DE102017211687A1

DE102017211687A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Testen einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems

Info

Publication number: DE102017211687A1
Application number: DE102017211687.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (400) zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule (121) eines induktiven Ladesystems (200) beschrieben, insbesondere für einen Test der Sekundärspule (121). Die Sekundärspule (121) ist Teil eines Sekundärschwingkreises (220) des induktiven Ladesystems (200). Die Vorrichtung (400) umfasst eine Spannungsquelle (401), die eingerichtet ist, eine Wechselspannung an einem Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220) bereitzustellen. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung (400) ein Messmittel (403, 404), das eingerichtet ist, Belastungsinformation (405) in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule (121) zu ermitteln. Außerdem umfasst die Vorrichtung (400) eine Steuereinheit (406), die eingerichtet ist, die durch die Spannungsquelle (401) bereitgestellte Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation (405) anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überprüfung bzw. zum Testen eines induktiven Ladesystems, insbesondere einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems.
Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie (d.h. über einen elektrischen Energiespeicher), in der elektrische Energie zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Sekundärspule 121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule 121 über einen Gleichrichter mit dem Speicher 103 für elektrische Energie verbunden ist. Der Gleichrichter ist Teil einer Sekundärelektronik 123. Die Sekundärspule 121 und die Sekundärelektronik 123 sind typischerweise über zumindest eine Leitung 122 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden zusammen eine sogenannte „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 120 bzw. Sekundäreinheit 120.
Die Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 kann über einer Primärspule 111 positioniert werden, wobei die Primärspule 111 z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule 111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 110 bzw. Primäreinheit 110. Die Primärspule 111 ist über eine Leitung 112 mit einer Primärelektronik 113 und weiter mit einer Stromversorgung verbunden. Die Primärelektronik 113 kann einen Radio-Frequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule 111 der WPT-Bodeneinheit 110 erzeugt (der in diesem Dokument auch als Primärstrom bezeichnet wird), wodurch ein magnetisches Feld (insbesondere ein magnetisches Ladefeld) induziert wird. Das magnetische Ladefeld kann eine Frequenz aus einem vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeld-Frequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80-90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.
Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule 111 der Primäreinheit 110 und Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 über die Unterbodenfreiheit 130 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule 121 induziert (der in diesem Dokument auch als Sekundärstrom bezeichnet wird). Der induzierte Strom in der Sekundärspule 121 der Sekundäreinheit 120 wird durch den Gleichrichter der Sekundärelektronik 123 gleichgerichtet und im Energiespeicher 103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von einer Stromversorgung zum Energiespeicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät der Sekundärelektronik 123 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos (etwa über WLAN), mit der Primäreinheit 110 zu kommunizieren.
Ein in 1 dargestelltes induktives Ladesystem muss typischerweise im Rahmen der Entwicklung diversen Umwelttests (z.B. mit unterschiedlichen Temperaturzyklen, etc.) und Lebensdauertests unterzogen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Ladevorgänge zum Laden eines Energiespeichers 103 typischerweise relativ lange dauern, müssen entsprechend hohe Betriebszeiten des induktiven Ladesystems (z.B. von bis über 30 000 Stunden) abgesichert werden. Insbesondere können die abzusichernden Betriebszeiten des induktiven Ladesystems um ein Vielfaches höher als die erwartete Betriebsdauer bzw. die erwartete Dauer des Fahrbetriebs eines Fahrzeugs 100 sein.
Es ergibt sich somit typischerweise ein substantieller Aufwand bei der Überprüfung eines induktiven Ladesystems. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine zuverlässige Überprüfung eines induktiven Ladesystems mit einem reduzierten Aufwand zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems beschrieben. Die Einstellung des Belastungszustands kann z.B. im Rahmen eines Tests der Sekundärspule erfolgen. Das induktive Ladesystem umfasst typischerweise die folgenden Teilkomponenten: einen Primärschwingkreis, der eingerichtet ist, ein magnetisches Ladefeld zu generieren; Primärelektronik zur Bereitstellung einer Primär-Wechselspannung und/oder eines Primär-Wechselstroms zur Anregung des Primärschwingkreises; einen Sekundärschwingkreis, der eingerichtet ist, auf Basis des magnetischen Ladefelds eine Sekundär-Wechselspannung und/oder einen Sekundär-Wechselstrom bereitzustellen; und Sekundärelektronik zur Bereitstellung eines Ladestroms (insbesondere eines Gleichstroms) für einen Energiespeicher auf Basis der Sekundär-Wechselspannung und/oder des Sekundär-Wechselstroms. Die Sekundärspule ist dabei Teil des Sekundärschwingkreises des induktiven Ladesystems.
