EP3175533A1 - Vorrichtung mit einstellbarem kapazitätswert zum abstimmen eines schwingfähigen systems, schwingfähiges system und energieübertragungssystem - Google Patents

Vorrichtung mit einstellbarem kapazitätswert zum abstimmen eines schwingfähigen systems, schwingfähiges system und energieübertragungssystem

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EP3175533A1
EP3175533A1 EP15763908.9A EP15763908A EP3175533A1 EP 3175533 A1 EP3175533 A1 EP 3175533A1 EP 15763908 A EP15763908 A EP 15763908A EP 3175533 A1 EP3175533 A1 EP 3175533A1
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EP
European Patent Office
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capacitor
var
voltage
capacitance value
oscillatory system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15763908.9A
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French (fr)
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Manuel Blum
Thomas Komma
Mirjam Mantel
Monika POEBL
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a device with an adjustable capacitance value for tuning a first oscillatory system, which can be coupled for coupling to a second oscillatable system with an unknown, weak coupling factor.
  • the invention further relates to an oscillatory system for transmitting energy and an oscillatory system for receiving energy. Furthermore, the invention relates to a power transmission system.
  • the electrical energy is transmitted via an alternating magnetic field within an air-gap system.
  • the coil system consists of two coils: a primary coil powered by a power source and a secondary coil providing electrical power to the consumer. If such a device is used in the environment of motor vehicles, then the primary coil is usually arranged in a charging station at the bottom of a parking area.
  • the secondary coil is typically located in the motor vehicle.
  • the air gap of the coil system which as a factor influences the transmission efficiency, depends on the geometrical configuration of the components in which the primary coil and the secondary coil are integrated.
  • the air gap of the Sys tems ⁇ is mainly determined by the ground clearance of a respective type of vehicle.
  • the efficiency of the transmission is further influenced by the respective lateral arrangement of primary coil and secondary coil, caused by a respective Abstellsi ⁇ situation. Basically, the larger the latent is the primary and secondary coil misalignment and the larger the air gap, the lower the efficiency.
  • the operating frequency generally results from the inductance value of the primary coil, which depends on the coupling factor of a transformer formed from Primärspu ⁇ le and secondary coil, or a coil in combination with a capacity of the respective coil system.
  • capacitance diodes are typically used for this purpose, which however are only suitable for small voltages and small capacitance values.
  • resonance converters such as these in an energy transmission system for
  • the primary coil system typically transmits several kW of power to the secondary coil system.
  • variable capacitor network with the aid of bidirectional switching elements.
  • such a network is expensive in terms of the required installation space and the costs.
  • the switching elements produce significant losses when the energy transmission system ⁇ as described, to be operated in the power range of several kW. It is an object of the present invention to provide a device with adjustable capacitance value, in which the adjustment of the capacitance value is possible in a simpler manner and which can be used in a power transmission system, which is designed to transmit power in the range of several kW. Furthermore, a corresponding oscillatory system and a power transmission system should be specified.
  • a device with adjustable capacitance value is proposed for tuning a first oscillatory system intended for coupling to a second oscillatory system with an unknown, weak coupling factor.
  • the device comprises a first capacitor whose capacitance is dependent on a voltage and a DC voltage source whose voltage applied to its terminals is controllable.
  • the series connection of the DC voltage ⁇ source and a decoupling element is connected in parallel with the terminals of the capacitor to bias the first capacitor with a variable bias voltage.
  • the voltage applied to the terminals of the DC voltage source is or is adjusted in dependence on an operating frequency of the first oscillatory system.
  • the device described is less lossy compared to a variant with bidirectional switching elements.
  • the device consumes a small space and can be provided at low cost.
  • a comparatively cheap capacitor with a "bad” ceramic can be used as the first capacitor.
  • “Bad” here is to be understood in terms of the stability of its capacitance with respect to the voltage drop across it.
  • the first capacitor may, according to one embodiment, consist of a number of capacitors connected in parallel. Due to the number of capacitors, which may differ depending on the design of an energy transmission system, the size of the capacitance value of the first capacitor can be specified . As is known, the greater the number of capacitors connected in parallel, the greater the capacitance value. For use in the automotive environment for the transmission of energy to a secondary coil, the number is preferably between 30 and 40.
  • the decoupling element is according to another embodiment, an inductance. This ensures that an alternating current flowing via the first capacitor does not flow into the parallel path via the low-resistance DC voltage source.
