WO2014048706A2 - Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung - Google Patents

Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung Download PDF

Info

Publication number
WO2014048706A2
WO2014048706A2 PCT/EP2013/068586 EP2013068586W WO2014048706A2 WO 2014048706 A2 WO2014048706 A2 WO 2014048706A2 EP 2013068586 W EP2013068586 W EP 2013068586W WO 2014048706 A2 WO2014048706 A2 WO 2014048706A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrical
determined
load impedance
quantities
impedance
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/068586
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2014048706A3 (de
Inventor
Tobias Diekhans
Thomas Plum
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2014048706A2 publication Critical patent/WO2014048706A2/de
Publication of WO2014048706A3 publication Critical patent/WO2014048706A3/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B60L53/124—Detection or removal of foreign bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B60L53/126—Methods for pairing a vehicle and a charging station, e.g. establishing a one-to-one relation between a wireless power transmitter and a wireless power receiver
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/35—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles
    • B60L53/36—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles by positioning the vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2270/00—Problem solutions or means not otherwise provided for
    • B60L2270/10—Emission reduction
    • B60L2270/14—Emission reduction of noise
    • B60L2270/147—Emission reduction of noise electro magnetic [EMI]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a wireless
  • Energy transfer assembly comprising a primary member and a secondary member, which are inductively coupled to receive electrical energy from the primary member to the
  • the present invention relates to a power transmission arrangement having a primary member and a secondary member, which are inductively coupled to transmit electrical energy from the primary member to the secondary member.
  • Hybrid vehicles typically use electrical machines as the drive motor, which are powered by an electrical energy store, such as an electric motor. an accumulator to be supplied with electrical energy.
  • an electrical energy store such as an electric motor.
  • an accumulator to be supplied with electrical energy.
  • Electric vehicles or plug-in hybrid vehicles must be regularly depending on
  • State of charge can be connected to an electrical power grid to charge the energy storage with electrical energy.
  • a cable can be used to transmit the electrical energy from a charging station to the vehicle.
  • a cable connection offers a very poor ease of use and also represents a potential danger to the user, as this could come in case of damage to the connector or the cable in contact with live parts.
  • a magnetic alternating field is generated on a primary side by means of a coil. At least part of this alternating magnetic field penetrates a secondary side, which also has a coil.
  • the coil system of the primary side and the secondary side can be modeled as a transformer with a large air gap.
  • the air gap causes large stray inductances and relatively poor coupling between the primary and secondary coils.
  • the stray inductances lead to high reactive currents in the system, which do not contribute to energy transfer, but produce ohmic losses. Therefore, the efficiency of the wireless power transmission is worse than in the wired transmission.
  • the energy transfer system can be resonated, effectively improving transferable performance and achievable efficiency. Therefore, in known wireless power transmission systems usually this resonant operating point is sought.
  • the transmittable power of a wireless power transmission system is limited by the security requirements to be met. So will be during the
  • the present invention therefore provides a method of operating a wireless power transmission assembly having a primary member and a secondary member that are inductively coupled to receive electrical energy from the primary member to the first
  • Secondary link is coupled, initially electrical replacement quantities are determined for an electrical model of the power transmission arrangement, wherein the electrical model takes into account an electrically conductive object in a transmission path between the primary element and the secondary link, wherein an impedance value of the load impedance on the basis of the electrical equivalent quantities and a determined electrical
  • Power loss of the arranged in the transmission path object is determined and wherein the load impedance is set to the impedance value.
  • the present invention provides an energy transfer assembly having a primary member and a secondary member which are inductively coupled to transfer electrical energy from the primary member to the secondary member, wherein an adjustable one
  • Load impedance is coupled to the secondary link, and provided with a control unit, which is adapted to carry out the method of the aforementioned type.
  • the power loss of an object located in the transmission path is minimized or the transmittable power of the energy transmission arrangement is maximized by means of the adjustable load impedance. It is irrelevant which concrete electrically conductive object for setting the
  • Load impedance of the power transmission arrangement is used, since the optimization of the power transmission arrangement is equally valid for all electrically conductive objects.
  • the impedance value is determined such that the electrical power loss of the object is minimized at a predefined value of an active electrical power of the load impedance.
  • the load impedance is adjusted so that heating of the object located in a region between the primary member and the secondary member is minimized for the same transmitted power.
  • hazards due to an overheated object eg a fire
  • the impedance value is determined such that the effective electrical power of the load impedance is maximized at a predefined value of the electrical power dissipation of the object.
  • the transmittable power is maximized for given safety requirements (particularly with respect to heating of objects in the region between the primary member and the secondary member) and increased over known wireless energy transmission systems.
  • the impedance value is determined by means of a
  • an optimized impedance value of the load impedance is calculated on the basis of a numerical optimization method. For this purpose, in each operating point of the energy transfer arrangement, which is determined by the current value of
  • Load impedance is calculated, all the necessary electrical currents and voltages of the equivalent electrical circuit diagram calculated to determine the power loss of the object.
  • the one impedance value at which, for example, the lowest power loss occurs at a given power to be transmitted characterizes the optimized impedance value.
  • the impedance value is determined for a position of the object in the transmission path at which the electrical power loss of the object is maximum.
  • the impedance impedance value to be set depends, in particular, on the position of the object between the primary element and the secondary element. If the primary element has, for example, a primary coil for transmitting the electrical energy, then this is
  • Power loss of the object is relatively high when it is located in the vicinity of the windings of the primary coil. Accordingly, the object is heated particularly strongly at this position.
  • the impedance value is determined for the position of the object at which the
  • Power loss / heating of the object is maximum, it can be ensured that the safety requirements are met for other arbitrary positions of the object between the primary member and the secondary member.
  • the determination of the electrical substitute quantities comprises determining first electrical substitute quantities, wherein the object outside of the
  • Transmission line is arranged, arranging the object in the
  • the object is positioned in the transmission path.
  • the electrical equivalent quantities of the object can also be determined. This makes it possible to calculate the power loss of the object.
