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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts. Die vorliegende Offenbarung betrifft außerdem ein drahtloses Ladegerätsystem und ein drahtloses Energieübertragungssystem. Das drahtlose Ladegerät ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Batterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu laden.
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STAND DER TECHNIK
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Die drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) für Elektrofahrzeuge ist ein kontaktloses induktives Energieübertragungssystem. Gegenwärtig arbeiten solche Systeme mit einem Grundfrequenzbereich zwischen 79 kHz und 90 kHz gemäß der Spezifikation internationaler Normungsorganisationen. Das bei der drahtlosen Energieübertragung erzeugte Magnetfeld hat eine Streufeldkomponente, die in einen Umgebungsbereich ausstrahlt und eine potenzielle Quelle von Funkstörung ist.
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Der elektrische Strom, der das Magnetfeld erzeugt, ist selbst keine perfekte Sinuswelle und enthält von daher Harmonische der Grundfrequenz. Diese Harmonischen fallen direkt in die Langwellen- und Mittelwellenbänder, die von zugelassenen Sendeanlagen genutzt werden, was für Funknutzer und die Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunications Union, ITU) Anlass zu großer Besorgnis ist, die befürchten, dass Funkdienste erheblich gestört werden, wenn drahtlose Ladegeräte in der Nähe von Funkempfängern in Betrieb sind.
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Zur Lösung dieses Problems offenbart
US 2015/0145341 A1 eine Formung des Magnetfelds unter Verwendung magnetischer Topologien, welche die Streufeldabstrahlungen verringern.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts bereitzustellen, die eine Reduzierung eines abgestrahlten magnetischen Streufelds des drahtlosen Ladegeräts ermöglichen und/oder einen verbesserten Wirkungsgrad des drahtlosen Ladegeräts ermöglichen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein drahtloses Ladegerätsystem mit einer verringerten Abstrahlung eines magnetischen Streufelds und einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein drahtloses Energieübertragungssystem mit einer verringerten Abstrahlung eines magnetischen Streufelds und einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts gemäß den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben werden auch durch ein drahtloses Ladegerätsystem gemäß den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruchs 8 gelöst.
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Eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben werden auch durch ein drahtloses Energieübertragungssystem gemäß den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruchs 13 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
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In einem ersten und einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts dargelegt. Das drahtlose Ladegerät umfasst eine mehrstufige Wandleranordnung mit einem ersten Wandler und mindestens einem weiteren Wandler. Jeder Wandler ist dazu eingerichtet, einen jeweiligen Steuersignalvektor zu empfangen und an seinen Ausgangsanschlüssen ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Ausgangssignal bereitzustellen, das von dem empfangenen Steuersignalvektor abhängt. Des Weiteren umfasst das drahtlose Ladegerät einen Energiequellenresonator zur drahtlosen Übertragung von Energie an einen Energieaufnahmeresonator. Die mehrstufige Wandleranordnung ist dazu eingerichtet, eine Versorgungsenergie für den Energiequellenresonator bereitzustellen. Ein Satz Parameterdatensätze wird bereitgestellt und die Parameterdatensätze werden den einzelnen Wandlern zugeordnet. Für jeden Wandler wird ein Steuersignalvektor in Abhängigkeit von dem zugeordneten Parameterdatensatz generiert und bereitgestellt, sodass die mehrstufige Wandleranordnung dem Energiequellenresonator die Versorgungsenergie mit einer gewünschten Signalwellenform zuführt. Der Satz Parameterdatensätze hängt von der gewünschten Signalwellenform der mehrstufigen Wandleranordnung ab. Jeder Parameterdatensatz definiert einen Tastgrad und/oder einen Phasenverschiebungswinkel eines Wandlerausgangssignals des zugeordneten Wandlers und die Tastgrade und/oder Phasenverschiebungswinkel von mindestens zwei Parameterdatensätzen sind verschieden.
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Vorteilhafterweise hat die Ausgangsspannung der mehrstufigen Wandleranordnung, d.h. die Ansteuerspannung der Energiequelle zum drahtlosen Laden, mehrere Pegel und nimmt eine Form an, die sinusförmiger ist, was dazu führt, dass die Wellengenauigkeit verbessert ist und der Oberwellenanteil verringert ist. Die Fformung des Ausgangs der mehrstufigen Wandleranordnung führt zu einer Stromwellenform in den Drahtlos-Ladespulen, die sehr nahe daran ist, eine Sinuswelle zu sein, wodurch die Streufelder bei harmonischen Frequenzen reduziert und in der Folge eine Funkfrequenzstörung verringert oder beseitigt wird. Darüber hinaus werden nicht nur die Streufeld-Harmonischen reduziert, sondern es kann auch eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads erzielt werden, sehr wahrscheinlich aufgrund einer Verringerung der Kupfer- und Eisenverluste, die durch höherfrequente Harmonische bewirkt werden, die eliminiert wurden. Die Parameterdatensätze der Wandler können derart gewählt oder festgelegt werden, dass ein Ausgangssignal des ersten Wandlers und ein Ausgangssignal des mindestens einen weiteren Wandlers einen jeweiligen Phasenwinkel dergestalt umfassen, dass ausgewählte Harmonische und/oder eine Gesamtverzerrung minimal sind.
