WO2015032525A1 - Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zur induktiven energieübertragung - Google Patents

Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zur induktiven energieübertragung Download PDF

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WO2015032525A1
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primary coil
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Felix Stewing
Tobias Diekhans
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for inductive power transmission.
  • the present invention relates to an inductive energy transfer from a primary coil assembly to one with the
  • Primary coil arrangement inductively coupled secondary coil assembly.
  • Electric vehicles driven by an electric motor alone are known.
  • plug-in hybrid vehicles are known, the drive is effected by a combination of an electric motor and another drive machine.
  • the electrical energy for driving the electric motor is provided by an electrical energy store, for example a traction battery. After the energy storage is completely or partially discharged, it is necessary to recharge the energy storage. There are various approaches for charging the energy store.
  • Resonance networks are used to enable efficient energy transfer. For this purpose, different resonance networks are known.
  • Secondary coil is arranged as precisely as possible over the primary coil of the charging station. Depending on the distance and position of the primary coil and the secondary coil to each other, different influences on the coil system.
  • the document DE 42 36 286 A1 discloses a system for non-contact energy transfer when charging the battery of a vehicle, wherein the primary coil and / or the secondary coil after the
  • Parking the vehicle in its position can be varied.
  • the secondary coil is mounted on the vehicle such that it is openly accessible during energy transmission.
  • Variations in the coupling between the primary and secondary coil is customizable.
  • the present invention provides an inductive energy transfer device having a primary coil assembly having a first number of
  • the present invention provides a method for inductive energy transfer from a primary coil assembly to one with the Pnmärspulenanowski extractor; of providing the
  • Energy transfer are traversed by an alternating electrical current and / or adjusting a second number of secondary windings in the
  • the present invention is based on the idea to adapt the properties of the primary coil and / or the secondary coil to external conditions.
  • the inductances can be adjusted such that a coupling inductance between the two coils is kept as constant as possible even with a variable coupling factor. It is thus possible, for example, to decisively improve the degree of efficiency or other optimization variables.
  • Secondary coil it is possible to adapt the coil system to the respective conditions.
  • the operating conditions can be optimized. For example, it is possible to respond to deviations in the air gap between the primary and secondary coils. It is also possible to optimize the coil system for the power to be transmitted.
  • the primary drive arrangement comprises a predetermined number of base coils, as well as a first extension unit.
  • Extension unit is designed to add one or more additional turns to the base turns of the Pnmärspulenan accent.
  • the first expansion unit comprises a first compensation device, which is designed to be a Resonance frequency in the primary coil assembly to adapt.
  • Resonance frequency of the system can be adjusted to the desired operating frequency.
  • the secondary coil arrangement has a predetermined number of ground coils and a second expansion unit.
  • the second expansion unit is designed to one or more
  • the second expansion unit has a second compensation device which is designed to adapt a resonance frequency in the secondary coil arrangement.
  • the device comprises inductive
  • Energy transfer further comprises a control unit which is adapted to the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of
  • Adjust secondary windings in the secondary coil assembly Such a control unit enables an efficient and optimized adaptation of the active windings in the primary coil and / or the secondary coil.
  • the device comprises inductive
  • Energy transfer further comprises a control unit which is adapted to a current and / or a voltage in the primary coil assembly and / or the
  • the control unit matches the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of
  • Secondary windings in the secondary coil assembly as a function of the power to be transmitted. In this way it is possible, even with variations in the power to be transmitted to always allow optimal inductive energy transfer.
  • control unit matches the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of secondary windings in the secondary coil assembly at the beginning of one
  • connection conditions and thus also the coupling inductance can be adapted to the respective transmission conditions.
  • control unit matches the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of
  • Secondary windings in the secondary coil assembly during an energy transfer dynamically.
  • Such an adjustment may be either continuous, cyclical during fixed predetermined time intervals or upon the arrival of predefined events, such as variations in current, voltage or power.
  • predefined events such as variations in current, voltage or power.
