DE102021205102A1 - Method for inductive energy transfer between a vehicle and a supply network, vehicle, inductive charging device and system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug (50) und einem Versorgungsnetz (60), wobei eine fahrzeugseitige Spule (3) an einer außerhalb des Fahrzeugs (50) angeordneten netzseitigen Spule (22) angeordnet wird, wobei eine Resonanzfrequenz (ƒr) eines durch die aneinander angeordneten Spulen (3,22), einen mit der fahrzeugseitigen Spule (3) verbundenen fahrzeugseitigen Wandler (2) und einen mit der netzseitigen Spule (22) verbundenen netzseitigen Wandler (21) ausgebildeten Resonanzwandlers (10) bestimmt wird, und wobei die Wandler (2,21) fahrzeugseitig und/oder netzseitig derart angesteuert werden, dass der Resonanzwandler (10) während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz (ƒr) betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (50), Induktionsladevorrichtung (20) und ein System (1).The invention relates to a method for inductive energy transmission between a vehicle (50) and a supply network (60), with a vehicle-side coil (3) being arranged on a network-side coil (22) arranged outside the vehicle (50), with a resonant frequency (ƒr ) a resonant converter (10) formed by the coils (3, 22) arranged next to one another, a vehicle-side converter (2) connected to the vehicle-side coil (3) and a line-side converter (21) connected to the line-side coil (22), and wherein the converters (2, 21) are controlled on the vehicle side and/or on the network side in such a way that the resonant converter (10) is operated at the specific resonant frequency (ƒr) during the inductive energy transmission. The invention also relates to a vehicle (50), inductive charging device (20) and a system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz, ein Fahrzeug, eine Induktionsladevorrichtung und ein System.The invention relates to a method for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network, a vehicle, an induction charging device and a system.
Induktive Energieübertragungssysteme bieten für den Aufbau einer Ladeinfrastruktur für elektrifizierte Fahrzeuge eine Reihe von Vorteilen: Sie lassen sich vielerorts einfach in den Boden integrieren, sodass sie ein Stadtbild nahezu nicht verändert wird. Für einen Kunden, der eine solche Ladeinfrastruktur in Anspruch nimmt, ist eine Induktionsladevorrichtung in der Regel nicht sichtbar und der Ladevorgang selbst kaum wahrnehmbar. Im Gegensatz zum konduktiven Laden werden keine Kabel benötigt, welche zu Stolperfallen werden können. Kabelverbindungen im öffentlichen Raum können zudem ein Ziel von Vandalismus, Sabotage und Diebstahl sein. Bei einem induktiven Energieübertragungssystem ergeben sich hingegen kaum Möglichkeiten zur Manipulation. Da dieses Übertragungssystem das Stadtbild nahezu nicht verändert, kann das System darüber hinaus grundsätzlich deutlich häufiger und somit verbreiteter installiert werden als konduktive Ladesysteme. Dies ermöglicht es, dass das Fahrzeug im zeitlichen Durchschnitt eines Jahres deutlich häufiger mit einem induktiven Energieübertragungssystem verbunden sein kann als mit einem konduktiven Ladesystem. Diese statistisch häufigere Anbindung des Fahrzeugs an das induktive System bietet darüber hinaus Vorteile, wenn eine Batterie des Fahrzeugs zu Zwecken der Netzstabilisierung sowie der Wirk- und Blindleistungsregelung verwendet wird. Hierfür wäre es allerdings erforderlich, dass das Energieübertragungssystem bidirektional arbeiten kann.Inductive energy transmission systems offer a number of advantages when setting up a charging infrastructure for electrified vehicles: They can be easily integrated into the ground in many places, so that they hardly change the cityscape. For a customer who uses such a charging infrastructure, an inductive charging device is usually not visible and the charging process itself is hardly perceptible. In contrast to conductive charging, no cables are required, which can become a tripping hazard. Cable connections in public spaces can also be a target for vandalism, sabotage and theft. With an inductive energy transmission system, on the other hand, there are hardly any possibilities for manipulation. Since this transmission system hardly changes the cityscape, the system can also be installed much more frequently and therefore more widely than conductive charging systems. This makes it possible for the vehicle to be connected to an inductive energy transmission system much more frequently than to a conductive charging system over the course of a year. This statistically more frequent connection of the vehicle to the inductive system also offers advantages if a vehicle battery is used for the purposes of grid stabilization and active and reactive power control. For this, however, it would be necessary for the energy transmission system to be able to work bidirectionally.
Ein induktives Energieübertragungssystem für Fahrzeuge weist eine fahrzeugseitige Spule und eine netzseitige Spule auf, welche durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann die fahrzeugseitige Spule an einer Unterseite des Fahrzeugs angeordnet sein, die netzseitige Spule kann beispielsweise in einem Untergrund, beispielsweise eingelassen in eine Fahrbahn, angeordnet sein, sodass die fahrzeugseitige Spule durch geeignete Wahl der Parkposition des Fahrzeugs oberhalb der netzseitigen Spule angeordnet werden kann. Die größte Herausforderung im Hinblick auf eine Energieübertragung ist die Überwindung der Luftstrecke, die sich zwischen der fahrzeugseitigen Spule und der netzseitigen Spule befindet. Insbesondere ergibt sich je nach Park- bzw. Halteposition des Fahrzeugs ein anderer räumlicher Versatz der Spulen zueinander. Für Leistungselektroniken von Wandlern, die zum Betreiben der Spulen auf beiden Seiten eingesetzt werden, existieren daher in unterschiedlichen Ladesituationen stets verschiedene magnetische Kreise.An inductive power transmission system for vehicles has a coil on the vehicle side and a coil on the mains side, which are separated from one another by an air gap. For example, the vehicle-side coil can be arranged on an underside of the vehicle, the mains-side coil can, for example, be arranged in a subsurface, for example embedded in a roadway, so that the vehicle-side coil can be arranged above the mains-side coil by suitably selecting the parking position of the vehicle. The greatest challenge with regard to energy transmission is overcoming the clearance between the coil on the vehicle side and the coil on the mains side. In particular, depending on the parking or stopping position of the vehicle, there is a different spatial offset of the coils relative to one another. For power electronics of converters that are used to operate the coils on both sides, there are always different magnetic circuits in different charging situations.
