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 patent claim 1, a vehicle having the features of patent claim 8, an inductive charging device having the features of patent claim 9 and a system having the features of patent claim 10. Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

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.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the figures. Here show:
  • 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 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems 1 zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug 50 und einem Versorgungsnetz 60 gezeigt. Das System 1 umfasst ein Fahrzeug 50 und eine Induktionsladevorrichtung 20. Nachfolgend wird das Verfahren zur induktiven Energieübertragung zwischen dem Fahrzeug 50 und dem Versorgungsnetz 60 anhand des Systems 1 erläutert.In 1 a schematic representation of an embodiment of the system 1 for inductive energy transmission between a vehicle 50 and a supply network 60 is shown. The system 1 includes a vehicle 50 and an inductive charging device 20. The method for inductive energy transmission between the vehicle 50 and the supply network 60 is explained below with reference to the system 1.

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 vehicle 50 includes a vehicle-side converter 2, a vehicle-side coil 3 and a control device 4. The vehicle-side converter 2 is designed as a rectifier and is used to convert an AC voltage into a DC voltage. The DC voltage is used to feed a DC voltage converter 5 which charges a traction battery 51 of the vehicle 50 . The vehicle-side coil 3 is electrically connected to the vehicle-side converter 2 . The vehicle-side converter 2 and the DC-DC converter 5 are together part of power electronics 52 of the vehicle 50.

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 induction charging device 20 includes a line-side converter 21, a line-side coil 22 and a control device 23. The line-side converter 21 is designed as an inverter and is used to convert a DC voltage into an AC voltage. The line-side coil 22 is electrically connected to the line-side converter 21 . A rectifier 24 is connected between a three-phase supply voltage and the line-side converter 21 and rectifies the three-phase line voltage. The line-side converter 21 and the rectifier 24 are part of power electronics 25 of the induction charging device 20.

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-side coil 3 is arranged on an underside of the vehicle 50, for example. The mains-side coil 22 is arranged, for example, in a subsurface below the vehicle 50, for example below a parking area of a parking lot. In a parking position, the vehicle 50 is parked on the parking area in such a way that the vehicle-side coil 3 and the grid-side coil 22 are arranged next to one another. However, this can lead to an offset 70, which means that a magnetic coupling between the coils 3, 22 is only incomplete.

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 coils 3, 22 together form a transformer 11. In this arrangement, the line-side converter 21, the line-side coil 22, the vehicle-side coil 3 and the vehicle-side converter 2 together form a resonant converter.

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 control device 4 of the vehicle 50 and/or the control device 23 of the inductive charging device 20 are set up to determine or obtain a resonant frequency of the resonant converter configured in this way and to control the line-side converter 21 and/or the vehicle-side converter 2 in such a way that the resonant converter during the inductive energy transfer is operated with the specific resonant frequency.

In der 2 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltbildes zur Verdeutlichung der Erfindung gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei gleiche Begriffe und Merkmale wie in der 1. Der netzseitige Wandler 21, die netzseitige Spule 22, die fahrzeugseitige Spule 3 und der fahrzeugseitige Wandler 2 bilden zusammen einen Resonanzwandler 10 aus. Zwischen dem Gleichrichter 24 und dem netzseitigen Wandler 21 befindet sich eine Zwischenkreiskapazität CZK1, an der eine Spannung uZK1 abfällt. Zwischen dem fahrzeugseitigen Wandler 2 und dem Gleichspannungswandler 5 befindet sich eine Zwischenkreiskapazität CZK2, an der eine Spannung uZK2 abfällt. Der Resonanzwandler 10 umfasst auf der Netzseite einen Abstimmkondensator Cr1 und auf der Fahrzeugseite einen Abstimmkondensator Cr2. Die Werte dieser Abstimmkondensatoren Cr1, Cr2 sind insbesondere fest vorgegeben und bekannt. Insbesondere werden die jeweiligen Werte derart gewählt, dass eine Abstimmung des Resonanzwandlers 10 bzw. ein Resonanzbetrieb bei den zum Betreiben des Systems 1 verwendeten Frequenzen möglich ist.In the 2 a schematic representation of an electrical circuit diagram is shown to illustrate the invention. The same reference symbols denote the same terms and features as in FIG 1 . The line-side converter 21 , the line-side coil 22 , the vehicle-side coil 3 and the vehicle-side converter 2 together form a resonant converter 10 . Located between the rectifier 24 and the line-side converter 21 is an intermediate circuit capacitance C ZK1 across which a voltage u ZK1 drops. Between the vehicle-side converter 2 and the DC-DC converter 5 there is an intermediate circuit capacitance C ZK2 across which a voltage u ZK2 drops. The resonant converter 10 includes a tuning capacitor C r1 on the grid side and a tuning capacitor C r2 on the vehicle side. In particular, the values of these tuning capacitors C r1 , C r2 are fixed and known. In particular, the respective values are selected in such a way that tuning of the resonance converter 10 or resonance operation at the frequencies used to operate the system 1 is possible.

