DE102018216916A1 - Device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik aufweist, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Primärspulenanordnung weist dabei mehrere Einzelspulen und Kapazitäten auf, die über eine oder mehrere Schalteinrichtungen der Primärspulenanordnung zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind. Die Primärkreise sind auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und umfassen jeweils eine der Einzelspulen oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen. Die vorgeschlagene Einrichtung ermöglicht es, unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, wobei Ladeleistung sowie Strom- und Spannungspegel dabei im Betriebspunkt gleich bleiben.The present invention relates to a device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement. The primary coil arrangement has a plurality of individual coils and capacitances which can be connected to different primary circuits via one or more switching devices of the primary coil arrangement. The primary circuits are tuned to the same resonance frequency and each include one of the individual coils or a series connection of several of the individual coils. The proposed device enables different types of vehicles with different ground clearances to be supplied inductively with energy, the charging power and current and voltage levels remaining the same at the operating point.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik aufweist, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung.The present invention relates to a device for contactless inductive energy transmission, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and which is designed for energy transmission via the primary coil arrangement. The invention also relates to a method for contactless inductive energy transmission with the proposed device.
Die induktive Energieübertragung stellt eine kontaktlose Übertragungstechnik dar, die bspw. zum Laden des Akkumulators eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden kann. Dabei befinden sich die Primärspule im Boden eines Stellplatzes und die Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs. Ein Problem dieser kontaktlosen Energieübertragung, speziell im Kraftfahrzeugbereich, sind unterschiedliche Abstände der Spulen aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugklassen. Dies führt in erster Linie zu unterschiedlichen Koppelfaktoren und dementsprechend unterschiedlichem Betriebsverhalten. Die SAE Norm J2954 spezifiziert drei unterschiedliche z-Klassen im Abstand von 100mm bis 250mm.Inductive energy transmission is a contactless transmission technology that can be used, for example, to charge the battery of an electric vehicle. The primary coil is in the floor of a parking space and the secondary coil is on the underbody of the vehicle. One problem with this contactless energy transmission, especially in the motor vehicle sector, is the different distances between the coils due to different vehicle classes. This leads primarily to different coupling factors and accordingly different operating behavior. The SAE standard J2954 specifies three different z-classes at a distance of 100mm to 250mm.
Stand der TechnikState of the art
Bisherige Systeme zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung sind für einen bestimmten Koppelfaktor der Spule ausgelegt. Da sich der Koppelfaktor mit einer Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule verkleinert oder vergrößert, führt dies zu Abweichungen im Betriebspunkt. Abweichungen bedeuten, dass die Ladeleistung schwankt und Spannungspegel bzw. Stromstärke sich ändern. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden, so dass die Ladeeinrichtung abgeschaltet werden muss.Previous systems for contactless inductive energy transmission are designed for a specific coupling factor of the coil. Since the coupling factor decreases or increases with a change in the distance between the primary coil and the secondary coil, this leads to deviations in the operating point. Deviations mean that the charging power fluctuates and the voltage level or current change. If the deviations from the intended operating point become too large, the operational safety can be impaired, so that the charging device must be switched off.
Zur Vermeidung dieser Problematik im Bereich der Kraftfahrzeuge ist es bekannt, den Primär- und den Sekundärkreis geeignet zu regeln. So kann bei geändertem Koppelfaktor bspw. die Eingangsspannung angepasst werden oder auch die Ausgangsspannung. Nachteilig dabei ist, dass bei diesen Methoden entweder die Ladeleistung, die Effizienz oder die Spannung nicht konstant bleiben und außerdem eine zusätzliche Regelung im System benötigt wird.To avoid this problem in the field of motor vehicles, it is known to suitably regulate the primary and secondary circuits. If the coupling factor is changed, for example, the input voltage or the output voltage can be adjusted. The disadvantage here is that with these methods either the charging power, the efficiency or the voltage do not remain constant and that additional control in the system is also required.
