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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur induktiven Energieübertragung von einer ersten Energiequelle an eine Last und ein Verfahren zum Verstellen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises.
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Stand der Technik
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Bei induktiven Ladevorgängen von Elektrofahrzeugen erfolgt die Energieübertragung über einen Transformator mit großem Luftspalt, wobei die Primärspule meist im Straßenboden eingelassen ist oder in einer Ladeplatte auf dem Boden umfasst ist, und über eine geeignete Elektronik mit dem Stromnetz verbunden ist. Die Sekundärspule ist typischerweise im Unterboden des Fahrzeugs verbaut und über eine Elektronik mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Bei der Energieübertragung erzeugt die Primärspule ein hochfrequentes Wechselmagnetfeld, welches einen entsprechenden hochfrequenten Wechselstrom in der Sekundärspule induziert. Die übertragbare Leistung skaliert üblicherweise linear mit der Schaltfrequenz, wobei jedoch die Schaltfrequenz durch die Ansteuerungselektronik und durch Verluste in der Übertragung begrenzt ist. Dadurch ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 30 - 150 kHz. Typischerweise werden die Primär- und Sekundärkreise in Resonanz betrieben. Bei Toleranzen und Alter der Bauteile sowie Temperatureinflüssen und auch einem Versatz beider Spulen zueinander verändern sich die Werte der Einzelbauteile der Resonanzkreise und somit die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise (Primär- und/oder Sekundärkreis). Dadurch ergibt sich eine höhere Verlustleistung und höhere Blindströme. Um diesen Effekt entgegen zu wirken ist es vorteilhaft für jeden Betriebsfall eine Verstellmöglichkeit für die Resonanzfrequenz im Schwingkreis zu schaffen (auf der Primär- und/oder der Sekundärseite), um die Resonanzfrequenz optimal einstellen zu können. Bisher übliche Methoden zur Resonanzverstellung ermöglichen meist nur diskret (in Stufen) schaltbare und diskret veränderbare Resonanzfrequenzen. Verstellbare Induktivitäten gab es etwa als dimmbare Kinobeleuchtungen bis in die 1950er Jahre, wobei diese durch Dimmer mit Halbleiterschaltern wie Tyristoren und Triacs ersetzt wurden (Transductor, Saturable Reactor).
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In der
WO 2011/144289 A3 wird ein Trimmen der Resonanzfrequenz durch zuschaltbare Kondensatoren im Leistungspfad beschrieben. Weiterhin beschreibt die
JP 2011 155733 A schaltbare Kondensatoren und schaltbare Induktivitäten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein System zur induktiven Energieübertragung von einer ersten Energiequelle an eine Last nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Verstellen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein System zur induktiven Energieübertragung von einer ersten Energiequelle an eine Last anzugeben, wobei bei einer Energieübertragung von einem Primärkreis zu einem Sekundärkreis die Verlustleistung dadurch verringert (minimiert) werden kann, dass beide Kreise resonant und möglichst aufeinander abgestimmt betrieben werden, wobei mögliche Abweichungen von den Resonanzfrequenzen durch eine kontinuierlich anpassbare Induktivität und somit durch eine kontinuierlich (stufenlos) anpassbare Resonanzfrequenz (Schwingverhalten) verringert werden.
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Erfindungsgemäß umfasst das System zur induktiven Energieübertragung von einer ersten Energiequelle an eine Last einen ersten Schwingkreis mit einer Primärspule und einen ersten Kondensator, welche an die erste Energiequelle angeschlossen sind, sowie einen zweiten Schwingkreis mit einer Sekundärspule und einen zweiten Kondensator, welche an die Last angeschlossen sind, und eine erste Hilfsinduktivität mit einem ersten Kern, welcher eine elektrische Leitung umschließt, die mit dem ersten Schwingkreis oder mit dem zweiten Schwingkreis elektrisch verbunden ist, wobei die erste Hilfsinduktivität an eine zweite Energiequelle angeschlossen ist, und durch Variieren eines Steuerstromes von der zweiten Energiequelle in der ersten Hilfsinduktivität eine erste Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises an eine zweite Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises oder die zweite Resonanzfrequenz an die erste Resonanzfrequenz kontinuierlich angleichbar ist, wobei der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis miteinander induktiv gekoppelt sind.