In 3 ist ein schematisches Ersatzschaltbild des Resonanzwandlers 10 gezeigt, wobei die Steuereinrichtungen nicht dargestellt sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Begriffe und Merkmale wie in den voranstehenden 1 und 2. Es wird bei den nachfolgenden Erläuterungen davon ausgegangen, dass eine Energieübertragung vom Versorgungsnetz zum Fahrzeug stattfinden soll. Grundsätzlich ist aber auch eine Energieübertragung in die entgegengesetzte Richtung möglich.In 3 a schematic equivalent circuit diagram of the resonant converter 10 is shown, the control devices not being shown. The same reference numerals denote the same terms and features as in the preceding 1 and 2 . In the following explanations, it is assumed that energy is to be transmitted from the supply network to the vehicle. But basically there is also one Energy transfer possible in the opposite direction.

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-side converter 21 and the vehicle-side converter 2 each have two half-bridges, each with two semiconductor switches T x with diodes D x connected in antiparallel. The full bridge formed as a result on the network side is controlled in push-pull mode and is used for the alternating direction. The full bridge formed on the vehicle side is also controlled in push-pull and is used for rectification.

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 R 2 ' .

Figure DE102021205102A1_0001
Streuflüsse bzw. Streuinduktivitäten werden durch L und L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0002
modelliert. Der ideale Übertrager 12 realisiert eine Impedanztransformation, sodass die Größen R 2 ' , L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0003
der Primärseite zugeordnet werden können, aber mit dem Quadrat des Windungszahlenverhältnisses u ¨ = n 1 n 2
Figure DE102021205102A1_0004
transformiert sind. Eine Hauptinduktivität L1h ist deutlich größer als die Streuinduktivitäten L und L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0005
und spielt bei der Energieübertragung praktisch keine Rolle, da sich der Transformator 11 stets über den ausgangsseitigen Gleichrichter, der durch den fahrzeugseitigen Wandler 2 gebildet ist, entlastet und somit der primärseitige Stromfluss vom Stromfluss in der fahrzeugseitigen (Sekundär-)Spule 3 kompensiert wird. Wird das Ersatzschaltbild 11e für den Transformator 11 eingefügt und werden die Größen zu resultierenden Größen zusammengefasst, ergibt sich das Schaltbild gemäß 4. Die resultierenden Ersatzschaltbildelemente sind Cres, Lσ,res und Rres mit den jeweils daran abfallenden Spannungen uCres, uLσ,res und uRres.The transformer 11 formed by the coils 3, 22 over an air gap between the vehicle and the induction charging device with the magnetic coupling M and the inductances L 1 and L 2 can be modeled as a T equivalent circuit 11e. An ideal transformer 12 represents the turns ratio of the coil 22 on the primary side (n1) to the secondary side (n2). The ohmic transformer components are R 1 and R 2 ' .
Figure DE102021205102A1_0001
Leakage fluxes or leakage inductances are determined by L and L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0002
modeled. The ideal transformer 12 implements an impedance transformation so that the sizes R 2 ' , L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0003
can be assigned to the primary side, but with the square of the turns ratio and ¨ = n 1 n 2
Figure DE102021205102A1_0004
are transformed. A main inductance L 1h is significantly larger than the leakage inductances L and L 2 σ '
Figure DE102021205102A1_0005
and plays practically no role in energy transmission, since the transformer 11 is always relieved via the output-side rectifier, which is formed by the vehicle-side converter 2, and the primary-side current flow is thus compensated by the current flow in the vehicle-side (secondary) coil 3. If the equivalent circuit diagram 11e for the transformer 11 is inserted and the variables are combined to form the resulting variables, the circuit diagram according to FIG 4 . The resulting equivalent circuit picture elements are Cres , L σ,res and R res with the voltages u Cres , u Lσ,res and u Rres dropping across them .