  • the parallel circuit of the first capacitor and the series circuit of the DC voltage source and the decoupling element can be connected in series with a second capacitor.
  • the second capacitor is a frequency and voltage stable capacitor. The presence and dimensioning of the second capacitor depends on the maximum and minimum capacitance values to be achieved in the oscillatory system.
  • the capacitance value of the second Kondensa ⁇ tors smaller than the capacitance value of the first capacitor is selected. In this way, it is ensured in the series circuit of the first and the second capacitor that the voltage drop across the first capacitor voltage is so small that the capacitance value of the first capacitor does not vary on ⁇ due to the applied AC voltage. So would mean that the capacitance of the first con ⁇ densators could not be kept constant of.
  • the design of the capacitance values of the first oscillatory system is based on two criteria.
  • a first criterion assumes that the coupling between the first oscillatory system and the second oscillatable system is maximal.
  • the optimal offset 0
  • a second criterion is based on a minimum coupling between the coils of the first and second oscillatory systems.
  • a minimal coupling is given when the air gap is maximum and the offset between the coils of the first and the second oscillatory system is also maximum. In this case, the
  • the coupling factor between the first oscillatable system and the second oscillatable system is less than 50%.
  • the operating frequency of the first oscillatory system is in particular between 80 kHz and 90 kHz.
  • the invention further proposes an oscillatory system for transmitting energy to another weakly coupled oscillatory system comprising a resonant circuit having a frequency generator (current source), a first coil and a device of the type described above.
  • the adjustable capacitance value device serves to set a fixed operating frequency of the oscillatory system within a predetermined frequency range between 80 kHz and 90 kHz when the oscillatory system is used for inductive energy transmission in the environment of charging the electrified vehicle.
  • the invention provides an oscillatory system for receiving energy from another low coupled oscillatory system comprising a load, a second coil and an adjustable capacitance value device of the type described above.
  • an MPP Maximum Peak Power
  • a power transmission system which comprises a first oscillatory system and a second oscillatory system, which are coupled to an unknown weak coupling factor, wherein the first oscillatory system for transmitting energy to the other, second oscillatable system is a pre ⁇ with adjustable capacitance value for tuning the first oscillatory system.
  • the second oscillatable system may also have a device with an adjustable capacitance value for tuning the second resonant circuit in order to maximize the power that can be transmitted to the load using the MPP method.
  • a coupling factor When reference is made in the present description "not known" by a coupling factor, this is due to the fact the preferred application.
  • the preferred use of the power transmission system described here is the wireless charging electrified Fahrzeu ⁇ gen. This can, Depending on the parking situation of the vehicle comprising the secondary coil above a primary coil, eg in the floor of a parking space, the air gap (depending on the vehicle type) and the offset (depending on the parking situation) may vary.
  • FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram of a first embodiment variant of a device according to the invention with an adjustable capacitance value
  • Fig. 3 is an electrical equivalent circuit diagram of a second
  • Fig. 4 is an electrical equivalent circuit diagram of a third
  • Embodiment variant of a device according to the invention with adjustable capacitance value and
  • Fig. 5 is an electrical equivalent circuit diagram of a fourth
  • FIG. 1 shows a power transmission system known to the person skilled in the art, which comprises a first oscillatable system 10 and a second oscillatable system 20.
  • the first vibrating ⁇ capable system 10 includes a frequency generator 11 (chipboard source), a capacitor 12 having a capacitance value Ci and a coil 13 having an inductance Li.
  • the first oscillatory system 10 provides a primary coil system of a device for transferring energy to the second one
  • the first oscillatory system 10 may for example be embedded in the floor of a parking area or arranged at the bottom of the parking area.
  • the components of the second oscillatable system 20, which in addition to a load 21 (an energy storage) comprise a second capacitor 22 with a capacitance value C2 and a second coil 23 with an inductance L2, are integrated in a vehicle. If the vehicle is set to the parking area from ⁇ , the coil come to lie one above the other so that their coil 13 having a magnetic coupling to each other in dependence of the K Abstellsituation 23rd Due to the generally large air gap between the coils of the primary-side oscillatory system 10 and the secondary-side oscillatory system 20 in the range between 8 cm to 12 cm, coupling factors of typically less than 50% result.