  • control unit matches the first number of primary windings in the primary coil assembly and / or the second number of
  • Secondary turns in the secondary coil assembly to a power to be transmitted e.g. the primary coil assembly is adapted to be compatible with different secondary coil assemblies.
  • the secondary coil arrangement can be adapted so that they are different
  • the individually switchable coil parts of the primary coil arrangement and / or the secondary coil arrangement consist of turns with different conductor cross-sections and / or different high-frequency hubs.
  • the charging device comprises a plurality of different primary coil arrangements and / or secondary coil arrangements which are optimized for different charging powers, wherein in each case a primary coil arrangement and a function of the charging power to be transmitted
  • Figure 1 a schematic representation of a vehicle, by means of a
  • Embodiment is loaded
  • Figure 2 a schematic representation of a device for inductive
  • Figure 3 a schematic representation of a method for inductive
  • FIG. 1 shows an electric vehicle 3 with a battery 30. This battery 30 is charged via a device 1 for inductive energy transmission. This is one
  • Energy source 4 for example, an electrical supply network energy
  • a primary coil assembly 10 is excited.
  • the primary coil assembly 10 is traversed by an alternating electrical current.
  • the frequency with which the primary coil arrangement 10 is excited in this case is preferably in the range between 10 and 150 kHz. However, other frequencies below or below are also possible.
  • Device 1 for inductive energy transmission advantageously has resonance elements, which are preferably tuned so that device 1 has a resonance frequency close to the desired operating frequency.
  • the voltage provided by the power source 4 in this case by a suitable
  • Inverter circuit provided in the desired operating frequency.
  • an alternating magnetic field is generated, which induces an alternating electrical voltage in the secondary coil assembly 20.
  • This electrical alternating voltage is provided at the output of the secondary coil arrangement 20 and after appropriate conditioning, for example a rectification, provided to the battery 30 of the vehicle 3.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a device 1 for inductive
  • the primary coil arrangement 10 comprises a first coil part having a first predetermined number N PB of base coils 11. Furthermore, the first coil part having a first predetermined number N PB of base coils 11. Furthermore, the first coil part having a first predetermined number N PB of base coils 11. Furthermore, the first coil part having a first predetermined number N PB of base coils 11. Furthermore, the first coil part having a first predetermined number N PB of base coils 11. Furthermore, the
  • Extension unit 12 comprises one or more coil parts with first additional turns 12. For better intuition, only one such coil part is shown in FIG.
  • the device 1 for inductive energy transmission further comprises a secondary coil arrangement 20.
  • This secondary coil arrangement 20 is arranged during the inductive energy transmission such that an alternating magnetic field generated by the primary coil arrangement 10 couples into the secondary coil arrangement 20.
  • the secondary coil arrangement 20 in this case comprises a base coil with a predetermined number N S B of ground windings 21.
  • the secondary coil arrangement comprises a second extension unit with one or more second supplementary windings 22.
  • Additional turns 22 shown In addition, however, it is also possible analogously to the primary coil arrangement, in addition to integrate additional supplementary windings in the expansion unit.
  • the supplementary windings 22 can all have the same number N S z. Alternatively, it is also possible for the number N s z to vary for each group of make-up turns 22. In the embodiment shown in Figure 2 are both in the
  • Coil arrangement may be carried out without such an expansion unit.
  • Secondary coil assembly 20 the primary coil assembly 10 is now excited by an alternating electrical current.
  • the alternating magnetic field generated thereby couples into the secondary coil arrangement 20, induced in the
  • Secondary coil assembly 20 is an alternating electrical current that may be provided at the output of secondary coil assembly 20. If the position between the primary coil arrangement 10 and the secondary coil arrangement 20 varies, fluctuations in the coupling factor k occur depending on the offset of the two coils and the air gap therebetween. In order to keep the coupling inductance M between the primary coil arrangement 10 and the secondary coil arrangement 20 as constant as possible when the coupling factor k fluctuates, the number of turns actively involved in the energy transmission in the primary coil arrangement 10 and / or the secondary coil arrangement 20 can be varied. For this purpose, it is possible, in addition to the base turns 11 of
  • the device 1 for inductive energy transmission is preferably operated in the vicinity of a fixed predefined operating frequency.