Aus B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, ist ein Verfahren zur Totzeitkompensation bekannt.From B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, pp. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, a method for dead time compensation is known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz sowie ein Fahrzeug, eine Induktionsladevorrichtung und ein System zu schaffen, bei denen eine induktive Energieübertragung verbessert ist.The invention is based on the object of creating a method for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network and a vehicle, an inductive charging device and a system in which inductive energy transmission is improved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, eine Induktionsladevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method having the features of
Insbesondere wird in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt, wobei eine fahrzeugseitige Spule an einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten netzseitigen Spule angeordnet wird, wobei eine Resonanzfrequenz eines durch die aneinander angeordneten Spulen, einen mit der fahrzeugseitigen Spule verbundenen fahrzeugseitigen Wandler und einen mit der netzseitigen Spule verbundenen netzseitigen Wandler ausgebildeten Resonanzwandlers bestimmt wird, und
wobei die Wandler fahrzeugseitig und/oder netzseitig derart angesteuert werden, dass der Resonanzwandler während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz betrieben wird.In particular, a method for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network is provided in a first aspect, with a vehicle-side coil being arranged on a network-side coil arranged outside of the vehicle, with a resonant frequency of one through the coils arranged next to one another, one with the vehicle-side Coil-connected vehicle-side converter and a network-side converter connected to the network-side coil connected resonant converter is determined, and
wherein the converters are controlled on the vehicle side and/or on the network side in such a way that the resonant converter is operated at the specific resonant frequency during the inductive energy transmission.
Ferner wird in einem zweiten Aspekt ein Fahrzeug geschaffen, umfassend einen fahrzeugseitigen Wandler, eingerichtet zum Wandeln zumindest einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, eine fahrzeugseitige Spule, die elektrisch mit dem fahrzeugseitigen Wandler verbunden ist und die dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, dass die fahrzeugseitige Spule zum Ausbilden eines Resonanzwandlers an einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten netzseitigen Spule angeordnet werden kann, und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Resonanzfrequenz eines derart ausgebildeten Resonanzwandlers zu bestimmen oder zu erhalten und den Wandler derart anzusteuern, dass der Resonanzwandler während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz betrieben wird.Furthermore, in a second aspect, a vehicle is created, comprising an on-board converter set up to convert at least one AC voltage into a DC voltage, a vehicle-side coil which is electrically connected to the on-board converter and which is set up and arranged in such a way that the on-board coil can be arranged to form a resonant converter on a mains-side coil arranged outside the vehicle, and a control device, wherein the control device is set up to determine or to obtain a resonant frequency of a resonant converter designed in this way and the To control the converter in such a way that the resonant converter is operated at the specific resonant frequency during the inductive energy transfer.
Weiter wird in einem dritten Aspekt eine Induktionsladevorrichtung für ein Versorgungsnetz geschaffen, umfassend einen netzseitigen Wandler, eingerichtet zum Wandeln zumindest einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, eine netzseitige Spule, die elektrisch mit dem netzseitigen Wandler verbunden ist und die dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, dass die netzseitige Spule zum Ausbilden eines Resonanzwandlers an einer in oder an einem Fahrzeug angeordneten fahrzeugseitigen Spule angeordnet werden kann, und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Resonanzfrequenz eines derart ausgebildeten Resonanzwandlers zu bestimmen oder zu erhalten und den netzseitigen Wandler derart anzusteuern, dass der Resonanzwandler während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz betrieben wird.Furthermore, in a third aspect, an induction charging device for a supply network is created, comprising a network-side converter, set up for converting at least one DC voltage into an AC voltage, a network-side coil which is electrically connected to the network-side converter and which is set up and arranged in such a way that the mains-side coil can be arranged on a vehicle-side coil arranged in or on a vehicle to form a resonance converter, and a control device, wherein the control device is set up to determine or to obtain a resonance frequency of a resonance converter designed in this way and to control the mains-side converter in such a way, that the resonant converter is operated at the specific resonant frequency during the inductive energy transfer.
In einem vierten Aspekt wird ein System zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz geschaffen, umfassend ein Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt und eine Induktionsladevorrichtung gemäß dem dritten Aspekt.In a fourth aspect, a system for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network is created, comprising a vehicle according to the second aspect and an inductive charging device according to the third aspect.
Das Verfahren, das Fahrzeug, die Induktionsladevorrichtung und das System ermöglichen es, eine induktive Energieübertragung zu verbessern. Insbesondere kann ein Wirkungsgrad verbessert werden, da durch das Betreiben des Resonanzwandlers bei seiner Resonanzfrequenz eine Blindleistung verringert werden kann. Idealerweise weist eine Gesamtimpedanz eines Resonanzschwingkreises des Resonanzwandlers bei Betrieb bei der Resonanzfrequenz effektiv nur noch einen ohmschen Anteil auf, da sich ein induktiver Anteil einer Streuinduktivität mit einem kapazitiven Anteil, der insbesondere durch fahrzeugseitige und netzseitige Abstimmkondensatoren gebildet ist, bei der Resonanzfrequenz gegenseitig kompensieren.The method, the vehicle, the inductive charging device and the system make it possible to improve inductive energy transmission. In particular, efficiency can be improved since reactive power can be reduced by operating the resonance converter at its resonance frequency. Ideally, a total impedance of a resonant circuit of the resonant converter when operating at the resonant frequency effectively only has an ohmic component, since an inductive component of a leakage inductance with a capacitive component, which is formed in particular by vehicle-side and network-side tuning capacitors, compensate each other at the resonant frequency.
