DE10222490A1 - Speiseeinrichtung für ein berührungsfreies induktives Energieübertragungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur verlustarmen Speisung einer Einrichtung für die berührungsfreie induktive Übertragung elektrischer Energie auf bewegte Verbraucher. Die Speiseeinrichtung besteht aus einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Wechselrichter in Halb- oder Vollbrückenschaltung, der eine Rechteckspannung liefert, sowie einem Brückknetzwerk (114), das einen sinusförmigen Wechselstrom mit vom Belastungszustand unabhängiger konstanter Amplitude in die Primärleiterschleife (100) der Energieübertragungseinrichtung speist. Die elektronischen Schalter (107, 108) des Wechselrichters führen einen Wechselstrom mit zur Übertragungsleistung proportionaler Amplitude und werden verlustarm in den Stromnulldurchgängen geschaltet (Fig. 1).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Speiseeinrichtung zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Energie auf bewegte Verbraucher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Bei derartigen Einrichtungen wird ein räumlich ausgedehnter Primärleiter von einem Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 10 kHz-40 kHz gespeist. Das sich räumlich ausbreitende magnetische Wechselfeld induziert in einer dem jeweiligen Verbraucher zugeordneten Sekundär-Spulenanordnung eine Wechselspannung, die zur Bereitstellung der elektrischen Energie genutzt wird. Werden mehrere Verbraucher von einer Primärleiterschleife gespeist, so handelt es sich elektrisch um eine Reihenschaltung der einzelnen Verbraucher. Um die Aufteilung der für jeden Verbraucher individuellen übertragenen Leistung und eine Entkoppelung zwischen den einzelnen Verbrauchern zu gewährleisten, erfolgt die Speisung des Primärleiters mit einem eingeprägten Wechselstrom konstanter Amplitude. Die übertragene Wirkleistung ergibt sich bei diesem Verfahren aus der Spannung, die von den einzelnen Sekundärspulen in den Primärleiter bei Belastung induziert wird. Bei der Anordnung bestehend aus Primärleiterschleife und Sekundär-Spulenanordung handelt es sich prinzipiell um einen Transformator. Zur Steuerung des Leistungsflusses eines jeden Verbrauchers ist es unter Berücksichtigung des eingeprägten primärseitigen Wechselstromes erforderlich, entsprechende Stabilierungsmaßnahmen zu treffen, um z. B. auch bei unterschiedlicher Sekundärbelastung eine Elektrisch bildet die ausgedehnte Primär-Leiterschleife eine Induktivität. Zur Kompensation der für eine Konstantstrom-Speisung erforderlichen Blindleistung werden Kondensatoren vorzugsweise in Reihenschaltung mit der Primär-Leiterschleife betrieben. Bei Abgleich des Reihenkondensators entsprechend der Induktivität der Primärleiterschleife entspricht die Eingangsimpedanz der Primäranordnung der eines ohmschen Widerstandes. Der Wert des Widerstandes variiert und entspricht den ohmschen Verlusten und der an die Sekundärverbraucher übertragenen Wirkleistung.
• In der Schrift U.S. Patent 5,293,308 (Inductive Power Distribution System) wird ein Resonanz-Wechselrichter zur Speisung der Primärleiterschleife beschrieben. Dieser Wechselrichtertyp ist aus der Literatur bekannt. Vorteilhaft ist, dass die Halbleiterschalter, die üblicherweise als MOS-FET oder IGBT ausgeführt sind, im Spannungsnulldurchgang des Resonanzkreises schalten und damit die auftretenden Schaltverluste minimieren. Der Wechselrichter liefert eine zur DC-Speisespannung proportionale Wechselspannungsamplitude, die Frequenz entspricht den für beide Schalter wechselseitigen Steuerimpulsen, die Form der Ausgangsspannung ist sinusförmig. Die Entkoppelung der sinusförmigen Ausgangsspannung von der konstanten Zwischenkreisspannung wird durch eine Zwischenkreisinduktivität gewährleistet.
• Die Regelung einer von der Sekundärbelastung unabhängigen Wechselstromamplitude erfolgt über einen ebenfalls aus der Literatur bekannten Tiefsetzsteller. Sie könnte jedoch auch entsprechend der Beschreibung in anderen Schriften durch Variation der Einschaltdauer der Wechselrichter-Halbleiterschalter erfolgen. Der Vorteil in allen Belastungszuständen niedriger Schaltverluste ginge hierbei jedoch verloren. Um bei 180°-Schaltbetrieb den Resonanzarbeitspunkt auch unter dem Einfluß etwaiger Toleranzen oder Drifteinflüsse sicherzustellen, ist beschrieben, dass entweder die Schaltfrequenz der tatsächlichen Resonanzfrequenz nachgeführt wird oder dass durch Hinzuschalten diskreter Kondensatoren die Resonanzfrequenz an die feste Schaltfrequenz angepaßt wird.