  • the resonance elements of the device 1 for inductive energy transmission are dimensioned such that the device 1 for inductive energy transmission has a resonance frequency in the region of
  • Additional turns 12 changes the resonant frequency of the entire device for inductive energy transfer, a compensation of the additional inductance is required by the additional turns 12.
  • a corresponding capacitance C PZ in the primary coil arrangement 10 can also be added or removed at the same time.
  • each group of additional windings 12 is simultaneously coupled to a suitable component for compensation of the additional inductance. For example, anyone can
  • Additional turn 12 or each group of additional windings 12 are connected to a correspondingly dimensioned capacitor C PZ .
  • a variation of the active coil turns of the secondary coil arrangement 20 is likewise possible.
  • the desired number of supplementary windings 22 can be added to the basic windings 21 by a control device 25. Again, the addition or removal of individual supplementary turns or groups of supplementary turns 22 is possible.
  • the number of primary windings in the primary coil arrangement 10 and / or the secondary coil arrangement 20 which are actively involved in the energy transmission is preferably adjusted so that a variable coupling factor k is also used As constant as possible coupling inductance M between the primary coil assembly 10 and secondary coil assembly 20 sets.
  • the energy transfer can be adjusted so that there is an optimized efficiency for the energy transfer.
  • Primary coil assembly 10 to secondary coil assembly 20 different numbers of coil turns are selected. For example, an adaptation of the primary coil arrangement 10 and / or secondary coil arrangement 20 to previously defined charging power levels is possible. In addition, it is also conceivable that the relative position between primary coil arrangement 10 and secondary coil arrangement 20 is determined beforehand and, based thereon, the number of coil windings actively involved in the energy transmission in primary coil arrangement 10 and 10
  • Primary coil unit 10 are monitored. In addition, it is also possible to monitor and determine further parameters. Is determined during the energy transfer that by varying the active coil turns in
  • Primary coil assembly 10 or secondary coil unit 20 is an optimized
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a method 100 for operating an inductive energy transmission from a primary coil arrangement 10 to a circuit
  • the primary coil assembly 10 is provided.
  • the primary coil assembly 10 includes the components described above, such as base coils 11 and extension unit with additional windings 12, which can be controlled by the control unit 15.
  • step 120 a secondary coil assembly 20 is provided.
  • Secondary coil assembly 20 also includes the previously described components, such as ground coils 21, and extension unit with supplemental coils 22, which may be added or removed by control unit 25 to the ground coils.
  • the present invention relates to an inductive energy transfer between a primary coil and a secondary coil. Changes in the coupling factor between the primary and secondary coils, which occur for example due to variations in the air gap or an offset between the primary coil and secondary coil, are compensated by adapting the coil windings actively involved in the primary or secondary coil. Thus, a coupling inductance between primary and secondary coil can be kept almost constant even with variable coupling factor or adapted to a specific charging power. This is an optimization of the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine induktive Energieübertragung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule. Veränderungen des Koppelfaktors zwischen Primär- und Sekundärspule, die beispielsweise aufgrund von Variationen im Luftspalt oder einem Versatz zwischen Primärspule und Sekundärspule auftreten, werden durch Anpassung der aktiv beteiligten Spulenwindungen in Primär- oder Sekundärspule kompensiert. Somit kann eine Koppelinduktivität zwischen Primär- und Sekundärspule auch bei veränderlichem Koppelfaktor nahezu konstant gehalten werden oder an eine bestimmte Ladeleistung angepasst werden. Hierdurch ist eine Optimierung des Wirkungsgrades oder anderer Parameter möglich. Weiterhin kann eine Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Primär- und Sekundärspulenanordnungen erreicht werden.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zur induktiven
Energieübertragung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung zu einer mit der
Primärspulenanordnung induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung.
