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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Kopplungsgrads zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule bei einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes zur Übertragung von Energie von der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zu einer die Sekundärspule aufweisenden Energiespeichereinrichtung, wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung die Primärspule in einem Primärresonanzkreis aufweist, und wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung eine als Vollbrückenschaltung ausgebildete Schalteinrichtung aufweist, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung durch wechselweise Betätigung der Schaltelemente der Schalteinrichtung durch Ansteuerung durch eine Steuereinheit transformiert.
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Eine solche Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Kopplung mit einer eine Sekundärspule aufweisenden Energiespeichereinrichtung ist aus der
DE 10 2014 207 854 A1 bekannt. Sie dient dazu, die Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs durch induktive Kopplung aus einer externen Quelle zu laden.
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Zum Laden von Fahrzeugbatterien aber auch von Energiespeichern sonstiger mobiler oder tragbarer Endgeräte wie beispielsweise Notebooks, Smartphones, elektrischer Zahnbürsten etc. wird zunehmend auch das drahtlose Laden angewandt, das derzeit üblicherweise über magnetische Kopplung erfolgt und oft als induktives Laden bezeichnet wird. Hierbei wird die Energie mittels des Transformatorprinzips über Strecken von wenigen Zentimetern bis zu ca. 20 cm übertragen.
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Dabei entsteht zwischen den Spulen je nach Abstand, Aufbau und Leistung ein starkes magnetisches Feld. Je schlechter die beiden Spulen, beim induktiven Laden von Fahrzeugen die Bodenspule und die fahrzeugseitige Unterbodenspule, aufeinander ausgerichtet sind, desto größer ist das magnetische Streufeld, desto größer ist dann die magnetische Belastung für Menschen und sonstige, sich in der Nähe befindende Lebewesen. Außerdem wird der Wirkungsgrad des Übertragungssystems schlechter, wodurch weniger Leistung in das Fahrzeug übertragen wird.
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Bei hohen Übertragungsleistungen, wie sie beim Laden von Fahrzeugen üblich sind, ist es wichtig, dass Lebewesen keinem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Hierfür muss besonders vor der Leistungsübertragung sichergestellt werden, dass sich eine die Energie empfangende und diese an einen Energiespeicher weiterleitende Sekundärspule, über der das Magnetfeld erzeugenden Primärspule befindet.
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Hierfür wird beim induktiven Laden von Fahrzeugbatterien ein sogenannter Initial Alignment Check (IAC) durchgeführt, bei dem die korrekte Position der Sekundärspule über der Primärspule ermittelt wird und erst bei ausreichend genauer Position die Leistungsübertragung starten kann.
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Herkömmliche Ansätze für diesen Initial Alignment Check verwenden zumeist ein magnetisches Feld, um die Anwesenheit einer Energie aufnehmenden Sekundärspule oder Ladespule über einer, das Magnetfeld erzeugenden Primärspule oder Erregerspule zu detektieren. Dabei muss die Feldstärke dieses „Such-Feldes“ - zumindest solange das Fahrzeug noch nicht über der Primärspule steht und das Magnetfeld etwas abschirmt - möglichst klein gehalten werden, um die Grenzwerte für Lebewesen nicht zu überschreiten.
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Eine Methode ist die sogenannte „low power excitation“ (LPE). Hierunter versteht man die Erzeugung eines Magnetfeldes durch die Primär- oder Erregerspule mit so geringer Leistung, dass eine bestimmte maximale (kleine) Feldstärke nicht überschritten wird. Mittels der Sekundär- oder Empfangsspule im Fahrzeug wird wiederum die Feldstärke dieses Magnetfeldes gemessen. Je näher das Fahrzeug über dem magnetischen Zentrum der Erregerspule steht, desto besser ist die Ausrichtung der Erregerspule und der Empfangsspule zueinander. Dieses Prinzip hat den Nachteil, dass ein Wechselfeld erzeugt werden muss, das auf der Sekundärseite eine Spannung induziert, die gemessen werden kann. Entsprechend müssen die Grenzwerte für die menschliche Exposition zu Magnetfeldern eingehalten werden. Wie bereits beschrieben wurde, muss hierbei die Ansteuerung der Signalamplitude sehr fein einstellbar sein, da sonst nicht sichergestellt werden kann, dass die Grenzwerte eingehalten werden. Der Arbeitspunkt der Sendeelektronik für die Übertragung von Leistungen liegt hingegen in einer ganz anderen Leistungsklasse und muss eigentlich nicht so fein einstellbar sein. Um die Funktionalität des IAC sicher gewährleisten zu können, muss folglich die Leistungselektronik stark adaptiert werden. Dies resultiert in höheren System kosten.