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Das System wird vorteilhaft zum induktiven Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, in einem solchen verwendet. Die Batterie des Elektrofahrzeugs wird vorteilhaft durch die Last verkörpert und die erste Energiequelle umfasst vorteilhaft einen stationäre Energiequelle, welche vorteilhaft eine Ladestation, insbesondere die Primärspule, mit einem Ladestrom versorgt. Die beiden Schwingkreise werden beim induktiven Laden vorteilhaft beide in Resonanz betrieben (im aneinander abgestimmten Resonanzpunkt). Der erste Kondensator (Resonanzkondensator) wird vorteilhaft mit der Primärspule in Reihe geschaltet und der zweite Kondensator (Resonanzkondensator) wird vorteilhaft mit der Sekundärspule in Reihe geschaltet. Im resonanten Betrieb wird vorteilhaft der induktive Blindwiderstand der Primärspule/Sekundärspule durch den kapazitiven Blindwiderstand des Resonanzkondensators im jeweiligen Schwingkreis kompensiert (bei unabgestimmten Resonanzkreisen erhöhen sich die Blindströme und damit die Verlustleistung, und die gesamte Elektronik muss üblicherweise ebenfalls auf die höheren Ströme ausgelegt werden). Idealerweise entstehen vorteilhaft nur ohmsche Verluste, wenn sich die Blindwiderstände im Resonanzfall vorteilhaft kompensieren. Die zweite Resonanzfrequenz wird vorteilhaft im Vornherein auf die erste Resonanzfrequenz angeglichen, wobei im Idealfall von einer optimalen Positionierung der Sekundärspule im Magnetfeld der Primärspule, in einen idealen Abstand zwischen beiden Spulen, sowie von funktionsfähigen Bauteilen (hinsichtlich Toleranzen, Temperaturabhängigkeit oder Alterserscheinungen der Bauelemente) mit vordefinierten Kenngrößen ausgegangen wird. Bei einer Abweichung von einem dieser Eigenschaften kann sich die zweite Resonanzfrequenz gegenüber der ersten Resonanzfrequenz verändern oder umgekehrt. Durch die Veränderung der Resonanzfrequenz (erste oder zweite) steigt die Verlustleistung im Schwingkreis wegen höherer Blindströme. Durch ein Angleichen der beiden Resonanzfrequenzen aneinander kann vorteilhaft die ursprünglich vorgesehene Effizienz des Systems (Geringhaltung von Verlusten wie für den Idealfall angenommen) beibehalten werden. Die Primärspule und die Sekundärspule verkörpern vorteilhaft Übertragungsspulen und der erste und der zweite Kondensator verkörpern vorteilhaft Kompensationskondensatoren. Das Übertragungssystem umfasst also vorteilhaft Übertragungsspulen und Kompensationskondensatoren, wodurch die Resonanzfrequenz mithilfe einer stufenlos anpassbaren Induktivität einstellbar ist.
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Die Variation des Steuerstroms in der ersten Hilfsinduktivität verändert die Kernsättigung des ersten Kerns wenn der Steuerstrom in der Hilfsinduktivität ein Magnetfeld erzeugt, welches den ersten Kern durchdringt. Die Möglichkeit, den Steuerstrom kontinuierlich zu verändern, ermöglicht vorteilhaft auch eine kontinuierliche Veränderung der magnetischen Sättigung des ersten Kerns (kontinuierliche Veränderung des Magnetfelds, welches vom Steuerstrom induziert wird). Durch die Hilfsinduktivität werden somit vorteilhaft keine galvanisch getrennten Leistungsstellglieder und entsprechende Hochvoltbauteile im Resonanzkreis zur Anpassung der Resonanzfrequenz benötigt, wie dies bei schaltbaren Kondensatoren und Induktivitäten der Fall ist. Die Wicklung(en) der Hilfsinduktivität sind vorteilhaft bereits (konstruktiv) durch ihre Isolierung von der ebenfalls isolierten Hochvoltleitung (elektrischen Leitung) galvanisch getrennt.