Eine weitere bekannte Technik zur Vermeidung der obigen Problematik besteht darin, den unterschiedlichen Abstand durch eine mechanisch bewegliche Primärseite auszugleichen. Die Primärspule wird hierbei mit Hilfe eines Aktors entsprechend angehoben oder abgesenkt. Damit ist die gleiche Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln möglich. Ein Nachteil besteht hierbei jedoch in der dafür benötigten Mechanik, die regelmäßig gewartet werden muss.Another known technique for avoiding the above problem is to compensate for the different distance by means of a mechanically movable primary side. The primary coil is raised or lowered accordingly using an actuator. This means that the same charging power is possible with the same amperage and voltage levels. A disadvantage here, however, is the mechanics required for this, which must be maintained regularly.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung anzugeben, die ohne mechanisch bewegliche Teile eine konstante Ladeleistung und konstante Spannungspegel auch bei vorgegebenen unterschiedlichen Abständen zwischen Primär- und Sekundärspule ermöglicht.The object of the present invention is to provide a device for contactless inductive energy transmission which enables a constant charging power and constant voltage level without mechanically moving parts, even with predetermined different distances between the primary and secondary coils.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Patentanspruch 8 gibt ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung an.The object is achieved with the device for contactless inductive energy transmission according to
Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungselektronik auf, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist, die sie also mit einer geeigneten Wechselspannung versorgt. Die Leistungselektronik kann dabei in bekannter Weise eine Gleichspannungsquelle und einen Wechselrichter aufweisen. Die vorgeschlagene Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Primärspulenanordnung eine oder mehrere Schalteinrichtungen sowie mehrere Einzelspulen und Kapazitäten aufweist, die über die eine oder mehreren Schalteinrichtungen zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind. Diese Primärkreise umfassen jeweils nur eine oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen und sind jeweils auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt.The proposed device has a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement, which is designed for the energy transmission via the primary coil arrangement, which therefore supplies it with a suitable AC voltage. The power electronics can have a DC voltage source and an inverter in a known manner. The proposed device is characterized in that the primary coil arrangement has one or more switching devices and several individual coils and capacitances which can be connected to different primary circuits via the one or more switching devices. These primary circuits each comprise only one or a series connection of several of the individual coils and are each tuned to the same resonance frequency.
In der Primärspulenanordnung der vorgeschlagenen Einrichtung lassen sich somit unterschiedliche Kombinationen von Einzelspulen zu Primärkreisen verschalten, so dass die unterschiedlichen Primärkreise unterschiedliche Induktivitäten aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung der Einzelspulen und Kondensatoren wird somit ermöglicht, mit nur einer primärseitigen Leistungselektronik und der Primärspulenanordnung unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen (z-Klassen) kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, indem jeweils auf die passende Kombination von Einzelspulen umgeschaltet wird. Ladeleistung sowie Strom- und Spannungspegel bleiben dabei im Betriebspunkt gleich. Dies setzt lediglich voraus, dass die Induktivitäten der Sekundärspulen in den jeweiligen Fahrzeugklassen und die Induktivitäten der unterschiedlichen Primärkreise auf die unterschiedlichen Abstände bzw. Koppelfaktoren abgestimmt sind, wie dies im Folgenden noch näher ausgeführt wird.In the primary coil arrangement of the proposed device, different combinations of individual coils can thus be connected to primary circuits, so that the different primary circuits have different inductances. Appropriate dimensioning of the individual coils and capacitors makes it possible to supply various types of vehicles with different ground clearances (z-classes) contactlessly and inductively with only one power electronics and the primary coil arrangement by switching to the appropriate combination of individual coils. Charging power as well as current and voltage levels remain the same at the operating point. This only presupposes that the inductances of the secondary coils in the respective vehicle classes and the inductances of the different primary circuits are matched to the different distances or coupling factors, as will be explained in more detail below.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung weist die Primärspulenanordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule mit unterschiedlichen Induktivitäten auf. Ein erster der unterschiedlichen Primärkreise umfasst dabei nur die erste Einzelspule, der zweite Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und der dritte Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule. Dies wird durch geeignete Verschaltung mit Hilfe der Schalteinrichtungen erreicht. Auf diese Weise kann zwischen drei Primärkreisen umgeschaltet werden, die jeweils eine unterschiedliche Induktivität aufweisen. Durch die Reihenschaltung mehrerer Einzelspulen können hohe Induktivitäten erzeugt werden, ohne hierfür entsprechend große Einzelspulen einsetzen zu müssen.In an advantageous embodiment of the proposed device, the primary coil arrangement has at least a first, a second and a third individual coil with different inductances. A first of the different primary circuits comprises only the first individual coil, the second primary circuit comprises a series connection of first and second individual coils, and the third primary circuit comprises a series connection of first, second and third individual coils. This is achieved by suitable interconnection with the help of the switching devices. In this way it is possible to switch between three primary circuits, each of which has a different inductance. By connecting several individual coils in series, high inductivities can be generated without having to use large individual coils.