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Gemäß Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts variiert die Zuordnung der Parameterdatensätze zu den Wandlern über die Zeit. Vorteilhafterweise ermöglicht dies einen Verlustausgleich. Es kann eine gleichmäßige Verteilung der Verluste in den Wandlern erreicht werden.
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Gemäß Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts ändert sich bei einem mehrstufigen Wandler mit mehr als drei Stufen die Zuordnung der Parameterdatensätze nach jedem Pulsweitenmodulationszyklus.
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Gemäß Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts umfasst mindestens ein Wandler eine Schalteinheit mit zwei Halbbrückenmodulen und definiert jeder Parameterdatensatz einen Tastgrad für die jeweiligen Halbbrückenmodule des Wandlers, wobei die Tastgrade der Halbbrückenmodule verschieden sind. Alternativ oder zusätzlich definiert jeder Parameterdatensatz einen Phasenverschiebungswinkel für die jeweiligen Halbbrückenmodule des Wandlers, wobei die Phasenverschiebungswinkel der Halbbrückenmodule verschieden sind. Das allgemeine Verfahren zur phasenverschobenen Pulsweitenmodulation für N-stufige Resonanzwandler ist imstande, die Harmonischen durch Steuern einer Anzahl M=(N-1)/2 von beispielsweise Brückenwandlern zu optimieren, die beispielsweise von einem einzigen Leistungsfaktorkorrekturwandler (Abwärts-Aufwärts-Wandler) gespeist werden und beispielsweise durch einen Trenntransformator bzw. Trenntransformatoren entkoppelt sind.
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Gemäß Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts wird eine Schaltfrequenz der Wandler derart gesteuert, dass die Ausgangsspannung des mehrstufigen Wandlers eine Grundfrequenz zwischen 79 kHz und 90 kHz umfasst, entsprechend der der Drahtlos-Ladestrom eine Grundfrequenz zwischen 79kHz und 90kHz hat, was der bevorzugte Frequenzbereich bei der drahtlosen Energieübertragung für Elektrofahrzeuge ist.
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Gemäß Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts werden die Parameterdatensätze der Wandler auf der Grundlage einer Fourierreihen-Optimierung mit Minimierung ausgewählter Harmonischer und/oder Minimierung der Gesamtverzerrung als Optimierungskriterium gewählt oder festgelegt. Die Parameterdatensätze der Wandler werden derart gewählt oder festgelegt, dass ein Ausgangssignal des ersten Wandlers und ein Ausgangssignal des mindestens einen weiteren Wandlers einen jeweiligen Phasenwinkel dergestalt umfassen, dass ausgewählte Harmonische und/oder eine Gesamtverzerrung minimal sind.
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In einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein drahtloses Ladegerätsystem dargelegt. Das drahtlose Ladegerätsystem umfasst eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt oder eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Das drahtlose Ladegerätsystem umfasst ferner ein drahtloses Ladegerät, das eine mehrstufige Wandleranordnung mit einem ersten Wandler und mindestens einem weiteren Wandler umfasst, wobei jeder Wandler dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen Steuersignalvektor zu empfangen und an seinen Ausgangsanschlüssen ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Ausgangssignal bereitzustellen, das von dem empfangenen Steuersignalvektor abhängt. Des Weiteren umfasst das drahtlose Ladegerät einen Energiequellenresonator zur drahtlosen Übertragung von Energie an einen Energieaufnahmeresonator.
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Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts umfasst die mehrstufige Wandleranordnung N Stufen und M Wandler, wobei N eine positive Ganzzahl größer oder gleich 3 ist und M gleich (N-1)/2 ist. Gegenüber einer herkömmlichen dreistufigen Modulation ermöglichen mehr Freiheitsgrade bei einer fünfstufigen oder sogar höherstufigen Modulation eine Verringerung der Verzerrung der Spannung und des Stroms am Ausgang des Wandlers. Demzufolge können die 3. Harmonische, die 5. Harmonische und/oder die 9. Harmonische jeweils im elektromagnetischen Feld verringert werden.
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Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts umfasst die mehrstufige Wandleranordnung K Trenntransformatoren, wobei K gleich M-1 ist. Das Vorhandensein von Trenntransformatoren macht es möglich, dass kein Schaltfehler zwischen den in Reihe geschalteten Zellen auftritt, und verbessert außerdem das EMV-Verhalten des gesamten WPT-Systems.
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Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts sind die Trenntransformatoren zwischen der mehrstufigen Wandleranordnung und dem Energiequellenresonator angeordnet.
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Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspekts umfasst das drahtlose Ladegerät ein Leistungsfaktorkorrekturmodul, das dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Wandler mit einer Gleichspannung zu versorgen. Vorteilhafterweise wird eine Leistungsfaktorkorrektur aufrechterhalten. Das Leistungsfaktorkorrekturmodul hat zwei Funktionen, nämlich erstens den Netzstrom so zu formen, dass der Leistungsfaktor nahe Eins ist, und zweitens einen stabilen Gleichspannungseingang für den Wandler bereitzustellen.
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In einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein drahtloses Energieübertragungssystem dargelegt. Das drahtlose Energieübertragungssystem umfasst ein drahtloses Ladegerätsystem gemäß dem dritten Aspekt oder eine vorteilhafte Ausführungsform des drahtlosen Ladegerätsystems gemäß dem dritten Aspekt. Des Weiteren umfasst das drahtlose Energieübertragungssystem einen Energieaufnahmeresonator sowie einen Gleichrichter. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, mit einer Last gekoppelt zu werden.