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Ein etwas abgewandeltes Verfahren besteht aus der Verbindung des IAC mit einem vorhandenen Positioniersystem, dass das Fahrzeug aus ungefähr 5 m Entfernung zum Zielpunkt dirigiert. Wenn dieses Positioniersystem mit einer bestimmten Genauigkeit auch im Nahfeld arbeitet und man darüber sicherstellen kann, dass das Fahrzeug schon über der Bodenspule steht, kann entsprechend dem LPE-Verfahren gearbeitet werden, wobei dann die abgegebene Leistung der Bodenspule erhöht werden kann, weil ja kein Lebewesen mehr „magnetischen Schaden“ befürchten muss. Die Auswertung auf der Fahrzeugseite ist bei diesem stärkeren Signal dann einfacher. Dennoch bestehen auch hierbei die o.g. Nachteile, wobei sogar noch zusätzliche Sicherheitsanforderungen an die Funktion des Positioniersystems geheftet werden bzw. ein Positioniersystem verpflichtend wird.
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Beim Betrieb mit Wechselspannung, insbesondere in der Nähe der Resonanzfrequenz der Erregerspule, sind solche kleinen Feldstärken technisch recht aufwändig, da auch die Ansteuerung sehr fein einstellbar ausgeführt werden muss. Eine solche Ansteuerung könnte nicht direkt· mit der Elektronik für die Leistungsübertragung ohne aufwändige Adaption durchgeführt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Methode vorzuschlagen, welche die Anwesenheit einer Ladespule mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt detektieren kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln des Kopplungsgrads zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule bei einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes zur Übertragung von Energie von der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zu einer die Sekundärspule aufweisenden Energiespeichereinrichtung, wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung die Primärspule in einem Primärresonanzkreis aufweist, wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung eine als Brückenschaltung ausgebildete Schalteinrichtung aufweist, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung durch wechselweise Betätigung der Schaltelemente der Schalteinrichtung durch Ansteuerung durch eine Steuereinheit transformiert, wobei die Steuereinrichtung zumindest ein Schaltelement der Schalteinrichtung einschaltet, so dass im Primärresonanzkreis aufgrund eines hierdurch angelegten Gleichspannungssprunges eine abklingende Schwingung angeregt wird, und während einer Mehrzahl von Perioden der abklingenden Schwingung eingeschaltet lässt oder wieder ausschaltet und anschließend den Primärresonanzkreis durch Betätigung zumindest eines anderen Schaltelements kurzschließt, und wobei die Amplitude und/oder die Frequenz dieser abklingenden Schwingung durch die Steuereinheit ausgewertet wird und abhängig von den ermittelten Werten der Amplitude und/oder der Frequenz ein Kopplungsgrad ermittelt wird.
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Dabei ist aufgrund der Physik das ausgesandte magnetische Feld minimal und für die Ansteuerung kann in vorteilhafter Weise die Schaltelektronik der Leistungsübertragung verwendet werden. Des Weiteren ist es von Vorteil, dass für die Erkennung auf der Primärseite keine Kommunikation mit der Sekundärseite erforderlich ist.
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Bei der Leistungsübertragung wird die Energie über einen seriellen Schwingkreis übertragen. Dieser wird mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz von über 20kHz beaufschlagt, idealerweise im Resonanzpunkt des Schwingkreises. Durch das Wechselfeld entsteht das magnetische Feld für die Leistungsübertragung. Um kein starkes magnetisches Feld zu erzeugen wird auf die Spule in erfindungsgemäßer Weise keine Wechselspannung, sondern eine Gleichspannung angelegt. Dabei bedeutet Gleichspannung einerseits, dass die angelegte Spannung während eines Zeitraumes, der zumindest einige, beispielsweise vier oder fünf, Schwingungsperioden der abklingenden Schwingung dauert, einen konstanten Wert hat. Die Anzahl der Schwingungsperioden sollte so bemessen sein, dass eine eindeutige Messung der Amplitude und besonders der Frequenz möglich ist. Die entstehende abklingende Schwingung ist dann die Sprungantwort des Primärresonanzkreises, da die Gleichspannung über eine ausreichend lange Dauer an den Primärresonanzkreis angelegt bleibt.