Für eine resultierende Gesamtimpedanz ergibt sich dann: Z r e s = R r e s + j ω L σ , r e s j 1 ω C r e s .

Figure DE102021205102A1_0006
The resulting total impedance is then: Z right e s = R right e s + j ω L σ , right e s j 1 ω C right e s .
Figure DE102021205102A1_0006

Je nach relativem Versatz 70 (1) des Fahrzeugs zur Induktionsladevorrichtung bzw. je nach Versatz der Spulen 3, 22 zueinander ergibt sich eine andere unvollständige magnetische Kopplung der Spulen 3, 22 und somit eine andere Streuinduktivität Lσ,res. Für die Resonanzfrequenz kompensieren die Blindanteile in der Gesamtimpedanz einander und der Transformator 11 zeigt ein ohmsches Verhalten.Depending on the relative offset 70 ( 1 ) of the vehicle to the inductive charging device or depending on the offset of the coils 3, 22 to one another, there is a different incomplete magnetic coupling of the coils 3, 22 and thus a different leakage inductance L σ,res . The reactive components in the total impedance compensate each other for the resonant frequency and the transformer 11 shows an ohmic behavior.

In der 5 ist schematisch eine Ausgangsspannung uout, des Resonanzwandlers im Verhältnis zur Eingangsspannung uin des Resonanzwandlers für drei verschiedene Lastwiderstände Rl über der (Betriebs-)Frequenz ƒ dargestellt. Bei der Übertragung zeigt sich eine hohe Sensitivität in Bezug auf die Wahl der Ansteuerungsfrequenz f, welche möglichst dicht an der Resonanzfrequenz ƒr des resultierenden Reihenschwingkreises gewählt werden sollte, da dies den Energietransfer zum Fahrzeug maximiert.In the 5 is a schematic representation of an output voltage u out of the resonant converter in relation to the input voltage u in of the resonant converter for three different load resistances R l over the (operating) frequency ƒ. During transmission, there is a high level of sensitivity with regard to the selection of the control frequency f, which should be chosen as close as possible to the resonant frequency ƒ r of the resulting series resonant circuit, as this maximizes the energy transfer to the vehicle.

Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Systems 1 zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe wie in den vorangegangenen Figuren. In dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Bestimmen der Resonanzfrequenz ƒr (5) zumindest eine fahrzeugseitige Zwischenkreisspannung uZK1, ein fahrzeugseitiger Wandlerstrom i1, eine netzseitige Zwischenkreisspannung uZK2 und ein netzseitiger Wandlerstrom i2 überabgetastet erfasst werden, wobei die erfassten Größen über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 15 zumindest in eine Richtung zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz ausgetauscht werden.the 6 shows a further embodiment of the system 1 for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network. The same reference symbols denote the same features and terms as in the previous figures. In this embodiment it is provided that to determine the resonant frequency ƒ r ( 5 ) at least one vehicle-side intermediate circuit voltage u ZK1 , one vehicle-side converter current i 1 , one mains-side intermediate circuit voltage u ZK2 and one mains-side converter current i 2 are oversampled, with the recorded variables being exchanged via a wireless communication link 15 at least in one direction between the vehicle and the supply network .

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-side converter 21, a voltage u 1 at the line-side coil 22, an intermediate circuit current i ZK2 of a vehicle-side intermediate circuit, a voltage u 20 at half-bridges of the vehicle-side Converter 2 and/or a voltage u 2 at the vehicle-side coil 3 are oversampled and evaluated.

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 converters 3, 21.

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-programmable gate array 30, 31. The field-programmable gate arrays 30, 31 enable high-frequency signal detection and signal processing on both sides. In this case, high-frequency means in particular that a sampling frequency is significantly higher (factor 5, 10, 100, etc.) than a modulation frequency of the converters 2, 21. The variables are digitized in particular by means of an analog/digital converter 32, 33 and the respective field-programmable gate array 30 , 31 fed directly.

