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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation für das induktive Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, die elektronische Spule mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Ladestation.
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Ladestationen für das induktive Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sind dem Grunde nach bekannt. Sie dienen dazu, ein elektrisch antreibbares Fahrzeug während eines Ladebetriebs mit Energie zu versorgen, um damit dessen Energiespeicher, gemeinhin als Batterie bezeichnet, aufzuladen. Dabei passiert die energietechnische Kopplung induktiv, also drahtlos, durch die induktive Kopplung zweier elektronischer Spulen, von denen eine der Ladestation zugeordnet ist und die andere Teil des Fahrzeugs ist. Die Ladestation ist dafür an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an das öffentliche Energieversorgungsnetz, an einen elektrischen Generator, an eine Batterie oder dergleichen angeschlossen. Sie erzeugt unter Aufnahme elektrischer Energie der Energiequelle ein magnetisches Wechselfeld. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfasst mittels seiner elektronischen Spule das magnetische Wechselfeld, entnimmt diesem Energie und stellt elektrische Energie fahrzeugseitig bereit. Solche Anordnungen sind beispielsweise aus der
KR 10 2012 0016521 A bekannt.
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Die Eigenschaften des aus den beiden elektronischen Spulen gebildeten Transformators werden stark vom Abstand der elektronischen Spulen und von dem vorliegenden horizontalen Versatz beeinflusst. Bei einer induktiven Ladestation sind diese Eigenschaften variabel, da das parkende Auto die sekundäre Spule enthält und der Abstellort und auch der Abstand der sekundären Spule vom Boden nicht genau festlegbar sind. Unter anderem wird dadurch die Resonanzfrequenz der primärseitigen, also ladestations-seitigen Schaltung beeinflusst. Durch normative Vorgaben ist jedoch eine Variation der Arbeitsfrequenz stark eingeschränkt. Aus der
US 2010/026747 A1 ist bekannt, zur Kompensation der genannten Einflüsse und letztlich zur Konstanthaltung der Frequenz Kompensationsschaltungen zu verwenden. Diese Kompensationsschaltungen umfassen variable Bauelemente, beispielsweise variable Kondensatoren und/oder variable Induktivitäten.
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Eine variable Induktivität im Sinne einer Veränderung des Induktivitätswertes über das Periodenmittel gesehen kann beispielsweise mittels einer Art von Phasenanschnitt-Steuerung erreicht werden, wie aus der
US 9755576 B2 bekannt. Das erfordert aber ein steuerbares, bidirektional sperrendes Element im Arbeitsstrompfad. Dieses Element muss dann für sowohl die auftretende Spannung, die oft mehr als 1 kV beträgt, als auch für den Strom ausgelegt sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch eine geschickte Dimensionierung eine partielle Sättigung gewollter Engstellen im magnetischen Kreis durch den Arbeitsstrom zu erreichen. Dies führt zwar auch zu einer Veränderung des Induktivitätswertes, ist allerdings nicht unabhängig vom Arbeitsstrom steuerbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive Ladestation mit einer Kompensationsschaltung mit einem Bauelement mit variabler Induktivität anzugeben, mit der die eingangs genannten Nachteile vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb der Ladestation anzugeben.
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Als Lösung schlägt die Erfindung eine Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch Merkmale und Eigenschaften der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug umfasst einen Anschluss für eine elektrische Energiequelle, eine Steuereinrichtung, einen Wechselrichter sowie eine an den Wechselrichter angeschlossene elektronische Spule zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
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Dabei ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, die elektronische Spule mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Die elektronische Spule wiederum ist über eine Kompensationsschaltung an den Wechselrichter angeschlossen, wobei die Kompensationsschaltung ein einstellbares induktives Bauelement aufweist.
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Das einstellbare induktive Bauelement umfasst eine auf einem magnetischen Kern angeordnete und in den Strompfad der Wechselspannung geschaltete Wicklung. Weiterhin umfasst es eine im Luftspalt des magnetischen Kerns auf einem zweiten magnetischen Kern angeordnete zweite Wicklung. Dabei ist die zweite Wicklung mit einer Hilfsstromversorgung verbunden, die ausgestaltet ist, die zweite Wicklung mit einer Hilfsspannung zu versorgen, die einen DC-Anteil aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bezieht die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle und erzeugt mittels eines Wechselrichters und einer über eine Kompensationsschaltung an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule eine elektrische Wechselspannung, mittels der die elektronische Spule ein magnetisches Wechselfeld zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs bereitstellt. Die Induktivität eines einstellbaren induktiven Bauelements der Kompensationsschaltung wird dabei durch Anlegen einer Hilfsspannung eingestellt, wobei die Hilfsspannung einen DC-Anteil aufweist.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass ein einstellbares induktives Element geschaffen werden kann, indem eine partielle Sättigung des magnetischen Kreises vorgenommen wird. Allerdings wird hier die partielle Sättigung nicht durch den Arbeitsstrom selbst, also den durch die Wechselspannung ausgelösten Stromfluss in der Wicklung hervorgerufen, sondern durch eine getrennt davon einstellbare DC-Vormagnetisierung eines kleinen Teiles des magnetischen Kreises. Diese Vormagnetisierung wird durch das Einführen der zweiten Wicklung im Luftspaltbereich ermöglicht. Die zweite Wicklung wird mit einem Strom beaufschlagt, der einen DC-Anteil aufweist und zweckmäßig ein reiner DC-Strom ist, um im Kern einen DC-Bias des Flusses zu erreichen.