  • the first and / or the second electrical substitute quantities are determined on the basis of measured physical quantities.
  • Energy transfer arrangement determined. For example, electrical currents and / or electrical voltages of the energy transmission arrangement can be measured.
  • the parameters of the equivalent electrical circuit diagram can thus be detected under real conditions.
  • the first and / or the second electrical substitute quantities are determined on the basis of a simulation.
  • a plurality of ohmic resistors are determined as electrical equivalent quantities of the object.
  • an ohmic component and a capacitive component of the load impedance are determined.
  • both the real part (the resistive part) and the imaginary part of the load impedance are optimized.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an energy transfer arrangement for
  • Fig. 2 shows an electrical equivalent circuit of the power transmission device
  • FIG. 3 shows a further electrical equivalent circuit diagram of the energy transmission arrangement which comprises an electrically conductive object in a transmission path of the
  • Fig. 5 is a diagram for explaining an embodiment of a
  • FIG. 1 shows a wireless power transmission arrangement 10 for transmitting electrical energy from a power supply network 12 to an electric vehicle 14.
  • the electric vehicle 14 typically has an electric rotary field machine unspecified in FIG. 1, which is used as a drive motor.
  • the electric vehicle 14 has a traction battery 16, which provides electrical energy for operating the electric induction machine.
  • the energy transmission arrangement 10 has a primary element 18 and a secondary element 20.
  • the primary element 18 has a primary coil 22 for transmitting electrical energy and is electrically coupled to the energy supply network 12.
  • the primary member 18 forms a part of an unspecified in Fig. 1 ground station for charging electric vehicles, which in a
  • the secondary link 20 has to transmit electrical energy to a secondary coil 26 and is electrically coupled to the traction battery 16.
  • the secondary member 20 forms part of an unspecified in Fig. 1 vehicle-mounted charging device for charging the traction battery 16.
  • an alternating magnetic field is generated by means of the primary coil 22. At least part of this alternating magnetic field penetrates the secondary coil 26, whereby a voltage is induced in the latter and thus energy is transmitted from the primary element 18 to the secondary element 20 and thus the traction battery 16.
  • a transmission path 28 is formed, for example, has a larger air gap. This air gap causes large leakage inductances and leads to a poor coupling between the primary member 18 and the secondary member 20. For this reason, the
  • Vehicle-side charging device on an adjustment member 30, with the transferable power and the efficiency of the power transmission assembly 10 can be influenced.
  • the matching member 30 and the traction battery 16 together form a load impedance Z L coupled to the secondary link 20 and used to set an operating point of the power transmission assembly 10.
  • Adjustment member 30 to be set so that either the heating of in the
  • Transmission line 28 located objects 32 reduced at the same transmitted power or the transmittable power while maintaining the same
  • the operating behavior of the energy transmission arrangement 10 is initially determined with the aid of an electrical model 34 or a conventional electrical equivalent circuit diagram 34 of FIG
  • u w1 / w2: gear ratio formed by the ratio of the number of turns w1 of the primary coil 22 and the number of turns w2 of the secondary coil 26;
  • R1 winding resistance of the primary coil 22
  • R2 transformed winding resistance of the secondary coil 26
  • R h resistance for modeling the iron losses of the energy transfer assembly 10
  • All parameters of the equivalent electrical circuit diagram 34 of FIG. 2 may be determined by measurements or simulations. The values measured on the secondary side are related to the transmission ratio u on the primary side. It should be noted that when determining the parameters / electrical equivalent quantities of the
  • the electrically conductive object 32 is positioned in the transmission path 28 between the primary member 18 and the secondary member 20. Due to the high-frequency alternating magnetic field 32 eddy currents are induced in the object, which leads to a heating of the object 32 and to corresponding
  • Eddy current losses in the object 32 can be measured as equivalent ohmic resistances R F oi, R F o2 and R F oh.
  • the transformed resistor R F O2 also indicates the quantity of size Z L' indicates the equivalent electrical size R F o2 u related to the gear ratio on the primary side of the load impedance Z L and calculated by the following formula:
  • the operating point of the energy transmission arrangement 10 is decisively determined by the load impedance Z L '.
  • the load impedance Z L ' should have a
  • Impedance value of the load impedance Z L ' is calculated at which the eddy current losses in the object 32 are minimal for the same secondary-side active power.
  • the required electrical currents and voltages from the equivalent circuit diagram 34 ' are calculated in each operating point of the energy transmission arrangement 10 in order to determine the power loss PFO of the object 32:
  • the transmitted power can be adjusted with the aid of the input voltage Ui.
  • the value of the load impedance at which the power dissipation P F o of the object 32 becomes minimum is referred to as the optimized impedance value.
  • the load impedance Z L By adjusting the load impedance Z L to the optimized impedance value, the heating of the object 32 can be reduced for the same transmitted power. Finally, this leads to increased operational safety of the energy transmission arrangement 10.
  • Fig. 4 shows a diagram for illustrating a temperature profile of the in
  • Transmission path 28 arranged electrically conductive object 32 at
  • the abscissa of the diagram shows the time in seconds and the ordinate the temperature in ° C. In this case, the temperature of the object 32 in each case at the same output power of
  • the determination of the optimized impedance value must advantageously be carried out only once with the aid of any electrically conductive object 32 (for example with a metallic tube). Get other electrically conductive objects in the
  • Fig. 5 is a diagram for explaining an embodiment of a
  • the method 42 is directed to operate the wireless energy transmission arrangement 10 and in particular to determine an optimized impedance value of the load impedance Z L , which leads to a minimal heating of an object 32 arranged in the transmission path 28.
  • first electrical equivalent quantities of the equivalent circuit diagram 34 are determined in a step 44. Initially, there is no electrically conductive foreign object in the
  • Transmission path 28 is arranged.
  • the substitute quantities are determined via a measuring process or via a simulation.
