Stromabnehmer vermieden werden, was den Wartungsaufwand und somit Betriebskosten senkt und die Betriebssicherheit, durch Vermeidung von Lichtbögen infolge von Kontaktproblemen, die insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten vermehrt auftreten, erhöht; zudem ist mit einem Ausbau von Hochgeschwindigkeitsbahnnetzen zu rechnen, für die sich eine kontaktlose Energieversorgung besonders eignet; aufgrund der hohen zu übertragenden Leistungen und langen Betriebsdauern ist die mit diesem erfinderischen Stellprinzip angestrebte Effizienzsteigerung sowie die Gewährleistung eines robusten Betriebes über die gesamte Lebensdauer der Systeme für dieses Anwendungsfeld von besonderem Interesse;
- zur induktiven Energieübertragung, d.h. zum kontaktlosen Laden von Elektrofahrzeugen durch den Einsatz von zuverlässigen, effizienten und interoperablen induktiven Ladesystemen; Mithilfe dieser aktiven Blindleistungseinprägung kann ein robuster und ein, über den gesamten Ladevorgang betrachtet, hoch effizienter Betrieb induktiver Ladesysteme in der realen Anwendung erreicht werden; Mithilfe des induktiven Ladens von Elektrofahrzeugen kann der Ladevorgang vollständig automatisiert werden; dies bietet die Möglichkeit, Elektrofahrzeuge in ein intelligentes Stromnetz einzubinden; hierdurch können Elektrofahrzeuge als mobile Energiespeicher die schwankende Einspeisung von Wind- und Solarstrom puffern, um die Stromnetze zu stabilisieren und den Anteil an erneuerbaren Energien im Netz zu erhöhen; durch ein intelligentes Lademanagement ist es ferner möglich, den Endnutzer an den schwankenden Preisen des Strommarktes zu beteiligen, indem das Elektrofahrzeug automatisiert z.B. bei Windflaute einen Teil der gespeicherten Energie in das Stromnetz zurückspeist, wofür der Nutzer entlohnt wird, und bei hoher Einspeisung von erneuerbaren Energien zu einem niedrigeren Strompreis die Batterie auflädt;

- im Anlagenbau von komplexen Industrieanlagen, wo beispielsweise konstruktionsbedingte Distanzen von einigen Millimetern bis Zentimetern kontaktlos zu überbrücken sind; auch im Bereich der Produktion und Logistik stellt die Versorgung von beweglichen oder rotierenden Verbrauchern wie z.B. fahrerlose Transportsysteme, Gabelstapler, Roboterarme oder Wechselwerkzeugmaschinen, sowie die Energieversorgung von Sensoren und Aktoren in rauen und sicherheitskritischen Umgebungen typische Anwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung dar;
- im medizintechnischen Bereich, wie beispielsweise bei der kontaktlosen Versorgung von Implantaten,
- bei Reinraumapplikationen und aus Hygienegründen in der Lebensmittelindustrie,
- zum kontaktlosen Laden von Kleingeräten wie Zahnbürsten oder Smartphones und ähnlichem.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist:
Es zeigen:

1: schematisch ein induktives Übertragungssystem mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung und DC-Last,
2: schematisch ein induktives Übertragungssystem mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung und AC-Last,
3a - 3c: schematisch simulierte Topologien, wie folgt:
3a: schematisch eine Kurzschlusssteuerung,
3b: schematisch eine aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zu C_2S ,
3c: schematisch eine aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zu C_2P ,
4a - 4f: schematisch Simulationsergebnisse der simulierten Topologien, wie folgt:
- 4a: schematisch den Wirkungsgrad über der Ausgangsleistung,
- 4b: schematisch den Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des speisenden Wechselrichters (5) über der Ausgangsleistung,
- 4c: schematisch die ohmsche Verlustleistung an der Sekundärspule (L₂) über der Ausgangsleistung,
- 4d: schematisch die Verlustleistung des speisenden Wechselrichters (5) über der Ausgangsleistung,
- 4e: schematisch die Verlustleistung des Gleichrichters (9) über der Ausgangsleistung,
- 4f: schematisch die Verlustleistung des Stellgliedes (3) gemäß 3b und 3c bzw. S₁ und S₂ gemäß 3a über der Ausgangsleistung,
5: schematisch den Ausgleich von Parametervariationen im Betrieb am Beispiel einer Variation von C_2S um -10% und der aktiven Einprägung kapazitiver Blindleistung in Reihe zu C_2S gemäß 3b,
6 bis 25: schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine primärseitige aktive Blindleistungseinprägung,
26 bis 56: schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine sekundärseitige aktive Blindleistungseinprägung und
57 bis 64: schematisch unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten der aktiven Blindleistungserzeugung.