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Die Hilfsinduktivität umfasst vorteilhaft eine Spule mit zumindest einer Wicklung und verkörpert mit anderen Worten eine stufenlos anpassbare Induktivität. Solche anpassbaren Induktivitäten können vorteilhaft im ersten und/oder im zweiten Schwingkreis angeordnet werden, was insbesondere beim bidirektionalen Laden und für einen Betrieb des Systems bei eng vorgegebener Frequenz, um die Resonanzfrequenz feiner einstellen zu können, vorteilhaft ist. Eine Schaltung mit Hilfsinduktivitäten (anpassbaren Induktivitäten) ist vorteilhaft leicht nachrüstbar, etwa mit zweiteiligen Ferritkernen.
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Die elektrische Leitung im Schwingkreis zur Primärspule und/oder zur Sekundärspule umfasst vorteilhaft eine Hochvoltleitung (> 60 V) um die Traktionsbatterie im Elektrofahrzeug laden zu können, welche von sich aus isoliert ist, wodurch vorteilhaft keine zusätzlichen Isolationsmaßnahmen notwendig sind. Der erste Kern wird vorteilhaft als ein klappbarer Kern über die elektrische Leitung herum geklappt oder über diese gestülpt (etwa als Hülse). Die Wicklung der Hilfsinduktivität liegt vorteilhaft außerhalb des Hochvoltkreises (isoliert von diesem) und kann von einem Niedervoltkreis (Steuerstrom) angesteuert werden.
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Somit kann vorteilhaft eine unerwünschte Abweichung von der Resonanzfrequenz (erste/zweite) des Schwingkreises (erster und/oder zweiter) bedingt durch etwa Bauteiltoleranzen, Versatz der Spulen, Umgebungseinflüsse oder Materialeigenschaften kompensiert werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich, die jeweilige Resonanzfrequenz soweit zu verstellen, dass eine verbesserte Interoperabilität mit Ladesystemen von Wettbewerbern erreicht werden kann.
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Des Weiteren kann die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an Schaltelementen des ansteuernden Inverters in Phase gebracht werden, wodurch die Schalter weichschaltend betrieben werden können (zero current switching). Dadurch werden die Verlustleistung in den Schaltelementen und die Elektromagnetische-Verträglichkeit (EMV) reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems umfasst der erste Kern einen Ferritkern, welcher an die elektrische Leitung anlegbar ist, wobei die elektrische Leitung von dem ersten Kern und von der ersten Hilfsinduktivität elektrisch isoliert ist.
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Schaltbare Kondensatoren und Induktivitäten sowie deren Ansteuerung sind im Hochvoltkreis verschaltet und müssen hochvoltfest ausgelegt sein (diese sind meist binär dimensioniert mit vielen Stufungen, was aufwendig im Hochvoltkreis zu verschalten ist und meist auf Hochvoltfestigkeit auszulegen ist). Ebenso muss die Aufbau- und Verbindungstechnik hinzugefügt und hochvoltfest sein. Verwendete Hochvoltschalter müssen üblicherweise antiseriell (bei zwei Halbleiterschaltern) geschaltet sein, da diese Wechselstrom schalten müssen. Außerdem müssen diese galvanisch getrennt sein, da sie im Hochvoltkreis liegen. Die erste Hilfsinduktivität ist vorteilhaft gegenüber der elektrischen Leitung (Hochvoltleitung) von sich aus elektrisch isoliert, wobei auch die elektrische Leitung (Hochvoltleitung) vorteilhaft selbst eine Isolierung (Mantel) umfasst. Der erste Kern mit der Hilfsinduktivität wirken auf den Schwingkreis, in welchem diese angeordnet werden, als zur Induktivität des Schwingkreises (Primärspule oder Sekundärspule) vorteilhaft in Reihe geschaltete Induktivität, wobei sich die Induktivitäten der Übertragungsspule im jeweiligen Schwingkreis (Primärspule oder Sekundärspule) und der Hilfsinduktivität vorteilhaft addieren. Hierbei addieren sich vorteilhaft auch die induktiven Blindwiderstände. Der erste Kern, insbesondere der Ferritkern, und die Hilfsinduktivität weisen bei einer festgelegten magnetischen Sättigung des ersten Kerns eine dementsprechende Induktivität (in einem festgelegten Arbeitspunkt) auf, welche beim Vergrößern der Sättigung verringert werden kann. Das Vergrößern der Sättigung erfolgt vorteilhaft durch den Steuerstrom in mehreren Windungen der Hilfsinduktivität, wobei der durch die Windungen (Wicklungen) fließende Steuerstrom die Sättigung vorteilhaft mit höherer Windungszahl stärker beeinflussen kann (Bestromen des Ferritkerns).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems umfasst dieses eine zweite Hilfsinduktivität mit einem zweiten Kern, welcher die elektrische Leitung umschließt.