  • the electrically conductive object 32 is advantageously positioned in the air gap, that in the object 32 as high as possible
  • Power loss due to induced eddy currents occurs. This can e.g. be a position near the windings of the primary coil 22. Since the eddy current losses of the object 32 depend on the positioning of the object 32 between the primary member 18 and the secondary member 20, it is particularly preferred that the object 32 be arranged to produce the maximum power dissipation at that position. This can ensure that the security requirements for any
  • a step 48 second substitute electrical quantities are measured or simulated to determine the equivalent electrical quantities of the equivalent circuit 34 '.
  • Eddy current losses in the object 32 are determined as equivalent ohmic resistances.
  • an optimized impedance value of the load impedance Z L is calculated by means of a numerical optimization method, in which the eddy current losses in the object 32 are minimal with the same secondary active power.
  • the power loss of the object 32 is determined by the operating point at each operating point
  • Power transmission arrangement 10 which is set by the load impedance Z L substantially, all the required electrical currents and voltages of the
  • Equivalent circuit 34 ' are calculated.
  • the load impedance Z L is optimized on the determined
  • Energy transfer assembly 10 is increased because hazards due to overheated objects in the air gap between the primary member 18 and the secondary member 20 are significantly reduced.
  • the impedance value of the load impedance determined according to the invention can also be used so that the transmittable power of the
  • Power transmission assembly 10 is increased while maintaining the same safety requirements.
  • inventive method 42 may be used for the design / adjustment of any power transmission systems with inductive power transmission (e.g., e-bike charging systems or battery powered tools).
  • any power transmission systems with inductive power transmission e.g., e-bike charging systems or battery powered tools.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (42) zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei eine einstellbare Lastimpedanz an das Sekundärglied (20) gekoppelt ist, wobei elektrische Ersatzgrößen für ein elektrisches Modell (34) der Energieübertragungsanordnung (10) ermittelt werden, wobei das elektrische Modell (34) ein elektrisch leitfähiges Objekt (32) in einer Übertragungsstrecke (28) zwischen dem Primärglied (18) und dem Sekundärglied (20) berücksichtigt, wobei ein Impedanzwert der Lastimpedanz auf der Grundlage der elektrischen Ersatzgrößen und einer ermittelten elektrischen Verlustleistung des in der Übertragungsstrecke (28) angeordneten Objekts (32) bestimmt wird, und wobei die Lastimpedanz auf den Impedanzwert eingestellt wird.

Description

Beschreibung Titel
Energieübertragungsanordnung und Verfahren zum Betreiben der
Energieübertragungsanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen
Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das
Sekundärglied zu übertragen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen.
Stand der Technik Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. In derartigen Elektro- oder
Hybridfahrzeugen werden typischerweise elektrische Maschinen als Antriebsmotor verwendet, die durch einen elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einen Akkumulator, mit elektrischer Energie versorgt werden. Die elektrischen Energiespeicher von
Elektrofahrzeugen oder Plugin-Hybridfahrzeugen müssen regelmäßig je nach
Ladezustand mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden werden, um den Energiespeicher mit elektrischer Energie zu laden. Zur Übertragung der elektrischen Energie von einer Ladestation auf das Fahrzeug kann beispielsweise ein Kabel verwendet werden. Eine derartige Kabelverbindung bietet allerdings einen sehr schlechten Bedienungskomfort und stellt außerdem eine mögliche Gefahr für den Anwender dar, da dieser bei Beschädigungen der Steckverbindung oder des Kabels in Kontakt mit spannungsführenden Teilen kommen könnte. Alternativ zu einer Kabelverbindung besteht die Möglichkeit, Fahrzeuge über eine drahtlose Energieübertragung mit elektrischer Energie zu versorgen. Bei einer induktiven Energieübertragung wird auf einer Primärseite mit Hilfe einer Spule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Zumindest ein Teil dieses magnetischen Wechselfelds durchdringt eine Sekundärseite, die ebenfalls eine Spule aufweist. Dadurch wird in der Spule der Sekundärseite eine Spannung induziert und somit Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen. Dabei kann das Spulensystem der Primärseite und der Sekundärseite als Transformator mit einem großen Luftspalt modelliert werden. Der Luftspalt verursacht große Streuinduktivitäten und eine relativ schlechte Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule. Die Streuinduktivitäten führen zu hohen Blindströmen im System, die nicht zur Energieübertragung beitragen, jedoch ohmsche Verluste erzeugen. Daher ist der Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragung schlechter als bei der kabelgebundenen Übertragung. Jedoch ist eine derartige
Energieübertragung durch die einfachere Handhabung komfortabler und bietet somit eine höhere Akzeptanz bei dem Anwender.
Durch die Verwendung von Kapazitäten auf Primär- und Sekundärseite kann das Energieübertragungssystem in Resonanz betrieben werden, wodurch die übertragbare Leistung und der erreichbare Wirkungsgrad wirksam verbessert werden. Daher wird bei bekannten drahtlosen Energieübertragungssystemen üblicherweise dieser resonante Betriebspunkt angestrebt.