• In den Schriften WO 93/23908 (A Non-Contact Power Distribution System), U.S. Patent 5,619,078 (Primary Inductive Pathway), U.S. Patent 5,831,841 (Contactless Power Distribution System) und EP 0 580 107 B1 (Magnetic Levitation Transport System) wird eine gleichartige Anordnung zur Speisung des Primärstromes beschrieben.
• In der Schrift PCT/WO 99/30402 (Supply of Power to Primary Conductors) werden ebenfalls die Ausführungen von Parallelschwingkreis-Resonanzwechselrichtern in 2-Quadrant und in 4-Quadrant Anordnung beschrieben. Die sinusförmige Ausgangsspannung dieser Primärwechselrichter wird einem Pi-Filter zugeführt, das auf die Frequenz der Primärwechselrichter abgestimmt ist und ausgangsseitig die Primärleiterschleife speist. Durch das Pi-Filter erfolgt eine Impedanzanpassung zwischen Primärwechselrichter und Primärstrecke. Durch entsprechende Dimensionierung der Elemente des Pi-Filters ist es möglich, in die Primärstrecke einen Wechselstrom mit vom Belastungszustand unabhängiger Amplitude einzuprägen. Schaltbare Schwingkreiselemente ermöglichen den exakten Abgleich der Anordnung auf die Schaltfrequenz.
• In der Schrift DE 197 35 624 C1 (Verfahren und Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung auf mehrere bewegte Verbraucher) wird eine Speiseanordnung beschrieben, die aus einem, aus der Literatur bekannten, hart schaltenden 4-Quadrantensteller besteht, der eine rechteckförmige Ausgangsspannung liefert. Die Amplitude der Rechteck-Ausgangsspannung ist konstant. Ihr Wert entspricht dem der speisenden Gleichspannung. Der Effiktivwert der Ausgangs-Rechteckspannung wird durch Änderung der Pulsbreite so geregelt, dass der in der Primärstrecke fließende Strom eine konstante Amplitude aufweist. Zur Reduzierung der Oberschwingungen ist zwischen dem Ausgang des Primärwechselrichters und der Primärstrecke ein L/C-Tiefpaßfilter angeordnet, das auf das grundsätzliche Verhalten der Gesamtanordnung keinen Einfluß ausübt.
• Eine ähnliche Ausführung des Primärwechselrichters jedoch ohne Stromregelung, d. h. mit konstanter Ausgangsspannung ist in der Schrift U.S. Patent 5,341,1994 (Contactless Battery Charging System) beschrieben.
• Bei dem Betrieb von weichschaltenden Parallelschwingkreis-Wechselrichtern ist die genaue Einhaltung des Schaltvorganges im Spannungsnulldurchgang des Parallelschwingkreises schwierig. Ein zu frühes Schalten würde zu hohen Pulsströmen führen, die auf der Entladung des Schwingkreiskondensators über die Freilaufdiode des sperrenden Transistors beruhen. Ein zu spätes Schalten könnte die Vorteile des verlustarmen Schaltens nicht nutzen. Andererseits ist die genaue Einhaltung des Resonanzschaltpunktes schwierig und mit Toleranzen behaftet, da zwei bzw. drei Resonanzkreise zu berücksichtigen sind:
  Parallelschwingkreis des Resonanzwechselrichters, Dimensionierung Pi-Filter, Resonanzabgleich Primärleiter.
• Die Bereitstellung einer vom Belastungszustand der Sekundärverbraucher unabhängigen konstanten Ausgangsstromamplitude durch Variation der Pulsbreite führt zu hohen Schaltverlusten. Die Regelung der Ausgangsstromamplitude durch Variation der Zwischenkreisspannung oder des Zwischenkreistromes erfordert zusätzliche aktive Bauelemente und führt zu weiteren Schaltverlusten.