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Alternativ kann auch eine Impulsantwort erzeugt werden, indem andererseits die Gleichspannung nur für eine kurze Zeit - kürzer als eine Periode einer Schwingung - angelegt wird und anschließend der Primärresonanzkreis kurzgeschlossen wird. Auch hierdurch entsteht ebenfalls eine abklingende Schwingung, deren Amplitude und/ oder Frequenz ermittelt werden kann.
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Diese Gleichspannung - ob als kurzer Impuls oder länger andauernder Sprung - wird in vorteilhafter Weise periodisch angelegt, so dass in definierten Abständen die Position der Sekundärspule über der Primärspule aufgrund des so ermittelten Kopplungsgrades ermittelt wird, und eine exakte Positionierung gesteuert werden kann.
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Die Brückenschaltung kann in einer ersten Variante als Vollbrückenschaltung ausgebildet sein, wobei dann die Steuereinrichtung ein diagonales Schaltelementepaar der Schalteinrichtung einschaltet und während einer Mehrzahl von Perioden der abklingenden Schwingung eingeschaltet lässt oder kurz nach dem Einschalten wieder ausschaltet und anschließend den Primärresonanzkreis durch Betätigung des anderen Schaltelementepaars kurzschließt.
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In einer zweiten Variante ist die Brückenschaltung als Halbbrückenschaltung ausgebildet, wobei hier die Steuereinrichtung ein mit dem hohen Potential der Gleichspannung verbundenes Schaltelement der Schalteinrichtung einschaltet und während einer Mehrzahl von Perioden der abklingenden Schwingung eingeschaltet lässt oder kurz nach dem Einschalten wieder ausschaltet und anschließend den Primärresonanzkreis durch Betätigung des mit dem niederen Potential der Gleichspannung verbundenen Schaltelements kurzschließt.
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Im Falle einer als Halbbrückenschaltung ausgebildeten Schalteinrichtung ist der Primärresonanzkreis mit einem Anschluss mit dem Verbindungspunkt der Schaltelemente der Halbbrückenschaltung und mit dem anderen Anschluss mit dem niederen Potential der Gleichspannung verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird die Amplitude und/oder die Frequenz der abklingenden Schwingung durch Messung der Spannung an einem Kondensator des Primärresonanzkreis ermittelt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Amplitude und/oder die Frequenz der abklingenden Schwingung durch Messung der Impedanz des Primärresonanzkreises ermittelt wird.
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Eine Möglichkeit der Auswertung der Amplitude und/oder der Frequenz der abklingenden Schwingung besteht darin, die gemessenen Werte einer Fouriertransformation zu unterziehen und dann das so erhaltene Frequenzspektrum auszuwerten.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die ermittelten Werte der Amplitude und/oder der Frequenz der abklingenden Schwingung mit abgespeicherten Referenzwerten für Kopplungsgrade verglichen.
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Hier können für verschiedene Fahrzeugtypen und verschiedene Abstände dieser Fahrzeuge zu einer ladenden, die Primärspule enthaltenden Bodenplatte vorab Werte für die Amplitude und/oder die Frequenz der zu erwartenden abklingenden Schwingung ermittelt und dann gespeichert werden. Aktuell ermittelte Werte können dann mit den gespeicherten verglichen und daraus der passende Abstand ermittelt werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
- 1 eine bekannte Ladeinfrastruktur für induktives Laden,
- 2 eine schematische Schaltung zur Ansteuerung eines Primärresonators,
- 3 den Verlauf abklingender Schwingungen bei verschiedenen Kopplungsgraden und
- 4 den Frequenzverlauf von Spektren bei verschiedenen Kopplungsgraden.
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Die 1 zeigt eine Energieversorgungseinheit 1 mit einer üblicherweise stationären Ladestation 2, häufig auch „wallbox“ genannt, die über ein Netzkabel 16 z.B. mit dem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden ist.
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Die Ladestation 2 überträgt die darüber bezogene Energie nach einer entsprechenden Wandlung als hochfrequente Spannung über eine Energieversorgungsleitung 5 an eine Primärspule 4, die in einer Bodeneinheit 3 verbaut ist.