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Dieser DC-Bias führt dazu, dass auf der B-H-Kurve des Materials, beispielsweise Ferrit N87, der Startpunkt des AC-Flusses lokal in den Sättigungsbereich verlegt wird. Dadurch wirkt lokal eine andere Flussdichte, die wiederum lokal eine andere Permeabilität hervorruft und somit die Gesamtinduktivität verringert. Über die Höhe des DC-Bias ist auch die Steigung (Permeabilität) und damit Induktivität in einem gewissen Bereich einstellbar.
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Gegenüber bekannten Ausgestaltungen einer variablen Induktivität wird bei der Erfindung vorteilhaft kein steuerbares, bidirektional sperrendes und für hohe Spannungen ausgelegtes Element im Arbeitsstrompfad für die Veränderung der Induktivität benötigt. Dies führt zu einer Verringerung des nötigen Hardwareeinsatzes und der Verluste. Weiterhin ist durch die Entkopplung von Sättigung und Arbeitsstrom die arbeitspunktunabhängige Regelung des Induktivitätswertes möglich. Dadurch wird insgesamt eine verbesserte Steuerung und Regelung erreicht, mit der die normativen Vorgaben hinsichtlich der Arbeitsfrequenz bei der induktiven Ladung eingehalten werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladestation gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Ladestation noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die Frequenz der Wechselspannung in einem Frequenzband zu halten, insbesondere die Frequenz konstant zu halten. Dies kann insbesondere durch normative Vorgaben erforderlich sein.
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Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, den Wirkungsgrad der induktiven Übertragung und/oder die induktiv übertragene Leistung durch Einstellung der Hilfsspannung zu maximieren. Hierfür kann beispielsweise zu Beginn eines Ladevorgangs die angelegte Hilfsspannung iterativ gesteigert oder gesenkt werden, bis ein maximaler Wirkungsgrad oder eine maximale übertragene Leistung erreicht ist oder der Stellbereich der Hilfsspannung erschöpft ist.
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Die Hilfsspannung kann eine DC-Spannung sein, das heißt sie weist keinen beabsichtigten AC-Anteil auf. Dadurch ist am besten vorhersehbar, welche Änderung der Induktivität sich ergibt. Ein AC-Anteil der Hilfsspannung ist unerwünscht.
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Der magnetische Kern kann ein Ferrit-Kern sein und beispielsweise als EE-Kern aufgebaut sein. Der zweite magnetische Kern ist bevorzugt im Luftspalt des zentralen E-Arms angeordnet. Er kann diesen Luftspalt beispielsweise ausfüllen. Der zweite magnetische Kern kann ebenfalls als EE-Kern ausgeführt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite magnetische Kern ein Material aufweist, das eine höhere Sättigungsflussdichte als das Material des magnetischen Kerns aufweist. Insbesondere kann der zweite magnetische Kern aus diesem Material bestehen. Beispielsweise kann der zweite magnetische Kern aus einem nanokristallinen Material wie beispielsweise kOr 120 bestehen. Bei solchen Materialien ist eine deutlich höhere Flussdichte nötig, um eine Veränderung der Permeabilität hervorzurufen. Dies hat den Vorteil, dass der Arbeitsstrom eine wesentlich höhere AC-Aussteuerung aufweisen kann, ohne eine deutliche Änderung der Permeabilität im zweiten magnetischen Kern zu bewirken. Dadurch ist es möglich, den Magnetkreis als Ganzes effizienter auszulegen und somit Kosten und Material einzusparen. Zudem ist ein höherer Stellbereich des Induktivitätswertes zu erwarten.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisiertes Schaltbild einer Ladestation in drahtloser energietechnischer Kopplung mittels eines Magnetfeldes mit einer dazu passenden Empfangsschaltung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs während eines Ladebetriebs,
- 2 ein Bauelement mit variabler Induktivität,
- 3 einen Ausschnitt aus einem B-H-Diagramm eines Ferritmaterials.