Die Sekundärspule wird somit im Betrieb eines induktiven Ladesystems einem magnetischen Ladefeld ausgesetzt, durch das ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung in der Sekundärspule induziert wird. Dies führt zu einem Belastungszustand der Sekundärspule im Betrieb des induktiven Ladesystems. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung kann eingerichtet sein, in effizienter Weise einen derartigen Belastungszustand der Sekundärspule nachzubilden. So kann eine effiziente und isolierte Überprüfung der Sekundärspule bzw. des Sekundärschwingkreises ermöglicht werden.
Die Vorrichtung umfasst eine Spannungsquelle, die eingerichtet ist, eine Wechselspannung an einem Eingang des Sekundärschwingkreises bereitzustellen. Durch die Wechselspannung kann somit direkt ein Wechselstrom innerhalb der Sekundärspule bewirkt werden (ohne Verwendung eines magnetischen Ladefeldes).
Außerdem umfasst die Vorrichtung ein Messmittel, das eingerichtet ist, Belastungsinformation in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule zu ermitteln. Das Messmittel kann z.B. eine Strommesseinheit umfassen, die eingerichtet ist, einen (komplexwertigen) Eingangsstrom am Eingang des Sekundärschwingkreises als Belastungsinformation zu erfassen. Außerdem kann das Messmittel eine Spannungsmesseinheit umfassen, die eingerichtet ist, eine (komplexwertige) Eingangsspannung am Eingang des Sekundärschwingkreises als Belastungsinformation zu erfassen.
Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die durch die Spannungsquelle bereitgestellte Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation anzupassen. Die Steuereinheit kann insbesondere eingerichtet sein, die Amplitude und/oder die Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation anzupassen. Beispielsweise kann die Steuereinheit eingerichtet sein, einen Sollwert bezüglich des Belastungszustands des Sekundärschwingkreises zu ermitteln. Die Wechselspannung kann dann auch in Abhängigkeit von dem Sollwert bezüglich des Belastungszustands angepasst, insbesondere geregelt, werden.
Die Vorrichtung ermöglicht somit die effiziente und präzise Einstellung eines bestimmten Belastungszustands einer Sekundärspule bzw. eines Sekundärschwingkreises. Dabei wird kein Primärschwingkreis zur Erzeugung eines magnetischen Ladefelds benötigt. Die Vorrichtung ermöglicht somit einen zuverlässigen und kosteneffizienten Lebensdauer- und/oder Klimatest einer Sekundärspule bzw. eines Sekundärschwingkreises.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Belastungsinformation Information in Bezug auf einen (komplexwertigen) Eingangsstrom und eine (komplexwertige) Eingangsspannung am Eingang des Sekundärschwingkreises umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Belastungszustand des Sekundärschwingkreises auf Basis der Information in Bezug auf den Eingangsstrom und die Eingangsspannung zu ermitteln. Der Belastungszustand kann insbesondere auf Basis einer Phasenverschiebung zwischen Eingangsstrom und Eingangsspannung ermittelt werden. Es wird somit eine effiziente und präzise Ermittlung sowie Einstellung des Belastungszustands ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Testanordnung zum Testen einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems beschrieben, wobei die Sekundärspule Teil eines Sekundärschwingkreises des induktiven Ladesystems ist. Die Testanordnung umfasst die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Einstellung eines bestimmten Belastungszustands der Sekundärspule. Außerdem umfasst die Testanordnung die Sekundärspule und/oder den Sekundärschwingkreis.