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Der zweite Kern und die zweite Hilfsinduktivität können vorteilhaft identisch zum ersten Kern und zur ersten Hilfsinduktivität sein, oder sich in Material, Dimension oder Windungszahl und/oder Geometrie unterscheiden. Der erste und/oder der zweite Kern werden vorteilhaft so ausgeformt und dimensioniert, dass ein Strom in der elektrischen Leitung vorteilhaft zu keiner Änderung der Hilfsinduktivität führt. Die erste und/oder die zweite Hilfsinduktivität umfasst vorteilhaft wesentlich mehr Wicklungen als der Stromkreis, den die elektrische Leitung darstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems ist die zweite Hilfsinduktivität an die zweite Energiequelle angeschlossen.
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Alternativ dazu kann die zweite Hilfsinduktivität auch an eine eigene (Niedervolt-) Energiequelle angeschlossen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems sind die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität in Reihe geschaltet und gegengepolt, wobei die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität jeweils eine Spule mit mehreren Windungen umfassen, welche zueinander gegensinnig gewickelt sind.
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Der erste und der zweite Kern können vorteilhaft an derselben elektrischen Leitung, beispielsweise unmittelbar oder mittelbar, hintereinander an einer Zu- oder Rückführung (Ableitung) der elektrischen Leitung von der Übertragungsspule (Primärspule/ Sekundärspule) innerhalb desselben Schwingkreises angeordnet sein. Durch beide Hilfsinduktivitäten wird vorteilhaft derselbe Steuerstrom geleitet, jedoch bezüglich dem Stromverlauf in der elektrischen Leitung zueinander gegengepolt. Mit anderen Worten bewirken der oder die Steuerströme in den Hilfsinduktivitäten zueinander gegenläufige Magnetfeldlinien, wirkend auf die elektrische Leitung und den jeweiligen Kern (erster/zweiter). Die beiden Hilfsinduktivitäten können an die gleiche Stromquelle, vorteilhaft an die zweite Energiequelle, gleichzeitig und gegengepolt angeschlossen werden. Die gegensinnigen Wicklungen weisen vorteilhaft jeweils mehrere Wicklungen, vorzugsweise die gleiche Anzahl von Wicklungen, auf um eine gegenseitig rückkopplungsfreie und leistungsarme Verstelleistung (für die Resonanzfrequenz), wirkend auf den Schwingkreis zu ermöglichen. Bei einer Zu- und Ableitung der Bestromung, von in Reihe geschalteter Hilfsinduktivitäten, ergibt sich zwischen Zu- und Ableitung eine Potentialdifferenz im Strompfad, für vom Strom aus der elektrischen Leitung in den Hilfsinduktivitäten induzierten Spannungen. Diese Potentialdifferenz kann gleich Null werden, wenn die erste und die zweite Hilfsinduktivität eine identische Zahl von Wicklungen bei gleichem Magnetkern umfasst. Die in Reihe geschalteten Hilfsinduktivitäten sind somit vorteilhaft spannungskompensiert. Der erste und der zweite Kern mit den Hilfsinduktivitäten wirken im Schwingkreis gegenüber der elektrischen Leitung und dessen Strom wie ein Trafo. Durch den Strom in der elektrischen Leitung wird in den Hilfsinduktivitäten eine Spannung induziert, welche vom Windungsverhältnis abhängt. Da die Windungszahl der Hilfsinduktivitäten weitaus größer sein kann als die Windungszahl der elektrischen Leitung im Schwingkreis (vorteilhaft nur eine Windung), kann eine hohe Spannung in die Hilfsinduktivitäten induziert werden. Durch zwei gegengewickelte Hilfsinduktivitäten (in Reihe) kann die induzierte Spannung vorteilhaft kompensiert werden. Bei einer gleichen Zahl von Wicklungen in den Hilfsinduktivitäten kann die Spannungsdifferenz in der Zu- und Ableitung (an den Enden der Windungen zueinander) vorteilhaft Null sein.