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 (1) der Induktionsladevorrichtung 20 bzw. in der Steuereinrichtung 4 (1) des Fahrzeugs 50 ausgebildet. Die feldprogrammierbaren Gatterfelder 30, 31 können aufgrund ihrer Architektur sehr effizient große Datenmengen simultan, d.h. parallel, verarbeiten und eignen sich daher besonders für eine Signalauswertung der hochfrequent (überabgetastet) erfassten und an den Analog/Digitalwandlern 32, 33 gewandelten Größen. In der System-on-Chip-Architektur erfüllt der Digitale Signalprozessor 36, 37 hingegen sequentielle Aufgaben, beispielsweise eine Verwaltung von State-Machines oder eine Außen- bzw. Chip-to-X-Kommunikation. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Digitale Signalprozessor 36, 37 das jeweilige feldprogrammierbare Gatterfeld 30, 31 zur Laufzeit umprogrammieren kann, sodass eine Signalauswertung im feldprogrammierbaren Gatterfeld 30, 31 angepasst werden kann.The field-programmable gate arrays 30, 31 can in particular be part of a respective system-on-chip 34, 35 (SoC), in which the field-programmable gate arrays 30, 31 each have a digital signal processor 36, 37 (digital signal processor, DSP) on a chip are integrated, with a high data rate between the field-programmable gate arrays 30, 31 and the respective digital signal processors 36, 37 being achieved. The system-on-chips 34, 35 are in the control device 23 ( 1 ) of the inductive charging device 20 or in the control device 4 ( 1 ) of the vehicle 50 is formed. Due to their architecture, the field-programmable gate arrays 30, 31 can process large amounts of data simultaneously, ie in parallel, very efficiently and are therefore particularly suitable for signal evaluation of the variables detected at high frequency (oversampled) and converted at the analog/digital converters 32, 33. In contrast, in the system-on-chip architecture, the digital signal processor 36, 37 performs sequential tasks, for example management of state machines or external or chip-to-X communication. Furthermore, it can be provided that the digital signal processor 36, 37 can reprogram the respective field-programmable gate array 30, 31 at runtime, so that a signal evaluation in the field-programmable gate array 30, 31 can be adjusted.

Die Überabtastung ist schematisch in der 7 verdeutlicht. Dargestellt sind Modulationssignale von Leistungshalbleitern der Halbbrücken auf der Netzseite über der Zeit t sowie ein resultierender Strom ires, die Spannung uLσ,res und die Spannung uC,res, jeweils über der Zeit t. Im Resonanzfall (d.h. beim Betrieb bei der Resonanzfrequenz) kompensiert die Spannung uC,res die Spannung uLσ,res der Streuinduktivität. Eine üblicherweise verwendete Standardabtastung realisiert im Gegensatz zur Überabtastung nur wenige Messungen pro Ansteuerungs- bzw. Modulationsperiode TS, meistens in Bezug auf die zeitlichen Mitten der Modulationsperiode, sodass nur die Spitzen und Nulldurchgänge des resultierenden Stroms ires erfasst werden (vgl. 7, Zeitraum von 0 bis TS). Die Überabtastung erfasst dagegen deutlich hochfrequenter den Verlauf von ires (vgl. 7, Zeitraum von TS bis 2TS). Insbesondere wird um den Faktor 10 bis 1000 häufiger erfasst. Durch die höhere Anzahl an Messwerten kann ein Messrauschen reduziert werden, sodass Nulldurchgänge und eine Frequenz besser bestimmt werden können. Außerdem treten aufgrund der hochfrequenten Abtastung keine durch Oberschwingungsanteile im Signal hervorgerufene Alias-Effekte auf.The oversampling is shown schematically in 7 clarified. Modulation signals from power semiconductors of the half-bridges on the grid side are shown over time t and a resulting current ires, the voltage u Lσ,res and the voltage u C,res , each over time t. In the case of resonance (ie when operating at the resonance frequency), the voltage u C,res compensates the voltage u Lσ,res of the leakage inductance. In contrast to oversampling, standard sampling that is commonly used implements only a few measurements per activation or modulation period T S , mostly in relation to the time centers of the modulation period, so that only the peaks and zero crossings of the resulting current ires are recorded (cf. 7 , period from 0 to T S ). Oversampling, on the other hand, captures the course of i res at a significantly higher frequency (cf. 7 , period from T S to 2T S ). In particular, it is recorded more frequently by a factor of 10 to 1000. The higher number of measured values can reduce measurement noise, so that zero crossings and a frequency can be better determined. In addition, due to the high-frequency sampling, there are no alias effects caused by harmonic components in the signal.