In 1 ist schematisch ein beispielhaftes induktives Übertragungssystem (12) mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung (3) und DC-Last (11) dargestellt.
Das induktive Übertragungssystem (12) setzt sich aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4), dem Gleichrichter (9), dem Ausgangsfilter (10) und einem DC-Verbraucher (11) zusammen. Das kompensierte Spulensystem besteht dabei aus der primärseitigen Kompensation (6), dem Spulensystem (7) und der sekundärseitigen Kompensation (8). Die beidseitig gezeigte Vorrichtung zur aktiven Blindleistungseinprägung (3) setzt sich jeweils aus der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung (1) sowie der Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung (2) zusammen. Durch Erzeugung und Einkopplung einer Blindleistung lässt sich mit der schematisch gezeigten Beispielrealisierung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems variieren.
Die Speisung des für die Blindleistungserzeugung notwendigen Energiezwischenspeichers kann dabei sowohl aus dem Übertragungssystem erfolgen, indem die Einrichtung zur Blindleistungserzeugung im Gleichrichterbetrieb betrieben wird oder aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgen. Zum Beispiel könnte in einer Anwendung zum induktiven Batterieladen in der Elektromobilität die sekundärseitige Einrichtung zur Blindleistungserzeugung über einen weiteren DC/DC-Wandler aus der Batterie gespeist werden. Ebenso könnte die primärseitige Einrichtung zur Blindleistungserzeugung aus dem Energiezwischenspeicher des speisenden Wechselrichters über einen zusätzlichen DC/DC-Wandler gespeist werden.
Die Speisung der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung aus einer zusätzlichen Energiequelle bietet dabei den Vorteil zusätzlich zur Blindleistungseinprägung auch Wirkleistung in das induktive Übertragungssystem einspeisen zu können, wodurch sich ein weiterer Freiheitsgrad ergibt. Dem gegenüber steht der Nachteil, dass mehr Komponenten benötigt werden, wodurch die benötigte Baugröße und die Systemkosten steigen.
Analog zu 1 zeigt 2 schematisch ein beispielhaftes induktives Übertragungssystem (12) mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung (3) und AC-Last (11). Aufgrund des AC-Verbrauchers (11), entfällt in diesem Schemata der Gleichrichter und der Ausgangsfilter, sodass sich das gezeigte induktive Übertragungssystem (12) aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4) und dem AC-Verbraucher (11) zusammensetzt.
Das kompensierte Spulensystem besteht dabei aus der primärseitigen Kompensation (6), dem Spulensystem (7) und der sekundärseitigen Kompensation (8). Die beidseitig gezeigte Vorrichtung zur aktiven Blindleistungseinprägung (3) setzt sich jeweils aus der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung (1) sowie der Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung (2) zusammen. Durch Erzeugung und Einkopplung einer Blindleistung lässt sich, mit der gezeigten schematischen Darstellung, die Kompensation des induktiven Übertragungssystems variieren.
Die Speisung des für Blindleistungserzeugung notwendigen Energiezwischenspeichers kann dabei sowohl aus dem Übertragungssystem als auch aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgen. Beispielanwendungen für die gezeigte schematische Darstellung mit AC-Last finden sich in der kontaktlosen Versorgung von elektrischen Antrieben, wie zum Beispiel zur kontaktlosen Versorgung von fahrerlosen Transportsystemen in der Intralogistik oder der kontaktlosen Einprägung eines Stromes in die Erregerwicklung einer fremderregten Synchronmaschine.
Simulative Untersuchungen:
Beispielhaft wird die Simulationen anhand zweier Realisierungen der aktiven Blindleistungseinprägung auf Basis eines Modells eines realen, induktiven Ladesystems gezeigt. Zur Verlustberechnung wurden reale, beschaffbare Bauelemente angenommen. Zum Nachweis des höheren Wirkungsgrades im Teillastbereich durch eine gezielte Verstimmung des Abgleiches erfolgte der Vergleich mit dem Stand der Technik.
In Tabelle 1 sind die Systemparameter und die für die Verlustbetrachtung zugrunde gelegten Bauelemente aufgelistet. 3a - 3c zeigen die simulierten Schaltungstopologien und 4a - 4f die aufbereiteten Simulationsergebnisse. Betrachtet wurde die Kurzschlusssteuerung mit Ausführung des Kurzschlussschalters als Synchronwandler und PWM-Ansteuerung zur Repräsentation des Stands der Technik, die aktive Blindleistungseinprägung als neues innovatives Stellglied in Reihe zur Serienkompensation und in Reihe zur Parallelkompensation. Dabei befinden sich die H-Brücken im Gleichrichterbetrieb, womit die Speisung der Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung aus dem Übertragungssystem erfolgt.
Die variable Blindleistung wird mittels Phasenverschiebungs-Ansteuerung erzeugt. Dabei kann sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung erzeugt und eingekoppelt werden.