Das Verfahren und das System können grundsätzlich für eine induktive Energieübertragung in beide Richtungen eingesetzt werden, sodass sowohl das induktive Laden eines Fahrzeugs als auch eine Netzstabilisierung bzw. Unterstützung des Versorgungsnetzes mit Hilfe von in einer Fahrzeugbatterie gespeicherter elektrischer Energie möglich ist. Im Falle eines induktiven Ladens des Fahrzeugs umfasst das System zur induktiven Energieübertragung insbesondere auf der Netzseite einen von einem Niederspannungsnetz (z.B. dreiphasig, 230 V effektiv, 400 V Leiter-Leiter) gespeisten Gleichspannungswandler, welcher ausgangsseitig eine netzseitige Zwischenkreiskapazität mit einer Gleichspannung speist. Diese Spannung ist über einen (Serien-)Resonanzwandler mit einer Gleichspannung einer fahrzeugseitigen Zwischenkreiskapazität gekoppelt. Ein dieser fahrzeugseitigen Zwischenkreiskapazität nachgeschalteter Gleichspannungswandler nimmt eine Spannungsanpassung vor und versorgt eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Der Resonanzwandler wird hierbei insbesondere durch einen netzseitigen Wandler in Form eines Wechselrichters, einen netzseitigen Abstimmkondensator, eine netzseitige Spule, eine fahrzeugseitige Spule, einen fahrzeugseitigen Abstimmkondensator und einen fahrzeugseitigen Wandler in Form eines Gleichrichters ausgebildet. Zwischen der netzseitigen Spule, welche beispielsweise in einem Untergrund unter dem Fahrzeug angeordnet ist, und der fahrzeugseitigen Spule ist ein Luftspalt ausgebildet. Da die Spulen aufgrund variierender Parkpositionen des Fahrzeugs einen Versatz zueinander aufweisen können, sind diese je nach Versatz in unterschiedlichem Maße magnetisch unvollständig gekoppelt. Der aus den Spulen gebildete Transformator weist daher Streuinduktivitäten auf, welche Streuflüsse repräsentieren. Um eine Energieübertragung über die Luftstrecke zu optimieren, weist der Resonanzwandler insbesondere auf beiden Seiten der Luftstrecke jeweils einen Abstimmkondensator auf, mit denen eine Reihenkompensation der Transformatorstreuinduktivitäten bewirkt werden kann. Wird der resultierende Resonanzkreis im Resonanzwandler mit seiner Resonanzfrequenz betrieben bzw. ausgesteuert, so kompensieren sich die in Reihe befindenden Blindanteile von Abstimmkondensator und Streuinduktivität und der resultierende Resonanzwandler weist ein ohmsches Übertragungsverhalten auf.In principle, the method and the system can be used for inductive energy transmission in both directions, so that both inductive charging of a vehicle and network stabilization or support of the supply network using electrical energy stored in a vehicle battery is possible. In the case of inductive charging of the vehicle, the system for inductive energy transmission includes, in particular on the network side, a DC voltage converter fed by a low-voltage network (e.g. three-phase, 230 V effective, 400 V conductor-conductor), which on the output side feeds a network-side intermediate circuit capacitance with a DC voltage. This voltage is coupled via a (series) resonant converter to a DC voltage of an intermediate circuit capacitance on the vehicle side. A DC-DC converter connected downstream of this vehicle-side intermediate circuit capacitance undertakes a voltage adjustment and supplies a traction battery of the vehicle. The resonant converter is formed in particular by a line-side converter in the form of an inverter, a line-side tuning capacitor, a line-side coil, a vehicle-side coil, a vehicle-side tuning capacitor and a vehicle-side converter in the form of a rectifier. An air gap is formed between the line-side coil, which is arranged, for example, in a subsurface under the vehicle, and the vehicle-side coil. Since the coils can be offset from one another due to varying parking positions of the vehicle, they are magnetically incompletely coupled to varying degrees depending on the offset. The transformer formed from the coils therefore has leakage inductances which represent leakage fluxes. In order to optimize energy transmission via the air gap, the resonant converter has a tuning capacitor, in particular on both sides of the air gap, with which a series compensation of the transformer leakage inductances can be brought about. If the resulting resonant circuit in the resonant converter is operated or controlled at its resonant frequency, the reactive components of the tuning capacitor and stray inductance located in series compensate each other and the resulting resonant converter exhibits an ohmic transmission behavior.
Es kann vorgesehen sein, dass die Resonanzfrequenz nur auf einer der Seiten bestimmt wird und anschließend an die Gegenseite, beispielsweise über eine Funkverbindung, übermittelt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Resonanzfrequenz auf beiden Seiten separat bestimmt wird.It can be provided that the resonant frequency is only determined on one of the sides and is then transmitted to the opposite side, for example via a radio link. However, it can also be provided that the resonant frequency is determined separately on both sides.
Sind die Wandler als bidirektionale Wandler ausgebildet, so kann auch der Resonanzwandler bidirektional betrieben werden. Dies ermöglicht eine Energieübertragung in beide Richtungen, sodass sowohl das Fahrzeug geladen werden kann als auch eine in einer Fahrzeugbatterie gespeicherte elektrische Energie zum Stabilisieren bzw. Speisen des Versorgungsnetzes verwendet werden kann.If the converters are designed as bidirectional converters, the resonant converter can also be operated bidirectionally. This enables energy to be transmitted in both directions, so that the vehicle can be charged and electrical energy stored in a vehicle battery can be used to stabilize or feed the supply network.
Die Steuereinrichtungen können jeweils einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind.The control devices can each be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor. It However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC) or field-programmable gate array (FPGA).
Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug kann grundsätzlich aber auch ein anderes Land-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise ein Lufttaxi oder eine Drohne.The vehicle is in particular a motor vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle. In principle, however, the vehicle can also be another land, water, air or space vehicle, for example an air taxi or a drone.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Resonanzfrequenz zumindest eine fahrzeugseitige Zwischenkreisspannung, ein fahrzeugseitiger Wandlerstrom, eine netzseitige Zwischenkreisspannung und ein netzseitiger Wandlerstrom überabgetastet erfasst werden, wobei die erfassten Größen über eine drahtlose Kommunikationsverbindung zumindest in eine Richtung zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz bzw. der Induktionsladevorrichtung ausgetauscht werden. Zusätzlich können auch noch ein Zwischenkreisstrom eines fahrzeugseitigen Zwischenkreises, eine Spannung an Halbbrücken des fahrzeugseitigen Wandlers, eine Spannung an der fahrzeugseitigen Spule, ein Zwischenkreisstrom eines netzseitigen Zwischenkreises, eine Spannung an Halbbrücken des netzseitigen Wandlers und/oder eine Spannung an der netzseitigen Spule überabgetastet erfasst und ausgewertet werden. Alternativ können diese Werte auch ausgehend von einer Ansteuerung der Wandler geschätzt werden. Die drahtlose Kommunikationsverbindung ermöglicht insbesondere einen Austausch der erfassten Größen in Echtzeit. Die drahtlose Kommunikationsverbindung kann beispielsweise eine unmittelbar zwischen dem Fahrzeug und der Induktionsladevorrichtung ausgebildete drahtlose Kommunikationsverbindung sein, beispielsweise über entsprechend hierfür eingerichtete Kommunikationsschnittstellen des Fahrzeugs und der Induktionsladevorrichtung. Die drahtlose Kommunikationsverbindung kann grundsätzlich aber auch mittelbar ausgebildet sein, beispielsweise über ein schnelles Mobilfunknetz (z.B. 5G), welches eine Echtzeit-Übertragung mit kurzen Latenzzeiten ermöglicht. Die erfassten Größen werden insbesondere jeweils mittels Zeitstempeln einer zwischen Fahrzeug und Induktionsladevorrichtung synchronisierten Zeitbasis versehen.In one embodiment it is provided that, in order to determine the resonant frequency, at