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Figurenliste
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Es versteht sich, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft sind und einen Überblick oder Rahmen für das Verständnis der Art und des Wesens der Ansprüche bereitstellen sollen. Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein weiteres Verständnis zu vermitteln, und sie sind in diese Beschreibung aufgenommen und bilden einen Bestandteil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien und Wirkungsweise der verschiedenen Ausführungsformen. Die gleichen Elemente in den verschiedenen Figuren der Zeichnungen werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht, sondern dazu konzipiert, die Offenbarung klar zu veranschaulichen.
- 1 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines drahtlosen Ladegeräts,
- 2 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteinheit,
- 3 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreistufigen Wandlers mit seinen Steuersignalen,
- 4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschaubild für ein Programm zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts,
- 5a bis 5c zeigen beispielhafte Verlaufsgraphen eines Ausgangssignals der mehrstufigen Wandleranordnung und ihres ersten Wandlers und eines zweiten Wandlers,
- 6 zeigt beispielhafte Verlaufsgraphen von Schaltimpulsen, die an Schalter des ersten Wandlers und des zweiten Wandlers angelegt werden, und
- 7a bis 7c zeigen beispielhafte Verlaufsgraphen von Spannungsausgang und Stromausgang von jeweiligen mehrstufigen Wandleranordnungen sowie die entsprechende Spektralanalyse.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Offenbarung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung darstellen, detaillierter beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet werden und darf nicht als auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Diese Ausführungsformen werden vielmehr bereitgestellt, damit die Offenbarung dem Fachmann den Umfang dieser Offenbarung vollständig vermittelt. Während nachstehend Merkmale der vorliegenden Offenbarung möglicherweise in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Figuren erläutert werden, können alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eines oder mehrere der hier erläuterten vorteilhaften Merkmale umfassen. Während also eine oder mehrere Ausführungsformen erläutert werden, insofern sie bestimmte vorteilhafte Merkmale aufweisen, können eines oder mehrere dieser Merkmale auch in Übereinstimmung mit den verschiedenen Ausführungsformen der hier erläuterten Offenbarung verwendet werden. Gleichermaßen versteht es sich, dass zwar nachstehend beispielhafte Ausführungsformen als Geräte-, System- oder Verfahrensausführungsformen erläutert werden, dass diese beispielhaften Ausführungsformen aber in verschiedenen Geräten, Systemen und Verfahren implementiert sein können.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines drahtlosen Energieübertragungssystems. Das drahtlose Energieübertragungssystem umfasst eine mehrstufige Wandleranordnung, einen Drahtlos-Energieübertragungs- (WPT) - Schwingkreis, einen Gleichrichter und eine Last sowie eine Steuereinheit (nicht dargestellt in 1). Der WPT-Schwingkreis RES umfasst einen Energiequellenresonator und einen Energieaufnahmeresonator. Die drahtlose mehrstufige Wandleranordnung und der Energiequellenresonator sind Teil eines drahtlosen Ladegeräts. Der Energieaufnahmeresonator, der Gleichrichter und die Last sind vorzugsweise in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet. Das drahtlose Ladegerät ist vorzugsweise ortsfest angeordnet.
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In einer optionalen Ausführungsform umfasst das drahtlose Ladegerät ein ein- und/oder dreiphasiges Leistungsfaktorkorrekturmodul, das dazu eingerichtet ist, die Wandler der mehrstufigen Wandleranordnung mit einer Gleichspannung zu versorgen. Das Leistungsfaktorkorrekturmodul ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Netzstrom so zu formen, dass der Leistungsfaktor nahe Eins ist, und einen stabilen Gleichspannungseingang für die Wandler bereitzustellen. Statt des Ausdrucks „Netzstrom“ kann auch der Ausdruck „Phasenstrom“ verwendet werden. In einem einphasigen Netz oder einem dreiphasigen Netz mit Sternschaltung sind der Netzstrom und ein Strangstrom gleich.
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Die mehrstufige Wandleranordnung ist dazu eingerichtet, eine Ausgangsspannung Vcon bereitzustellen, die dazu verwendet wird, den Drahtlos-Energieübertragungs- (WPT) -Schwingkreis mit Energie zu versorgen.
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Die mehrstufige Wandleranordnung umfasst Ausgangsanschlüsse OUT1, OUT2, die geeignet sind, eine Ausgangswechselspannung Vcon bereitzustellen, sowie eine Vielzahl von mindestens zwei Wandlern. Im vorliegenden Beispiel umfasst die mehrstufige Wandleranordnung drei Wandler C1, C2, Cn. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Wandlern, die größer als eins ist, bereitgestellt werden kann.
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Jeder der Wandler C1, C2, Cn ist geeignet, eine Ausgangsspannung V1, V2, Vn zu erzeugen, die einen von drei verschiedenen Spannungspegeln annehmen kann. Unter der Annahme, dass die Wandlerstufen C1 bis Cn gleiche Eingangsspannungen erhalten, sind diese drei verschiedenen Spannungspegel +V', -V' oder 0 (Null).
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Allgemein kann eine mehrstufige Wandleranordnung mit einer Anzahl von n Wandlern 2n+1 verschiedene Spannungspegel der Ausgangsspannung Vcon erzeugen, wobei diese verschiedenen Spannungspegel von -n·V' über 0 (Null) bis +n·V' reichen.