Durch Entkopplung des aktiven Stellgliedes vom Übertragungssystem sinken die Bauteilbelastung und die Verluste der Leistungselektronik deutlich. Der fest gekoppelte Transformator wurde so dimensioniert, dass die Spannung der H-Brücke maximal 400V beträgt, sodass verlustarme 600V-MOSFETs eingesetzt werden können. Die Taktfrequenz der Stellglieder wurde gleich der Übertragungsfrequenz gesetzt. Tabelle 1: Systemparameter

Nennleistung	3,3 kW
Übertragungsfrequenz	140 kHz
Nennkopplung	0,192
Serienkondensator der Blindleistungserzeugung C_S	100 nF
Verwendete MOSFETs	IPP60R017C7 T0-247-4
Verwendete Dioden	VS-EBU15006HF4

In 3a bis 3c ist jeweils das simulierte induktive Übertragungssystem (12) schematisch dargestellt. Dieses setzt sich jeweils analog zu 1 aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4), dem Gleichrichter (9), dem Ausgangsfilter (10) und der DC-Last (11) zusammen.
Bei dem gezeigten Übertragungssystem handelt es sich um ein System mit primärseitiger Stromeinprägung und sekundärseitiger Parallelkompensation, wobei - zur Anpassung des sekundärseitigen Strom-/Spannungsverhältnisses - der Parallelkompensationskondensator in einen seriellen Kompensationskondensator C_2S und einen parallelen Kompensationskondensator C_2P aufgeteilt wurde. Aufgrund dieser Resonanztopologie verhält sich das induktive Übertragungssystem ausgangsseitig näherungsweise wie eine ideale Stromquelle.
Daher können mit dem in 3a gezeigten Stellprinzip (Kurzschlusssteuerung) die Ausgangsgrößen geregelt werden. Dabei wird die Last kurzgeschlossen sobald S₂ eingeschaltet wird, sodass der Ausgangsstrom nicht in die Last, sondern in den Resonanzkreis zurückfließt, wodurch die Ausgangsleistung begrenzt werden kann. Dieses Stellprinzip entspricht dem Stand der Technik zur sekundärseitigen Regelung induktiver Übertragungssysteme.
In 3b erfolgt als Realisierungsbeispiel der Erfindung die aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zum sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensator C_2S . Das leistungselektronische Stellglied setzt sich in diesem Beispiel aus einer H-Brücke mit nachgeschaltetem Serienkondensator C_S und einem Gleichspannungszwischenspeicher zusammen. Das schematisch dargestellte Realisierungsbeispiel entspricht damit einer Kombination aus 39 und 58. Mit dem gezeigten Stellprinzip kann durch aktives Erzeugen und Einprägen einer Blindleistung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems verstimmt werden, wodurch die elektrischen Ausgangsgrößen des Systems geregelt werden können.
In 3c ist ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel schematisch dargestellt. In diesem Realisierungsbeispiel erfolgt die aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zum sekundärseitigen parallelen Kompensationskondensator. Das leistungselektronische Stellglied setzt sich, wie in 3b, aus einer H-Brücke mit nachgeschaltetem Serienkondensator und einem Gleichspannungszwischenspeicher zusammen. Das schematisch dargestellte Realisierungsbeispiel entspricht somit einer Kombination aus 40 und 58. Mit dem gezeigten Stellprinzip kann durch aktives Erzeugen und Einprägen einer Blindleistung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems verstimmt werden, wodurch die elektrischen Ausgangsgrößen des Systems geregelt werden können.