• Die hartschaltenden Wechselrichteranordungen liefern eine rechteckförmige Ausgangsspannung, die darin enthaltenen Spannungsoberschwingungen können unter Berücksichtigung hoher Schaltfrequenzen zu Störabstrahlungen führen. Die Regelung des Ausgangsstromes auf eine konstante Amplitude durch Variation der Pulsbreite oder der DC-Speisespannung führt ebenfalls zu hohen Schaltverlusten bzw. zu entsprechendem Schaltungsaufwand. Hinsichtlich der Anforderungen an die Genauigkeit der Schaltzeitpunkte sind hartschaltende Wechselrichter jedoch unempfindlich, wenn die Last induktiv ist.
• Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Einspeisung eines eingeprägten Wechselstromes in Primärleiter mit vom Belastungszustand unabhängiger konstanter Amplitude mit anderen Mitteln.
• Die Erfindung hat dabei die Aufgabe, eine Speiseeinrichtung für ein berührungsfreies induktives Energieübertragungssystem anzugeben, welches die Vorteile geringer Verluste, geringer Oberschwingungen, eines einfachen Aufbaus, einer geringen Zahl von Bauelementen und eines robusten, unempfindlichen Betriebsverhaltens in sich vereinigt.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
• Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
• Es zeigen im einzelnen:
• Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Speiseeinrichtung für ein berührungsfreies induktives Energieübertragungssystem,
• Fig. 1a den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei geringer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 1,
• Fig. 1b den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei großer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 1,
• Fig. 2 eine Ausführungsvariante, bei der eine Symmetrierdrossel 111 zugleich die Funktion einer Impedanzanpassung an die Primärstrecke übernimmt,
• Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Anordnung entsprechend Fig. 1 mit Anordnung eines weiteren Reihenresonanz-Schwingkreises am Ausgang des Rechteck-Wechselrichters,
• Fig. 3a den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei geringer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 3,
• Fig. 3b den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei großer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 3,
• Fig. 4 eine Ausführungsvariante der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1 ohne Symmetrierglied,
• Fig. 4a den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei geringer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 4,
• Fig. 4b den zeitlichen Verlauf der Rechteckspeisespannung Uw sowie des Speisestromes Iw und des Stromes Ip in der Primärleiterschleife bei großer Übertragungsleistung entsprechend der Anordnung in Fig. 4,
• Fig. 5 eine Vereinfachung der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 4, und
• Fig. 6 eine Schaltungsanordnung in Vollbrückenausführung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst allgemein an Hand der Darstellung Fig. 1 erläutert. Die Primärleiterschleife 100 bildet eine kontinuierlich verteilte Induktivität, die im Ersatzschaltbild durch die diskreten Induktivitäten 102, 106 dargestellt ist. Die in Reihenschaltung angeordneten Kondensatoren 101, 105 sind so dimensioniert, dass sie mit den Induktivitäten 102, 106 einen Reihenresonanzkreis bilden. Die Widerstände 103 berücksichtigen den unvermeidlichen ohmschen Widerstand des Primärleiters. Die Spannungsquelle 104 beschreibt die Wirkung einer oder mehrerer Sekundärspulen. Das Produkt der induzierten Spannung Uis mit dem im Primärleiter fließenden Strom Ip entspricht der sekundärseitig entnommenen Leistung. An den Anschlußklemmen des Primärleiters liegt die Spannung Up, die dem ohmschen Spannungsabfall und der induzierten Uis entspricht. Die Speisung des Primärleiters mit einem Wechselstrom konstanter Amplitude ist erforderlich, um eine Entkopplung zwischen mehreren Sekundärverbrauchern entsprechend der im allgemeinen unterschiedlichen Übertragungsleistung zu gewährleisten.