Es kann vorgesehen sein, dass in den Wandlern 2, 21 (6) aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels einer Totzeitkompensation kompensiert werden. Die Totzeitkompensation erfolgt insbesondere ebenfalls mittels der System-on-Chips 34, 35, wobei diese hierfür insbesondere jeweils einen Modulationsblock 38, 39 (6) zum Ansteuern der Leistungshalbleiter der Wandler 2, 21 aufweisen, in denen jeweils auch die Totzeitkompensation realisiert ist. Die Totzeitkompensation erlaubt es insbesondere, in Echtzeit die realen Spannungen u10, u20 an den Ausgängen der Wandler 2, 21 zu schätzen und bereitzustellen.It can be provided that in the converters 2, 21 ( 6 ) Dead time effects occurring due to switching delay times can be compensated for by means of dead time compensation. The dead time compensation also takes place in particular by means of the system-on-chips 34, 35, these in particular having a modulation block 38, 39 ( 6 ) for driving the power semiconductors of the converters 2, 21, in each of which the dead time compensation is also implemented. The dead time compensation makes it possible in particular to estimate and provide the real voltages u 10 , u 20 at the outputs of the converters 2 , 21 in real time.

Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Streuinduktivität des Resonanzwandlers 10 (6) ausgehend von den überabgetastet erfassten Größen geschätzt wird, wobei die Resonanzfrequenz ƒr ausgehend von der geschätzten Streuinduktivität bestimmt wird. Dies wird nachfolgend erläutert.Furthermore, it can be provided that a leakage inductance of the resonant converter 10 ( 6 ) is estimated on the basis of the oversampled quantities, with the resonant frequency ƒ r being determined on the basis of the estimated leakage inductance. This is explained below.

Aufgrund der Topologie des Resonanzwandlers 10 (4 und 6) können folgende Gleichungen zur Modellierung herangezogen werden: u 10 = R r e s 1 i 1 + 1 C r 1 i 1 d t + L 1 d d t i 1 u ¨ M d d t i 2

Figure DE102021205102A1_0007
u 20 = R r e s 2 i 2 1 C r 2 i 2 d t + L 2 d d t i 2 + u ¨ M d d t i 1
Figure DE102021205102A1_0008
Due to the topology of the resonant converter 10 ( 4 and 6 ) the following equations can be used for modelling: and 10 = R right e s 1 i 1 + 1 C right 1 i 1 i.e t + L 1 i.e i.e t i 1 and ¨ M i.e i.e t i 2
Figure DE102021205102A1_0007
and 20 = R right e s 2 i 2 1 C right 2 i 2 i.e t + L 2 i.e i.e t i 2 + and ¨ M i.e i.e t i 1
Figure DE102021205102A1_0008

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 = R12R2. 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 converters 2, 21 or the half-bridges of the converters 2, 21, R res the respective resulting series resistance, L 1 the self-inductance of the coil 22 on the primary side (in the examples shown the mains side) and L 2 the self-inductance of the coil 3 on the secondary side (the vehicle side in the examples shown) and M the magnetic coupling. The resulting series resistance R res1 related to the primary side of the transformer is given as R res1 = R 12 R 2 . The value R res2 also results analogously from the impedance transformation based on the ratio of the number of turns. The magnetic coupling M between the primary and secondary side results from geometric variables with regard to the spatial magnetic field distribution.

Die Größen L1, L2 und M sind unbekannt. Rres kann temperaturabhängig nachgeführt oder auch identifiziert werden. Hierzu können beispielsweise Temperatursensoren 6, 16 (6) in den jeweiligen Leistungselektroniken auf Netzseite und auf Fahrzeugseite verwendet werden. Rres kann dann ausgehend von einer empirisch bestimmten Kennlinie oder mittels eines Beobachters geschätzt werden.The quantities L 1 , L 2 and M are unknown. R res can be tracked or identified as a function of temperature. For this purpose, for example, temperature sensors 6, 16 ( 6 ) are used in the respective power electronics on the mains side and on the vehicle side. R res can then be estimated based on an empirically determined characteristic or by means of an observer.