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1 zeigt eine Ladestation 10 zur elektrischen Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. 1 zeigt weiterhin eine beispielhafte Empfangsschaltung 60, die ein Teil eines solchen Fahrzeugs ist und induktiv mit der Ladestation 10 gekoppelt ist.
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Die Ladestation 10 umfasst dabei einen Wechselrichter 11, der eingangsseitig an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, beispielsweise einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 14.
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Die Gleichspannungsquelle kann ihrerseits beispielsweise aus dem Versorgungsnetzwerk gespeist werden, wobei ein Anschluss an ein Ortsnetz oder aber auch an eine Mittelspannungsquelle möglich ist.
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Der Wechselrichter 11 umfasst eine Vollbrücke mit vier Leistungshalbleiter-Schaltern 12. Dabei bilden je zwei der Schalter 12 eine Serienschaltung und die beiden Serienschaltungen sind ihrerseits parallel geschaltet. Die Ausgänge 13 des Wechselrichters 11 sind durch die Potentialpunkte zwischen den seriell geschalteten Schaltern 12 gebildet.
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Ein erster der Ausgänge 13 ist über ein erstes variables induktives Bauelement L1 mit einem ersten Knotenpunkt 15 verbunden. Der zweite der Ausgänge 13 ist über ein zweites variables induktives Bauelement L2 mit einem zweiten Knotenpunkt 16 verbunden. Zwischen den ersten und zweiten Knotenpunkt 15, 16 ist ein erstes kapazitives Bauelement 18 geschaltet. Parallel zum ersten kapazitiven Bauelement 18 ist eine Serienschaltung aus einem zweiten kapazitiven Bauelement 19, einer Spule 20 und einem dritten kapazitiven Bauelement 21 geschaltet.
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Die Spule 20 bewirkt die induktive Kopplung zu einer fahrzeugseitigen Spule 61, sofern eine solche vorhanden ist, also sofern ein Fahrzeug im Bereich der Ladestation geparkt ist. Die fahrzeugseitige Spule 61 ist in eine Serie mit einem vierten, fünften und sechsten kapazitiven Bauelement 62, 63, 64 geschaltet. Ein dritter Knotenpunkt 65 ist zwischen dem vierten und fünften kapazitiven Bauelement 62, 63 gebildet und ein vierter Knotenpunkt 66 ist zwischen dem fünften und sechsten kapazitiven Bauelement 63, 64 gebildet. Die kapazitiven Bauelemente 62, 63, 64 können einzelne Kondensatoren oder auch Netzwerke von mehreren Kondensatoren sein.
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Der dritte und vierte Knotenpunkt 65, 66 sind jeweils über eine variable Kapazität 67, 68 und ein LC-Filter 69, 70 mit einem fünften beziehungsweise sechsten Knotenpunkt 71, 72 verbunden. Der fünften und sechsten Knotenpunkt 71, 72 bilden die Eingangspunkte eines in diesem Fall passiven Gleichrichters mit vier in bekannter Weise zusammengeschalteten Dioden 73. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter an einen Glättungskondensator 74 und den Akkumulator des Fahrzeugs 75 angeschlossen.
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Insgesamt bildet das Ladesystem aus Ladestation 10 und Empfangsschaltung 60 also eine DC/DC-Wandlerstruktur mit galvanischer Trennung, wobei die Eigenschaften des Transformators aus den beiden Spulen 20, 61 weitläufig variieren können durch die Parkposition des Fahrzeugs und seine baulichen Eigenschaften.
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Normative Vorschriften bedingen, dass eine in 1 nicht dargestellte Steuervorrichtung in diesem Beispiel die Leistungshalbleiter-Schalter 12 mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz ansteuern. Eine Einstellung des Wirkungsgrads der induktiven Übertragung mittels einer Veränderung der Frequenz ist daher in diesem Beispiel ausgeschlossen. Daher findet die Wahl eines optimalen Punkts der Übertragungsfunktion hier mittels der variablen induktiven Bauelemente L1, L2 statt.