least one vehicle-side intermediate circuit voltage, one vehicle-side converter current, one mains-side intermediate circuit voltage and one mains-side converter current are oversampled, with the variables recorded being transmitted via a wireless communication link at least in one direction between the vehicle and the supply network or . In addition, an intermediate circuit current of a vehicle-side intermediate circuit, a voltage at half-bridges of the vehicle-side converter, a voltage at the vehicle-side coil, an intermediate circuit current of a mains-side intermediate circuit, a voltage at half-bridges of the mains-side converter and/or a voltage at the mains-side coil can be oversampled and detected be evaluated. Alternatively, these values can also be estimated based on an activation of the converter. In particular, the wireless communication link enables the recorded variables to be exchanged in real time. The wireless communication link can be, for example, a wireless communication link formed directly between the vehicle and the inductive charging device, for example via communication interfaces of the vehicle and the inductive charging device that are set up accordingly for this purpose. In principle, however, the wireless communication connection can also be indirect, for example via a fast mobile network (e.g. 5G), which enables real-time transmission with short latency times. The detected variables are provided in particular by means of time stamps on a time base that is synchronized between the vehicle and the inductive charging device.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die überabgetasteten Größen mittels eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes ausgewertet werden. Ein feldprogrammierbares Gatterfeld ermöglicht eine hochfrequente Signalerfassung und Signalverarbeitung. Hochfrequent soll hierbei insbesondere bedeuten, dass ein zugehöriger Frequenzbereich oberhalb einer Modulationsfrequenz einer Pulsdauermodulation der Wandler liegt. Insbesondere bezeichnet hochfrequent eine um einen Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, besonders bevorzugt um einen Faktor 50 größere Frequenz im Vergleich zu der Modulationsfrequenz. Ist eine Modulationsfrequenz beispielsweise 20 kHz, so ist eine Frequenz der Signalerfassung und Signalverarbeitung des feldprogrammierbaren Gatterfeldes beispielsweise 1 MHz. Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses mit Vorteil hochfrequent (~MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma Wandler. Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere Teil eines System-on-Chip (SoC).In this case, it is provided in particular that the oversampled variables are evaluated by means of a field-programmable gate array. A field-programmable gate array enables high-frequency signal acquisition and signal processing. In this case, high-frequency is intended to mean in particular that an associated frequency range is above a modulation frequency of a pulse duration modulation of the converter. In particular, high frequency refers to a frequency that is higher by a factor of 5, preferably by a factor of 10, particularly preferably by a factor of 50, compared to the modulation frequency. If a modulation frequency is 20 kHz, for example, then a frequency of the signal detection and signal processing of the field-programmable gate array is 1 MHz, for example. Due to the parallel signal processing of a field-programmable gate array, this can advantageously process high-frequency (~MHz) sampled quantities. Due to the high-frequency sampling, sampling or aliasing effects can be reduced as disturbances in the signal. Any noise components of the sensors can be digitally filtered in the field-programmable gate array, so that a very high signal-to-noise ratio can be provided for further digital processing. In comparison, a microcontroller (e.g. DSP) is significantly less suitable for processing high-frequency signals, since the recorded values of the DSP have to be transported and processed by the internal analog-to-digital converter (ADC) to the processor core, which leads to propagation delay-related and preprocessing-related delays in evaluation. Instead, with a field-programmable gate array, the sensed values of the ADC are available to the logic units immediately, that is, in real time. Inexpensive ADCs that can generate a high-frequency digital data stream (bit stream), e.g. delta-sigma converters, can also be evaluated with field-programmable gate arrays without further measures. In particular, the field-programmable gate array is part of a system-on-chip (SoC).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in den Wandlern aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels einer Totzeitkompensation kompensiert werden. Dies erfolgt insbesondere mittels der jeweiligen Steuereinrichtung, insbesondere mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes der jeweiligen Steuereinrichtung. Die Totzeitkompensation versucht, einen Totzeiteffekt zu kompensieren. Der Totzeiteffekt tritt auf, weil es aufgrund von Schaltzeiten von Leistungshalbleitern eines Wandlers zu einem Abbildungsfehler zwischen einer geschätzten aktuellen Spannung und einer realen Spannung kommt. Zum Kompensieren des Totzeiteffekts werden Schaltflanken von Leistungshalbleitern angepasst, das heißt hinsichtlich eines Schaltzeitpunkts verschoben. Die Totzeitkompensation wird beispielsweise mittels des in B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, beschriebenen Verfahrens durchgeführt.In one embodiment it is provided that dead time effects occurring in the converters due to switching delay times are compensated for by dead time compensation. This is done in particular by means of the respective control device, in particular by means of at least one field-programmable gate field of the respective control device. Dead time compensation attempts to compensate for a dead time effect. The dead time effect occurs because there is a mapping error between an estimated current voltage and a real voltage due to the switching times of power semiconductors in a converter. To compensate for the dead time effect, switching edges of power semiconductors are adjusted, that is, they are shifted with regard to a switching time. The dead-time compensation is performed, for example, using the method described in B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) , Long Beach, CA, USA, 2016, pp. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Streuinduktivität des Resonanzwandlers ausgehend von den überabgetastet erfassten Größen geschätzt wird, wobei die Resonanzfrequenz ausgehend von der geschätzten Streuinduktivität bestimmt wird. Mittels des geschätzten Wertes für die Streuinduktivität kann die Resonanzfrequenz bei bekannter resultierender Kapazität berechnet werden, da die Resonanzfrequenz sowohl im induktiven Anteil der Gesamtimpedanz des Resonanzwandlers als auch im kapazitiven Anteil vorkommt. Um ein ohmsches Übertragungsverhalten zu erreichen, müssen der induktive Anteil und der kapazitive Anteil genau gleich groß sein, sodass diese sich gegenseitig zu Null kompensieren. Mit der bekannten Streuinduktivität kann die Resonanzfrequenz ohne Weiteres berechnet werden, da der kapazitive Anteil aus den bekannten Werten der Abstimmkondensatoren berechnet werden kann.One embodiment provides that a leakage inductance of the resonant converter is estimated on the basis of the oversampled variables, with the resonance frequency being determined on the basis of the estimated leakage inductance. Using the estimated value for the leakage inductance, the resonant frequency can be calculated when the resulting capacitance is known, since the resonant frequency occurs both in the inductive part of the overall impedance of the resonant converter and in the capacitive part. In order to achieve an ohmic transmission behavior, the inductive part and the capacitive part must be exactly the same size so that they compensate each other to zero. Knowing the leakage inductance, the resonant frequency can be easily calculated since the capacitive component can be calculated from the known values of the tuning capacitors.