• Die Einspeisung des Wechselstromes Ip mit von der Leistung unabhängiger konstanter Amplitude erfolgt aus einer Brückenschaltung 114. Die Brückenschaltung 114 wird mit einer Rechteck-Wechselspannung konstanter Amplitude aus der Halbbrücke 107, 108 und dem kapazitiven Teiler 112, 113 gespeist. Die Frequenz der Rechteck-Wechselspannung entspricht der Resonanzfrequenz des Primärleiters. Die Brückenschaltung 114 enthält ein Symmetrierglied 111, das als Drossel mit Mittelanzapfung ausgebildet ist, sowie eine Induktivität 109 und einen Kondensator 110, die wiederum auf die feste Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Es ergibt sich eine vom Belastungszustand der Primärschleife 100 unabhängige Primärstrom-Amplitude, deren Wert durch entsprechende Dimensionierung der Induktivität 109 und des Kondensators 110 festgelegt werden kann. Hierbei hat die Brückenschaltung 114 die Eigenschaft, die Rechteck-Spannungsquelle 107, 108, 112, 113 mit einem reinen Wirkstrom Iw zu belasten, dessen Amplitude der entnommenen Leistung entspricht. Zudem zeigt der Strom Iw einen zeitlich sinusförmigen Verlauf, so dass das Schalten der Halbbrücke 107, 108 in den Stromnulldurchgängen erfolgt. Die dabei auftretenden Schaltverluste sind auf ein Minimum reduziert. Abweichungen des optimalen Schaltzeitpunktes führen lediglich zu einer Zunahme der Schaltverluste, nicht jedoch zum Kurzschluß. Außer durch die Dimensionierung der Induktivität 109 und der Kapazität 110 läßt sich der Primärstrom Ip auch durch die Zwischenkreisgleichspannung Ud oder durch Wahl der Pulsbreite der Steuersignale 107a, 108a beeinflussen. Eine weitere Eigenschaft dieser Schaltungsanordnung ist es, dass die Ausgangsspannung Up Amplituden annehmen kann, die wesentlich größer sind, als es der Amplitude der Rechteckspannung Uw entspricht. Die Brückenschaltung 114 zeigt somit Stromquellencharakter.
• In Fig. 1a ist der zeitliche Verlauf der Rechteck-Spannung Uw, des Wechselrichter-Ausgangsstromes Iw und des Primärleiterstromes Ip für geringe Last dargestellt. Die Grundschwingungsamplitude des Primärleiterstromes hat einen gewissen Wert, die Grundschwingungsamplitude des Wechselrichter-Ausgangsstromes ist aufgrund der geringen Wirkleistung jedoch praktisch Null.
• Fig. 1b zeigt, dass mit zunehmender abgegebener Wirkleistung die Amplitude des Primärleiterstromes Ip unverändert bleibt, die Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangstromes Iw zunimmt. Der Wechselrichter gibt reine Wirkleistung ab, Spannung Uw und Strom Iw sind in Phase.
• Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1, bei der die Symmetrierdrossel 111 eine weitere Wicklung 111a trägt, um durch das Windungszahlverhältnis eine Impedanzanpassung der Primärleiterschleife an die Speiseeinrichtung zu ermöglichen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn aus Gründen der Übertragungsleistung an eine einzelne Sekundäreinheit 104 ein großer Primärstrom Ip gefordert wird, die insgesamt zu übertragende Leistung jedoch gering ist.
• Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 1, bei der am Ausgang des Rechteck-Wechselrichters ein Reihenschwingkreis, bestehend aus der Induktivität 116 und der Kapazität 115, angeordnet ist. Die Abstimmung dieses Reihenschwingkreises erfolgt auf die Frequenz der Rechteck-Ausgangsspannung des Wechselrichters. Durch diese Maßnahme erfolgt eine zusätzliche Reduzierung der Stromoberschwingungen in dem Strom Iw. Insbesondere bei kurzen Primärleiteranordnungen mit geringer Induktivität kann diese Eigenschaft eines Reihenschwingkreises vorteilhaft genutzt werden, um die Schaltverluste in den Halbleiterschaltern 107, 108 zu reduzieren und um Störabstrahlungen der Gesamtanordnung zu vermindern.
• Fig. 3a zeigt gegenüber der Anordnung ohne weiteren Reihenschwingkreis entsprechend Fig. 1a einen verringerten Anteil der Stromoberschwingungen bei geringer Ausgangsleistung.
• Fig. 3b zeigt gegenüber der Anordnung ohne weiteren Reihenschwingkreis entsprechend Fig. 1b einen verringerten Anteil der Stromoberschwingungen bei großer Ausgangsleistung.
• Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Übertragungsverhalten entsprechend der Darstellung in Fig. 1, jedoch ohne Symmetrierglied. Sie besteht aus zwei gleichen Induktivitäten 109, 109a und einem Kondensator 110. Die Dimensionierung erfolgt so, dass die gleichen Induktivitäten 109, 109a jeweils einen Reihenresonanzkreis mit dem Kondensator 110 bilden und dass die Resonanzfrequenz der Frequenz der Rechteckspeisespannung Uw des als Halbbrücke ausgeführten Wechselrichters 107, 108, 112, 113 entspricht. Bei festgelegtem Wert der Zwischenkreisgleichspannung Ud wird der in der Primärleiterschleife 100 fließende Strom durch die Dimensionierung der Induktivitäten 109, 109a und der Kapazität 110 bestimmt. Auch diese Schaltungsanordnung führt zu einem reinen Wirkstrom, dessen Amplitude in allen Betriebspunkten proportional zur übertragenen Wirkleistung ist. Die Amplitude des in der Primärleiterschleife fließenden Wechselstromes Ip bleibt unabhängig von der Übertragungsleistung konstant.