In den 4a - 4f sind Simulationsergebnisse dargestellt. Diese Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen und bewerten:

• Mittels der aktiven Blindleistungseinprägung können durch gezielte Verstimmung, nach dem in 3b und 3c gezeigten Stellprinzip, in einer sekundärseitigen Regelung die Ausgangsgrößen eines induktiven Übertragungssystems gestellt werden.
• Der Wirkungsgrad ist über den gesamten Lastbereich gemäß 4a besser als mit dem nach dem Stand der Technik üblichen Verfahren, d.h. einer Kurzschlusssteuerung gemäß 3a.
• Es ist eine Reduktion der Verluste sowohl auf der Sekundärseite (Gleichrichter gemäß 4e und Sekundärspule gemäß 4c) und auf der Primärseite (Wechselrichter gemäß 4d), als auch im Stellglied gemäß 4f möglich.
• Die Rückwirkungen der Blindleistungseinprägung auf die Primärseite, gemessen am Phasenwinkel der Wechselrichter-Ausgangsgrößen, lassen sich in den simulierten Beispielrealisierungen durch die Dimensionierung des Serienkondensators (C_S) beeinflussen. Daher könnte ein möglicher Optimierungsansatz sein, C_S so auszulegen, dass die Rückwirkungen minimal sind. Wie in 4b zu sehen, ist bei Blindleistungseinprägung in Reihe zu C_2P der Phasenwinkel von Volllast bis etwa 1/3 Volllast näherungsweise konstant.
• die Stellgliedverluste sind bei Systemen höherer Leistung bei aktiver Blindleistungseinprägung noch deutlich geringer als bei Kurzschlusssteuerung, da durch den Kurzschlussschalter (S₁ und S₂ in 3a) der volle Laststrom fließt, während für die Blindleistungserzeugung ein deutlich geringerer Strom ausreicht. Hinzu kommt, dass bei der Blindleistungseinprägung die Schaltverluste überwiegen: Diese sollten sich bei Realisierung mit neuen Leistungshalbleiter-Technologien z.B. auf Basis von Galliumnitrid (GaN) deutlich senken lassen. Beim Kurzschlussschalter hingegen dominieren die Durchlassverluste, welche bei Systemen höherer Leistung noch deutlich steigen und auch bei Verwendung von GaN weiter steigen werden, da die angenommenen MOSFETs einen geringeren Durchlasswiderstand aufweisen, als verfügbare GaN-eHEMTs.
• Die Realisierung der aktiven Blindleistungseinprägung weist noch viele Optimierungspotentiale auf: Neben einer optimalen Auslegung des leistungselektronischen Stellgliedes könnte beispielsweise die Blindleistungseinprägung auch parallel zu einem Kompensationskondensator erfolgen. Auch eine Kombination könnte Vorteile bieten.
• Somit ist bei Systemen mit höherer Leistung und bei optimaler Realisierung der Blindleistungseinprägung mit noch höheren Wirkungsgraden im Teillastbereich zu rechnen.
• Hinzu kommt, dass sich ein Großteil des Ladevorgangs im Teillastbereich abspielt. Bei Ladesystemen höherer Leistung steigt der Anteil des Teillastbereiches am Ladevorgang weiter, weshalb die Effizienzsteigerung über den gesamten Ladevorgang betrachtet beachtlich ist.