  • the operating frequency of the oscillatory system 10 on the primary side results from the inductance Li of the coils 13, 23 formed by the primary-side and the secondary-side coils
  • Fig. 2 shows the most general embodiment of a variable capacity. Since a corresponding variable capacitance can be optionally provided in the second vibratory system 20, all embodiments of the va ⁇ ables capacity in Figs. 2 to 5 are denoted by the reference numerals 12, 22.
  • the variable capacitance 12, 22. 2 comprises as shown in FIG ers a ⁇ th capacitor C var whose capacity is dependent on a voltage and a DC voltage source DC var, the voltage applied to its terminals DC voltage is controllable.
  • a series circuit consisting of the DC voltage source DC var and a decoupling element L en tk designed as an inductance are connected in parallel in the first capacitor C var .
  • the first capacitor C var can be subjected to a variable bias voltage.
  • the voltage applied to the terminals of the DC voltage source DC var is set as a function of a desired operating frequency (between 80 kHz and 90 kHz) of the first oscillatory system 10.
  • the strong clamping ⁇ voltage dependence having first capacitor is thereby causing the desired capacitance value is set clamped by means of the variable DC power source DC var pre ⁇ .
  • the inductance L en tk is seen ⁇ before.
  • a control is used whose manipulated variable is the DC voltage.
  • the target value results from the desired Ar ⁇ beitsfrequenz of the first oscillatory system 10th
  • the embodiment of FIG. 3 differs from that of FIG. 2 only in that the first capacitor C var consists of a number of parallel-connected capacitors C var , i, C var , n .
  • the number of parallel Switched capacitors are chosen depending on the design of the power transmission system.
  • a second capacitor C fes is connected in series with the parallel circuit comprising the first capacitor C var and the series circuit comprising the DC voltage source DC var and the decoupling L en t k interconnected.
  • the second capacitor is frequency and voltage stable.
  • the capacitance value of the second capacitor C fes t is smaller than the capacitance value of the first capacitor C var .
  • the size of the capacitance value can be set by the number of capacitors of the first capacitor connected in parallel and the optional fixed capacitor. If, in addition, the second, frequency- and voltage-stable capacitor is provided, a very highly variable capacitance value can be realized.
  • the interpretation of the total capacity value is based on two criteria:
  • a first criterion assumes that the coupling between the first oscillatory system and the second oscillatable system is maximal.
  • offset 0
  • Leakage inductances of the two coils of the two resonant circuits smallest.
  • the overall capacitance value which results from the Ka ⁇ pazticianswert of the first capacitor and the optional EXISTING ⁇ those serially connected to the second capacitor is at a maximum.
  • a second criterion is based on a minimum coupling between the coils of the first and second oscillatory systems. A minimal coupling is given when the air gap is maximum and the offset between the Coils of the first and second oscillatory system is also maximum. In this case, the
  • the provision of the variable capacitance in the first oscillatory system serves to ensure a fixed operating frequency of the resonant converter at a changing load or in ⁇ productivity
  • the provision of a variable capacitance can be used in the second oscillatory system, the over to maximize the power transferable to the transformer.
  • the capacitance value of the second oscillatable system-after the operating frequency has been determined by setting the capacitance value in the first oscillatable system-can be varied in order to maximize the power transferable to the load 21 according to the MPP (Maximum Peak Power) method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems (10), das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System (20) mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator (Cvar), dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle (DCvar), deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist, wobei die Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und einem Entkoppelelement (Lentk) parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet ist, um den ersten Kondensator (Cvar) mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen. Die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle (DCvar) anliegende Spannung wird in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems (10) eingestellt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines schwingfähigen Systems, schwingfähiges System und Ener- gieübertragungssystem
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen Sys- tem mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor koppelbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie sowie ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie. Ferner betrifft die Erfindung ein EnergieübertragungsSystem.