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Vorteilhaft wird umso weniger Steuerstrom zum Anpassen der Resonanzfrequenz benötigt, je mehr Wicklungen auf den Kernen aufgebracht werden, da die magnetische Feldstärke proportional zum Produkt aus Strom und Windungszahl ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems sind die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität parallel geschaltet und gleichgepolt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems umschließt der erste Kern einen ersten Bereich der elektrischen Leitung und der zweite Kern einen zweiten Bereich der elektrischen Leitung, wobei ein erster Stromfluss in dem ersten Bereich gegenläufig zu einem zweiten Stromfluss in dem zweiten Bereich ist.
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Die erste Hilfsinduktivität kann vorteilhaft auf einer Zuleitung zur Übertragungsspule (erster Bereich) und die zweite Hilfsinduktivität auf einer Ableitung (zweiter Bereich) von der Übertragungsspule im gleichen Schwingkreis angeordnet sein. Der Strom(fluss) durch die beiden Bereiche der elektrischen Leitung ist vorteilhaft zueinander gegenläufig. Die bezüglich einer Ausrichtung des Kerns (erster/zweiter) gegenüber der elektrischen Leitung vorteilhaft gleichsinnig gewickelten und vom Steuerstrom in gleicher Richtung durchflossenen Hilfsinduktivitäten (erste/zweite) werden allerdings bei einer Parallelschaltung über dem ersten und zweiten Bereich vom Strom in diesen Bereichen in unterschiedlichen Richtungen durchflossen, wodurch sich, wie bei den in Reihe geschalteten Induktivitäten, eine Kompensation der in den Hilfsinduktivitäten induzierten Spannungen ergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems umfassen der erste Kern einen Ferrit-E-Kern und die elektrische Leitung einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich einen ersten Teil des ersten Kerns umwindet und der zweite Bereich einen zweiten Teil des ersten Kerns umwindet und die erste Hilfsinduktivität einen Mittelteil des ersten Kerns umwindet, wobei ein erster Stromfluss in dem ersten Bereich gegenläufig zu einem zweiten Stromfluss in dem zweiten Bereich ist.
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Der Ferritkern kann weiterhin auch andere Formen wie einen Ring, oder eine Hülse oder weitere Formen umfassen. Der erste Teil, der zweite Teil und der Mittelteil können vorteilhaft eine E-Form bilden, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich vorteilhaft von einem Strom mit zueinander unterschiedlichen Richtungen durchflossen werden. Die durch den ersten und zweiten Bereich der elektrischen Leitung in die Teile des E-Kerns eingekoppelten magnetischen Felder kompensieren sich vorteilhaft im Mittelteil. Somit ist die Hilfsinduktivität vorteilhaft keiner induzierten Spannung (durch den Strom in der elektrischen Leitung) ausgesetzt.
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Der Steuerstrom ist vorteilhaft ein Gleichstrom, wobei je nach dessen Vorzeichen eine anders gerichtete Magnetisierung im ersten Kern erzielt werden kann und unterschiedliche Arbeitspunkte (in einer B-H-Hysterese) erreicht werden können.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Verstellen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises in einem Verfahrensschritt S1 ein Bereitstellen einer ersten Hilfsinduktivität mit einem ersten Kern an einer elektrischen Leitung, welche mit einem elektrischen Schwingkreis verbunden ist, wobei die erste Hilfsinduktivität an eine zweite Energiequelle angeschlossen ist, wobei der erste Kern die elektrische Leitung umschließt und die elektrische Leitung von dem ersten Kern und von der ersten Hilfsinduktivität elektrisch isoliert ist. In einem Verfahrensschritt S2 erfolgt ein kontinuierliches Variieren eines Steuerstroms von der zweiten Energiequelle in der ersten Hilfsinduktivität, wobei eine erste magnetische Sättigung des ersten Kerns kontinuierlich verändert wird, bis eine vorgegebene erste Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises erreicht wird.
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Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft ebenfalls durch die in Verbindung mit dem System beschriebenen Merkmale und deren Vorteile aus und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S2 der Steuerstrom erhöht, bis eine vollständige erste magnetische Sättigung erzielt wird.