Mittels der Testanordnung können z.B. Lebensdauer- und/oder Klimatests durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann die Testanordnung einen Klimaschrank umfassen, der eingerichtet ist, ein bestimmtes Klima (z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, etc.) einzustellen und über der Zeit zu verändern. Die Vorrichtung zur Einstellung eines Belastungszustands der Sekundärspule kann für einen Test außerhalb des Klimaschranks angeordnet sein. Andererseits kann die Sekundärspule für den Test innerhalb des Klimaschranks angeordnet sein. Es wird somit der isolierte, kosteneffiziente Klimatest einer Sekundärspule bzw. eines Sekundärschwingkreises ermöglicht. Des Weiteren kann ein energieeffizienter Test einer Sekundärspule bewirkt werden. Die Belastung der der Sekundärspule und/oder des Sekundärschwingkreises erfolgt durch die im Schwingkreis zirkulierende Blindleistung. Von der Energiequelle müssen nur die in dem Schwingkreis auftretenden Verluste geliefert werden.
Die Testanordnung kann ein magnetisch wirksames Nachbildungsteil umfassen, das ausgebildet ist, Auswirkungen eines Systems (insbesondere eines Fahrzeugs), in das die Sekundärspule verbaut ist, auf den magnetischen Fluss der Sekundärspule nachzubilden. Durch die Bereitstellung eines Nachbildungsteils kann die Qualität eines Tests weiter erhöht werden. Das Nachbildungsteil kann für einen (Klima-) Test innerhalb des Klimaschranks angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Testanordnung zum (isolierten) Testen einer (ggf. einer einzigen) Teilkomponente eines induktiven Ladesystems beschrieben. Wie bereits oben dargelegt, umfasst ein induktives Ladesystem typischerweise die o.g. Teilkomponenten, d.h. einen Primärschwingkreis, Primärelektronik, einen Sekundärschwingkreis und Sekundärelektronik. Die Teilkomponenten können typischerweise in effizienter Weise (z.B. über Steckverbindungen) voneinander getrennt werden.
Die Testanordnung umfasst (ggf. genau) eine zu testende Teilkomponente aus den Teilkomponenten des induktiven Ladesystems. Außerdem umfasst die Testanordnung eine Vorrichtung, mit der das Verhalten von ein oder mehreren der verbleibenden Teilkomponenten des induktiven Ladesystems simuliert bzw. nachgebildet werden kann. So kann eine kosteneffiziente und präzise Überprüfung einer Teilkomponente eines induktiven Ladesystems erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule eines induktiven Ladesystems beschrieben, wobei die Sekundärspule Teil eines Sekundärschwingkreises des induktiven Ladesystems ist. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Wechselspannung an einem Eingang des Sekundärschwingkreises. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln von Belastungsinformation in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Anpassen der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems zum Laden des Energiespeichers eines Fahrzeugs;
2 ein beispielhaftes resonantes induktives Ladesystem;
3 eine beispielhafte Testanordnung für ein induktives Ladesystem;
4 eine beispielhafte Vorrichtung zur Anregung eines Sekundärschwingkreises eines induktiven Ladesystems;
5a eine beispielhafte Sekundärspule;
Figure 5b ein beispielhaftes Nachbildungsteil zur Nachbildung der magnetischen Umfeldbedingungen einer Sekundärspule; und
6 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Einstellung eines Belastungszustands für einen Sekundärschwingkreis, insbesondere im Rahmen eines Tests des Sekundärschwingkreises.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Durchführung von Tests, insbesondere von Lebensdauer- und/oder Klimatests, an einem induktiven Ladesystem. In diesem Zusammenhang zeigt 2 ein Schaltbild eines beispielhaften induktiven Ladesystems 200 mit einer WPT-Bodeneinheit 110 (als Beispiel für eine Primäreinheit) und einer WPT-Fahrzeugeinheit 120 (als Beispiel für eine Sekundäreinheit). Die Primäreinheit 110 umfasst als Teil der Primärelektronik 113 einen Leistungsfaktorkorrekturfilter 217 und einen Wechselrichter 213, wobei der Wechselrichter 213 eingerichtet ist, aus einem Gleichstrom (z.B. bei einer Gleichspannung von ca. 500V) einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren. Des Weiteren umfasst die Primäreinheit 110 die Primärspule 111 und einen Primärkondensator 212. Außerdem ist in 2 beispielhaft ein Filter 214 der Primärelektronik 113 dargestellt. Die Primäreinheit 110 umfasst somit einen parallelen und/oder einen seriellen Schwingkreis 210 (hier auch als Primärschwingkreis bezeichnet), dessen Resonanzfrequenz sich aus der Gesamtkapazität C (insbesondere der Kapazität des Primärkondensators 212) und der Gesamtinduktivität L (insbesondere der Induktivität der Primärspule 111) als $f_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}})$
ergibt. Die Ladefeld-Frequenz ist bevorzugt nahe an der Resonanzfrequenz f₀, um einen möglichst hohen Primärstrom durch die Primärspule 111 zu erzeugen (durch eine Resonanz). Ein hoher Primärstrom ist typischerweise erforderlich, da der Kopplungsfaktor k 230 zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 aufgrund des großen Luftspaltes 130 relativ klein ist, z.B. k~0.1. Der Primärschwingkreis 210 kann weiter ein oder mehrere Sensoren 215 (z.B. einen Temperatursensor) zur Überwachung des Primärschwingkreises 210 aufweisen. Des Weiteren kann die Primärelektronik 113 eine Steuereinheit 216 zur Anpassung der Ladefeld-Frequenz aufweisen.