Bei Vorrichtungen zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf einer zu dieser korrespondierenden Vorrichtung wird bei einer induktiven Übertragung die elektrische Energie über ein magnetisches Wechselfeld innerhalb eines luftspaltbehafteten Systems übertragen. Das Spulensystem besteht aus zwei Spulen: einer Primärspule, die über eine Stromquelle gespeist wird, und einer Sekundärspule, die dem Verbraucher die elektrische Energie zur Verfügung stellt. Soll eine solche Vorrichtung im Umfeld von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, so ist die Primärspule üblicherweise in einer Ladestation am Boden einer Parkfläche angeordnet. Die Sekundärspule befindet sich typischerweise im Kraftfahrzeug. Der Luftspalt des Spulensystems, der als ein Faktor die Über- tragungseffizienz beeinflusst, hängt von der geometrischen Ausgestaltung der Komponenten ab, in denen die Primärspule und die Sekundärspule integriert sind. Der Luftspalt des Sys¬ tems ist vor allem durch die Bodenfreiheit eines jeweiligen Fahrzeugtyps bestimmt. Die Effizienz der Übertragung wird ferner durch die jeweilige laterale Anordnung von Primärspule und Sekundärspule, verursacht durch eine jeweilige Abstellsi¬ tuation, beeinflusst. Grundsätzlich gilt, je größer der late- rale Versatz von Primär- und Sekundärspule ist und je größer der Luftspalt ist, desto geringer ist die Effizienz.
Grundsätzlich ist man bestrebt, ein solches Energieübertra- gungssystem mit fester Arbeitsfrequenz zu betreiben. Die Arbeitsfrequenz ergibt sich allgemein aus dem Induktivitätswert der Primärspule, der vom Kopplungsfaktor eines aus Primärspu¬ le und Sekundärspule gebildeten Transformators abhängt, oder einer Spule in Kombination mit einer Kapazität des jeweiligen Spulensystems. Um die gewünschte feste Arbeitsfrequenz des
Energieübertragungssystems, das einen Resonanzwandler bildet, gewährleisten zu können, ist es erforderlich, bei einer sich ändernden Last oder Induktivität (verursacht durch die jewei¬ lige Abstellsituation) die Kapazität des Spulensystems varia- bei einstellen zu können.
Im Hochfrequenzbereich werden hierfür typischerweise Kapazitätsdioden verwendet, welche sich allerdings nur für kleine Spannungen und kleine Kapazitätswerte eignen. Für Resonanz- wandler, wie diese in einem Energieübertragungssystem zur
Übertragung elektrischer Energie im Umfeld von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind diese jedoch ungeeignet, da die zu übertragende Leistung zu hoch ist. Typischerweise werden bei dieser Anwendung vom Primärspulensystem mehrere kW Leis- tung auf das Sekundärspulensystem übertragen.
Ferner ließe es sich mit Hilfe von bidirektionalen Schaltelementen ein variables Kondensatornetzwerk realisieren. Ein solches Netzwerk ist jedoch aufwändig hinsichtlich des benö- tigten Bauraums und der Kosten. Darüber hinaus produzieren die Schaltelemente erhebliche Verluste, wenn das Energieüber¬ tragungssystem, wie beschrieben, im Leistungsbereich von mehreren kW betrieben werden soll. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert anzugeben, bei der die Einstellung des Kapazitätswerts auf einfachere Weise möglich ist und welche in einem Energieübertragungssystem einsetzbar ist, welches zur Übertragung von Leistungen im Bereich von mehreren kW ausgelegt ist. Ferner sollen ein entsprechendes schwingfähiges System sowie ein Energieübertragungssystem angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, schwingfähige Systeme gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 bzw. 9 sowie ein Energieübertra¬ gungssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen .
Es wird eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems vorgeschlagen, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator, dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, sowie eine Gleichspannungsquelle, deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist. Die Serienschaltung aus der Gleichspannungs¬ quelle und einem Entkoppelelement ist parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet, um den ersten Kondensator mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen. Die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle anliegende Spannung ist oder wird in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems eingestellt.
Die beschriebene Vorrichtung ist gegenüber einer Variante mit bidirektionalen Schaltelementen weniger verlustbehaftet. Die Vorrichtung verbraucht einen geringen Bauraum und lässt sich kostengünstig bereitstellen. Insbesondere kann als erster Kondensator ein vergleichsweise billiger Kondensator mit einer „schlechten" Keramik eingesetzt werden. „Schlecht" ist hierbei im Hinblick auf die Stabilität seiner Kapazität im Hinblick auf die über ihm abfallende Spannung zu verstehen.