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Die Bodeneinheit 3 kann als mobile Bodeneinheit beispielsweise als Bodenmatte ausgebildet sein oder ist in den Boden eingelassen oder auf diesen aufgelegt und kann mit diesem verschraubt oder sonst wie befestigt sein.
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Die Bodeneinheit 3 ist außer über die Energieversorgungsleitung 5 auch noch über eine Kommunikationsleitung 6 mit der Ladestation 2 verbunden. Prinzipiell kann eine Kommunikation zwischen der Bodeneinheit 3 und der Ladestation 2 aber auch drahtlos stattfinden.
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Die 1 zeigt außerdem ein Fahrzeug 10, das eine Sekundärspule 11 aufweist, die mit der Primärspule 4 der Bodeneinheit 3 im optimal positionierten Zustand einen gut gekoppelten Transformator zur induktiven Übertragung von Energie an das Fahrzeug 10 bildet.
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Die von der Sekundärspule 11 aufgenommene Energie wird über einen Energiewandler 12, der insbesondere einen Gleichrichter aufweist, an einen Energiespeicher 13, zumeist in Form eines Akkumulators, übertragen und dort gespeichert, um für den Antrieb von Elektromotoren zur Verfügung zu stehen.
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Das Fahrzeug 10 weist außerdem einen Einparkassistenten 14 auf, der es ermöglicht, dass das Fahrzeug 10 mit Hilfe von Sensoren und Aktoren selbstständig einen vorgegebenen Parkplatz auffindet und sich dort platziert.
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Bei einem solchen System zum induktiven Laden einer Fahrzeugbatterie 13 müssen die Primärspule 4 in der Bodeneinheit 3 und die Sekundärspule 11 im Fahrzeug räumlich zueinander in Position gebracht werden, um einen möglichst guten Kopplungsfaktor oder Kopplungsgrad zu erzielen. Dabei kann die Bodeneinheit 3 mit dem Fahrzeug 10 gegebenenfalls über die Ladestation 2 und ein dort implementiertes Gerät zur drahtlosen Kommunikation 15 kommunizieren, so dass das Fahrzeug 10 die Spulenposition kennt und selbstständig, wie es vom automatisierten Fahren bekannt ist, in die entsprechende Parkposition fährt und die fahrzeugseitige Sekundärspule 11 zur Primärspule 4 in der Bodeneinheit 3 mit der geforderten Positionsgenauigkeit in Deckung bringt.
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Die 2 zeigt in schematischer Weise die grundlegende Schalteinrichtung 17 für die Ansteuerung des Primärresonators 19, durch die eine Spannung U0 durch eine Vollbrückenschaltung aus Schaltelementen 17-1 bis 17-4 in eine Wechselspannung U1 umgewandelt wird. Die Schaltelemente 17-1 bis 17-4 sind in der dargestellten Ausführung mit Feldeffekttransistoren gebildet, denen jeweils Substratdioden 18-1 bis 18-4 parallelgeschaltet sind. Die Steueranschlüsse der Schaltelemente 17-1 bis 17-4 sind mit einer Steuereinheit 20 verbunden und werden von dieser angesteuert, so dass die Schaltelemente 17-1 bis 17-4 leitend oder sperrend gesteuert werden können. Der Primärresonator 19 ist mit einer Primärspule L1 und einem Serienkondensator C1 gebildet. Es können auch mehrere Kondensatoren vorgesehen sein.
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Zur Energieübertragung werden durch die Steuereinheit 20 wechselweise die Schaltelemente 17-1 und 17-4 oder die Schaltelemente 17-2 bis 17-3 mit einer Frequenz leitend geschaltet, die etwa der Resonanzfrequenz des Primärresonators 19 entspricht. Wenn auch der (nicht dargestellte) Sekundärresonator etwa diese Resonanzfrequenz aufweist, kann maximale Energieübertragung möglich sein.
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Das so erzeugte magnetische Wechselfeld könnte auch zur Positionierung herangezogen werden, allerdings ist es - wie bereits ausgeführt wurde - relativ stark, da die Steuereinheit 20 und die Schalteinrichtung 17 für die Leistungsübertragung optimiert sind, was dann für Lebewesen gefährlich werden kann.
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In erfindungsgemäßer Weise werden daher - in vorteilhafter Weise periodisch -die Schaltelemente 17-1 und 17-4 oder die Schaltelemente 17-2 bis 17-3 von der Steuereinheit 20 derart betätigt, dass die Spannung U0 für eine ausreichend lange Zeit am Primärresonator 19 anliegt, so dass sich die für einen Serienresonanzkreis L1, C1 typische abklingende Schwingung ausbilden kann.