In analoger Weise umfasst die Sekundäreinheit 120 einen (parallelen und/oder seriellen) Schwingkreis 220 (hier auch als Sekundärschwingkreis bezeichnet), der aus der Sekundärspule 121 und einem Sekundärkondensator 222 gebildet wird. Die Resonanzfrequenz dieses Sekundärschwingkreises 220 ist bevorzugt an die Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises 210 der Primäreinheit 110 angepasst, um eine möglichst gute Energieübertragung zu erreichen. Der Sekundärschwingkreis 220 kann weiter ein oder mehrere Sensoren 225 (z.B. einen Temperatursensor) zur Überwachung des Sekundärschwingkreises 220 aufweisen. Außerdem sind in 2 ein Kompensationsnetzwerk (z.B. mit einem Filter-Kondensator) 224, ein Gleichrichter 223 und eine Steuereinheit 226 der Sekundärelektronik 123 dargestellt.
Wie bereits eingangs dargelegt, muss ein induktives Ladesystem 200 typischerweise bei der Entwicklung in langwierigen und aufwändigen Lebensdauertests überprüft werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Teilkomponenten des induktiven Ladesystems 200 in ein oder mehrere Klimaschränke verbaut, um die Komponenten unterschiedlichen klimatischen Bedingungen auszusetzen. Es werden somit relativ viele Klimaschränke mit relativ hohen Aufnahmekapazitäten benötigt. Die Klimatisierung der unterschiedlichen Teilkomponenten erfordert dabei einen relativ hohen Energieverbrauch. Des Weiteren erfordert die Änderung einer Teilkomponente des induktiven Ladesystems 200 typischerweise eine erneute Durchführung der Tests des gesamten Ladesystems 200. Bei der Verwendung aller Teilkomponenten des induktiven Ladesystems 200 für einen Lebensdauertest, werden auch die nicht getesteten Teilkomponenten dem Stress einer gerafften Lebensdauerprüfung unterzogen, so dass es zu einer unnötigen Alterung dieser Teilkomponenten kommt. Es werden somit zahlreiche Teilkomponenten gealtert und sind daher nur für einen Testlauf verwendbar.
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung für einen Lebensdauer- und/oder Klimatest eines induktiven Ladesystems 200. Wie aus 3 ersichtlich, müssen typischerweise sowohl die Primärspule 111, die Sekundärspule 121 und die Sekundärelektronik 123 in einem Klimaschrank 300 angeordnet werden, auch wenn nur die Sekundärspule 121 zu testen ist. Der Energiespeicher 103 kann durch eine Lastnachbildung 303 ersetzt werden. Durch die Primärspule 111 kann ein Ladefeld erzeugt werden, das die Sekundärspule 121 für den Test belastet.