• Fig. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen und Ströme bei geringer Ausgangsleistung.
• Fig. 4b zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen und Ströme bei großer Ausgangsleistung.
• Fig. 5 zeigt eine Vereinfachung der Anordnung entsprechend Fig. 4, die dadurch erreicht wird, dass bei unveränderter Dimensionierung der Induktivität 109 und des Kondensators 110 die Primärleiterschleife 100 nicht vollständig kompensiert wird, sondern die Gesamtinduktivität 102,106 durch die Kompensationskondensatoren 101, 105 so kompensiert wird, dass die Gesamtreaktanz gerade der Induktivität 109 entspricht.
• Fig. 6 schließlich zeigt eine Speiseeinrichtung in Vollbrückenausführung. Gegenüber den Anordnungen entsprechend Fig. 1 bis Fig. 5 verdoppelt sich die Ausgangsspannung, die grundsätzliche Funktion ändert sich nicht. Das Netzwerk 114 kann entsprechend der vorangegangenen Erläuterungen ausgestaltet werden.

Claims (6)

1. Verlustarme, von einer Gleichspannung (Ud) versorgte Speiseeinrichtung für ein berührungsfreies induktives Energieübertragungssystem, das mindestens eine Primärleiterschleife (100) und mindestens einen induktiven Sekundäraufnehmer (104) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Halbleiterschalter (107, 108) die Gleichspannung (Ud) in eine Rechteckwechselspannung (Uw) umformen, welche ein Brückennetzwerk (114) speist, wobei die Halbleiterschalter (107, 108) einen sinusförmigen Strom (Iw) mit vom Belastungszustand abhängiger Amplitude führen und unabhängig vom Belastungszustand verlustarm im Stromnulldurchgang geschaltet werden und wobei das Brückennetzwerk (114) einen sinusförmigen Wechselstrom (Ip) mit von der Belastung des Sekundäraufnehmers (104) unabhängiger Amplitude liefert.

2. Speiseeinrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Halbleiterschalter in Halb- oder Vollbrückenschaltung eine Rechteckspannung liefern, die ein Brückennetzwerk (114), bestehend aus einer Symmetrierdrossel, einer Induktivität und einer Kapazität, speist und die Induktivität und die Kapazität eine Resonanzfrequenz aufweisen, die der Frequenz der Rechteckspannung entspricht und weiterhin so dimensioniert ist, dass die Ausgangsstromamplitude einem gewünschten Wert entspricht.

3. Speiseeinrichtung entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Speiseleitung zwischen Halbleiterschalter (107, 108) und Brückennetzwerk (114) ein Reihenschwingkreis, bestehend aus einer Induktivität und einer Kapazität, angeordnet wird, und dieser Reihenschwingkreis auf die Frequenz der Rechteckwechselspannung abgestimmt ist, um eine zusätzliche Reduzierung der Stromoberschwingungen zu erreichen.

4. Speiseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrierdrossel des Brückennetzwerkes (114) eine weitere Wicklung trägt und die Windungszahl dieser dritten Wicklung so bemessen ist, dass eine transformatorische Anpassung der elektrischen Größen der Primärleiterschleife an die der Speiseeinrichtung erfolgt.

5. Speiseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Halbleiterschalter in Halb- oder Vollbrückenschaltung eine Rechteckspannung liefern, die ein Netzwerk, bestehend aus zwei gleichen Induktivitäten und einer Kapazität, speisen und jeweils eine der Induktivitäten mit der Kapazität einen Reihenschwingkreis bildet, der auf die Frequenz der Rechteckwechselspannung abgestimmt ist.

6. Speiseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Halbleiterschalter in Halb- oder Vollbrückenschaltung eine Rechteckspannung liefern, die eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Induktivität und einer Kapazität, speisen, wobei die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises auf die Frequenz der Rechteckwechselspannung abgestimmt ist und die Induktivität der Primärleiterschleife nicht vollständig kompensiert ist, sondern insgesamt eine Impedanz aufweist, die der Induktivität des Reihenschwingkreises entspricht.