Als Simulationsergebnisse werden folgende Werte dargestellt:

- Wirkungsgrad,
- Phasenwinkel am speisenden Wechselrichter zwischen Wechselrichterausgangsspannung und Wechselrichterausgangsstrom,
- ohmsche Verlustleistung in der Sekundärwicklung,
- Verlustleistung des speisenden Wechselrichters,
- Verlustleistung des Gleichrichters,
- Verlustleistung des Stellgliedes;

Alle Größen sind hierbei über die Ausgangsleistung bzw. Ladeleistung abgetragen.
5 zeigt den Einfluss einer Variation des sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensators (C_2S) um -10% auf die übertragbare Wirkleistung und - als Beispiel eines robusten Betriebes - den Ausgleich dieser Variation durch eine dynamische Nachführung des Abgleichs im Betrieb mittels aktiver Blindleistungseinprägung in Reihe zum sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensator gemäß 3b. Es ist zu sehen, dass ein Abfall der Kapazität des sekundärseitigen Serienkondensators um 10% dazu führt, dass nur noch ca. 1/3 der Wirkleistung übertragen werden kann. Zum Zeitpunkt t=0,01 s wird mittels aktiver Blindleistungseinprägung kapazitive Blindleistung aktiv erzeugt und in das kompensierte Spulensystem eingeprägt. Wie in 5 zu sehen ist, lässt sich damit die Parametervariation im Betrieb ausgleichen. Mit diesem Stellprinzip kann der ideale Abgleich im Betrieb nachgeführt werden, wodurch trotz Parametervariation die volle Wirkleistung übertragen werden kann.
In den 6 bis 25 werden schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine primärseitige aktive Blindleistungseinprägung gezeigt. In den 26 bis 56 sind schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine sekundärseitige aktive Blindleistungseinprägung gezeigt. Diese sind untereinander kombinierbar. So könnte beispielsweise für das simulierte induktive Übertragungssystem gemäß 3a bis 3c eine Kombination aus 18, 39 und 40 sinnvoll sein, da sich so selektiv auf Parametervariationen der einzelnen Kompensationskondensatoren reagieren ließe.
Hierbei muss zwischen dem zusätzlichen Komponentenaufwand und Gewinn an Freiheitsgraden abgewogen werden. Eine Besonderheit der simulierten Resonanztopologie ist die primärseitige Stromeinprägung. Hierbei lässt sich über den primärseitigen Kompensationskondensator selektiv der Phasenwinkel zwischen den Ausgangsgrößen des speisenden Wechselrichters einstellen. Dieser ist ein wichtiger Parameter für die Verluste auf der Primärseite.
So könnte beispielsweise mit einer Realisierung der aktiven Blindleistungskompensation gemäß 18 dieser Parameter im Betrieb auf einen optimalen Wert geregelt werden oder in einem zulässigen Bereich gehalten werden. Da der Phasenwinkel zwischen den Wechselrichterausgangsgrößen eine primärseitige Größe ist, ließe sich eine solche Regelung auch mit einer sekundärseitigen Regelung ohne zusätzlichen Kommunikationskanal kombinieren. Dieser Effekt tritt auch bei den schematisch gezeigten Topologien nach 19 bis 21 und 24 auf.
In den 57 bis 64 sind schematisch Realisierungsbeispiele der Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung gezeigt. Diese stellen nur einen kleinen Ausschnitt der Realisierungsmöglichkeiten dar. Insbesondere die Nachbildung einer Sinusspannung mithilfe von Mehrpunkt-Umrichtern stellt eine vielversprechende Realisierungsmöglichkeit zur aktiven Blindleistungserzeugung dar.
Die Realisierung der leistungselektronischen Schaltung zur Blindleistungserzeugung mit einer H-Brücke und einer nachgeschalteten analogen Filterstufe, wie beispielhaft in 58 bis 64 gezeigt, verbindet die Vorteile einer geringen Komponentenzahl und die Möglichkeit sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung aktiv zu erzeugen mit einem weiteren Freiheitsgrad in der Auslegung, da die Dimensionierung des Filters einen Einfluss auf die Rückwirkungen der aktiven Blindleistungseinprägung in einer sekundärseitigen Regelung auf die Primärseite hat.
Bezugszeichenliste