4 zeigt eine Vorrichtung 400, die dazu verwendet werden kann, einen oder mehrere unterschiedliche Belastungszustände der Sekundärspule 121 bzw. des Sekundärschwingkreises 220 nachzubilden. Die Vorrichtung 400 (bzw. die Ansteuerschaltung) kann den Sekundärschwingkreis 220 in einen typischen Belastungszustand versetzten. Im Sekundärschwingkreis 220 können sich dabei durch die Resonanzüberhöhung ein relativ hoher Stromfluss und eine relativ hohe Blindleistung (z.B. mehrere kW) ergeben. Zur Aufrechterhaltung der Belastung des Sekundärschwingkreis 220 müssen jedoch nur die Verluste des Sekundärschwingkreises 220 nachgeliefert werden. Diese ergeben sich aus dem im Sekundärschwingkreis 220 verteilten parasitären Widerstand 421. Typischerweise liegen die Verluste aufgrund der relativ hohen Güte des Sekundärschwingkreises 220 im Bereich von wenigen 100W.
Die Vorrichtung 400 kann eine Strommesseinheit 404 umfassen, die eingerichtet ist, den Strom am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 zu erfassen (z.B. die Amplitude, die Frequenz und die Phase des Stroms). Des Weiteren kann die Vorrichtung 400 eine Spannungsmesseinheit 403 umfassen, die eingerichtet ist, die Spannung am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 zu erfassen (z.B. die Amplitude, die Frequenz und die Phase der Spannung). Über die Spannungs- und/oder Strommessung am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 können der Spulenstrom I_L 412 und der Kondensatorstrom I_C 411 ermittelt werden, z.B. als $I_{L} = \frac{U}{2 π f L}$
und/oder I_C = U2πf C, wobei U die Spannung am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 ist, wobei f die Frequenz des Wechselstroms am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 ist, und wobei L die Induktivität der Sekundärspule 121 und C die Kapazität des Sekundärkondensators 222 sind.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Anordnung des Sekundärkondensators 222 in Reihe und/oder in Serie zur Sekundärspule 121 und ggf. auch (zumindest teilweise) außerhalb des Spulengehäuses (z.B. aufgeteilt) in der Sekundärelektronik 123 angeordnet sein.
Die Vorrichtung 400 umfasst eine Wechselspannungsquelle 401, die eingerichtet ist, einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 bereitzustellen. Dabei kann ggf. ein Übertrager 402 (z.B. ein Transformator) dazu verwendet werden, das durch die Wechselspannungsquelle 401 bereitgestellte Spannungsniveau auf das erforderliche Spannungsniveau am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 anzupassen (z.B. durch ein Übersetzungsverhältnis N). Die Wechselspannungsquelle 401 muss typischerweise in Bezug auf die bereitgestellte Leistung nur eingerichtet sein, die Verluste des Sekundärschwingkreises 220 (d.h. maximal einige 100W) aufzubringen.
Aus der Spannung U und dem Strom I am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 kann die aktuelle Belastung des Sekundärschwingkreises 220 ermittelt werden. Belastungsinformation 405 bezüglich der Belastung des Sekundärschwingkreises 220 kann an die Wechselspannungsquelle 401 bzw. an eine Steuereinheit 406 der Vorrichtung 400 zurückgeführt werden. Die Steuereinheit 406 kann eingerichtet sein, die durch die Wechselspannungsquelle 401 bereitgestellte Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation 405 anzupassen (z.B. zusätzlich in Abhängigkeit eines Sollwerts für die Belastung des Sekundärschwingkreises 220). Insbesondere können die Amplitude und/oder die Frequenz der bereitgestellten Wechselspannung U am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 angepasst werden.
Wie in 4 dargestellt, ermöglicht es die Vorrichtung 400 durch Bereitstellen einer Wechselspannung am Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220, unterschiedliche Belastungszustände des Sekundärschwingkreises 220 nachzubilden, ohne dafür eine Primärspule 111 verwenden zu müssen. Die Vorrichtung 400 ermöglicht es somit, einen Sekundärschwingkreis 220 in isolierter Weise zu testen. Insbesondere ist es ausreichend, allein den Sekundärschwingkreis 220 in einem Klimaschrank 300 zu platzieren, um einen Lebensdauer- und/oder Klimatest des Sekundärschwingkreises 220 durchzuführen. Somit kann der Aufwand für Lebensdauer- und/oder Klimatests eines induktiven Ladesystems 200 substantiell reduziert werden.