Die übertragbare Leistung eines drahtlosen Energieübertragungssystems wird durch die einzuhaltenden Sicherheitsanforderungen beschränkt. So wird während der
Energieübertragung in einem Bereich zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ein magnetisches Feld hoher Feldstärke und Flussdichte aufgebaut. Gelangen Menschen oder Tiere während der Energieübertragung in diesen Bereich, so können Körperströme induziert werden. Elektrisch leitfähige Gegenstände werden in diesem Bereich durch die induzierten Wirbelströme stark erhitzt. Ein Schutzziel ist es, die Erhitzung derartiger Gegenstände zu reduzieren und somit die dafür festgesetzten Sicherheitsanforderungen einzuhalten. Wird das drahtlose Energieübertragungssystem auf den resonanten Betriebspunkt eingestellt, so kann nicht die unter Berücksichtung der
Sicherheitsanforderungen maximal mögliche Energie übertragen werden. Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied bereit, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das
Sekundärglied zu übertragen, wobei eine einstellbare Lastimpedanz an das
Sekundärglied gekoppelt ist, wobei zunächst elektrische Ersatzgrößen für ein elektrisches Modell der Energieübertragungsanordnung ermittelt werden, wobei das elektrische Modell ein elektrisch leitfähiges Objekt in einer Übertragungsstrecke zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied berücksichtigt, wobei ein Impedanzwert der Lastimpedanz auf der Grundlage der elektrischen Ersatzgrößen und einer ermittelten elektrischen
Verlustleistung des in der Übertragungsstrecke angeordneten Objekts bestimmt wird und wobei die Lastimpedanz auf den Impedanzwert eingestellt wird.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Energieübertragungsanordnung mit einem Primärglied und einem Sekundärglied, die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied auf das Sekundärglied zu übertragen, wobei eine einstellbare
Lastimpedanz an das Sekundärglied gekoppelt ist, und mit einer Steuereinheit bereit, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren der oben genannten Art auszuführen.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der einstellbaren Lastimpedanz die Verlustleistung eines in der Übertragungsstrecke befindlichen Objekts minimiert bzw. die übertragbare Leistung der Energieübertragungsanordnung maximiert. Dabei ist es unerheblich, welches konkrete elektrisch leitfähige Objekt zur Einstellung der
Lastimpedanz der Energieübertragungsanordnung verwendet wird, da die Optimierung der Energieübertragungsanordnung gleichermaßen für alle elektrisch leitfähigen Objekte gültig ist.
Zur Analyse des Betriebsverhaltens der Energieübertragungsanordnung wird ein elektrisches Modell bzw. ein elektrisches Ersatzschaltbild der
Energieübertragungsanordnung verwendet, in dem die Energieübertragungsanordnung und das in der Übertragungsstrecke (z.B. Luftspalt zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied) befindliche Objekt als elektrische Ersatzgrößen dargestellt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Impedanzwert derart bestimmt wird, dass die elektrische Verlustleistung des Objekts bei einem vordefinierten Wert einer elektrischen Wirkleistung der Lastimpedanz minimiert wird. In dieser Ausführungsform wird die Lastimpedanz so eingestellt, dass eine Erwärmung des in einem Bereich zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied befindlichen Objekts bei gleicher übertragener Leistung minimiert wird. Somit können Gefährdungen aufgrund eines überhitzten Objekts (z.B. ein Brand) vermieden werden. In einer weiteren Ausführungsform wird der Impedanzwert derart bestimmt, dass die elektrische Wirkleistung der Lastimpedanz bei einem vordefinierten Wert der elektrischen Verlustleistung des Objekts maximiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Einstellung der Lastimpedanz wird in dieser Ausführungsform die übertragbare Leistung für vorgegebenen Sicherheitsanforderungen (insbesondere im Bezug auf eine Erwärmung von Objekten in dem Bereich zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied) maximiert und gegenüber bekannten Systemen zur drahtlosen Energieübertragung erhöht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Impedanzwert mittels eines
numerischen Verfahrens bestimmt.
Erfindungsgemäß wird ein optimierter Impedanzwert der Lastimpedanz auf Basis eines numerischen Optimierungsverfahrens berechnet. Dazu werden in jedem Arbeitspunkt der Energieübertragungsanordnung, der maßgeblich durch den aktuellen Wert der
Lastimpedanz festgelegt wird, alle notwendigen elektrischen Ströme und elektrischen Spannungen des elektrischen Ersatzschaltbilds berechnet, um die Verlustleistung des Objekts zu ermitteln. Derjenige Impedanzwert, bei dem sich beispielweise bei einer vorgegebenen zu übertragenden Leistung die niedrigste Verlustleistung einstellt, kennzeichnet den optimierten Impedanzwert.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Impedanzwert für eine Position des Objekts in der Übertragungsstrecke bestimmt, an der die elektrische Verlustleistung des Objekts maximal ist. Der einzustellende Impedanzwert der Lastimpedanz hängt insbesondere von der Position des Objekts zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied ab. Weist das Primärglied z.B. eine Primärspule zum Übertragen der elektrischen Energie auf, so ist die
Verlustleistung des Objekts relativ hoch, wenn dieses in der Nähe der Wicklungen der Primärspule angeordnet ist. Dementsprechend wird das Objekt an dieser Position besonders stark erhitzt.
Wird der Impedanzwert für diejenige Position des Objekts ermittelt, an der die
Verlustleistung/Erhitzung des Objekts maximal ist, so kann sichergestellt werden, dass die Sicherheitsanforderungen auch für andere beliebige Positionen des Objekts zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied eingehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Ermitteln der elektrischen Ersatzgrößen ein Ermitteln von ersten elektrischen Ersatzgrößen, wobei das Objekt außerhalb der
Übertragungsstrecke angeordnet ist, ein Anordnen des Objekts in der
Übertragungsstrecke, ein Ermitteln von zweiten elektrischen Ersatzgrößen und ein Bestimmen der elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage der ersten und der zweiten elektrischen Ersatzgrößen auf. Durch diese Maßnahme werden zunächst die elektrischen Ersatzgrößen des elektrischen Ersatzschaltbilds ermittelt, die die drahtlose Energieübertragungsanordnung
kennzeichnen. Anschließend wird das Objekt in der Übertragungsstrecke positioniert. Durch ein nochmaliges Ermitteln der elektrischen Ersatzgrößen und einen Vergleich mit den zuvor ermittelten Ersatzgrößen können auch die elektrischen Ersatzgrößen des Objekts bestimmt werden. Damit wird es ermöglicht, die Verlustleistung des Objekts zu berechnen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und/oder die zweiten elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage von gemessenen physikalischen Größen ermittelt.
In dieser Ausführungsform werden die Parameter bzw. die elektrischen Ersatzgrößen des elektrischen Ersatzschaltbilds mit Hilfe von Messungen an der
Energieübertragungsanordnung bestimmt. Beispielsweise können elektrische Ströme und/oder elektrische Spannungen der Energieübertragungsanordnung gemessen werden. Vorteilhafterweise können die Parameter des elektrischen Ersatzschaltbilds damit unter Realbedingungen erfasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und/oder die zweiten elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage einer Simulation ermittelt.