Stand der Technik Elektrofahrzeuge, die alleine mittels eines Elektromotors angetrieben werden, sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Plugin-Hybridfahrzeuge bekannt, deren Antrieb durch eine Kombination eines Elektromotors und einer weiteren Antriebsmaschine erfolgt. Dabei wird die elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie, bereitgestellt. Nachdem der Energiespeicher ganz oder teilweise entladen ist, ist es erforderlich, den Energiespeicher erneut aufzuladen. Für das Aufladen des Energiespeichers existieren verschiedene Ansätze.
Zum einen ist es möglich, das Elektrofahrzeug mittels eines geeigneten Ladekabels galvanisch mit einer Ladestation zu verbinden. Hierzu muss ein Benutzer eine elektrische Verbindung zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation herstellen. Dies kann
insbesondere bei schlechten Witterungsverhältnissen, wie zum Beispiel Regen, als unangenehm empfunden werden. Aufgrund der sehr eingeschränkten elektrische
Reichweite von Elektro- und Plugin-Hybridfahrzeugen muss diese Kabelverbindung durch den Benutzer zudem sehr oft hergestellt werden, was von vielen Nutzern als großer
Nachteil von Elektrofahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen empfunden wird.
Daher existieren andererseits auch kabellose Lösungen zur Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug. Hierbei wird die Energie von der Ladestation über ein magnetisches Wechselfeld von einer Primärspule zu einer Sekundärspule in dem Elektrofahrzeug übertragen. Anschließend wird die von der Sekundärspule empfangene Energie in elektrische Energie umgewandelt und der Traktionsbatterie in dem Fahrzeug zugeführt. Dabei kommen sowohl auf Primär- wie auch auf Sekundärseite
Resonanznetzwerke zum Einsatz, um eine effiziente Energieübertragung zu ermöglichen. Hierzu sind unterschiedliche Resonanznetzwerke bekannt.
Bei all diesen Lösungen ist es erforderlich, dass das Elektrofahrzeug mit der
Sekundärspule möglichst präzise über der Primärspule der Ladestation angeordnet wird. Je nach Abstand und Lage der Primärspule und der Sekundärspule zueinander ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf das Spulensystem. Die Druckschrift DE 42 36 286 A1 offenbart ein System zur berührungslosen Energieübertragung beim Laden der Batterie eines Fahrzeugs, bei der die Primärspule und/oder die Sekundärspule nach dem
Abstellen des Fahrzeugs in ihrer Position variiert werden können. Die Sekundärspule ist dabei derart am Fahrzeug angebracht, dass sie bei einer Energieübertragung offen zugänglich ist.
Es besteht ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragung, die einfach auf
Variationen in der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule anpassbar ist. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragung, die auch bei nicht optimaler Ausrichtung von Primär- und Sekundärspule eine verbesserte
Energieübertragung ermöglicht und dabei keine mechanisch bewegte Vorrichtung benötigt.