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Jeder Wandler umfasst einen ersten Wandler-Eingangsanschluss und einen zweiten Wandler-Eingangsanschluss sowie einen ersten Wandler-Ausgangsanschluss P1, P2, Pn und einen zweiten Wandler-Ausgangsanschluss Q1, Q2, Qn. Darüber hinaus umfasst jeder Wandler eine Schalteinheit B1, B2, Bn.
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Die jeweiligen Schalteinheiten B1, B2, Bn sind zwischen den jeweiligen Wandler-Eingangsanschlüssen und den jeweiligen Wandler-Ausgangsanschlüssen P1, Q1, P2, Q2, Pn, Qn angeordnet.
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2 zeigt ein Beispiel einer solchen Schalteinheit B1, B2, Bn. Die jeweiligen Schalteinheiten B1, B2, Bn umfassen beispielsweise vier Schalter SW1, SW2, SW3, SW4, die eine H-Brücke bilden, die zwischen die Eingangsanschlüsse Pi', Qi' und die Ausgangsanschlüsse Pi, Qi geschaltet ist, wobei i=1, 2, ..., n und n die Anzahl der Wandler der mehrstufigen Wandleranordnung ist.
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Die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 sind beispielsweise als Halbleiterschalter ausgeführt, wie etwa als Bipolar- oder Feldeffekttransistoren.
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3 zeigt eine mehrstufige Wandleranordnung MLC mit 3 Wandlern C1, C2, Cn mit ihren Steuersignalvektoren v_S1, v_S2, v_Sn.
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Für die Steuerung der Schalteinheiten B1, B2, Bn ist jede Schalteinheit B1, B2, Bn dazu eingerichtet, jeweilige Steuersignale zu empfangen. Insbesondere ist jede Schalteinheit B1, B2, Bn dazu eingerichtet, eine Gruppe oder einen Vektor von Steuersignalen zu empfangen. Vorzugsweise umfasst ein derartiger Steuersignalvektor v_S1,v_S2, v_Sn vier Steuersignale, beispielsweise v_Si=(Si1, Si2, Si3, Si4), wie in 2 dargestellt.
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Wie in 3 dargestellt, ist jeder Wandler C1, C2, Cn dazu eingerichtet, eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung V1, V2, Vn an seinen Ausgangsanschlüssen P1, Q1, P2, Q2, Pn, Qn bereitzustellen, wobei ein Tastgrad von jeder dieser Ausgangsspannungen V1, V2, Vn von dem empfangenen Steuersignalvektor v_S1,v_S2, v_Sn abhängt.
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Die mehrstufige Wandleranordnung MLC ist dazu eingerichtet, die Ausgangsspannung Vcon bereitzustellen, welche die Summe der pulsweitenmodulierten Ausgangsspannungen V1, V2, Vn der Wandler C1, C2, Cn ist.
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Hierzu hat einer der Wandler C1, C2, Cn, wie etwa die erste Wandlerstufe C1 einen ersten Ausgangsanschluss P1, der mit dem ersten Ausgangsanschluss OUT1 verbunden ist; einer der Wandler C1, C2, Cn, wie etwa die dritte Wandlerstufe Cn, hat einen zweiten Ausgangsanschluss Qn, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss OUT2 verbunden ist; und bei den anderen Wandlerstufen, wie etwa dem zweiten Wandler C2, sind ihre ersten Ausgangsanschlüsse P2, Pn mit den zweiten Ausgangsanschlüssen Q1, Qn-1 eines anderen Wandlers verbunden.
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Die Steuersignale der Steuersignalvektoren v_S1,v_S2, v_Sn werden von der Steuereinheit bereitgestellt, die auch als Vorrichtung zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts bezeichnet werden kann. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Steuersignale der Steuersignalvektoren v_S1, v_S2, v_Sn beispielsweise derart zu erzeugen, dass die Ausgangsspannung Vcon eine oszillierende Spannung ist. Die Ausgangsspannung Vcon ist die Summe der einzelnen Ausgangsspannungen V1, V2, Vn der einzelnen Wandler C1, C2, Cn.
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Durch Wahl einer geeigneten zeitlichen Abfolge der einzelnen Spannungspegel der verschiedenen Wandler C1, C2, Cn kann die Ausgangsspannung Vcon der mehrstufigen Wandleranordnung ein zeitkontinuierliches Signal, insbesondere ein kontinuierliches oszillierendes Signal, wie etwa ein Signal mit einer Sinus-Wellenform, annähern.
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4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschaubild für ein Programm zum Betreiben eines drahtlosen Ladegeräts, Das Programm kann von der Steuereinheit ausgeführt werden.
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In einem Schritt S10 wird das Programm gestartet. Während des Programmstarts können Variablen und/oder Objekte initialisiert werden.
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In einem Schritt S30 wird ein Satz Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn bereitgestellt, wobei der Satz Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn von einer gewünschten Ausgangsspannungswellenform der mehrstufigen Wandleranordnung MLC abhängt.
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Jeder Parameterdatensatz HB1, HB2, HBn definiert einen Tastgrad und/oder einen Phasenverschiebungswinkel δ eines Wandlerausgangssignals V1, V2, Vn und die Tastgrade und/oder Phasenverschiebungswinkel δ von mindestens zwei Parameterdatensätzen HB1, HB2, HBn sind verschieden.