Bei dem Betrieb der vorgeschlagenen Einrichtung zur induktiven Energieübertragung auf Sekundärkreise in Kraftfahrzeugen müssen unterschiedliche Sekundärspulen in Fahrzeugen unterschiedlicher Fahrzeugklassen verbaut werden. Jeder der Primärkreise der vorgeschlagenen Einrichtung ist dabei so dimensioniert, dass er einen gewissen Koppelfaktor abdeckt, so dass je nach Fahrzeug bzw. Fahrzeugklasse dann die entsprechende primärseitige Spulenkombination bzw. der entsprechende Primärkreis geschaltet wird.When operating the proposed device for inductive energy transmission to secondary circuits in motor vehicles, different secondary coils must be installed in vehicles of different vehicle classes. Each of the primary circuits of the proposed device is dimensioned such that it covers a certain coupling factor, so that the corresponding primary-side coil combination or the corresponding primary circuit is then switched depending on the vehicle or vehicle class.
Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung bzw. des zugehörigen Verfahrens lässt sich anhand der folgenden Gleichung zeigen. Die Gleichungen für Ausgangsleistung
Es ist aus den Gleichungen ersichtlich, dass
Auf diese Weise wird erreicht, dass bspw. für drei unterschiedliche Abstände bzw. Fahrzeugklassen und damit drei unterschiedliche Koppelfaktoren jeweils durch entsprechendes Umschalten der Primärspulenanordnung die Ausgangsleistung, der charakteristische Widerstand und die Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben. Dies ermöglicht eine gleiche Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln für alle drei Fahrzeugklassen mit der vorgeschlagenen Einrichtung, die ohne mechanisch bewegliche Teile oder entsprechende Regelungen der Primär- und Sekundärelektronik auskommt.In this way it is achieved that, for example, for three different distances or vehicle classes and therefore three different coupling factors, the output power, the characteristic resistance and the voltage transfer function remain constant by appropriately switching the primary coil arrangement. This enables the same charging power at the same current strength and voltage levels for all three vehicle classes with the proposed device, which does not require any mechanically moving parts or corresponding regulations of the primary and secondary electronics.
Die unterschiedlichen Primärkreise und der jeweilige Sekundärkreis können entweder seriell oder parallel kompensiert sein. Bei serieller Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis seriell kompensiert sein. Bei paralleler Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis parallel kompensiert sein. Im Falle einer beidseitigen parallelen Kompensation erbeben sich aus den dann gegebenen Gleichungen für
Bei einer seriellen Kompensation der Primärkreise ergibt sich zudem der Vorteil, dass zu jeder der Einzelspulen eine geeignete Kapazität in Reihe verschaltet werden kann, so dass bei einer Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen zwischen den Einzelspulen jeweils wenigstens eine Kapazität liegt. Eine derartige Aufteilung der Kapazitäten über die Primärspulenanordnung ist vorteilhaft, um hohe Blindspannungen, gerade bei kleinen Koppelfaktoren, also einem großen Abstand und großer Induktivität, über die gesamte Spulenanordnung zu verteilen. Die Anschlussenden der in Reihe geschalteten Spulenanordnung weisen somit nicht die gesamte Blindspannung auf, die mehrere kV betragen kann.Serial compensation of the primary circuits also has the advantage that each of the A suitable capacitance can be connected in series to individual coils, so that when a number of the individual coils are connected in series, at least one capacitance lies between the individual coils. Such a division of the capacities over the primary coil arrangement is advantageous in order to distribute high reactive voltages over the entire coil arrangement, especially with small coupling factors, that is to say a large distance and large inductance. The connection ends of the coil arrangement connected in series therefore do not have the total reactive voltage, which can be several kV.
Die Einzelspulen der Primärspulenanordnung sind vorzugsweise übereinander angeordnet, um möglichst große Koppelfaktoren zwischen diesen Einzelspulen zu erreichen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um flach gewickelte Spulen. Bei dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spulendinduktivität einfließt. Damit lassen sich mit Spulen kleinerer Windungszahl und damit geringerem Materialverbrauch höhere Induktivitäten erzielen.The individual coils of the primary coil arrangement are preferably arranged one above the other in order to achieve the greatest possible coupling factors between these individual coils. These are preferably coils wound flat. This arrangement takes advantage of the fact that the number of turns flows squarely into the coil inductance with a high internal coupling. This enables higher inductances to be achieved with coils with a smaller number of turns and thus with a lower material consumption.