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 d d t i 1

Figure DE102021205102A1_0009
und d d t i 2
Figure DE102021205102A1_0010
bestimmt werden.Due to the oversampling, the curves of i 1 and i 2 can be recorded precisely. With the help of, for example, a regression analysis and a spline interpolation, the temporal derivations of the currents i.e i.e t i 1
Figure DE102021205102A1_0009
and i.e i.e t i 2
Figure DE102021205102A1_0010
to be determined.

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 (6) ausgetauscht. Über die Kommunikationsverbindung 15 wird zu Anfang des Verfahrens, das heißt, insbesondere gleich nachdem das Fahrzeug an der Induktionsladevorrichtung angeordnet wurde, eine Synchronisation der jeweiligen Zeitbasen durchgeführt.Since the control devices 4, 23 on both sides require values from the other side, the recorded values are provided in particular with a time stamp on a synchronized time base and are transmitted via a fast communication link 15 ( 6 ) exchanged. The respective time bases are synchronized via the communication connection 15 at the start of the method, that is to say in particular immediately after the vehicle has been arranged on the inductive charging device.

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: L σ 1 = L 1 u ¨ M

Figure DE102021205102A1_0011
L σ 2 = L 2 M u ¨
Figure DE102021205102A1_0012
L σ , r e s = L σ 1 + u ¨ 2 L σ 2
Figure DE102021205102A1_0013
The leakage inductances can be determined from the variables identified: L σ 1 = L 1 and ¨ M
Figure DE102021205102A1_0011
L σ 2 = L 2 M and ¨
Figure DE102021205102A1_0012
L σ , right e s = L σ 1 + and ¨ 2 L σ 2
Figure DE102021205102A1_0013

Mit Hilfe von: Z r e s = R r e s + j ω L σ , r e s j 1 ω C r e s

Figure DE102021205102A1_0014
und der resultierenden Kapazität Cres= C1+ ü2C2 kann die Resonanzfrequenz ƒ r = ω r 2 π
Figure DE102021205102A1_0015
bestimmt werden, indem die Kreisfrequenz ω so gewählt wird, dass die letzten beiden Summanden einander kompensieren, dies ergibt: ƒ r = 1 2 π L σ , r e s C r e s
Figure DE102021205102A1_0016
With the help of: Z right e s = R right e s + j ω L σ , right e s j 1 ω C right e s
Figure DE102021205102A1_0014
and the resulting capacitance C res = C 1 + ü 2 C 2 can be the resonant frequency ƒ right = ω right 2 π
Figure DE102021205102A1_0015
can be determined by choosing the angular frequency ω in such a way that the last two summands compensate each other, this results in: ƒ right = 1 2 π L σ , right e s C right e s
Figure DE102021205102A1_0016

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 converters 2, 21 are then operated on the vehicle side and/or on the network side with the specific resonant frequency ƒ r in that the control devices 4, 23 activate the respective power semiconductors T x accordingly.

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 resonance converter 10 is always operated at the resonant frequency ƒ r .

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 resonance converter 10 to be excited by at least one test pulse before starting the inductive energy transmission, with the resonance frequency ƒ r being determined on the basis of an oscillation caused by the at least one test pulse. For example, the resonant frequency ƒ r can be determined by determining the zero crossings of the vibration caused. Provision can also be made for a Fourier transformation and a frequency analysis to be carried out to determine the resonant frequency fr.

In 8 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug und einem Versorgungsnetz gezeigt. Das Verfahren wird mittels eines aus einem Fahrzeug und einer Induktionsladevorrichtung ausgebildeten Systems ausgeführt.In 8th a schematic flowchart of an embodiment of the method for inductive energy transmission between a vehicle and a supply network is shown. The method is carried out using a system made up of a vehicle and an inductive charging device.

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 measure 100, a coil on the vehicle side is arranged on a coil on the mains side arranged outside the vehicle, for example by driving the vehicle manually or automatically into a charging position in a charging parking space.

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 measure 101, a resonant frequency of a resonant converter formed by the coils arranged one on top of the other, a vehicle-side converter connected to the vehicle-side coil and a line-side converter connected to the line-side coil is determined.