Da die elektrischen Ersatzgrößen in dieser Ausführungsform in einer Simulation bestimmt werden, kann auf aufwendige Messungen verzichtet werden. Die Parameter können damit sehr schnell und auf einfache Art und Weise bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrere ohmsche Widerstände als elektrische Ersatzgrößen des Objekts ermittelt.
Bei der Positionierung des Objekts in dem magnetischen Wechselfeld der
Energieübertragungsanordnung werden in dem Objekt sogenannten Wirbelströme induziert. Die dadurch auftretenden Wirbelstromverluste können als äquivalente Ohmsche Widerstände in dem elektrischen Ersatzschaltbild dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein ohmscher Anteil und ein kapazitiver Anteil der Lastimpedanz bestimmt.
Bei dem Bestimmen des Impedanzwerts der Lastimpedanz werden sowohl der Realteil (der ohmsche Anteil) als auch der Imaginärteil der Lastimpedanz optimiert. Der
Imaginärteil weist einen kapazitiven Anteil auf, um die große Streuinduktivität der
Energieübertragungsanordnung (verursacht durch den großen Luftspalt zwischen dem Primärglied und dem Sekundärglied) zumindest teilweise zu kompensieren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu
erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen
Außerdem versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße
Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind. Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Energieübertragungsanordnung zum
Austauschen von elektrischer Energie zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Ladestation;
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Energieübertragungsanordnung;
Fig. 3 zeigt ein weiteres elektrisches Ersatzschaltbild der Energieübertragungsanordnung, das ein elektrisch leitfähiges Objekt in einer Übertragungsstrecke der
Energieübertragungsanordnung berücksichtigt;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Temperaturverlaufs des elektrisch leitfähigen Objekts bei unterschiedlichen Lastimpedanzen; und Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung Fig. 1 zeigt eine drahtlose Energieübertragungsanordnung 10 zum Übertragen von elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz 12 zu einem Elektrofahrzeug 14. Das Elektrofahrzeug 14 weist typischerweise eine in Fig. 1 nicht näher bezeichnete elektrische Drehfeldmaschine auf, die als Antriebsmotor verwendet wird. Außerdem weist das Elektrofahrzeug 14 eine Traktionsbatterie 16 auf, die elektrische Energie für das Betreiben der elektrischen Drehfeldmaschine bereitstellt. Nach einer bestimmten
Betriebsdauer des Elektrofahrzeugs 14 muss die Traktionsbatterie 16 wieder aufgeladen werden. Dazu wird elektrische Energie von dem Energieversorgungsnetz 12 mit Hilfe der Energieübertragungsanordnung 10 an die Traktionsbatterie 16 übertragen. Die Energieübertragungsanordnung 10 weist ein Primärglied 18 und ein Sekundärglied 20 auf. Das Primärglied 18 weist zum Übertragen von elektrischer Energie eine Primärspule 22 auf und ist elektrisch mit dem Energieversorgungsnetz 12 gekoppelt. In dem
vorliegenden Fall bildet das Primärglied 18 einen Teil einer in Fig. 1 nicht näher bezeichneten Bodenstation zum Laden von Elektrofahrzeugen, die in einen
Fahrbahnbelag 24 eingelassen ist. Das Sekundärglied 20 weist zum Übertragen von elektrischer Energie eine Sekundärspule 26 auf und ist elektrisch mit der Traktionsbatterie 16 gekoppelt. Das Sekundärglied 20 bildet einen Teil einer in Fig. 1 nicht näher bezeichneten fahrzeugseitigen Ladeeinrichtung zum Laden der Traktionsbatterie 16. Zum Laden der Traktionsbatterie 16 wird mit Hilfe der Primärspule 22 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Zumindest ein Teil dieses magnetischen Wechselfeld durchdringt die Sekundärspule 26, wodurch in dieser eine Spannung induziert und somit Energie von dem Primärglied 18 auf das Sekundärglied 20 und damit die Traktionsbatterie 16 übertragen wird.
Zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 ist eine Übertragungsstrecke 28 ausgebildet, die beispielsweise einen größeren Luftspalt aufweist. Dieser Luftspalt verursacht große Streuinduktivitäten und führt zu einer schlechten Kopplung zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20. Aus diesem Grund weist die
fahrzeugseitige Ladeeinrichtung ein Anpassungsglied 30 auf, mit dem die übertragbare Leistung und der Wirkungsgrad der Energieübertragungsanordnung 10 beeinflusst werden kann. Das Anpassungsglied 30 und die Traktionsbatterie 16 bilden zusammen eine an das Sekundärglied 20 gekoppelte Lastimpedanz ZL, die zum Einstellen eines Betriebspunkts der Energieübertragungsanordnung 10 verwendet wird.
Bei bekannten Systemen zur drahtlosen Energieübertragung wird üblicherweise ein resonanter Betriebspunkt eingestellt, um die übertragbare Leistung und den Wirkungsgrad der Energieübertragung zu verbessern. Allerdings stellt die Betriebssicherheit bei drahtlosen Energieübertragungssystemen ein wichtiges Thema dar. So wird bei Betrieb der Energieübertragungsanordnung 10 zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 ein hochfrequentes
magnetisches Wechselfeld ausgebildet. Befindet sich beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Objekt 32 in diesem Magnetfeld, so werden darin Wirbelströme induziert, die zu einer Erwärmung des Objekts 32 führen. Besonders problematisch sind dabei Materialien, die sowohl eine gute elektrische, wie auch eine gute magnetische
Leitfähigkeit besitzen (z.B. Eisen). Um eine unzulässig starke Erhitzung des Objekts 32 zu vermeiden, müssen bestimmte Sicherheitsanforderungen von der
Energieübertragungsanordnung 10 eingehalten werden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Lastimpedanz ZL mittels des
Anpassungsglieds 30 so einzustellen, dass entweder die Erhitzung von in der
Übertragungsstrecke 28 befindlichen Objekten 32 bei gleicher übertragener Leistung reduziert oder die übertragbare Leistung bei Einhaltung der gleichen
Sicherheitsanforderungen erhöht wird.