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In einer vollständigen magnetischen Sättigung verliert der erste (oder der zweite) Kern seine magnetischen Eigenschaften vorteilhaft vollständig und damit auch seinen induktiven Blindwiderstand. Mit anderen Worten kann der induktive Blindwiderstand des ersten und/oder zweiten Kerns mit der jeweiligen Hilfsinduktivität durch die Höhe des Steuerstroms von einer natürlichen Induktivität der jeweiligen Hilfsinduktivität zu einer geringeren oder keiner Induktivität kontinuierlich verändert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst der elektrische Schwingkreis einen ersten Schwingkreis mit einer ersten Resonanzfrequenz und einen zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Resonanzfrequenz, wobei der erste Schwingkreis mit dem zweiten Schwingkreis induktiv gekoppelt ist, die elektrische Leitung mit dem ersten Schwingkreis oder mit dem zweiten Schwingkreis elektrisch verbunden ist, und im Verfahrensschritt S2 die erste Resonanzfrequenz an die zweite Resonanzfrequenz oder die zweite Resonanzfrequenz an die erste Resonanzfrequenz kontinuierlich angeglichen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S1 eine zweite Hilfsinduktivität mit einem zweiten Kern bereitgestellt, welcher die elektrische Leitung umschließt und die zweite Hilfsinduktivität an die zweite Energiequelle angeschlossen ist, und wobei im Verfahrensschritt S2 ein kontinuierliches Variieren eines Steuerstroms von der zweiten Energiequelle in der ersten Hilfsinduktivität und in der zweiten Hilfsinduktivität erfolgt, wobei eine erste magnetische Sättigung des ersten Kerns und eine zweite magnetische Sättigung des zweiten Kerns kontinuierlich verändert wird, bis eine vorgegebene erste Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises erreicht wird.
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Bei der vorgegebenen Resonanzfrequenz handelt es sich um die zum Idealbetrieb mit ideal funktionierenden Bauelementen vorgesehene Resonanzfrequenz.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden im Verfahrensschritt S1 die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität in Reihe geschaltet und gegengepolt.
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Hierbei werden beide Hilfsinduktivitäten gemeinsam an der Zu- oder Ableitung angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden im Verfahrensschritt S1 die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität parallel geschaltet und gleichgepolt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden der erste Kern an einem ersten Bereich der elektrischen Leitung und der zweite Kern an einem zweiten Bereich der elektrischen Leitung, innerhalb desselben Schwingkreises angeordnet, wobei ein erster Stromfluss in dem ersten Bereich gegenläufig zu einem zweiten Stromfluss in dem zweiten Bereich geleitet wird.
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Hierbei wird eine Hilfsinduktivität an der Zuleitung und die andere Hilfsinduktivität an der Ableitung angeordnet.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Anordnung einer ersten und einer zweiten Hilfsinduktivität an einer elektrischen Leitung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein schematisches Schaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein schematisches Schaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen schematischen Verlauf einer Hysterese eines ersten Kerns; und