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine fahrzeugseitige Temperatur und eine netzseitige Temperatur des Resonanzwandlers mittels Temperatursensoren erfasst werden, wobei ein Serienwiderstand des Resonanzwandlers ausgehend von den erfassten Temperaturen geschätzt und beim Schätzen der Streuinduktivität berücksichtigt wird. Dies ermöglicht es, ein Temperaturverhalten des resultierenden Serienwiderstandes des Resonanzwandlers verbessert zu berücksichtigen. Basis für das Schätzen des Serienwiderstandes kann beispielsweise eine empirisch bestimmte Kennlinie oder ein empirisch bestimmtes Modell sein, die bzw. das eine Temperatur mit einem Serienwiderstand verknüpft. Alternativ kann auch ein Beobachter verwendet werden, um den resultierenden Serienwiderstand zu schätzen. Ein Beobachter ist insbesondere ein regelungstechnischer Beobachter (engl. state observer), der ausgehend von einem Modell des Resonanzwandlers einen Zustand des Resonanzwandlers schätzt. Der geschätzte Zustand des Resonanzwandlers wird mit einem Istzustand des Resonanzwandlers verglichen und bei Abweichungen wird mindestens ein Parameter des Modells so lange angepasst, bis der geschätzte Zustand und der Istzustand wieder übereinstimmen.A further embodiment provides that a vehicle-side temperature and a network-side temperature of the resonant converter are detected using temperature sensors, with a series resistance of the resonant converter being estimated based on the detected temperatures and taken into account when estimating the leakage inductance. This makes it possible to better take into account a temperature behavior of the resulting series resistance of the resonant converter. The basis for estimating the series resistance can be, for example, an empirically determined characteristic curve or an empirically determined model which links a temperature to a series resistance. Alternatively, an observer can be used to estimate the resulting series resistance. An observer is in particular a control engineering observer (state observer) who estimates a state of the resonance converter based on a model of the resonance converter. The estimated state of the resonance converter is compared with an actual state of the resonance converter, and if there are discrepancies, at least one parameter of the model is adjusted until the estimated state and the actual state match again.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fahrzeug automatisiert verfahren wird, um eine Anordnung der Spulen zueinander derart zu verändern, dass die Streuinduktivität minimiert wird oder minimiert ist. Hierdurch kann eine magnetische Kopplung zwischen der fahrzeugseitigen Spule und der netzseitigen Spule so lange optimiert werden, bis die Streuinduktivität minimiert ist. Durch das Verbessern der magnetischen Kopplung kann eine induktive Energieübertragung, insbesondere in Bezug auf einen Wirkungsgrad, weiter verbessert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Steuerung und/oder Regelung des Fahrzeugs zum automatisierten Fahren die geschätzte Streuinduktivität als Eingangsparameter erhält und beispielsweise eine ortsabhängige Veränderung der geschätzten Streuinduktivität auswertet, um durch Verändern der Fahrzeugposition gezielt die Streuinduktivität zu minimieren.In one embodiment it is provided that the vehicle is moved automatically in order to change the arrangement of the coils in relation to one another in such a way that the leakage inductance is minimized or is minimized. As a result, a magnetic coupling between the coil on the vehicle side and the coil on the mains side can be optimized until the leakage inductance is minimized. By improving the magnetic coupling, an inductive energy transmission, in particular with regard to efficiency, can be further improved. In particular, it can be provided that a control and/or regulation of the vehicle for automated driving receives the estimated leakage inductance as an input parameter and, for example, evaluates a location-dependent change in the estimated leakage inductance in order to specifically minimize the leakage inductance by changing the vehicle position.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Resonanzwandler vor einem Starten der induktiven Energieübertragung durch mindestens einen Testpuls angeregt wird, wobei die Resonanzfrequenz ausgehend von einer durch den mindestens einen Testpuls hervorgerufenen Schwingung bestimmt wird. Insbesondere wird hierzu mindestens eine elektrische Größe, beispielsweise ein fahrzeugseitiger Wandlerstrom, ein netzseitiger Wandlerstrom, eine Spannung an der fahrzeugseitigen Spule und/oder eine Spannung an der netzseitigen Spule überabgetastet und zeitaufgelöst erfasst. Die Resonanzfrequenz kann dann nach dem Ende der Anregung aus einer mit der Zeit abklingenden Schwingung bestimmt werden, beispielsweise indem Nulldurchgänge zeitlich bestimmt werden und hieraus eine Frequenz der Schwingung bestimmt wird. Die Frequenz ist dann ein Schätzwert für die Resonanzfrequenz des Resonanzwandlers und wird, zumindest zu Anfang, zum Betreiben des Resonanzwandlers verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann die Resonanzfrequenz auch mittels einer Fouriertransformation (z.B. FFT) und einer Frequenzanalyse aus der angeregten Schwingung bestimmt werden.In one embodiment it is provided that the resonant converter is excited by at least one test pulse before starting the inductive energy transmission, the resonant frequency being determined on the basis of an oscillation caused by the at least one test pulse. In particular, at least one electrical variable, for example a vehicle-side converter current, a network-side converter current, a voltage at the vehicle-side coil and/or a voltage at the network-side coil, is oversampled and recorded in a time-resolved manner. After the end of the excitation, the resonant frequency can then be determined from an oscillation decaying over time, for example by determining the time of zero crossings and determining a frequency of the oscillation from this. The frequency is then an estimate of the resonant frequency of the resonant converter and is used, at least initially, to operate the resonant converter. Alternatively or additionally, the resonant frequency can also be determined from the excited vibration by means of a Fourier transformation (e.g. FFT) and a frequency analysis.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Fahrzeugs, der Induktivladevorrichtung und des Systems ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Fahrzeugs, der Induktivladevorrichtung und des Systems sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.Additional features relating to the configuration of the vehicle, the inductive charging device and the system result from the description of configurations of the method. The advantages of the vehicle, the inductive charging device and the system are the same as in the case of the configurations of the method.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz; -
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltbildes zur Verdeutlichung der Erfindung; -
3 ein schematisches Ersatzschaltbild des Resonanzwandlers; -
4 ein schematisches Ersatzschaltbild des Resonanzwandlers mit zusammengefassten Größen; -
5 eine schematische Darstellung einer Ausgangsspannung des Resonanzwandlers im Verhältnis zur Eingangsspannung des Resonanzwandlers für drei verschiedene Lastwiderstände über der (Betriebs-)Frequenz; -
6 eine weitere Ausführungsform des Systems zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz; -
7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Überabtastung; -
8 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the system for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network; -
2 a schematic representation of an electrical circuit diagram to illustrate the invention; -
3 a schematic equivalent circuit diagram of the resonant converter; -
4 a schematic equivalent circuit diagram of the resonant converter with summarized variables; -
5 a schematic representation of an output voltage of the resonant converter in relation to the input voltage of the resonant converter for three different load resistances over the (operating) frequency; -
6 a further embodiment of the system for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network; -
7 a schematic representation to clarify the oversampling; -
8th a schematic flowchart of an embodiment of the method for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network.