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In der in 5a dargestellten Ausführungsform ist die anzunähernde Ausgangsspannung Vcon der mehrstufigen Wandleranordnung MLC eine sinusförmige Spannung. Eine sinusförmige Spannung hat zwei Halbperioden: eine positive Halbperiode und eine negative Halbperiode haben jeweils eine Zeitdauer T/2. Vorzugsweise ist ein Pulsweitenmodulationstastgrad gleich der Periodenlänge der anzunähernden periodischen Spannung.
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In der Ausführungsform der 5a bis 5c werden zwei Wandler verwendet, um die Ausgangsspannung Vcon der mehrstufigen Wandleranordnung MLC bereitzustellen.
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5b zeigt einen beispielhaften Verlaufsgraphen der Ausgangsspannung V1 eines ersten Wandlers C1 und 5c zeigt einen beispielhaften Verlaufsgraphen der Ausgangsspannung V2 eines zweiten Wandlers C2.
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Die sinusförmige Signalwellenform wird durch Überlagern der Ausgangsspannungen V1-Vn der einzelnen Wandler C1, C2, Cn erhalten, beispielsweise durch Überlagern der Ausgangsspannungen V1, V2 des ersten und des zweiten Wandlers C1, C2. Nun wird die Erzeugung der sinusförmigen Ausgangsspannung Vcon während der positiven Halbperiode erläutert. Die Erzeugung des Ausgangssignals Vcon während der negativen Halbperiode erfolgt entsprechend, mit dem Unterschied, dass die Ausgangsspannungen V1-Vn der Wandlerstufen während der positiven Halbperiode positive Spannungen und während der negativen Halbperiode negative Spannungen sind.
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Die Tastgrade der einzelnen Ausgangsspannungen V1-Vn werden von der Steuerschaltung durch die Steuersignalvektoren v_S1, v_S2 und v_Sn eingestellt. Bezugnehmend auf die vorstehende Erläuterung, werden die Ausgangsspannungen V1, V2, Vn der Wandlerstufen C1, C2, Cn, die zum Erzeugen der Ausgangsspannung Vcon überlagert werden, jeweils durch einen Parameterdatensatz definiert, der neben anderem (wie etwa Ein- und Ausschaltzeiten) den Tastgrad und/oder die Phasenverschiebungswinkel δ der Ausgangsspannungen V1, V2, Vn definiert. Bei einer gegebenen gewünschten Ausgangsspannung und einer gegebenen Anzahl von Wandlerstufen ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, einen Satz Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn mit einer Anzahl von Parameterdatensätzen bereitzustellen, die gleich der Anzahl der Wandler C1, C2, Cn ist Diese Parameterdatensätze können beispielsweise durch Berechnen oder Auslesen gespeicherter Parameterdatensatzwerte aus einem Speichergerät bereitgestellt werden.
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Bei einem gegebenen Satz Parameterdatensätze für einen gegebenen Wandler, beispielsweise für den ersten Wandler, ist die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, den Steuersignalvektor v_S1 des Wandlers C1 derart zu generieren, dass der erste Wandler C1 die Ausgangsspannung V1 in Übereinstimmung mit dem zugewiesenen Parameterdatensatz HBx erzeugt, der aus dem Satz Parameterdatensätze ausgewählt wird.
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In einem Schritt S50 werden die Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn den einzelnen Wandlern C1, C2, Cn zugeordnet.
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In einer optionalen Ausführungsform variiert die Zuordnung der Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn zu den Wandlern C1, C2, Cn über die Zeit.
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Tabelle 1 zeigt für verschiedene Wandlerstufen, wie die Zuordnung der Parameterdatensätze
HB1,
HB2,
HBn variieren kann. In Tabelle 1 stellt
HB1 einen ersten Parameterdatensatz dar und stellt
HB2 einen zweiten Parameterdatensatz dar, usw. Für jede Wandlerstufe entspricht jede Zeile der Tabelle 1 aus der dritten Spalte einem Wandler. Demgemäß wird bei einer mehrstufigen Wandleranordnung mit fünf Stufen dem ersten Wandler während eines ersten Pulsweitenmodulationszyklus der erste Parameterdatensatz
HB1 und während eines zweiten Pulsweitenmodulationszyklus der zweite Parameterdatensatz
HB2 zugeordnet. Des Weiteren wird dem zweiten Wandler im ersten Pulsweitenmodulationszyklus der zweite Parameterdatensatz
HB2 und in dem zweiten Pulsweitenmodulationszyklus der erste Parameterdatensatz
HB1 zugeordnet. Beim weiteren Pulsweitenmodulationszyklus wird dieses Schema wiederholt.