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Die Dauer und die Amplitude dieser Schwingung ist dabei von verschiedenen Faktoren der Primärspule L1, insbesondere von ihrer Induktivität abhängig.
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Befindet sich beispielsweise eine Sekundärspule in der Nähe der Primärspule L1, so ändert sich, aufgrund der Kopplung beider Spulen, die Induktivität der Primärspule L1. Somit ändert sich auch die Frequenz und Amplitude der Schwingung bei einer Anregung mit einer Gleichspannung.
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Die Übertragung der Energie von der Primär- zu einer Sekundärspule beruht auf dem Transformatorprinzip. Ähnlich wie bei einem Transformator ist der Lastwiderstand der die Energie aufnehmenden Seite auch auf der die Energie liefernden Seite sichtbar. Im Fall des Transformators ist der Lastwiderstand der Ladeschaltung über das Quadrat des Übertragungsverhältnisses auf der Erregerseite sichtbar. Somit führt auch eine Änderung des Lastwiderstands auf der Sekundärseite zu einem unterschiedlichen Einschwingverhalten auf der Primärseite.
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In der 3 sind typische Verläufe von abklingenden (gedämpften) Schwingungen bei einem Resonanzkreis aus einem Kondensator und einer Spule für zwei verschiedene Lastzustände - also beispielsweise Abstände der Primär- und der Sekundärspule zueinander - dargestellt.
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Zum Zeitpunkt t=0 fließt ein Strom aufgrund der über die Schalteinrichtung 17 an den Primärkreis 19 angelegten Spannung U0 über die Spule L1 in den Kondensator C1. 3 zeigt die Spannung am Kondensator C1. Beim Graphen mit der höheren Amplitude befindet sich keine Sekundärspule über der Primärspule L1. Der Graph mit der kleineren Amplitude hingegen zeigt, wie es aussieht, wenn die Sekundärspule sich im idealen Ladepunkt direkt über der Primärspule L1 befindet. Diese Verläufe bildet die Grundlage für die Erkennung einer Sekundärspule und deren Abstand zur Primärspule L1.
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Um auszuwerten, ob sich eine Sekundärspule über einer Primärspule befindet und ob sich diese in der optimalen Ladeposition befindet, kann die gemessene Spannung mittels einer Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transformiert und dort ausgewertet werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers erfolgen. 4 zeigt Frequenzspektren, die sich ergeben, wenn sich die Spulen in unterschiedlichen Positionen zueinander befinden. Position A zeigt die Situation, wenn die Spulen ideal gekoppelt sind. Bei Position E befindet sich keine Sekundärspule über der Primärspule. Die Tabelle der 4 zeigt die unterschiedlichen Positionen und deren Versatz zur idealen Position.
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Um sicherzustellen, ob eine Sekundärspule gekoppelt ist, kann zusätzlich die Impedanz der Sekundärseite über die Primärseite detektiert werden. Bevor der Ladevorgang beginnen kann, muss die Impedanz einen festgelegten Wert aufweisen. Durch diese Impedanz kann die Sekundärspule eindeutig gegenüber einer Metallplatte, einem Ferrit oder auch einer nicht ladefähigen Spule unterschieden werden.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Beaufschlagung des Primärresonanzkreises mit quasi einem Gleichstrom wird kaum Energie in das System eingebracht. Das bedeutet, dass eine wesentlich geringere Beeinflussung der Umgebung im Vergleich zu den alternativen Methoden auftritt.
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Statt eine Gleichspannung über eine Mehrzahl von Schwingungsperioden mit abklingender Schwingungsamplitude an den Primärkreis anzulegen, ist es auch möglich und soll im Umfang der Erfindung liegen, lediglich einen kurzen Spannungsimpuls an den Primärkreis anzulegen und den Primärkreis - beispielsweise durch Betätigen der Schaltelemente 17-1 und 17-2 - kurzzuschließen, so dass sich die in den Primärkreiselementen gespeicherte Energie durch eine Schwingung über den Kurzschluss abbauen kann. Auch dies führt zu einer gedämpften Schwingung, deren Frequenz und/oder Amplitude vom Kopplungsgrad abhängt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207854 A1 [0002]