Offenbarung der Erfindung Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Primärspulenanordnung, die eine erste Anzahl von
Primärwindungen aufweist, wobei die Primärwindungen dazu ausgelegt sind, während der induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen zu werden, und einer Sekundärspulenanordnung, welche dazu ausgelegt ist, zwischen einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen eine elektrische Wechselspannung
bereitzustellen, wobei die erste Anzahl von Primärwindungen der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen der Sekundärspulenanordnung veränderbar ist. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung zu einer mit der Pnmärspulenanordnung induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung, mit den Schritten des Bereitstellens der Pnmärspulenanordnung; des Bereitstellens der
Sekundärspulenanordnung; und des Anpassens einer ersten Anzahl von
Primärwindungen in der Pnmärspulenanordnung, die während der induktiven
Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen werden und/oder des Anpassens einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen in der
Sekundärspulenanordnung, zwischen der während der induktiven Energieübertragung eine elektrische Wechselspannung bereitgestellt wird. Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Eigenschaften der Primärspule und/oder der Sekundärspule an äußere Rahmenbedingungen anzupassen. Durch gezieltes Zu- oder Abschalten einzelner Wndungen auf Primär- und/oder Sekundärseite können dabei die Induktivitäten derart angepasst werden, dass eine Koppelinduktivität zwischen den beiden Spulen auch bei veränderlichem Koppelfaktor möglichst konstant gehalten wird. Somit ist es möglich, beispielsweise den Wrkungsgrad oder auch andere Optimierungsgrößen entscheidend zu verbessern. Durch die erfindungsgemäßen Variationen in der Primärspule und/oder der
Sekundärspule ist es möglich, das Spulensystem auf die jeweiligen Rahmenbedingungen anzupassen. Somit können die Betriebsbedingungen optimiert werden. Beispielsweise kann auf Abweichungen in dem Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule reagiert werden. Ebenso ist es möglich, das Spulensystem auf die zu übertragende Leistung hin zu optimieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Pnmärspulenanordnung eine vorbestimmte Anzahl von Basiswindungen, sowie eine erste Erweiterungseinheit auf. Die erste
Erweiterungseinheit ist dabei dazu ausgelegt, eine oder mehrere Zusatzwindungen zu den Basiswindungen der Pnmärspulenanordnung hinzuzufügen. Eine
Pnmärspulenanordnung mit mehr als einer Erweiterungseinheit ist ebenso möglich. Durch eine solche Schaltungsanordnung wird eine einfache Anpassung der während der Energieübertragung aktiven Primärwindungen in der Pnmärspulenanordnung ermöglicht. Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst die erste Erweiterungseinheit eine erste Kompensationsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz in der Primärspulenanordnung anzupassen. Beispielsweise
können hierzu die Zusatzwindungen in der Erweiterungseinheit mit einer auf die
Zusatzwindungen abgestimmten Kompensationskapazität gekoppelt werden. Somit kann auch bei Variation der Windungsanzahl in der Primärspulenanordnung die
Resonanzfrequenz des Systems an die gewünschte Betriebsfrequenz angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sekundärspulenanordnung eine vorbestimmte Anzahl von Grundwindungen sowie eine zweite Erweiterungseinheit auf. Die zweite Erweiterungseinheit ist dabei dazu ausgelegt, eine oder mehrere
Ergänzungswindungen zu den Grundwindungen der Sekundärspulenanordnung hinzuzufügen. Auf diese Weise ist eine einfache Anpassung der aktiven
Sekundärwindungen in der Sekundärspule möglich. In einer speziellen Ausführungsform weist die zweite Erweiterungseinheit eine zweite Kompensationsvorrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz in der Sekundärspulenanordnung anzupassen. Somit ist es auch auf der Sekundärseite möglich, die Resonanzfrequenz des Systems an die gewünschte Betriebsfrequenz anzupassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur induktiven
Energieübertragung ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von
Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung anzupassen. Durch eine solche Steuereinheit wird eine effiziente und optimierte Anpassung der aktiven Windungen in der Primärspule und/oder der Sekundärspule ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur induktiven