- 5 eine schematische Anordnung einer ersten und einer zweiten Hilfsinduktivität an einer elektrischen Leitung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Anordnung einer ersten und einer zweiten Hilfsinduktivität an einer elektrischen Leitung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Der erste Kern K1 mit der ersten Hilfsinduktivität LH1 kann, vorteilhaft als Hülse, an der elektrischen Leitung EL angeordnet werden, vorteilhaft über diese gestülpt werden. Die erste Hilfsinduktivität LH1 umfasst eine Spule mit einer Mehrzahl von Wicklungen, welche den ersten Kern K1 teilweise umschließen, und durch welche ein Steuerstrom IST von einer zweiten (Niedervolt-) Energiequelle EQ2 geleitet wird. Der Steuerstrom IST erzeugt ein Magnetfeld, welches die elektrische Leitung EL umgibt. Der erste Kern K1 und die erste Hilfsinduktivität ist von der elektrischen Leitung, vorteilhaft eine Hochvoltleitung, elektrisch isoliert. Hierzu umfasst die elektrische Leitung beispielsweise eine Mantelisolierung, und der erste Kern K1 einen Ferritkern, etwa einen Klappferrit, welcher selbst auch eine Isolierung der Spule umfasst. Durch ein Variieren des Steuerstroms kann die magnetische Sättigung des ersten Kerns K1 und somit die Induktivität der Hilfsinduktivität verändert werden. Des Weiteren ist ein zweiter Kern K2 mit einer zweiten Hilfsinduktivität LH2 an der elektrischen Leitung angeordnet, größtenteils der ersten Hilfsinduktivität LH1 entsprechend, etwa in Art des Kerns und der Spule (Wicklungszahl, Material, Anschluss an EQ2 usw.). Die zweite Hilfsinduktivität LH2 weist eine Spule mit zur ersten Hilfsinduktivität gegensinniger Wicklungsrichtung auf, wobei der Stromkreis für den Steuerstrom ISTdurch die erste Hilfsinduktivität LH1 und durch die zweite Hilfsinduktivität LH2 miteinander verbunden sind, so dass die beiden Hilfsinduktivitäten in Reihe geschaltet sind. Der Stromfluss durch die elektrische Leitung im Bereich des ersten Kerns K1 und im Bereich des zweiten Kerns K2 ist vorteilhaft gleichgerichtet. Eine durch den Strom der elektrischen Leitung in den Wicklungen der ersten Hilfsinduktivität induzierte Spannung ist einer weiteren in den Wicklungen der zweiten Hilfsinduktivität induzierten Spannung gegengerichtet, wobei sich die Spannungen bei gleicher Wicklungszahl vorteilhaft vollständig kompensieren. Beide Hilfsinduktivitäten sind vorteilhaft an die zweite Energiequelle EQ2 angeschlossen.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Das System 1 mit der Anordnung der beiden Hilfsinduktivitäten LH1 und LH2 unterscheidet sich gegenüber der 1 darin, dass die erste Hilfsinduktivität LH1 mit dem ersten Kern K1 an einer Zuleitung EL zur überträgerspule (Primärspule/Sekundärspule) angeordnet und die zweite Hilfsinduktivität LH2 mit dem zweiten Kern K2 an einer Ableitung von der überträgerspule angeordnet sind. Die beiden Spulen in den Hilfsinduktivitäten sind gleichsinnig zueinander gewickelt, weisen vorteilhaft gleiche Wicklungszahlen auf und sind gegenüber der zweiten Energiequelle EQ2 parallel zueinander geschaltet. Die zweite Energiequelle EQ2 kann eine variable Gleichstromquelle (links), eine variable Spannungsquelle (mitte) oder auch eine Spannungsquelle (rechts) mit schaltbaren Stufen (Widerstände) umfassen.
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Die Hilfsinduktivitäten können vorteilhaft in einem zweiten Schwingkreis SK2 mit einer zweiten Resonanzfrequenz FR2 und einem zweiten Kondensator C2 (und etwa auch weiterer Kondensatoren und Widerstände) angeordnet sein, welcher induktiv an einen ersten Schwingkreis SK1 mit einer ersten Resonanzfrequenz FR1 gekoppelt ist. Der erste Schwingkreis SKI ist vorteilhaft an eine erste Energiequelle EQ1, etwa eine Hochvoltquelle, und der zweite Schwingkreis SK2 ist vorteilhaft an eine Last LA angeschlossen, beispielsweise eine Fahrzeug Hochvolt-Batterie. Die erste und die zweite Hilfsinduktivität sind vorteilhaft durch eine gleiche Wicklungszahl und einen Strom in der elektrischen Leitung, welcher im Vergleich der beiden Hilfsinduktivitäten gegenläufig ist, spannungskompensiert betreffend die in den Spulen der Hilfsinduktivitäten induzierten Spannungen. Durch ein Regeln des Steuerstroms IST kann die magnetische Sättigung der beiden Kerne K1 und K2 gleichzeitig verändert werden. Eine solche Anordnung verkörpert eine symmetrische Induktivitätsverstellung in Zu- und Rückleitung (für leistungsarme, rückwirkungsfreie Verstellleistung).