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 measure 102, the converters on the vehicle side and/or on the network side are controlled in such a way that the resonant converter is operated at the specific resonant frequency during the inductive energy transmission.

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 measure 101, a measure 101a can provide for the resonant converter to be excited by at least one test pulse before starting the inductive energy transmission, with the resonant frequency being determined on the basis of an oscillation caused by the at least one test pulse.

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 measure 101, a measure 101b can be provided as an alternative or in addition In order to determine the resonant frequency, at least one vehicle-side intermediate circuit voltage, one vehicle-side converter current, one line-side intermediate circuit voltage and one line-side converter current are recorded in an oversampled manner to determine the resonant frequency, with the variables recorded being exchanged via a wireless communication link at least in one direction between the vehicle and the supply network.

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.Measure 101b provides for a leakage inductance of the resonant converter to be estimated on the basis of the oversampled variables, with the resonance frequency being determined on the basis of the estimated leakage inductance.

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, measure 101b can also provide for a vehicle-side temperature and a mains-side temperature of the resonant converter to be detected using temperature sensors, with a series resistance of the resonant converter being estimated from the detected temperatures and taken into account when estimating the leakage inductance.

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 measure 103 can provide for the vehicle to be moved automatically in order to change the arrangement of the coils relative to one another in such a way that the leakage inductance is minimized or is minimized. To this end, measures 101b and 103 are repeated until the leakage inductance is minimized. Provision can also be made here for the leakage inductance to be determined for a number of positions of the vehicle in order to determine a minimum in a position-dependent profile of the values. The vehicle is then driven to the minimum position.

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

Claims (10)