Der erste Kondensator kann gemäß einer Ausgestaltung aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren bestehen. Durch die Anzahl der Kondensatoren, welche sich je nach Auslegung eines Energieübertragungssystems unterscheiden kann, lässt sich die Größe des Kapazitätswerts des ersten Kondensa¬ tors festlegen. Bekanntermaßen ist der Kapazitätswert umso größer, je größer die Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren ist. Für die Anwendung im automobilen Umfeld zur Übertragung von Energie auf eine Sekundärspule ist die Anzahl vorzugsweise zwischen 30 und 40. Das Entkoppelelement ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Induktivität. Diese stellt sicher, dass ein über den ersten Kondensator fließender Wechselstrom nicht in den parallelen Pfad über die niederohmige Gleichspannungsquelle fließt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle und dem Entkoppelelement in Serie zu einem zweiten Kondensator verschaltet sein. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem zweiten Kondensator um einen fre- quenz- und spannungsstabilen Kondensator. Das Vorhandensein und die Dimensionierung des zweiten Kondensators hängt von dem in dem schwingfähigen System zu erzielenden maximalen und minimalen Kapazitätswert ab.
Grundsätzlich wird der Kapazitätswert des zweiten Kondensa¬ tors kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators gewählt. Hierdurch wird bei der Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensator sichergestellt, dass die über dem ersten Kondensator abfallende Spannung derart klein ist, dass der Kapazitätswert des ersten Kondensators nicht auf¬ grund der anliegenden Wechselspannung schwankt. Dies hätte ansonsten zur Folge, dass der Kapazitätswert des ersten Kon¬ densators nicht konstant gehalten werden könnte.
Die Auslegung der Kapazitätswerte des ersten schwingfähigen Systems erfolgt anhand von zwei Kriterien. Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfä- higen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die
Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert , der sich aus dem Ka- pazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhan¬ denen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal.
Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die
Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.
Die Einstellung des Kapazitätswerts durch entsprechende Ein¬ stellung der Spannung in Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems erfolgt nun zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert, die, wie oben beschrieben, ermittelt wurden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kopplungsfaktor zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System kleiner als 50%. Die Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems liegt insbesondere zwischen 80 kHz und 90 kHz. Die Erfindung schlägt weiter ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie auf ein anderes, schwach gekoppeltes schwingfähiges System vor, das einen Schwingkreis mit einem Frequenzgenerator (Stromquelle) , eine erste Spule und eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art umfasst. Die Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert dient dazu, eine feste Arbeitsfrequenz des schwingfähigen Systems innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, der zwischen 80 kHz und 90 kHz liegt, einzustellen, wenn das schwingfähige System zur induk- tiven Energieübertragung im Umfeld des Ladens des elektrifizierten Fahrzeugen dient.
Weiter schafft die Erfindung ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie von einem anderen, schwach gekoppelten schwingfähigen System, umfassend eine Last, eine zweite Spule und eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, der oben beschriebenen Art. Durch die Einstellung des Kapazitätswerts des schwingfähigen Systems zum Empfangen von Energie kann beispielsweise unter Nutzung eines MPP (Maximum Peak Po- wer) -Verfahrens die auf die Last übertragbare Energie maxi- miert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird ein Energieübertragungssystem vorgeschlagen, welches ein erstes schwingfähiges System und ein zweites schwingfähiges System umfasst, die mit einem nicht bekannten schwachen Kopplungsfaktor gekoppelt sind, wobei das erste schwingfähige System zum Übertragen von Energie auf das andere, zweite schwingfähige System eine Vor¬ richtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des ersten schwingfähigen Systems umfasst.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann auch das zweite schwingfähige System eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des zweiten Schwingkreises aufwei- sen, um unter Nutzung des MPP-Verfahrens eine Maximierung der an die Last übertragbaren Leistung sicherzustellen. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem „nicht bekannten" Kopplungsfaktor die Rede ist, so ist dies auf den Umstand der bevorzugten Anwendung zurückzuführen. Die bevorzugte Anwendung des hier beschriebenen Energieübertragungs- Systems ist das drahtlose Laden von elektrifizierten Fahrzeu¬ gen. Bei diesem kann, je nach Abstellsituation des die Sekundärspule umfassenden Fahrzeugs über einer Primärspule, z.B. im Boden eines Parkplatzes, der Luftspalt (abhängig vom Fahrzeugtyp) und der Versatz (abhängig von der Parksituation) va- riieren. Die oben beschriebenen Auslegungskriterien tragen diesem Umstand Rechnung.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs¬ beispielen in der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Energieübertra¬ gungssystems ,
Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer ersten Aus- gestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert,
Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer zweiten
Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vor- richtung mit einstellbarem Kapazitätswert,
Fig. 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer dritten
Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, und
Fig. 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer vierten
Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert. Fig. 1 zeigt ein dem Fachmann bekanntes Energieübertragungs¬ system, welches ein erstes schwingfähiges System 10 und ein zweites schwingfähiges System 20 umfasst. Das erste schwing¬ fähige System 10 umfasst einen Frequenzgenerator 11 (Span- nungsquelle) , einen Kondensator 12 mit einem Kapazitätswert Ci und eine Spule 13 mit einer Induktivität Li. Das erste schwingfähige System 10 stellt ein Primärspulensystem einer Vorrichtung zum Übertragen von Energie auf das zweite
schwingfähige System 20 dar. Das erste schwingfähige System 10 kann beispielsweise im Boden einer Parkfläche eingelassen oder am Boden der Parkfläche angeordnet sein.