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Wird eine anpassbare Induktivität auf diese Weise symmetrisch in die Zu- und Ableitung eines Resonanzkreises geschaltet, so wird durch die parasitäre Kapazität der Übertragungsspule vorteilhaft keine Gleichspannung in den Fahrzeugunterboden eingekoppelt. Es werden die erste Hilfsinduktivität und die zweite Hilfsinduktivität parallel geschaltet und gleichgepolt.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Systems zur induktiven Energieübertragung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Das System 1 aus der 3 unterscheidet sich von der Anordnung in der 2 dadurch, dass der erste Kern K1 einen E-Kern umfasst, welcher einen ersten Teil K11 und einen zweiten Teil K12 und einen Mittelteil K1m umfasst, wobei die elektrische Leitung EL mit einem ersten Bereich EL1 den ersten Teil K11 umwindet und mit einem zweiten Bereich EL2 den zweiten Teil K12 umwindet. Der erste Bereich EL1 ist Teil der Zuleitung des Stroms (Hochvolt) zur Überträgerspule, hier der Primärspule L1 oder der Sekundärspule L2 im ersten oder zweiten Schwingkreis SK1 oder SK2. Der zweite Bereich EL2 ist Teil der Ableitung des Stroms von der Überträgerspule und der Strom in EL durchfließt den zweiten Bereich EL2 entgegenläufig zum ersten Bereich EL1, wodurch sich die in den E-Kern eingekoppelten Magnetfelder im Mittelteil K1m kompensieren, wodurch nahezu keine Spannung in der ersten Hilfsinduktivität LH1 im Mittelteil K1m induziert wird. Die beschriebene Anordnung des E-Kerns kann im ersten und/oder im zweiten Schwingkreis realisiert werden.
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Diese Anordnung erzielt vorteilhaft eine Magnetflusskompensation im Mittelteil des E-Kerns und eine symmetrische Induktivitätsverstellung in Zu- und Rückleitung (für leistungsarme, rückwirkungsfreie Verstellleistung).
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4 zeigt einen schematischen Verlauf einer Hysterese eines ersten Kerns.
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Es ist eine B-H-Kennlinie eines ersten (oder zweiten) Kerns, insbesondere eines Ferritkerns, für die magnetische Sättigung dessen Materials gezeigt. Je nach magnetischer Sättigung wird ein jeweiliger Arbeitspunkt des Kerns durch die Kennlinie definiert. Je nach Vorzeichen des Steuerstroms verschiebt sich die magnetische Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B, wobei eine Hysteresenform für H bei auftretender Magnetisierung auftritt. Gezeigt ist ein Arbeitspunkt AP1 im ursprünglichen Zustand (nahe dem Ursprungspunkt), bei ursprünglicher Induktivität der Hilfsinduktivität, und durch den Steuerstrom erzeugte höhere Magnetisierungen (Sättigungen), je nach Vorzeichen des Steuerstroms als Arbeitspunkt AP2 und AP3. Durch ein Erhöhen des Steuerstroms kann der Ferrit kontinuierlich auf seiner B-H-Kennlinie weg vom Arbeitspunkt AP1 zu den Sättigungspunkten AP2 oder AP2 treiben. Die daraus resultierenden Blindwiderstände der anpassbaren Induktivität ergeben XL=jωL bis XL = 0. Ein bereits geringer Steuerstrom bringt vorteilhaft den Ferrit in seine Sättigung, da die Feldstärke H proportional zum Strom und den aufgebrachten Wicklungen ist. Der Arbeitspunkt des Ferritmaterials verschiebt sich dabei in den waagerechten Ast der B-H-Kennlinie, wo der Ferrit seine induktiven Eigenschaften verliert. Je nach Vorzeichen kann der zweite Arbeitspunkt AP2 oder der dritte Arbeitspunkt AP3 erreicht (gewählt) werden (gemäß den Verfahrensschritten S1, S2).
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5 zeigt eine schematische Anordnung einer ersten und einer zweiten Hilfsinduktivität an einer elektrischen Leitung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Das System 1 der 5 entspricht im Wesentlichen der Anordnung der ersten Hilfsinduktivität LH1 und der zweiten Hilfsinduktivität LH2 aus der 1, wobei in der elektrischen Leitung EL durch eine Schaltereinrichtung SE am ersten Kondensator C1 dieser zum Schwingkreis zugeschaltet werden kann. Die den Steuerstrom IST anpassbaren Induktivitäten LH1 und LH2 können einen zusätzlichen Resonanzkondensator C1 zum Anpassen der Gesamtinduktivität und Resonanzfrequenz im Schwingkreis zugeschaltet bekommen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/144289 A3 [0003]
- JP 2011155733 A [0003]