Energieübertragung ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Strom und/oder eine Spannung in der Primärspulenanordnung und/oder der
Sekundärspulenanordnung zu messen und die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und/oder der gemessenen Spannung anzupassen. Auf diese Weise ist eine effiziente Anpassung der Spulenverhältnisse möglich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von
Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung in Abhängigkeit von der zu übertragenden Leistung an. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei Variationen in der zu übertragenden Leistung stets eine optimale induktive Energieübertragung zu ermöglichen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung zu Beginn einer
Energieübertragung an. Somit können von Anfang an die Wndungsverhältnisse und somit auch die Koppelinduktivität an die jeweiligen Übertragungsverhältnisse angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von
Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung während einer Energieübertragung dynamisch an. Eine solche Anpassung kann entweder kontinuierlich, zyklisch während fest vorgegebenen Zeitintervallen oder bei Eintreffen vordefinierter Ereignisse, wie beispielsweise Schwankungen in Strom, Spannung oder Leistung erfolgen. Durch eine dynamische Anpassung ist es möglich, Variationen, die während der Energieübertragung eintreffen, zu reagieren und während der gesamten Energieübertragung die
Übertragungsverhältnisse zu optimieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform passt die Steuereinheit die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung und/oder die zweite Anzahl von
Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung an eine zu übertragene Leistung an. Dadurch kann z.B. die Primärspulenanordnung so angepasst werden, dass sie zu unterschiedlichen Sekundärspulenanordnungen kompatibel ist. Analog kann auch die Sekundärspulenanordnung so angepasst werden, dass sie zu unterschiedlichen
Primärspulenanordnungen kompatibel ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen die einzeln schaltbaren Spulenteile der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung aus Windungen mit unterschiedlichen Leiterquerschnitten und/oder unterschiedlichen Hochfrequenzlitzen. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Ladevorrichtung eine Mehrzahl von unterschiedlichen Primärspulenanordnungen und/oder Sekundärspulenanordnungen, die für unterschiedliche Ladeleistungen optimierten sind, wobei in Abhängigkeit von der zu übertragenden Ladeleistung jeweils eine Primärspulenanordnungen und eine
Sekundärspulenanordnungen ausgewählt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das mittels einer
Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung gemäß einer
Ausführungsform geladen wird;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur induktiven
Energieübertragung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur induktiven
Energieübertragung, wie es einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein Elektrofahrzeug 3 mit einer Batterie 30. Diese Batterie 30 wird über eine Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung aufgeladen. Hierzu wird einer
Energiequelle 4, beispielsweise einem elektrischen Versorgungsnetz Energie
entnommen. Mit dieser Energie wird eine Primärspulenanordnung 10 angeregt. Dabei wird die Primärspulenanordnung 10 von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen. Die Frequenz, mit der die Primärspulenanordnung 10 dabei angeregt wird, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 150 kHz. Andere Frequenzen, die darunter oder darüber liegen, sind jedoch ebenso möglich. Die Schaltungsanordnung der
Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung weist vorteilhaft Resonanzelemente auf, die vorzugsweise so abgestimmt sind, dass die Vorrichtung 1 eine Resonanzfrequenz nahe an der gewünschten Betriebsfrequenz aufweist. Vorzugsweise wird die von der Energiequelle 4 bereitgestellte Spannung dabei durch eine geeignete
Wechselrichterschaltung in der gewünschten Betriebsfrequenz bereitgestellt. Durch das Anregen der Pnmärspulenanordnung 10 mit dem elektrischen Wechselstrom wird ein magnetisches Wechselfeld generiert, das in der Sekundärspulenanordnung 20 eine elektrische Wechselspannung induziert. Diese elektrische Wechselspannung wird am Ausgang der Sekundärspulenanordnung 20 bereitgestellt und nach entsprechender Aufbereitung, beispielsweise einer Gleichrichtung, der Batterie 30 des Fahrzeugs 3 zur Verfügung gestellt.