Tabelle 1: Zuordnung der Parameterdatensätze zu den Wandlern
| Wandlerstufe (ungerade Zahl) | HB Nr. | PWM 1. Zyklus | PWM 2. Zyklus | PWM 3. Zyklus | PWM 4. Zyklus | ··· | PWM n-ter Zyklus |
| Nummer der H-Brücke des Wandlers im aktiven Zustand während des PWM-Zyklus |
| 3 | Nummer der H-Brücke des Wandlers im aktiven Zustand während des PWM-Zyklus | HB1 | | | | | |
| 5 | HB1 | HB2 | | | | |
| HB2 | HB1 | | | | |
| 7 | HB1 | HB2 | HB3 | | | |
| HB2 | HB3 | HB1 | | | |
| HB3 | HB1 | HB2 | | | |
| 9 | HB1 | HB2 | HB3 | HB4 | | |
| HB2 | HB3 | HB4 | HB1 | | |
| HB3 | HB4 | HB1 | HB2 | | |
| HB4 | HB1 | HB2 | HB3 | | |
| 11 | HB1 | HB2 | HB3 | HB4 | HB5 | |
| HB2 | HB3 | HB4 | HB5 | HB1 | |
| HB3 | HB4 | HB5 | HB1 | HB2 | |
| HB4 | HB5 | HB1 | HB2 | HB3 | |
| HB5 | HB1 | HB2 | HB3 | HB4 | |
| N | HB1 | HB2 | HB3 | HB4 | ··· | HB (N-1)/2 |
| HB2 | HB3 | HB4 | ··· | HB (N-1)/2 | HB1 |
| HB3 | HB4 | ··· | HB (N-1)/2 | HB1 | HB2 |
| HB4 | ··· | HB (N-1) /2 | HB1 | HB2 | HB3 |
| ··· | HB (N-1)/2 | HB1 | HB2 | HB3 | ··· |
| HB (N-1)/2 | HB1 | HB2 | HB3 | ··· | HB (N-3)/2 |
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In einem Schritt S70 werden die Steuersignale der Steuersignalvektoren v_S1,v_S2, v_Sn derart generiert, dass die Ausgangssignale V1, V2, Vn der Wandler C1, C2, Cn, insbesondere die Ausgangsspannungen der jeweiligen Wandler C1, C2, Cn, den zugeordneten Parameterdatensätzen HB1, HB2, HBn entsprechen.
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Diese unterschiedliche Zuordnung der Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn ist auch aus 5b und 5c ersichtlich. Die 5b und 5c zeigen beispielhafte Verlaufsgraphen des Ausgangssignals V1, V2 des ersten Wandlers und des zweiten Wandlers.
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In den 5a bis 5c dauert ein PWM-Zyklus 12,5 µs. Da dem ersten Wandler C1 im ersten PWM-Zyklus der erste Parameterdatensatz HB1 und im zweiten PWM-Zyklus der zweite Parameterdatensatz HB2 zugeordnet ist, sind die Tastgrade der Ausgangsspannung V1 des ersten Wandlers im ersten und im zweiten PWM-Zyklus verschieden. Der Verlaufsgraph der Ausgangsspannung V1 des ersten Wandlers wiederholt sich alle zwei PWM-Zyklen. Die Ausgangsspannung V2 des zweiten Wandlers C2 ist gleich der Ausgangsspannung V1 des ersten Wandlers C1, allerdings mit einem Versatz, insbesondere mit dem Versatz von einem PWM-Zyklus.
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In einer optionalen Ausführungsform sind die Wandler C1, C2, Cn synchronisiert. Beispielsweise wird alle zwei PWM-Zyklen ein Synchronisationssignal an die Wandler C1, C2, Cn angelegt.
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Auch die Tastgrade und/oder die Phasenverschiebungswinkel der Steuersignale Si1, Si2, Si3, Si4 der jeweiligen Wandler C1, C2, Cn können durch die Parameterdatensätze HB1, HB2, HBn definiert werden.
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Beispielsweise umfassen die Wandler C1, C2, Cn der mehrstufigen Wandleranordnung MLC jeweils eine Schalteinheit B1, B2, Bn mit zwei Halbbrückenmodulen und definiert jeder Parameterdatensatz HB1, HB2, HBn einen Tastgrad für die Halbbrückenmodule des jeweiligen Wandlers C1, C2, Cn, wobei die Tastgrade der Halbbrückenmodule verschieden sind. Alternativ oder zusätzlich definiert jeder Parameterdatensatz HB1, HB2, HBn einen Phasenverschiebungswinkel für die jeweiligen Halbbrückenmodule der Wandler C1, C2, Cn, wobei die Phasenverschiebungswinkel der Halbbrückenmodule verschieden sind.
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In der beispielhaften Ausführungsform der 6 werden zwei Wandler verwendet, um die Ausgangsspannung Vcon der mehrstufigen Wandleranordnung MLC bereitzustellen. 6 zeigt beispielhafte Verlaufsgraphen von Schaltimpulsen, die an die Schalter SW1,...,SW4 des ersten Wandlers C1 und des zweiten Wandlers C2 angelegt werden und bewirken, dass der erste Wandler C1 und der zweite Wandler die Ausgangssignale V1, V2 und schließlich die Ausgangsspannung Vcon der mehrstufigen Wandleranordnung MLC bereitstellen, die in den 5a bis 5c dargestellt sind.
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Die folgenden Systemparameter können verwendet werden:
| Betriebsfrequenz | [79 ... 90 kHz] freq = 85 kHz |
| Pulsperiode | | Tp = 1/freq |
| Tastgrad | [0 ... 180 Grad] D = 0,5 |
| Ein-Zeit | | Ton = D*Tp |
| Aus-Zeit | | Toff = Tp-Ton |
| Totzeit | | Tdead[ns] |
| Phase C1 | [0 ... 180 Grad] | phase1 = 0...0,5 |
| Phase C2 | [0 ... 180 Grad] | phase2 = 0...0,5 |
| Phase 1 Periode | | Tphase1 = phase1*Tp |
| Phase 2 Periode | | Tphase2 = phase2*Tp |
| Verzögerungszeit Phase 1/2 | | Tdelay = 0,5*(phase1-phase2)*Tp |
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Die Phasenwinkel „Phase Cl“ und „Phase C2“ werden beispielsweise auf der Grundlage einer Fourierreihen-Optimierung mit Minimierung ausgewählter Harmonischer und/oder Minimierung der Gesamtverzerrung in den Ausgangsgrößen (Spannung oder Strom) als Optimierungskriterium gewählt.