5a zeigt eine beispielhafte Sekundärspule 121 in einer Draufsicht. Bei der in 5a dargestellten Sekundärspule 121 handelt es sich um eine annähernd zirkulär ausgeführte Spule mit einer Vielzahl von Spulenwindungen 502. Die Spulenwindungen 502 sind typischerweise in einem Ferrit 501 eingebettet. 5b zeigt den Schnitt 503 durch die in 5a dargestellte Sekundärspule 121. Die Sekundärspule 121 kann weiter eine Abschirmung 511 aufweisen. Durch die Spulenwindungen 502 wird ein magnetischer Fluss 513 bewirkt. Um die Rückwirkungen der Primärspule 111 und/oder die Auswirkungen von Fahrzeugkomponenten auf die Sekundärspule 121 nachzubilden, kann ein magnetisches Nachbildungsteil 512 bei einem Test der Sekundärspule 121 verwendet werden, wobei das Nachbildungsteil 512 die Auswirkungen der Primärspule 111 und/oder von Fahrzeugkomponenten auf die Sekundärspule 121 nachbildet. Dabei kann das Nachbildungsteil 512 derart ausgebildet sein, dass der Spalt 530 zwischen dem Nachbildungsteil 512 und der Sekundärspule 121 substantiell kleiner als die Unterbodenfreizeit 130 zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 im induktiven Ladesystem ist. Durch die Bereitstellung eines magnetisch relevanten Nachbildungsteils 512 kann eine Sekundärspule 121 mit erhöhter Genauigkeit getestet werden.
Ein induktives Ladesystem 200 kann somit an ein oder mehreren (ggf. bereits vorhandenen) Schnittstellen aufgetrennt und in Teilkomponenten zerlegt werden, um im Rahmen einer Umwelt- und Dauererprobung einzelne Teilkomponenten des Ladesystems 200 erproben zu können. Dabei kann das resonante Verhalten des induktiven Ladesystems 200 genutzt werden, um insbesondere die Resonatoren bzw. Schwingkreise 210, 220 mit einer Ansteuerschaltung 400 einzeln erproben zu können.
Insbesondere kann ein Schwingkreis 210, 220 in Resonanz versetzt werden, um mit einem leistungsmäßig relativ klein ausgelegten Wechselrichter 401 die Spule 111, 121 des Schwingkreise 210, 220 in einen beliebigen Belastungszustand zu versetzen. Über eine Sollvorgabe bezüglich des Belastungszustands kann ein bestimmter Belastungszustand eingestellt bzw. eingeregelt werden. Dieser Belastungszustand kann dann in beliebigen Zyklen und/oder Profilen (z.B. in bestimmten Temperaturzyklen bzw. Temperaturprofilen) erprobt werden.
Über eine geeignete Gestaltung der magnetischen Einbettung der Spule 111, 121 eines Schwingkreises 210, 220, insbesondere durch Verwendung eines magnetisch wirkenden Nachbildungsteils 512, kann ein magnetischer Fluss 513 an der getesteten Spule 111, 121 erreicht werden, der dem magnetischen Fluss 513 im tatsächlichen Betrieb der Spule 111, 121 entspricht.
Sowohl die Primärelektronik 113 als auch die Sekundärelektronik 123 können einzeln erprobt werden, indem die Spulen 111, 112 und/oder Schwingkreise 210, 220 durch entsprechende Ersatzimpedanzen, elektronische Ansteuerungen und/oder Lasten nachgebildet werden.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren kann auf unterschiedliche Ausgestaltungen eines Schwingkreises 210, 220 angewendet werden. Der Schwingkreis 210, 220 kann als Serienschwingkreis, als Parallelkreis oder als Kombination aus einem Serien- und Parallelschwingkreis ausgebildet sein. Der Resonanzkondensator 212, 222 eines Schwingkreises 210, 220 kann in einer Einheit mit der Spule 111, 121 oder in der Elektronik 113, 123 angeordnet sein. Je nach Anordnung der Kondensators 212, 222 in dem induktiven Ladesystem 200 kann der Resonanzkondensator 212, 222 für einen Test in der Testvorrichtung 400, in der Einheit mit der Spule 111, 121 oder in einer Spulennachbildung angeordnet sein bzw. nachgebildet werden.