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.Method for inductive energy transmission between a vehicle (50) and a supply network (60), wherein a vehicle-side coil (3) is arranged on a network-side coil (22) outside the vehicle (50), with a resonant frequency (ƒ r ) of a the coils (3, 22) arranged one on top of the other, 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 Converter (2,21) are controlled on the vehicle side and/or the network side in such a way that the resonant converter (10) is operated at the specific resonant frequency (ƒ r ) during the inductive energy transmission. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Resonanzfrequenz (ƒr) zumindest eine fahrzeugseitige Zwischenkreisspannung (uZK2), ein fahrzeugseitiger Wandlerstrom (u20), eine netzseitige Zwischenkreisspannung (uZK1) und ein netzseitiger Wandlerstrom (u10) überabgetastet erfasst werden, wobei die erfassten Größen über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (15) zumindest in eine Richtung zwischen dem Fahrzeug (50) und dem Versorgungsnetz ausgetauscht werden.procedure after claim 1 , characterized in that to determine the resonant frequency (ƒ r ) at least one vehicle-side intermediate circuit voltage (u ZK2 ), one vehicle-side converter current (u 20 ), one mains-side intermediate circuit voltage (u ZK1 ) and one mains-side converter current (u 10 ) are oversampled, wherein the detected variables are exchanged at least in one direction between the vehicle (50) and the supply network via a wireless communication link (15). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wandlern (2,21) aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels einer Totzeitkompensation kompensiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that dead-time effects occurring in the converters (2, 21) due to switching delay times are compensated for by means of dead-time compensation. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuinduktivität (Lσ,res) des Resonanzwandlers (10) ausgehend von den überabgetastet erfassten Größen geschätzt wird, wobei die Resonanzfrequenz (ƒr) ausgehend von der geschätzten Streuinduktivität (Lσ,res) bestimmt wird.Procedure according to one of claims 2 or 3 , characterized in that a leakage inductance (L σ,res ) of the resonance converter (10) is estimated based on the oversampled detected variables, the resonance frequency (ƒ r ) based on the estimated leakage inductance (L σ,res ) being determined. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine fahrzeugseitige Temperatur und eine netzseitige Temperatur des Resonanzwandlers (10) mittels Temperatursensoren (6,16) erfasst werden, wobei ein Serienwiderstand (Rres) des Resonanzwandlers (10) ausgehend von den erfassten Temperaturen geschätzt und beim Schätzen der Streuinduktivität (Lσ,res) berücksichtigt wird.procedure after claim 4 , characterized in that a vehicle-side temperature and a network-side temperature of the resonant converter (10) are detected by means of temperature sensors (6,16), a series resistance (R res ) of the resonant converter (10) being estimated on the basis of the detected temperatures and when estimating the leakage inductance (L σ,res ) is taken into account. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (50) automatisiert verfahren wird, um eine Anordnung der Spulen (3,22) zueinander derart zu verändern, dass die Streuinduktivität (Lσ,res) minimiert wird oder minimiert ist.procedure after claim 4 or 5 , characterized in that the vehicle (50) is moved automatically in order to change an arrangement of the coils (3,22) relative to one another in such a way that the leakage inductance (L σ, res ) is minimized or is minimized. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the resonance converter (10) is excited by at least one test pulse before starting the inductive energy transmission, the resonance frequency (ƒ r ) being determined on the basis of an oscillation caused by the at least one test pulse. Fahrzeug (50), umfassend: einen fahrzeugseitigen Wandler (2), eingerichtet zum Wandeln zumindest einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, eine fahrzeugseitige Spule (3), die elektrisch mit dem fahrzeugseitigen Wandler (2) verbunden ist und die dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, dass die fahrzeugseitige Spule (3) zum Ausbilden eines Resonanzwandlers (10) an einer außerhalb des Fahrzeugs (50) angeordneten netzseitigen Spule (22) angeordnet werden kann, und eine Steuereinrichtung (4), wobei die Steuereinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, eine Resonanzfrequenz (ƒr) eines derart ausgebildeten Resonanzwandlers (10) zu bestimmen oder zu erhalten und den Wandler (2) derart anzusteuern, dass der Resonanzwandler (10) während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz (ƒr) betrieben wird.Vehicle (50), comprising: an on-board converter (2) set up for converting at least one AC voltage into a DC voltage, an on-board coil (3) which is electrically connected to the on-board converter (2) and which is set up and arranged for this purpose that the coil (3) on the vehicle side can be arranged on a mains-side coil (22) arranged outside the vehicle (50) to form a resonant converter (10), and a control device (4), the control device (4) being set up for this purpose, to determine or obtain a resonant frequency (ƒ r ) of a resonant converter (10) designed in this way and to control the converter (2) in such a way that the resonant converter (10) is operated at the determined resonant frequency (ƒ r ) during the inductive energy transmission. Induktionsladevorrichtung (20) für ein Versorgungsnetz (60), umfassend: einen netzseitigen Wandler (21), eingerichtet zum Wandeln zumindest einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, eine netzseitige Spule (22), die elektrisch mit dem netzseitigen Wandler (21) verbunden ist und die dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, dass die netzseitige Spule (22) zum Ausbilden eines Resonanzwandlers (10) an einer in oder an einem Fahrzeug (50) angeordneten fahrzeugseitigen Spule (3) angeordnet werden kann, und eine Steuereinrichtung (23), wobei die Steuereinrichtung (23) dazu eingerichtet ist, eine Resonanzfrequenz (ƒr) eines derart ausgebildeten Resonanzwandlers (10) zu bestimmen oder zu erhalten und den netzseitigen Wandler (21) derart anzusteuern, dass der Resonanzwandler (10) während der induktiven Energieübertragung mit der bestimmten Resonanzfrequenz (ƒr) betrieben wird.Induction charging device (20) for a supply network (60), comprising: a network-side converter (21), set up for converting at least one DC voltage into an AC voltage, a network-side coil (22) which is electrically connected to the network-side converter (21) and which is set up and arranged in such a way that the mains-side coil (22) can be arranged on a vehicle-side coil (3) arranged in or on a vehicle (50) to form a resonance converter (10), and a control device (23), wherein the Control device (23) is set up to determine or obtain a resonant frequency (ƒ r ) of a resonant converter (10) designed in this way and to control the line-side converter (21) in such a way that the resonant converter (10) has the determined resonant frequency during the inductive energy transmission (ƒ r ) is operated. System (1) zur induktiven Energieübertragung zwischen einem Fahrzeug (50) und einem Versorgungsnetz (60), umfassend ein Fahrzeug (50) nach Anspruch 8 und eine Induktionsladevorrichtung (20) nach Anspruch 9.System (1) for inductive energy transmission between a vehicle (50) and a supply network (60), comprising a vehicle (50). claim 8 and an inductive charging device (20). claim 9 .
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