Zur Ermittlung eines optimierten Impedanzwerts der Lastimpedanz ZL wird zunächst das Betriebsverhalten der Energieübertragungsanordnung 10 mit Hilfe eines elektrischen Modells 34 bzw. eines herkömmlichen elektrischen Ersatzschaltbilds 34 eines
Transformators, das in Fig. 2 gezeigt ist, beschrieben.
Dabei werden in Fig. 2 die folgenden Größen referenziert: u = w1 /w2: Übersetzungsverhältnis gebildet durch das Verhältnis der Windungszahl w1 der Primärspule 22 und Windungszahl w2 der Sekundärspule 26;
Ui : Eingangsspannung;
U2: Ausgangsspannung;
U2' = u · U2: transformierte Ausgangsspannung;
: Eingangsstrom;
l2: Ausgangsstrom; l2' =—■ I2 : transformierter Ausgangsstrom;
u
L1(J: Streuinduktivität der Primärspule 22;
L2(J': transformierte Streuinduktivität der Sekundärspule 26;
R1 : Wicklungswiderstand der Primärspule 22;
R2 : transformierter Wicklungswiderstand der Sekundärspule 26;
Lh: Hauptinduktivität;
Rh: Widerstand zur Modellierung der Eisenverluste der Energieübertragungsanordnung 10;
ZL: Lastimpedanz.
Alle Parameter des elektrischen Ersatzschaltbilds 34 aus Fig. 2 können durch Messungen oder Simulationen bestimmt werden. Die sekundärseitig gemessenen Größen werden mit dem Übersetzungsverhältnis u auf die Primärseite bezogen. Dabei ist zu beachten, dass bei der Ermittlung der Parameter/elektrischen Ersatzgrößen der
Energieübertragungsanordnung 10 zunächst kein elektrisch leitfähiges Objekt in der Übertragungsstrecke 28 zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 angeordnet ist. Da das in Fig. 2 dargestellte Ersatzschaltbild 34 ein herkömmliches Ersatzschaltbild eines Transformators repräsentiert, soll die Bestimmung der darin enthaltenen elektrischen Ersatzgrößen als bekannt vorausgesetzt werden.
Anschließend wird das elektrisch leitfähige Objekt 32 in der Übertragungsstrecke 28 zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 positioniert. Durch das hochfrequente magnetische Wechselfeld werden in dem Objekt 32 Wirbelströme induziert, die zu einer Erwärmung des Objekts 32 und zu entsprechenden
Wirbelstromverlusten führen.
Um die Verluste in dem Objekt 32 zu modellieren, werden erneut die
Parameter/elektrischen Ersatzgrößen des Ersatzschaltbilds 34 gemessen oder simuliert. Das resultierende elektrische Ersatzschaltbild 34', das das elektrisch leitfähige Objekt 32 in der Übertragungsstrecke 28 berücksichtigt, ist in Fig. 3 gezeigt. Die zusätzlichen
Wirbelstromverluste in dem Objekt 32 können als äquivalente ohmsche Widerstände RFoi , RFo2 und RFoh gemessen werden. Dabei kennzeichnet die elektrische Ersatzgröße RFo2' wiederum den transformierten Widerstand RFo2- Ebenso kennzeichnet die Ersatzgröße ZL' die mit dem Übersetzungsverhältnis u auf die Primärseite bezogene Lastimpedanz ZL und berechnet sich nach folgender Formel:
ZL' = u2 · ZL
Der Betriebspunkt der Energieübertragungsanordnung 10 wird maßgeblich durch die Lastimpedanz ZL' festgelegt. Vorteilhaftweise sollte die Lastimpedanz ZL' einen
kapazitiven Anteil aufweisen, um die große Streuinduktivität L2(J' zu kompensieren.
Erfindungsgemäß wird mittels eines numerischen Optimierungsverfahrens ein
Impedanzwert der Lastimpedanz ZL' berechnet, bei dem die Wirbelstromverluste in dem Objekt 32 bei gleicher sekundärseitiger Wirkleistung minimal sind. Dazu werden in jedem Betriebspunkt der Energieübertragungsanordnung 10 die erforderlichen elektrischen Ströme und Spannungen aus dem Ersatzschaltbild 34' berechnet, um die Verlustleistung PFO des Objekts 32 zu ermitteln:
PFO = i ' ^FOi + 2 ' ^FO2 "H ' ^FOH Dabei kann mit Hilfe der Eingangsspannung Ui die übertragene Leistung angepasst werden. Der Wert der Lastimpedanz, bei dem die Verlustleistung PFo des Objekts 32 minimal wird, wird als optimierter Impedanzwert bezeichnet. Durch ein Einstellen der Lastimpedanz ZL auf den optimierten Impedanzwert kann die Erhitzung des Objekts 32 bei gleicher übertragener Leistung reduziert werden. Dies führt schließlich zu einer erhöhten Betriebssicherheit der Energieübertragungsanordnung 10.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Temperaturverlaufs des in der
Übertragungsstrecke 28 angeordneten elektrisch leitfähigen Objekts 32 bei
unterschiedlichen Lastimpedanzen ZL. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Temperatur in °C aufgetragen. Dabei wird die Temperatur des Objekts 32 jeweils bei gleicher Ausgangsleistung der
Energieübertragungsanordnung 10 und einer Betriebsfrequenz von f = 100 kHz erfasst. Die in Fig. 4 dargestellten Temperaturverläufe ergeben sich bei Einstellung der folgenden Lastimpedanzen ZL:
1 . Erfindungsgemäß optimierter Impedanzwert der Lastimpedanz ZL zur Minimierung der Verlustleistung in dem Objekt 32: RL = 5 Ω, CL = 195 nF (Serienschaltung);
Temperaturverlauf dargestellt als durchgezogene Kurve 36
2. Ohmsche Last: RL = 5 Ω; Temperaturverlauf dargestellt als gepunktete Kurve 38
3. Resonante Last zur Kompensierung der Streuinduktivität L2(J: RL = 5 Ω, CL = 466 nF (Serienschaltung); Temperaturverlauf dargestellt als gestrichelte Kurve 40.