Die Auftrennung des induktiven Ladesystems 200 zum Testen von einzelnen Teilkomponenten kann an der Schnittstelle zwischen der Primärelektronik 113 und dem Primärschwingkreis 210, an der Schnittstelle zwischen Primärschwingkreis 210 und Sekundärschwingkreis 220 und/oder an der Schnittstelle zwischen Sekundärschwingkreis 220 und Sekundärelektronik 123 erfolgen.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule 121 eines induktiven Ladesystems 200. Die Sekundärspule 121 ist dabei Teil eines Sekundärschwingkreises 220 des induktiven Ladesystems 200. Die Einstellung eines bestimmten Belastungszustands kann z.B. im Rahmen eines Tests, z.B. eines Lebensdauertests, der Sekundärspule 121 bzw. des Sekundärschwingkreises 220 erfolgen.
Das Verfahren 600 umfasst das Bereitstellen 601 einer Wechselspannung an einem Eingang 422 des Sekundärschwingkreises 220 (z.B. mittels einer Spannungsquelle 401). Dabei kann die Wechselspannung eine bestimmte Amplitude und eine bestimmte Frequenz aufweisen, wobei die Frequenz in einer Umgebung einer Resonanzfrequenz des Sekundärschwingkreises 220 liegen kann. Außerdem umfasst das Verfahren 600 das Ermitteln 602 von Belastungsinformation 405 in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule 121. Der Belastungszustand der Sekundärspule 121 bzw. des Sekundärschwingkreises 220 kann z.B. durch die (komplexe) Spannung und den (komplexen) Strom an der Sekundärspule 121 und/oder an dem Sekundärschwingkreis 220 beschrieben werden.
Außerdem umfasst das Verfahren 600 das Anpassen 603 der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation 405. Insbesondere können dabei die Amplitude und/oder die Frequenz der Wechselspannung angepasst werden, z.B. um eine Soll-Belastungszustand einzustellen.
Es kann somit künstlich ein Belastungszustand einer Sekundärspule 121 hergestellt werden. Somit kann ein isolierter Test der Sekundärspule 121 und/oder des Sekundärschwingkreises 220 ermöglicht werden.
Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine Erprobung von einzelnen Teilkomponenten eines induktiven Ladesystems 200 mit deutlich kleineren Klimaschränken 300. Des Weiteren kann der Energieaufwand zur Spulenerprobung und zur Klimatisierung substantiell verringert werden. Teilkomponenten eines induktiven Ladesystems 200 können einzeln erprobt werden, was insbesondere bei einem auf einem Baukastenkonzept basierenden Ladesystem 200 vorteilhaft ist, da Änderungen bzw. Auslegungsvarianten häufig nur in einer Teilkomponente erfolgen (z.B. die Verwendung von unterschiedlichen Typen von Sekundärspulen 121 für verschiedene Unterbodenfreiheiten 130 von unterschiedlichen Fahrzeugtypen, bei ansonsten unveränderten Teilkomponenten).
Aufgrund der reduzierten thermischen Kapazität der verwendeten Klimaschränke 300 und der zu testenden Teilkomponenten können Temperaturzyklen in vereinfachter Weise durchgeführt werden. Da nur Teilkomponenten eines induktiven Ladesystems 200 einem Lebensdauertest unterzogen werden, kann der Verschleiß anderer Teilkomponenten des Ladesystems 200 reduziert werden. Insbesondere können so die Kosten bei der Entwicklung eines induktiven Ladesystems 200 substantiell reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (400) zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule (121) eines induktiven Ladesystems (200); wobei die Sekundärspule (121) Teil eines Sekundärschwingkreises (220) des induktiven Ladesystems (200) ist; wobei die Vorrichtung (400) umfasst, - eine Spannungsquelle (401), die eingerichtet ist, eine Wechselspannung an einem Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220) bereitzustellen; - ein Messmittel (403, 404), das eingerichtet ist, Belastungsinformation (405) in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule (121) zu ermitteln; und - eine Steuereinheit (406), die eingerichtet ist, die durch die Spannungsquelle (401) bereitgestellte Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation (405) anzupassen.