Bei der Auslegung konventioneller Ladesysteme mit einer induktiven Energieübertragung wird davon ausgegangen, dass zwischen der Pnmärspulenanordnung 10 und der Sekundärspulenanordnung 20 ein definierter Luftspalt vorhanden ist. Entsprechende Parameter sind beispielsweise in VDE-AR-E 2122-4-2 definiert. Wrd das Fahrzeug 3 mit der Sekundärspulenanordnung 20 jedoch nicht optimal über der Pnmärspulenanordnung 10 abgestellt, so ist ein konventionell dimensioniertes Übertragungssystem nicht optimal angepasst. Dies hat einerseits Einfluss auf die Parameter des Spulensystems an sich, wie beispielsweise die Ströme, Spannungen oder Verluste. Andererseits wirkt sich die Abweichung vom optimalen Betriebspunkt auch auf die Leistungselektronik und die Regelung, etc. aus. Daher arbeitet ein konventionelles System bei abweichendem Luftspalt nicht optimal.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur induktiven
Energieübertragung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Pnmärspulenanordnung 10 umfasst dabei einen ersten Spulenteil mit einer ersten vorbestimmten Anzahl NPB von Basiswindungen 1 1 . Weiterhin weist die
Pnmärspulenanordnung 10 eine erste Erweiterungseinheit 12 auf. Diese
Erweiterungseinheit 12 umfasst ein oder mehrere Spulenteile mit ersten Zusatzwindungen 12. Zur besseren Anschauung ist in Figur 2 dabei nur ein solches Spulenteil mit
Zusatzwindungen 12 dargestellt. Darüber hinaus ist eine beliebige Anzahl von weiteren Spulenteilen mit Zusatzwindungen möglich, um die Flexibilität bei der Anpassung zusätzlich zu erhöhen. Die Ansteuerung der Pnmärspulenanordnung 10 und die Auswahl der stromdurchflossenen Windungen in der Pnmärspulenanordnung 10 erfolgt dabei durch die primärseitige Steuereinheit 15. Die Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung umfasst ferner eine Sekundärspulenanordnung 20. Diese Sekundärspulenanordnung 20 ist während der induktiven Energieübertragung so angeordnet, dass ein von der Primärspulenanordnung 10 erzeugtes magnetisches Wechselfeld in die Sekundärspulenanordnung 20 einkoppelt. Die Sekundärspulenanordnung 20 umfasst dabei eine Basisspule mit einer vorbestimmten Anzahl NSB von Grundwindungen 21. Ferner umfasst die Sekundärspulenanordnung eine zweite Erweiterungseinheit mit einem oder mehreren zweiten Ergänzungswindungen 22. Auch hier ist zur besseren Anschauung in Figur 2 nur eine Gruppe von
Ergänzungswindungen 22 dargestellt. Darüber hinaus ist es jedoch analog zu der Primärspulenanordnung ebenso möglich, zusätzlich weitere Ergänzungswindungen in die Erweiterungseinheit zu integrieren. Die Ergänzungswindungen 22 können dabei alle die gleiche Anzahl NSz aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Anzahl NSz für jede Gruppe von Ergänzungswindungen 22 variiert. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl in der
Primärspulenanordnung 10, als auch in der Sekundärspulenanordnung 20 jeweils Erweiterungseinheiten mit zusätzlichen Wndungen 12 und 22 dargestellt. Je nach Anwendungsfall ist es auch möglich, dass nur in der Primärspulenanordnung 10 oder in der Sekundärspulenanordnung 20 eine Erweiterungseinheit zur Anpassung der
Windungszahl der Spule vorhanden ist. In diesem Fall kann die jeweils andere
Spulenanordnung ohne eine solche Erweiterungseinheit ausgeführt sein.
Für eine Energieübertragung von der Primärspulenanordnung 10 zu der
Sekundärspulenanordnung 20 wird die Primärspulenanordnung 10 nun durch einen elektrischen Wechselstrom angeregt. Das dabei erzeugte magnetische Wechselfeld koppelt in die Sekundärspulenanordnung 20 ein, induziert in der
Sekundärspulenanordnung 20 einen elektrischen Wechselstrom, der am Ausgang der Sekundärspulenanordnung 20 bereitgestellt werden kann. Variiert die Lage zwischen Primärspulenanordnung 10 und Sekundärspulenanordnung 20, so kommt es je nach Versatz der beiden Spulen und dem dazwischen liegenden Luftspalt zu Schwankungen in dem Koppelfaktor k. Um bei schwankendem Koppelfaktor k die Koppelinduktivität M zwischen Primärspulenanordnung 10 und Sekundärspulenanordnung 20 möglichst konstant zu halten, kann die Anzahl der aktiv bei der Energieübertragung beteiligten Windungen in der Primärspulenanordnung 10 und/oder der Sekundärspulenanordnung 20 variiert werden. Hierzu ist es möglich, zusätzlich zu den Basiswindungen 11 der
Primärspulenanordnung 10 durch geeignete Schaltelemente weitere Wndungen hinzuzufügen. Als Schaltelemente kommen hierbei sowohl mechanische, als auch elektrische Schaltelemente in Frage. Dabei ist es grundsätzlich möglich, zusätzlich zu den Windungen NPB weitere Zusatzwindungen 12 einzeln hinzuzuschalten. Um jedoch die Anzahl an erforderlichen Schaltelementen und dem damit verbundenen Schaltaufwand zu minimieren, ist es auch möglich, die Zusatzwindungen 12 in Gruppen zu mehreren Windungen zusammenzufassen und jeweils eine oder mehrere solche Gruppen von Zusatzwindungen 12 zu den Basiswindungen 1 1 hinzuzuschalten.