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In Tabelle 2 sind die verschiedenen Harmonischen für ein Ladesystem mit drahtloser Energieübertragung zum Vergleich aufgelistet, bei dem eine dreistufige Modulation, eine fünfstufige Modulation, eine siebenstufige Modulation und eine neunstufige Modulation angewendet werden. Das Ladesystem mit drahtloser Energieübertragung ist beispielsweise dazu eingerichtet, 11 kW bereitzustellen.
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Ein normierter Primärstrom (Norm. Pri.Str.) dient als Vergleichswert. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wird beispielsweise die 3. Harmonische von 4.71E-02 (dreistufige Modulation) auf 0.656E-02 (fünfstufige Modulation) oder 0.647E-02 (siebenstufige Modulation) oder 0.623E-02 (neunstufige Modulation) reduziert.
Tabelle 2: Vergleich der Reduzierung einzelner Harmonischer
| Ordnung szahl der Harmonis chen | dreistufige Modulation | fünfstufige Modulation | siebenstufige Modulation | neunstufige Modulation |
| Freq. [Hz] | Norm. Pri.Str. [pu] | Freq. [Hz] | Norm. Pri.Str. [pu] | Freq. [Hz] | Norm. Pri.Str. [pu] | Freq. [Hz] | Norm. Pri.Str. [pu] |
| 1 | 8,41 E+04 | 1.00E+00 | 8,34E+04 | 1,00E+00 | 8,29E+04 | 1,00E+00 | 8,30E+04 | 1,00E+00 |
| 2 | 1,68E+05 | 1,78E-05 | 1,67E+05 | 1,42E-05 | 1,66E+05 | 1,03E-05 | 1,66E+05 | 3,05E-05 |
| 3 | 2,52E+05 | 4,71E-02 | 2,50E+05 | 6,56E-03 | 2,49E+05 | 6,47E-03 | 2,49E+05 | 6,23E-03 |
| 4 | 3,36E+05 | 1,18E-04 | 3,34E+05 | 2,08E-04 | 3,31 E+05 | 4,71 E-05 | 3,32E+05 | 1,16E-05 |
| 5 | 4,21 E+05 | 8,35E-02 | 4,17E+05 | 3,49E-02 | 4,14E+05 | 1,27E-02 | 4,15E+05 | 4,18E-03 |
| 6 | 5,05E+05 | 7,17E-05 | 5,00E+05 | 7,69E-05 | 4,97E+05 | 2,16E-05 | 4,98E+05 | 8,35E-06 |
| 7 | 5,89E+05 | 4,26E-03 | 5,84E+05 | 5,03E-03 | 5,80E+05 | 2,98E-03 | 5,81 E+05 | 1,59E-03 |
| 8 | 6,73E+05 | 3,25E-05 | 6,67E+05 | 6,48E-05 | 6,63E+05 | 1,07E-05 | 6,64E+05 | 6,02E-06 |
| 9 | 7,57E+05 | 3,61E-03 | 7,51E+05 | 3,42E-03 | 7,46E+05 | 4,67E-03 | 7,47E+05 | 2,45E-03 |
| 10 | 8,41E+05 | 1,95E-05 | 8,34E+05 | 2,74E-05 | 8,29E+05 | 7,29E-06 | 8,30E+05 | 4,76E-06 |
| 11 | 9,25E+05 | 5,29E-03 | 9,17E+05 | 3,65E-03 | 9,11E+05 | 1,27E-03 | 9,13E+05 | 1,52E-03 |
| 12 | 1,01E+06 | 2,04E-05 | 1,00E+06 | 2,83E-05 | 9,94E+05 | 5,96E-06 | 9,95E+05 | 3,60E-06 |
| 13 | 1,09E+06 | 5,18E-03 | 1,08E+06 | 5,65E-03 | 1,08E+06 | 2,29E-03 | 1,08E+06 | 6,12E-04 |
| 14 | 1,18E+06 | 1,26E-05 | 1,17E+06 | 3,00E-05 | 1,16E+06 | 5,16E-06 | 1,16E+06 | 3,45E-06 |
| 15 | 1,26E+06 | 4,13E-03 | 1,25E+06 | 2,27E-03 | 1,24E+06 | 1,17E-03 | 1,24E+06 | 1,39E-03 |
| 16 | 1,35E+06 | 1,33E-05 | 1,33E+06 | 1,44E-05 | 1,33E+06 | 4,42E-06 | 1,33E+06 | 2,84E-06 |
| 17 | 1,43E+06 | 3,05E-03 | 1,42E+06 | 4,63E-04 | 1,41E+06 | 1,22E-03 | 1,41E+06 | 4,84E-04 |
| 18 | 1,51E+06 | 1,25E-05 | 1,50E+06 | 2,30E-05 | 1,49E+06 | 3,68E-06 | 1,49E+06 | 3,08E-06 |
| 19 | 1,60E+06 | 1,88E-03 | 1,59E+06 | 2,74E-04 | 1,57E+06 | 1,48E-03 | 1,58E+06 | 8,09E-04 |
| 20 | 1,68E+06 | 8,56E-06 | 1,67E+06 | 1,92E-05 | 1,66E+06 | 3,07E-06 | 1,66E+06 | 2,26E-06 |
| 21 | 1,77E+06 | 8,02E-04 | 1,75E+06 | 1,03E-03 | 1,74E+06 | 1,27E-03 | 1,74E+06 | 4,72E-04 |
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Tabelle 3 zeigt einen Vergleich der Gesamten harmonischen Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) eines Ladesystems mit drahtloser Energieübertragung, bei dem eine dreistufige Modulation, eine fünfstufige Modulation, eine siebenstufige Modulation und eine neunstufige Modulation angewendet werden.