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Der Aufbau der variablen induktiven Bauelemente L1, L2 ist in 3 schematisch dargestellt. Das variable induktive Bauelement L1, L2 basiert auf einem ersten magnetischen Kern 31 mit Luftspalt 32. Der erste magnetische Kern 31 ist als EE-Kern ausgestaltet und trägt um die mittleren Arme 311 die Hauptwicklung 33. Die Hauptwicklung 33 ist in den Strompfad des Wechselstroms geschaltet wie in 1 ersichtlich. Im Luftspalt 32 im Bereich der mittleren Arme 311 ist ein zweiter magnetischer Kern 35 angeordnet. Der zweite magnetische Kern 35 ist ebenfalls ein EE-Kern, der in der Größe an die Größe des Luftspalts 32 angepasst ist, sodass er in diesem Platz findet. Der zweite magnetische Kern 35 weist dabei bevorzugt keinen Luftspalt auf und füllt den Luftspalt 32 im Bereich der mittleren Arme 311 des ersten magnetischen Kerns 31 weitgehend aus. Die mittleren Arme 351 des zweiten magnetischen Kerns 35 tragen eine Hilfswicklung 36. Die Orientierung der Windungen der Hilfswicklung 36 ist in 3 als gleichläufig zur Hauptwicklung 33 dargestellt, das ist aber beliebig wählbar.
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Die Hilfswicklung 36 ist nicht in den Strompfad des Wechselstroms geschaltet, sondern mit einer Hilfsspannungsquelle verbunden, die eine DC-Spannung liefert. Die Höhe der DC-Spannung ist einstellbar. Die Hilfsspannungsquelle kann beispielsweise ein DC/DC-Wandler sein, der an eine anderweitig vorhandene Niederspannungsquelle angeschlossen ist. Mittels der Hilfsspannung kann für die Hilfswicklung 36 ein DC-Bias vorgegeben werden. Dieser DC-Bias führt dazu, dass auf der B-H-Kurve des Materials des zweiten magnetischen Kerns 35 der Startpunkt des AC-Flusses des Arbeitsstroms lokal in den Sättigungsbereich verlegt wird. Dort wirkt nun lokal eine andere Flussdichte, die wiederum lokal eine andere Permeabilität hervorruft und somit die Gesamtinduktivität verringert. Über die Höhe des DC-Bias ist auch die Steigung (Permeabilität) und damit die sich ergebende Induktivität in einem gewissen Bereich einstellbar. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die angelegte AC-Aussteuerung klein genug ist, um nicht auch damit zu gewissen Zeitpunkten eine signifikante Änderung der Permeabilität hervorzurufen.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Magnetisierungskurve für den zweiten magnetischen Kern 35. Verschiedene Werte für den durch die Hilfsspannung vorgegebenen DC-Bias 41...43 legen dabei eine bestimmte Grund-Magnetisierung fest. Der Wechselstrom in der Hauptwicklung sorgt für eine Variation der Magnetisierung, die durch Pfeile angedeutet ist. Es ist erkennbar, dass verschiedene Werte für den DC-Bias für unterschiedliche wirksame Werte der differenziellen Permeabilität sorgen.
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Das Material des zweiten magnetischen Kerns 35 ist frei wählbar und insbesondere können der erste und der zweite magnetische Kern 33, 35 Ferritkerne sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste magnetische Kern 33 ein Ferritkern, der zweite magnetische Kern 35 besteht jedoch aus nanokristallinem kOr 120. Dieses Material hat eine höhere Sättigungsflussdichte als Ferrit. Dadurch sind bei dem zweiten magnetischen Kern 35 deutlich höhere Flussdichten nötig, um eine Veränderung der Permeabilität hervorzurufen als beim magnetischen Kern 31 aus Ferrit. Dies hat den Vorteil, dass nun selbst eine hohe AC-Austeuerung keine große Änderung der Permeabilität nach sich zieht. Die zur Einstellung der gewünschten Induktivität nötige DC-Magnetisierung kann hingegen gezielt eingestellt werden. Dadurch wird die Beschränkung auf eine kleine AC-Amplitude minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladestation
- 11
- Wechselrichter
- 12
- Leistungshalbleiter-Schalter
- 13
- Wechselrichter-Ausgang
- 14
- Gleichspannungs-Zwischenkreis
- 15, 16
- Knotenpunkt
- L1, L2
- einstellbares induktives Bauelement
- 18, 19, 21
- kapazitive Bauelemente
- 20, 61
- Spule
- 31
- magnetischer Kern
- 32
- Luftspalt
- 33
- Wicklung
- 35
- zweiter magnetischer Kern
- 36
- zweite Wicklung
- 60
- Empfangsschaltung
- 62, 63, 64
- kapazitive Bauelemente
- 65, 66
- Knotenpunkt
- 67, 68
- variable Kondensatoren
- 69, 70
- LC-Filter
- 71, 72
- Knotenpunkt
- 73
- Diode
- 74
- Glättungskondensator
- 75
- Akkumulator (Fahrzeugbatterie)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 1020120016521 A [0002]
- US 2010026747 A1 [0003]
- US 9755576 B2 [0004]