Mit dem elektrischen Ersatzschaltbild 34' aus Fig. 3 berechnet sich die Verlustleistung in dem Objekt 32 für die o.g. Lastimpedanzen ZL zu:
Figure imgf000013_0001
2. PFO = 0,61 W
3. PFO = 0,39 W
Aus diesen berechneten Werten der Verlustleistung in dem Objekt 32 und den verschiedenen Temperaturverläufen 36, 38, 40 aus der Fig. 4 ist zu erkennen, dass mit Hilfe des erfindungsgemäß optimierten Impedanzwertes die Verlustleistung des Objekts 32 (siehe PFo unter 1 .) und damit verbunden die Erhitzung des Objekts 32 (siehe Kurve 36) reduziert wird.
Die Ermittlung des optimierten Impedanzwertes muss dabei vorteilhafterweise nur einmal mit Hilfe eines beliebigen elektrisch leitfähigen Objekts 32 (z.B. mit einem metallischen Rohr) durchgeführt werden. Gelangen andere elektrisch leitfähige Objekte in die
Übertragungsstrecke 28, so ist die Optimierung der Energieübertragungsanordnung 10 mittels der Lastimpedanz ZL gleichermaßen für diese Objekte gültig. Mit anderen Worten werden auch bei beliebigen anderen elektrisch leifähigen Objekten die
Wirbelstromverluste und damit die Erhitzung reduziert.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verfahrens 42. Das Verfahren 42 ist darauf gerichtet, die drahtlose Energieübertragungsanordnung 10 zu betreiben und insbesondere einen optimierten Impedanzwert der Lastimpedanz ZL zu ermitteln, der zu einer minimalen Erwärmung eines in der Übertragungsstrecke 28 angeordneten Objekts 32 führt.
Dazu werden in einem Schritt 44 erste elektrische Ersatzgrößen des Ersatzschaltbilds 34 ermittelt. Dabei ist zunächst kein elektrisch leitfähiges Fremdobjekt in der
Übertragungsstrecke 28 angeordnet. Die Ermittlung der Ersatzgrößen erfolgt über einen Messvorgang oder über eine Simulation.
Anschließend wird in einem Schritt 46 das elektrisch leitfähige Objekt 32 in die
Übertragungsstrecke 28 bzw. in den Luftspalt zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 eingebracht. Das elektrisch leitfähige Objekt 32 wird vorteilhafterweise so in dem Luftspalt positioniert, dass in dem Objekt 32 eine möglichst hohe
Verlustleistung aufgrund von induzierten Wirbelströmen auftritt. Dies kann z.B. eine Position in der Nähe der Wicklungen der Primärspule 22 sein. Da die Wirbelstromverluste des Objekts 32 von der Positionierung des Objekts 32 zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 abhängen, ist es besonders bevorzugt, wenn das Objekt 32 so angeordnet wird, dass an dieser Position die maximale Verlustleistung erzeugt wird. So kann sichergestellt werden, dass die Sicherheitsanforderungen für alle beliebigen
Positionierungen des elektrisch leitfähigen Objekts 32 in der Übertragungsstrecke 28 eingehalten werden. ln einem Schritt 48 werden zweite elektrische Ersatzgrößen gemessen oder simuliert, um die elektrischen Ersatzgrößen des Ersatzschaltbilds 34' zu bestimmen. Durch einen Vergleich der ersten und der zweiten elektrischen Ersatzgrößen können die
Wirbelstromverluste in dem Objekt 32 als äquivalente ohmsche Widerstände ermittelt werden.
In einem Schritt 50 wird mittels eines numerischen Optimierungsverfahrens ein optimierter Impedanzwert der Lastimpedanz ZL berechnet, bei dem die Wirbelstromverluste in dem Objekt 32 bei gleicher sekundärseitiger Wirkleistung minimal sind. Die Verlustleistung des Objekts 32 wird ermittelt, indem in jedem Arbeitspunkt der
Energieübertragungsanordnung 10, der im Wesentlichen durch die Lastimpedanz ZL eingestellt wird, alle erforderlichen elektrischen Ströme und Spannungen des
Ersatzschaltbilds 34' berechnet werden. In einem Schritt 52 wird die Lastimpedanz ZL auf den ermittelten optimierten
Impedanzwert eingestellt. Somit kann die Erhitzung des Objekts 32 bei gleicher übertragener Leistung minimiert werden. Die Betriebssicherheit der
Energieübertragungsanordnung 10 wird erhöht, da Gefährdungen durch überhitzte Objekte in dem Luftspalt zwischen dem Primärglied 18 und dem Sekundärglied 20 erheblich reduziert werden.
Obgleich somit bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 42 gezeigt worden sind, versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann der erfindungsgemäß ermittelte Impedanzwert der Lastimpedanz auch so genutzt werden, dass die übertragbare Leistung der
Energieübertragungsanordnung 10 bei Einhaltung der gleichen Sicherheitsanforderungen erhöht wird.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren 42 für die Auslegung/Einstellung von beliebigen Energieübertragungssystemen mit induktiver Leistungsübertragung eingesetzt werden (z.B. Ladesysteme für E-Bikes oder akkubetriebene Werkzeuge).