Die vorgeschlagene Einrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich vor allem für die kontaktlose Energieübertragung im Bereich der Kraftfahrzeuge. Die Einrichtung und das Verfahren lassen sich jedoch auch für die Energieübertragung auf andere Objekte einsetzen, bei denen eine ähnliche Problematik unterschiedlicher Abstände oder Koppelfaktoren vorliegt.The proposed device and the associated method are particularly suitable for contactless energy transmission in the field of motor vehicles. However, the device and the method can also be used for the energy transfer to other objects in which there are similar problems of different distances or coupling factors.
FigurenlisteFigure list
Die vorgeschlagene Einrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Beispiel für die Verhältnisse bei der Energieübertragung für drei unterschiedliche Koppelfaktoren gemäß dem Stand der Technik; -
2 ein Schaltbild einer Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung der Primärspulenanordnung und der Sekundärspule bei einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; -
4 eine Draufsicht auf diePrimärspulenanordnung der 3 sowie eine Darstellung der Einzelspulen dieser Primärspulenanordnung; und -
5 ein Schaltbild einer weiteren Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
1 an example of the relationships in energy transmission for three different coupling factors according to the prior art; -
2nd a circuit diagram of a device for contactless inductive energy transmission according to the present invention; -
3rd is a schematic representation of the primary coil arrangement and the secondary coil in a device according to the present invention; -
4th a plan view of the primary coil arrangement of the3rd and a representation of the individual coils of this primary coil arrangement; and -
5 a circuit diagram of another device for contactless inductive energy transmission according to the present invention.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Bei bisherigen Systemen, die lediglich für einen bestimmten Koppelfaktor der Spulen ausgelegt sind, ergeben sich durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule Abweichungen vom Betriebspunkt, die zu einer Änderung der Ladeleistung sowie der Spannungspegel bzw. Stromstärke führen.
Bei der vorgeschlagenen Einrichtung werden größere Abweichungen vom Betriebspunkt bei unterschiedlichen Koppelfaktoren vermieden, indem zwischen den einzelnen Primärkreisen geschaltet wird.
Die Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandsklassen und den Primärkreisen, die in der Einrichtung geschaltet werden können, erfolgt mit dem bereits weiter oben angeführten Gleichungssystem derart, dass für die unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandklassen Ausgangsleistung, charakteristischer Widerstand und Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben.The coordination between the different vehicle classes or distance classes and the primary circuits that can be switched in the device takes place with the system of equations already mentioned above in such a way that the output power, characteristic resistance and voltage transfer function remain constant for the different vehicle classes or distance classes.
Bei einem hohen Koppelfaktor, d.h. niedrigem Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden muss die primärseitige Induktivität klein sein. Die Spulen
Die Resonanzfrequenzen beider Systeme, d. h. Primärseite und Sekundärseite, bleiben dabei konstant auf den bspw. momentan typischen 85 kHz oder 140 kHz. Dies wird erreicht, indem jede Einzelspule derart mit einer passenden Kapazität kompensiert wird, dass sich in Summe die gleiche Resonanzfrequenz einstellt. Der Zusammenhang ist bei beidseitig serieller Kompensation invers proportional. Erhöht sich daher die Induktivität durch eine Reihenschaltung, so muss die Kapazität verringert werden. Dies funktioniert vorteilhaft bei einer seriellen Kompensation ebenso durch eine Reihenschaltung der Kondensatoren. In Summe bleibt dann die Resonanzfrequenz konstant.The resonance frequencies of both systems, i. H. The primary side and secondary side remain constant at the 85 kHz or 140 kHz, for example, which are currently typical. This is achieved by compensating each individual coil with a suitable capacitance in such a way that the same resonance frequency is obtained in total. The relationship is inversely proportional with serial compensation on both sides. If the inductance is increased by a series connection, the capacitance must be reduced. With serial compensation, this also works advantageously by connecting the capacitors in series. The total resonance frequency then remains constant.
Da die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spuleninduktivität einfließt (L = magnetischer Leitwert x Windungszahl2), sind die nicht beschalteten Einzelspulen der Primärseite (
Bei der Auslegung der Primärspulenanordnung wird dabei vorzugsweise darauf geachtet, dass die primärseitigen Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung untereinander aufweisen. Dies wird durch eine Anordnung der Einzelspulen übereinander erreicht, wie dies schematisch in
Bei einer beispielhaften Dimensionierung der Einrichtung gemäß
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