In
Das Fahrzeug 50 umfasst einen fahrzeugseitigen Wandler 2, eine fahrzeugseitige Spule 3 und eine Steuereinrichtung 4. Der fahrzeugseitige Wandler 2 ist als Gleichrichter ausgestaltet und dient zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung. Mittels der Gleichspannung wird ein Gleichspannungswandler 5 gespeist, der eine Traktionsbatterie 51 des Fahrzeugs 50 lädt. Die fahrzeugseitige Spule 3 ist elektrisch mit dem fahrzeugseitigen Wandler 2 verbunden. Der fahrzeugseitige Wandler 2 und der Gleichspannungswandler 5 sind zusammen Teil einer Leistungselektronik 52 des Fahrzeugs 50.The
Die Induktionsladevorrichtung 20 umfasst einen netzseitigen Wandler 21, eine netzseitige Spule 22 und eine Steuereinrichtung 23. Der netzseitige Wandler 21 ist als Wechselrichter ausgestaltet und dient zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung. Die netzseitige Spule 22 ist elektrisch mit dem netzseitigen Wandler 21 verbunden. Zwischen einer dreiphasigen Versorgungsspannung und dem netzseitigen Wandler 21 ist ein Gleichrichter 24 geschaltet, der die dreiphasige Netzspannung gleichrichtet. Der netzseitige Wandler 21 und der Gleichrichter 24 sind Teil einer Leistungselektronik 25 der Induktionsladevorrichtung 20.The
Die fahrzeugseitige Spule 3 ist beispielsweise an einer Unterseite des Fahrzeugs 50 angeordnet. Die netzseitige Spule 22 ist beispielsweise in einem Untergrund unterhalb des Fahrzeugs 50, beispielsweise unterhalb einer Parkfläche eines Parkplatzes angeordnet. In einer Parkposition wird das Fahrzeug 50 derart auf der Parkfläche geparkt, dass die fahrzeugseitige Spule 3 und die netzseitige Spule 22 aneinander angeordnet sind. Hierbei kann es jedoch zu einem Versatz 70 kommen, der dazu führt, dass eine magnetische Kopplung zwischen den Spulen 3, 22 nur unvollständig ist.The vehicle-
Die Spulen 3, 22 bilden gemeinsam einen Transformator 11 aus. Der netzseitige Wandler 21, die netzseitige Spule 22, die fahrzeugseitige Spule 3 und der fahrzeugseitige Wandler 2 bilden in dieser Anordnung zusammen einen Resonanzwandler aus.The
Die Steuereinrichtung 4 des Fahrzeugs 50 und/oder die Steuereinrichtung 23 der Induktionsladevorrichtung 20 sind dazu eingerichtet, eine Resonanzfrequenz des derart ausgebildeten Resonanzwandlers zu bestimmen oder zu erhalten und den netzseitigen Wandler 21 und/oder den fahrzeugseitigen Wandler 2 derart anzusteuern, dass der Resonanzwandler während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz betrieben wird.The
In der
In
Der netzseitige Wandler 21 und der fahrzeugseitige Wandler 2 weisen jeweils zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern Tx mit antiparallel geschalteten Dioden Dx auf. Die hierdurch ausgebildete Vollbrücke auf der Netzseite wird im Gegentakt angesteuert und dient der Wechselrichtung. Die ausgebildete Vollbrücke auf der Fahrzeugseite wird ebenfalls im Gegentakt angesteuert und dient der Gleichrichtung.The line-
Der durch die Spulen 3, 22 über eine Luftstrecke zwischen Fahrzeug und Induktionsladevorrichtung ausgebildete Transformator 11 mit der magnetischen Kopplung M und den Induktivitäten L1 und L2 kann als T-Ersatzschaltbild 11e modelliert werden. Ein idealer Übertrager 12 repräsentiert das Windungszahlverhältnis der Spule 22 auf der Primärseite (n1) zur Sekundärseite (n2). Die ohmschen Transformatoranteile sind R1 und
Für eine resultierende Gesamtimpedanz ergibt sich dann:
Je nach relativem Versatz 70 (
In der
Die
Es kann vorgesehen sein, dass zusätzlich auch ein Zwischenkreisstrom iZK1, eine Spannung u10 an Halbbrücken des netzseitigen Wandlers 21, eine Spannung u1 an der netzseitigen Spule 22, ein Zwischenkreisstrom iZK2 eines fahrzeugseitigen Zwischenkreises, eine Spannung u20 an Halbbrücken des fahrzeugseitigen Wandlers 2 und/oder eine Spannung u2 an der fahrzeugseitigen Spule 3 überabgetastet erfasst und ausgewertet werden. It can be provided that an intermediate circuit current i ZK1 , a voltage u 10 at half-bridges of the line-
Alternativ können diese Werte, insbesondere ausgehend von einer Ansteuerung der Wandler 3, 21, geschätzt werden.Alternatively, these values can be estimated, in particular based on an activation of the
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die überabgetasteten Größen mittels eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes 30, 31 ausgewertet werden. Die feldprogrammierbaren Gatterfelder 30, 31 ermöglichen auf beiden Seiten eine hochfrequente Signalerfassung und Signalverarbeitung. Hochfrequent bedeutet hierbei insbesondere, dass eine Abtastfrequenz deutlich höher (Faktor 5, 10, 100 etc.) ist als eine Modulationsfrequenz der Wandler 2, 21. Die Größen werden insbesondere jeweils mittels eines Analog/Digitalwandlers 32, 33 digitalisiert und dem jeweiligen feldprogrammierbaren Gatterfeld 30, 31 direkt zugeführt.In this case, it is provided in particular that the oversampled variables are evaluated by means of a field-
Die feldprogrammierbaren Gatterfelder 30, 31 können insbesondere Teil eines jeweiligen System-on-Chip 34, 35 (SoC) sein, bei dem die feldprogrammierbaren Gatterfelder 30, 31 jeweils mit einem Digitalen Signalprozessor 36, 37 (Digital Signal Processor, DSP) auf einem Chip integriert sind, wobei eine hohe Datenrate zwischen den feldprogrammierbaren Gatterfeldern 30, 31 und den jeweiligen Digitalen Signalprozessoren 36, 37 erreicht wird. Die System-on-Chips 34, 35 sind in der Steuereinrichtung 23 (
Die Überabtastung ist schematisch in der
Es kann vorgesehen sein, dass in den Wandlern 2, 21 (
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Streuinduktivität des Resonanzwandlers 10 (
Aufgrund der Topologie des Resonanzwandlers 10 (