Claims

Ansprüche 1 . Verfahren (42) zum Betreiben einer drahtlosen Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei eine einstellbare Lastimpedanz an das Sekundärglied (20) gekoppelt ist, mit den Schritten:
- Ermitteln von elektrischen Ersatzgrößen für ein elektrisches Modell (34) der
Energieübertragungsanordnung (10), wobei das elektrische Modell (34) ein elektrisch leitfähiges Objekt (32) in einer Übertragungsstrecke (28) zwischen dem Primärglied (18) und dem Sekundärglied (20) berücksichtigt,
- Bestimmen eines Impedanzwerts der Lastimpedanz auf der Grundlage der elektrischen Ersatzgrößen und einer ermittelten elektrischen Verlustleistung des in der
Übertragungsstrecke (28) angeordneten Objekts (32), und
- Einstellen der Lastimpedanz auf den Impedanzwert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Impedanzwert derart bestimmt wird, dass die elektrische Verlustleistung des Objekts (32) bei einem vordefinierten Wert einer elektrischen Wirkleistung der Lastimpedanz minimiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Impedanzwert derart bestimmt wird, dass die elektrische Wirkleistung der Lastimpedanz bei einem vordefinierten Wert der elektrischen Verlustleistung des Objekts (32) maximiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Impedanzwert mittels eines numerischen Verfahrens bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Impedanzwert für eine Position des Objekts (32) in der Übertragungsstrecke (28) bestimmt wird, an der die elektrische Verlustleistung des Objekts (32) maximal ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ermitteln der elektrischen Ersatzgrößen die folgenden Schritte aufweist: - Ermitteln von ersten elektrischen Ersatzgrößen, wobei das Objekt (32) außerhalb der Übertragungsstrecke (28) angeordnet ist,
- Anordnen des Objekts (32) in der Übertragungsstrecke (28),
- Ermitteln von zweiten elektrischen Ersatzgrößen, und
- Bestimmen der elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage der ersten und der zweiten elektrischen Ersatzgrößen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die ersten und/oder die zweiten elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage von gemessenen physikalischen Größen ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die ersten und/oder die zweiten elektrischen Ersatzgrößen auf der Grundlage einer Simulation ermittelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mehrere ohmsche Widerstände als elektrische Ersatzgrößen des Objekts (32) ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein ohmscher Anteil und ein kapazitiver Anteil der Lastimpedanz bestimmt wird.
1 1. Energieübertragungsanordnung (10) mit einem Primärglied (18) und einem
Sekundärglied (20), die induktiv koppelbar sind, um elektrische Energie von dem
Primärglied (18) auf das Sekundärglied (20) zu übertragen, wobei eine einstellbare Lastimpedanz an das Sekundärglied (20) gekoppelt ist, und mit einer Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
PCT/EP2013/068586 2012-09-26 2013-09-09 Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung WO2014048706A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012217424.9 2012-09-26
DE102012217424.9A DE102012217424A1 (de) 2012-09-26 2012-09-26 Energieübertragungsanordnung und Verfahren zum Betreiben der Energieübertragungsanordnung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2014048706A2 true WO2014048706A2 (de) 2014-04-03
WO2014048706A3 WO2014048706A3 (de) 2014-08-28

Family

ID=49118538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/068586 WO2014048706A2 (de) 2012-09-26 2013-09-09 Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012217424A1 (de)
WO (1) WO2014048706A2 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014007070A1 (de) * 2014-05-15 2015-11-19 Bury Sp.Z.O.O Ladestation für ein elektrisches Gerät

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8901778B2 (en) * 2008-09-27 2014-12-02 Witricity Corporation Wireless energy transfer with variable size resonators for implanted medical devices
DE102009033237A1 (de) * 2009-07-14 2011-01-20 Conductix-Wampfler Ag Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie
US9231412B2 (en) * 2010-12-29 2016-01-05 National Semiconductor Corporation Resonant system for wireless power transmission to multiple receivers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014048706A3 (de) 2014-08-28
DE102012217424A1 (de) 2014-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016116929B4 (de) Parameterschätzung für einen schwach gekoppelten Transformator
DE112013004469B4 (de) Fahrzeug und berührungsloses Leistungszufuhrsystem
EP3103674B1 (de) Positionsbestimmungssystem, verfahren zur positionsbestimmung und system zur induktiven energieübertragung mit positionsbestimmungssystem
DE102013219528A1 (de) Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs
EP2819265B1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Ladestation
DE102014118076A1 (de) Konfektioniertes Ladekabel mit Temperaturüberwachung für Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Ladeverfahren
DE102011010049A1 (de) Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs
DE102015111852A1 (de) Induktives drahtloses Leistungstransportsystem mit einer Kopplerbaugruppe
DE102015224013A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung
WO2016050424A1 (de) Verfahren zur fremdobjekterkennung für eine induktionsladevorrichtung und induktionsladevorrichtung
DE112013006857T5 (de) Fahrzeug und kontaktloses Leistungsversorgungssystem
DE102014219968A1 (de) Verfahren zur Fremdobjekterkennung für eine Induktionsladevorrichtung und Induktionsladevorrichtung
EP3545537A1 (de) Induktives bauelement und sekundärresonatoreinrichtung zur montage an einem elektrokraftfahrzeug
WO2019052961A1 (de) Fahrzeugkontakteinheit, bodenkontakteinheit, fahrzeugkoppelsystem sowie verfahren zur ueberpruefung der kontaktierung und der zuordnung von kontaktstellen
DE102013215785B4 (de) Fahrzeugseitiges Lademodul, induktives Ladesystem und Verfahren zum induktiven Laden eines Energiespeichers
WO2014000910A1 (de) Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung
DE102015015582A1 (de) Stromsensor für ein fahrzeug
WO2016096884A1 (de) Primäreinheit mit mehreren teilspulen für induktives laden
WO2019154684A1 (de) Induktive ladevorrichtung und verfahren zum überwachen einer induktiven ladevorrichtung
DE102016217703A1 (de) Verfahren zur Ermittlung von Information in Bezug auf ein induktives Koppelsystem
WO2014048706A2 (de) Energieübertragungsanordnung und verfahren zum betreiben der energieübertragungsanordnung
EP2865069B1 (de) Objekterkennung für ein energieübertragungssystem
DE102017202025A1 (de) Verfahren zur Überprüfung einer Primär- oder Sekundäreinheit eines induktiven Ladesystems
WO2015144619A1 (de) Magnetischer kreis zum dynamischen laden von elektrofahrzeugen
DE102014226397A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung der Ladeleistung

Legal Events

Date Code Title Description
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13759222

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2