Tabelle 3: Reduzierung der Harmonischen
| Wandlerstufe N | Eingangsleistung [W] | Ausgangsleistung [W] | Wirkungsgrad [%] | Spannung THD [%] | Strom THD [%] |
| 3 | 11360 | 9555 | 84 | 34,5 | 9,6 |
| 5 | 11411 | 9553 | 84 | 13,8 | 3,9 |
| 7 | 11505 | 9570 | 83 | 11,1 | 1,6 |
| 9 | 11532 | 9527 | 83 | 6,6 | 0,8 |
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Gegenüber einer herkömmlichen dreistufigen Modulation ermöglichen mehr Freiheitsgrade bei einer n-stufigen Modulation eine erhebliche Verringerung der Verzerrung der Spannung und des Stroms am Ausgang des Wandlers, wie in den Tabellen 3 und 4 dargestellt, während ungeachtet der Anzahl verwendeter Wandler ein vergleichbarer Wirkungsgrad aufrechterhalten wird (Tabelle 3).
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Die 7a bis 7d zeigen Verlaufsgraphen von Spannungsausgang und Stromausgang einer entsprechenden mehrstufigen Wandleranordnung sowie eine entsprechende Spektralanalyse für das drahtlose Energieübertragungssystem (7a dreistufige Modulation, 7b fünfstufige Modulation, 7c siebenstufige Modulation und 7d neunstufige Modulation).
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Des Weiteren ist ein Anstieg des Gesamtwirkungsgrads mit größter Wahrscheinlichkeit auf eine Verringerung der Kupfer- und Eisenverluste zurückzuführen, die durch höherfrequente Harmonische bewirkt werden, die eliminiert wurden, wie in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4 zeigt den Wirkungsgradgewinn und die Reduzierung der Harmonischen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wenn der Mechanismus zum Reduzieren der Harmonischen aktiviert (ON) oder deaktiviert (off) ist.
Tabelle 4: Wirkungsgradgewinn und Reduzierung der Harmonischen
| Leistung | Leistung | Spannung | Spannung | Reduzierung | Ordnungs- | Niveau | Wirkungs- | Wirkungs- |
| In | Out | In | Out | der | zahl der | des Felds | grad | grad |
| W | W | Vdc | Vdc | Harmonischen | Harmonischen | uT | % | gewinn |
| 320 | 249 | 50 | 24 | off | 3 | 0,4752 | 77,81% | 1,54% |
| 310 | 246 | 68 | 24 | ON | 3 | 0,1178 | 79,35% |
| 320 | 249 | 50 | 24 | off | 5 | 0,0707 | 77,81% | 1,54% |
| 310 | 246 | 51 | 24 | ON | 5 | 0,0275 | 79,35% |
| 320 | 249 | 50 | 24 | off | 9 | 0,0432 | 77,81% | 2,51% |
| 310 | 249 | 54 | 24 | ON | 9 | 0,0314 | 80,32% |
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In Tabelle 4 wird als Einheit für das Niveau des Felds die Einheit Mikrotesla (pT) verwendet. Das Niveau des Felds kennzeichnet das in unmittelbarer Nähe der WPT-Spulen gemessene Niveau der Abstrahlung.
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Bezugszeichenliste
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- PFC
- Leistungsfaktorkorrekturmodul
- B1, B2, Bn
- Schalteinheit
- MLC
- mehrstufige Wandleranordnung
- OUT1, OUT2
- erster und zweiter Ausgangsanschluss
- Vcon
- Ausgangsspannung der mehrstufigen Wandleranordnung
- TRANS
- Trenntransformatoren
- RES
- WPT-Schwingkreis
- PSR
- Energiequellenresonator
- PCR
- Energieaufnahmeresonator
- RX
- Gleichrichter
- LOAD
- Last
- C1, C2, Ci, Cn
- Wandler
- V1, V2, Vi, Vn
- Ausgangssignal des Wandlers
- P1, P2, Pi, Pn
- Wandler-Ausgangsanschlüsse
- Q1, Q2, Qi, Qn
- Wandler-Ausgangsanschlüsse
- Pi'
- Wandler-Eingangsanschluss
- Qi'
- Wandler-Eingangsanschluss
- v_S1, v_S2, v_Si, v_Sn
- Steuersignalvektor
- Si1, Si2, Si3, Si4
- Steuersignale
- SW1, SW2, SW3, SW4
- Schalter
- S10,..., S90
- Programmschritt
- T
- Pulsweitenmodulationszyklus
- δ
- Phasenverschiebungswinkel
- Icon
- Ausgangsstrom der mehrstufigen Wandleranordnung
- Scon
- Ausgangssignalspektrum der mehrstufigen Wandleranordnung
- WPT C
- drahtloses Ladegerät
- HB1, HB2, HBn
- Parameterdatensatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0145341 A1 [0004]