Die Komponenten des zweiten schwingfähigen Systems 20, welche neben einer Last 21 (einem Energiespeicher) einen zweiten Kondensator 22 mit einem Kapazitätswert C2 und eine zweite Spule 23 mit einer Induktivität L2 umfassen, sind in einem Fahrzeug integriert. Wird das Fahrzeug auf der Parkfläche ab¬ gestellt, so kommen die Spulen übereinander zum Liegen, so dass deren Spulen 13, 23 in Abhängigkeit der Abstellsituation eine magnetische Kopplung K zueinander aufweisen. Aufgrund des in der Regel großen Luftspalts zwischen den Spulen des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 und des sekundärsei- tigen schwingfähigen Systems 20 im Bereich zwischen 8cm bis 12cm ergeben sich Kopplungsfaktoren von in der Regel weniger als 50%.
Die Arbeitsfrequenz des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 ergibt sich aus der Induktivität Li des durch die primär- seitige und die sekundärseitige Spulen 13, 23 gebildeten
Transformators sowie der primärseitigen Spule 13 in Verbin¬ dung mit dem primärseitigen Kapazitätswert Ci. Um eine feste Arbeitsfrequenz in einem für induktive Fahrzeugladesysteme gesetzlich vorgegebenen Frequenzbereich zwischen 80 kHz und 90 kHz sicherstellen zu können, ist es erforderlich, dass der Kapazitätswert Ci des Kondensators 12 aufgrund einer sich än¬ dernden Last 21 oder unterschiedlichen Induktivität Li des Transformators bzw. der Spule 13 variabel einstellbar ist. Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele ermög¬ lichen es, den Kapazitätswert Ci des Kondensators 12 des pri¬ märseitigen schwingfähigen Systems zwischen einem minimalen Kapazitätswert und einem maximalen Kapazitätswert einzustel- len. Dadurch kann die Forderung, die Arbeitsfrequenz f fest einstellen zu können, auch bei einer sich ändernden Last 21 oder Induktivität Li bzw. L2 sichergestellt werden. Fig. 2 zeigt die allgemeinste Ausgestaltungsform einer variablen Kapazität. Da eine entsprechende variable Kapazität auch in dem zweiten schwingfähigen System 20 optional vorgesehen sein kann, sind sämtliche Ausführungsbeispiele der va¬ riablen Kapazität in den Fig. 2 bis 5 mit den Bezugszeichen 12, 22 versehen.
Die variable Kapazität 12, 22 umfasst gemäß Fig. 2 einen ers¬ ten Kondensator Cvar, dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle DCvar, deren an ihren Klemmen anliegende Gleichspannung steuerbar ist. Eine Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DCvar und einem als Induktivität ausgebildetem Entkoppelelement Lentk sind im ersten Kondensator Cvar parallel geschaltet. Dadurch kann der erste Kondensator Cvar mit einer variablen Vorspannung beauf- schlagt werden. Die an der Klemmen der Gleichspannungsquelle DCvar anliegende Spannung wird in Abhängigkeit einer gewünsch¬ ten Arbeitsfrequenz (zwischen 80 kHz und 90 kHz) des ersten schwingfähigen Systems 10 eingestellt. Der eine starke Span¬ nungsabhängigkeit aufweisende erste Kondensator wird damit mit Hilfe der variablen Gleichspannungsquelle DCvar vorge¬ spannt, wodurch der gewünschte Kapazitätswert eingestellt wird. Zur Entkopplung der Vorspannung von den Komponenten des ersten schwingfähigen Systems ist die Induktivität Lentk vor¬ gesehen. Zur Einstellung der variablen Kapazität 12, 22 wird eine Regelung genutzt, deren Stellgröße die Gleichspannung ist. Der Sollwert ergibt sich dabei aus der gewünschten Ar¬ beitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems 10.