Vorrichtung (400) gemäß Anspruch 1, wobei das Messmittel (403, 404) umfasst, - eine Strommesseinheit (404), die eingerichtet ist, einen Eingangsstrom am Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220) als Belastungsinformation (405) zu erfassen; und/oder - eine Spannungsmesseinheit (403), die eingerichtet ist, eine Eingangsspannung am Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220) als Belastungsinformation (405) zu erfassen.
Vorrichtung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Belastungsinformation (405) Information in Bezug auf einen Eingangsstrom und eine Eingangsspannung am Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220) umfasst; und - die Steuereinheit (406) eingerichtet ist, den Belastungszustand des Sekundärschwingkreises (220) auf Basis der Information in Bezug auf den Eingangsstrom und die Eingangsspannung zu ermitteln.
Vorrichtung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (406) eingerichtet ist, - einen Sollwert bezüglich des Belastungszustands des Sekundärschwingkreises (220) zu ermitteln; und - die Wechselspannung auch in Abhängigkeit von dem Sollwert bezüglich des Belastungszustands anzupassen, insbesondere zu regeln.
Vorrichtung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärspule (121) ausgebildet ist, innerhalb des induktiven Ladesystems (200) mit einer Primärspule (111) betrieben zu werden, wobei die Primärspule (111) eingerichtet ist, ein induktives Ladefeld zu erzeugen, um in der Sekundärspule (121) einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung zu induzieren.
Vorrichtung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (406) eingerichtet ist, eine Amplitude und/oder eine Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation (405) anzupassen.
Testanordnung zum Testen einer Sekundärspule (121) eines induktiven Ladesystems (200); wobei die Sekundärspule (121) Teil eines Sekundärschwingkreises (220) des induktiven Ladesystems (200) ist; wobei die Testanordnung umfasst, - eine Vorrichtung (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; und - die Sekundärspule (121) und/oder den Sekundärschwingkreis (220).
Testanordnung gemäß Anspruch 7, wobei - die Testanordnung einen Klimaschrank (300) umfasst; - die Vorrichtung (400) für einen Test außerhalb des Klimaschranks (300) angeordnet ist; und - die Sekundärspule (121) für den Test innerhalb des Klimaschranks (300) angeordnet ist.
Testanordnung gemäß Anspruch 8, wobei - die Testanordnung ein magnetisch wirksames Nachbildungsteil (512) umfasst, das ausgebildet ist, Auswirkungen eines Systems (100), in das die Sekundärspule (121) verbaut ist, auf einen magnetischen Fluss (513) der Sekundärspule (121) nachzubilden; und - das Nachbildungsteil (502) für den Test innerhalb des Klimaschranks (300) angeordnet ist.
Testanordnung zum Testen einer Teilkomponente eines induktiven Ladesystems (200), wobei - das induktive Ladesystem (200) die folgenden Teilkomponenten umfasst, - einen Primärschwingkreis (210), der eingerichtet ist, ein magnetisches Ladefeld zu generieren; - Primärelektronik (113) zur Bereitstellung einer Primär-Wechselspannung zur Anregung des Primärschwingkreises (220); - einen Sekundärschwingkreis (220), der eingerichtet ist, auf Basis des magnetischen Ladefelds eine Sekundär-Wechselspannung bereitzustellen; und - Sekundärelektronik (123) zur Bereitstellung eines Ladestroms für einen Energiespeicher (103) auf Basis der Sekundär-Wechselspannung; - die Testanordnung eine zu testende Teilkomponente aus den Teilkomponenten des induktiven Ladesystems (200) umfasst; und - die Testanordnung eine Vorrichtung (400) umfasst, mit der ein Verhalten von ein oder mehreren der verbleibenden Teilkomponenten des induktiven Ladesystems (200) simuliert werden kann.
Verfahren (600) zur Einstellung eines Belastungszustands einer Sekundärspule (121) eines induktiven Ladesystems (200); wobei die Sekundärspule (121) Teil eines Sekundärschwingkreises (220) des induktiven Ladesystems (200) ist; wobei das Verfahren (600) umfasst, - Bereitstellen (601) einer Wechselspannung an einem Eingang (422) des Sekundärschwingkreises (220); - Ermitteln (602) von Belastungsinformation (405) in Bezug auf den Belastungszustand der Sekundärspule (121); und - Anpassen (603) der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastungsinformation (405).