(1): Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung
(1.1): leistungselektronische Schaltung
(1.2): Energiezwischenspeicher
(2): Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung
(3): Vorrichtung zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12)
(4): kompensiertes Spulensystem
(5): speisender Wechselrichter
(6): Einrichtung zur primärseitigen Kompensation
(7): Spulensystem
(8): Einrichtung zur sekundärseitigen Kompensation
(9): Gleichrichter
(10): Ausgangsfilter
(11): Last/Verbraucher
(12): induktives Übertragungssystem
(L₁): Primärspule
(L₂): Sekundärspule
(P): Primärseite
(S): Sekundärseite
(C_S): Serienkondensator der aktiven Blindleistungserzeugung
(C_2P): sekundärseitiger paralleler Kompensationskondensator
(C_2S): sekundärseitiger serieller Kompensationskondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/105208 A1 [0011]
DE 102015005927 A1 [0012]
WO 9926329 [0013]

Claims

Vorrichtung (3) zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12), umfassend zumindest: - eine Einrichtung (1) zur aktiven Erzeugung einer Blindleistung, wobei die Blindleistung mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, umfassend zumindest eine leistungselektronische Schaltung (1.1) und einen elektrischen Energiezwischenspeicher (1.2), aktiv erzeugbar ist, - eine Einrichtung (2) zur Blindleistungseinkopplung, wobei die von der Einrichtung (1) erzeugte Blindleistung über einen Transformator in das induktive Übertragungssystem (12) einkoppelbar ist.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung der Einrichtung (1) zur aktive Blindleistungserzeugung - aus dem induktiven Übertragungssystem (12) oder - aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgt.
Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mittels der Einrichtung (1) kapazitive und/oder induktive Blindleistung erzeugbar ist.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem oder mehreren Kompensationskondensatoren erfolgt.
Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem Spulensystem (7) erfolgt.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem kompensierten Spulensystem (4) erfolgt.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) auf der Primärseite (P) und/oder auf der Sekundärseite (S) des induktiven Übertragungssystems (12) erfolgt.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Blindleistungseinkopplung (2) erfolgt.
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) die Kompensation des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation kontinuierlich im Betrieb des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird oder kontinuierlich nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation im Betrieb durch Einprägung einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Größe des induktiven Übertragungssystems (12) zu regeln, wobei vorzugsweise die Durchflutung der Primärspule (L₁) und/oder die Spannung an der Primär- oder Sekundärspule (L₂) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation im Betrieb verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Ausgangsgröße des induktiven Übertragungssystems zu regeln.
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung das Verhältnis zweier elektrischer Größen des induktiven Übertragungssystems variiert wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert wird.
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung der Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes des speisenden Wechselrichters variiert und/oder begrenzt wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert und/oder begrenzt wird.