Das Ausgestaltungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem aus Fig. 2 lediglich dadurch, dass der erste Kondensator Cvar aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren Cvar,i, Cvar,n besteht . Die Anzahl der parallel ge- schalteten Kondensatoren wird in Abhängigkeit der Auslegung des Energieübertragungssystems gewählt.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 ist jeweils zu- sätzlich zu den in Fig. 2 und 3 gezeigten Varianten jeweils ein zweiter Kondensator Cfest seriell zu der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator Cvar und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DCvar und dem Entkoppelelement Lentk verschaltet. Im Gegensatz zu dem ersten Kondensator Cvar ist der zweite Kondensator frequenz- und spannungsstabil. Ferner ist der Kapazitätswert des zweiten Kondensators Cfest kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators Cvar .
Durch die Anzahl der parallel geschalteten Kondensatoren des ersten Kondensators und den optionalen festen Kondensator kann die Größe des Kapazitätswerts eingestellt werden. Wird zusätzlich der zweite, frequenz- und spannungsstabile Kondensator vorgesehen, lässt sich ein sehr stark variabler Kapazitätswert realisieren. Die Auslegung des gesamten Kapazitäts- werts erfolgt anhand von zwei Kriterien:
Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfähigen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die
Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert , der sich aus dem Ka¬ pazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhan¬ denen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal. Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die
Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.
Während das Vorsehen der variablen Kapazität in dem ersten schwingfähigen System dazu dient, eine feste Arbeitsfrequenz des Resonanzwandlers bei einer sich ändernden Last oder In¬ duktivität sicher stellen zu können, kann das Vorsehen einer variablen Kapazität in dem zweiten schwingfähigen System dazu genutzt werden, die über den Transformator übertragbare Leis- tung zu maximieren. Dabei kann der Kapazitätswert des zweiten schwingfähigen Systems - nachdem die Arbeitsfrequenz durch Einstellung des Kapazitätswerts in dem ersten schwingfähigen System festgelegt wurde - variiert werden, um nach dem MPP (Maximum Peak Power) -Verfahren die auf die Last 21 übertrag- bare Leistung zu maximieren.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems (10), das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System (20) mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist, umfassend einen ersten Kondensator (Cvar) , dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle (DCvar) , deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist, wobei die Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und einem Entkoppelelement (Lentk) parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet ist, um den ersten Kondensator (Cvar) mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen, und wobei die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle (DCvar) anliegen¬ de Spannung in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems (10) eingestellt wird oder ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Kondensator (Cvar) aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren (Cvar,i/ Cvar,n) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Entkoppelelement (Lentk) eine Induktivität ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator (Cvar) und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle (DCvar) und dem Entkoppelelement (Lentk) in Serie zu einem zweiten Kondensator (Cfest) verschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der zweite Kondensator Frequenz- und Spannungsstabil ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Kapazitätswert des zweiten Kondensators (Cfest) kleiner als der Ka¬ pazitätswert des ersten Kondensators (Cvar) ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kopplungsfaktor zwischen dem ersten schwingfähigen System (10) und dem zweiten schwingfähigen System (20) kleiner als 50% ist.
8. Schwingfähiges System (10) zum Übertragen von Energie auf ein anderes, schwach gekoppeltes schwingfähiges System (20), umfassend einen Schwingkreis mit einem Frequenzgenerator (11), eine erste Spule (13) und eine Vorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Schwingfähiges System (20) zum Empfangen von Energie von einem anderen, schwach gekoppelten schwingfähigen System (10), umfassend eine Last (21), eine zweite Spule (23) und eine Vorrichtung (22) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Energieübertragungssystem, umfassend ein erstes schwingfähiges System (10) und ein zweites schwingfähiges System (20), die mit einem nicht bekannten, schwachen Kopplungsfak- tor (K) gekoppelt sind, wobei das erste schwingfähige System (10) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 um- fasst .
11. Energieübertragungssystem nach Anspruch 10, bei dem das zweite schwingfähige System (20) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
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