Hierbei sind u10, u20 die totzeitkompensierten Spannungen der Wandler 2, 21 bzw. der Halbbrücken der Wandler 2, 21, Rres der jeweils resultierende Reihenwiderstand, L1 die Selbstinduktivität der Spule 22 auf der Primärseite (in den gezeigten Beispielen die Netzseite) und L2 die Selbstinduktivität der Spule 3 auf der Sekundärseite (in den gezeigten Beispielen die Fahrzeugseite) und M die magnetische Kopplung. Der resultierende Reihenwiderstand Rres1 bezogen auf die Primärseite des Transformators ergibt sich als Rres1 = R1+ü2R2. Durch die Impedanztransformation anhand des Windungszahlenverhältnisses ergibt sich analog auch die Größe Rres2. Die magnetische Kopplung M zwischen der Primär- und Sekundärseite ergibt sich aus geometrischen Größen bzgl. der räumlichen magnetischen Feldverteilung.Here u 10 , u 20 are the dead-time compensated voltages of the
Die Größen L1, L2 und M sind unbekannt. Rres kann temperaturabhängig nachgeführt oder auch identifiziert werden. Hierzu können beispielsweise Temperatursensoren 6, 16 (
Aufgrund der Überabtastung können die Verläufe von i1 und i2 präzise erfasst werden. Mit Hilfe von beispielsweise einer Regressionsanalyse und einer Spline-Interpolation können auch die zeitlichen Ableitungen der Ströme
Die Überabtastung ermöglicht zudem eine fortlaufende zeitliche Integralbildung der abgetasteten Größen, sodass auch ∫i1 dt und ∫i2 dt bekannt sind bzw. bestimmt werden können.The oversampling also enables a continuous time integral formation of the sampled variables, so that ∫i 1 dt and ∫i 2 dt are also known or can be determined.
Da die Steuereinrichtungen 4, 23 auf beiden Seiten jeweils Größen der anderen Seite benötigen, werden die erfassten Größen insbesondere mit einem Zeitstempel einer synchronisierten Zeitbasis versehen und über eine schnelle Kommunikationsverbindung 15 (
Sind die Größen zwischen Induktionsladevorrichtung auf der Netzseite und dem Fahrzeug ausgetauscht, so lassen sich die gesuchten Parameter L1, L2, M und Rres mittels beobachterbasierten Ansätzen wie Luenberger-Beobachter, Kalman-Filter sowie Grey-Box-Modelle mit Gradientenabstiegsverfahren identifizieren. Es kann aber beispielsweise auch offline ein Least-Mean-Square-Schätzer eingesetzt werden.If the variables between the inductive charging device on the grid side and the vehicle are exchanged, the required parameters L 1 , L 2 , M and R res can be identified using observer-based approaches such as Luenberger observers, Kalman filters and gray box models with gradient descent methods. However, a least mean square estimator can also be used offline, for example.
Aus den identifizierten Größen lassen sich die Streuinduktivitäten bestimmen:
Mit Hilfe von:
Die Wandler 2, 21 werden fahrzeugseitig und/oder netzseitig dann mit der bestimmten Resonanzfrequenz ƒr betrieben, indem die Steuereinrichtungen 4, 23 die jeweiligen Leistungshalbleiter Tx entsprechend ansteuern.The
Die Resonanzfrequenz ƒr wird insbesondere fortlaufend ermittelt und nachgeführt, sodass der Resonanzwandler 10 stets bei der Resonanzfrequenz ƒr betrieben wird.The resonant frequency ƒ r is in particular continuously determined and tracked, so that the
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonanzwandler 10 vor einem Starten der induktiven Energieübertragung durch mindestens einen Testpuls angeregt wird, wobei die Resonanzfrequenz ƒr ausgehend von einer durch den mindestens einen Testpuls hervorgerufenen Schwingung bestimmt wird. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz ƒr durch Bestimmen der Nulldurchgänge der hervorgerufenen Schwingung bestimmt werden. Es kann auch vorgesehen sein, eine Fouriertransformation und eine Frequenzanalyse zum Bestimmen der Resonanzfrequenz fr durchzuführen.Provision can be made for the
In
In einer Maßnahme 100 wird eine fahrzeugseitige Spule an einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten netzseitigen Spule angeordnet, beispielsweise indem das Fahrzeug manuell oder automatisiert auf einen Ladeparkplatz in eine Ladeposition gefahren wird.In a
In einer Maßnahme 101 wird eine Resonanzfrequenz eines durch die aneinander angeordneten Spulen, einen mit der fahrzeugseitigen Spule verbundenen fahrzeugseitigen Wandler und einen mit der netzseitigen Spule verbundenen netzseitigen Wandler ausgebildeten Resonanzwandlers bestimmt.In a
In einer Maßnahme 102 werden die Wandler fahrzeugseitig und/oder netzseitig derart angesteuert, dass der Resonanzwandler während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz betrieben wird.In a
Im Rahmen der Maßnahme 101 kann in einer Maßnahme 101a vorgesehen sein, dass der Resonanzwandler vor einem Starten der induktiven Energieübertragung durch mindestens einen Testpuls angeregt wird, wobei die Resonanzfrequenz ausgehend von einer durch den mindestens einen Testpuls hervorgerufenen Schwingung bestimmt wird.As part of
Im Rahmen der Maßnahme 101 kann in einer Maßnahme 101b alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass zum Bestimmen der Resonanzfrequenz zumindest eine fahrzeugseitige Zwischenkreisspannung, ein fahrzeugseitiger Wandlerstrom, eine netzseitige Zwischenkreisspannung und ein netzseitiger Wandlerstrom überabgetastet erfasst werden, wobei die erfassten Größen über eine drahtlose Kommunikationsverbindung zumindest in eine Richtung zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz ausgetauscht werden.As part of
Ferner kann vorgesehen sein, dass in den Wandlern aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels einer Totzeitkompensation kompensiert werden.Provision can also be made for dead time effects occurring in the converters due to switching delay times to be compensated for by dead time compensation.
Es ist in Maßnahme 101b vorgesehen, dass eine Streuinduktivität des Resonanzwandlers ausgehend von den überabgetastet erfassten Größen geschätzt wird, wobei die Resonanzfrequenz ausgehend von der geschätzten Streuinduktivität bestimmt wird.
Hierzu kann in Maßnahme 101b ferner vorgesehen sein, dass eine fahrzeugseitige Temperatur und eine netzseitige Temperatur des Resonanzwandlers mittels Temperatursensoren erfasst werden, wobei ein Serienwiderstand des Resonanzwandlers ausgehend von den erfassten Temperaturen geschätzt und beim Schätzen der Streuinduktivität berücksichtigt wird.For this purpose,
Es kann in einer Maßnahme 103 vorgesehen sein, dass das Fahrzeug automatisiert verfahren wird, um eine Anordnung der Spulen zueinander derart zu verändern, dass die Streuinduktivität minimiert wird oder minimiert ist. Hierzu werden die Maßnahmen 101b und 103 solange wiederholt, bis die Streuinduktivität minimiert ist. Es kann hierbei auch vorgesehen sein, dass die Streuinduktivität für mehrere Positionen des Fahrzeugs bestimmt wird, um ein Minimum in einem positionsabhängigen Verlauf der Werte zu bestimmen. Anschließend wird das Fahrzeug auf die Position des Minimums gefahren.A
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Systemsystem
- 22
- fahrzeugseitiger Wandleron-board converter
- 33
- fahrzeugseitige Spulevehicle coil
- 44
- Steuereinrichtungcontrol device
- 55
- GleichspannungswandlerDC converter
- 66
- Temperatursensortemperature sensor
- 1010
- Resonanzwandlerresonant converter
- 1111
- Transformatortransformer
- 11e11e
- (T-)Ersatzschaltbild(T) equivalent circuit diagram
- 1212
- idealer Übertragerideal transmitter
- 1515
- Kommunikationsverbindungcommunication link
- 1616
- Temperatursensortemperature sensor
- 2020
- Induktionsladevorrichtunginductive charging device
- 2121
- netzseitiger Wandlerline-side converter
- 2222
- netzseitige Spulemains-side coil
- 2323
- Steuereinrichtungcontrol device
- 2424
- Gleichrichterrectifier
- 2525
- Leistungselektronik (Induktionsladevorrichtung)Power electronics (inductive charging device)
- 3030
- feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
- 3131
- feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
- 3232
- Analog/DigitalwandlerAnalog/digital converter
- 3333
- Analog/DigitalwandlerAnalog/digital converter
- 3434
- System-on-Chip (SoC)System on Chip (SoC)
- 3535
- System-on-Chip (SoC)System on Chip (SoC)
- 3636
- Digitaler SignalprozessorDigital signal processor
- 3737
- Digitaler SignalprozessorDigital signal processor
- 3838
- Modulationsblockmodulation block
- 3939
- Modulationsblockmodulation block
- 5050
- Fahrzeugvehicle
- 5151
- Traktionsbatterietraction battery
- 5252
- Leistungselektronik (Fahrzeug)power electronics (vehicle)
- 6060
- Versorgungsnetzsupply network
- 7070
- Versatzoffset
- 100-103100-103
- Maßnahmen des VerfahrensMeasures of the procedure
- Cr1Cr1
- Abstimmkondensatortuning capacitor
- Cr2Cr2
- Abstimmkondensatortuning capacitor
- CZK1CZK1
- Zwischenkreiskapazitätintermediate circuit capacity
- CZK2CZK2
- Zwischenkreiskapazitätintermediate circuit capacity
- CresCres
- resultierende Kapazität (Ersatzschaltbild)resulting capacity (equivalent circuit)
- ƒƒ
- Frequenzfrequency
- ƒrƒr
- Resonanzfrequenzresonant frequency
- i1i1
- netzseitiger Wandlerstrommains-side converter current
- i2i2
- fahrzeugseitiger Wandlerstromvehicle-side converter current
- iresires
- resultierender Stromresulting stream
- iZK1iZK1
- Zwischenkreisstromintermediate circuit current
- iZK2iZK2
- Zwischenkreisstromintermediate circuit current
- L1L1
- Induktivitätinductance
- L2L2
- Induktivitätinductance
- L1σL1σ
- Streuinduktivität (Primärseite)Leakage inductance (primary side)
- Streuinduktivität (Sekundärseite, transformiert)Leakage inductance (secondary side, transformed)
- Lσ,resLσ,res
- resultierende Streuinduktivität (Ersatzschaltbild)resulting leakage inductance (equivalent circuit diagram)
- L1hL1h
- Hauptinduktivitätmain inductance
- MM
- magnetische Kopplungmagnetic coupling
- R1R1
- ohmscher Widerstand (Primärseite)ohmic resistance (primary side)
- R2R2
- ohmscher Widerstand (Sekundärseite, transformiert)ohmic resistance (secondary side, transformed)
- RresRes
- resultierender ohmscher Widerstand (Ersatzschaltbild)resulting ohmic resistance (equivalent circuit diagram)
- RLRL
- Lastwiderstandload resistance
- TSTS
- Modulationsperiodemodulation period
- u1u1
- Spannung (netzseitige Spule)Voltage (mains coil)
- u2u2
- Spannung (fahrzeugseitige Spule)Voltage (vehicle coil)
- u10u10
- Spannung (Halbbrücken netzseitiger Wandler)Voltage (half-bridge line-side converter)
- u20u20
- Spannung (Halbbrücken fahrzeugseitiger Wandler)Voltage (half-bridge on-board converter)
- UZK1UZK1
- Spannungtension
- uZK2uZK2
- Spannungtension
- uC,resuC, res
- Spannung (resultierende Kapazität)voltage (resultant capacity)
- uLσ,resuLσ,res
- Spannung (resultierende Streuinduktivität)Voltage (resultant leakage inductance)
- uRresuRres
- Spannung (resultierender ohmscher Widerstand)voltage (resulting ohmic resistance)
- uinuin
- Eingangsspannung des ResonanzwandlersInput voltage of the resonant converter
- uout,out,
- Ausgangsspannung des ResonanzwandlersOutput voltage of the resonant converter
- üu
- Windungszahlverhältnisturns ratio
- ZresZres
- Gesamtimpedanztotal impedance
- ωω
- Kreisfrequenzangular frequency
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