Die Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung wird vorzugsweise in der Nähe einer fest vordefinierten Betriebsfrequenz betrieben. Dabei sind die Resonanzelemente der Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung so dimensioniert, dass die Vorrichtung 1 zur induktiven Energieübertragung eine Resonanzfrequenz im Bereich der
Betriebsfrequenz aufweist. Da sich durch Hinzufügen oder Entfernen von
Zusatzwindungen 12 die Resonanzfrequenz der gesamten Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung ändert, ist eine Kompensation der zusätzlichen Induktivität durch die Zusatzwindungen 12 erforderlich. Hierzu kann parallel zu dem Hinzufügen bzw. Entfernen von Zusatzwindungen 12 auch gleichzeitig eine entsprechende Kapazität CPZ in der Primärspulenanordnung 10 hinzugefügt bzw. entfernt werden. Vorzugsweise ist dabei jede Gruppe von Zusatzwindungen 12 gleichzeitig mit einem geeigneten Bauelement zur Kompensation der zusätzlichen Induktivität gekoppelt. Beispielsweise kann jede
Zusatzwindung 12 oder jede Gruppe von Zusatzwindungen 12 mit einem entsprechend dimensionierten Kondensator CPZ verschaltet werden.
Analog zu der Variation der aktiven Spulenwindungen der Primärspulenanordnung 10 ist ebenso eine Variation der aktiven Spulenwindungen der Sekundärspulenanordnung 20 möglich. Dabei kann durch eine Steuervorrichtung 25 jeweils die gewünschte Anzahl von Ergänzungswindungen 22 zu den Grundwindungen 21 hinzugefügt werden. Auch hier ist das Hinzufügen bzw. Entfernen einzelnen Ergänzungswindungen oder Gruppen von Ergänzungswindungen 22 möglich. Analog zur Kompensation der Variation in der Resonanzfrequenz durch zusätzliche Bauelemente, wie es im Zusammenhang mit der Primärspulenanordnung 10 beschrieben wurde, ist ebenso auch eine Kompensation der Resonanzfrequenz durch geeignete Kompensationselemente CSz möglich.
Die Anzahl der aktiv an der Energieübertragung beteiligten Primärwindungen in der Primärspulenanordnung 10 und/oder der Sekundärspulenanordnung 20 wird dabei vorzugsweise so angepasst, dass sich auch bei veränderlichem Koppelfaktor k eine möglichst konstante Koppelinduktivität M zwischen Primärspulenanordnung 10 und Sekundärspulenanordnung 20 einstellt.
Darüber hinaus sind verschiedene Optimierungsparameter möglich. Beispielsweise kann basierend auf ermittelten oder berechneten Werten für Ströme, Spannungen,
Magnetfelder im Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspulenanordnung, etc. die Energieübertragung so eingestellt werden, dass sich ein optimierter Wirkungsgrad für die Energieübertragung ergibt. Alternativ ist auch eine Anpassung der aktiven
Spulenwindungen für weitere Optimierungsparameter möglich.
So können beispielsweise je nach zu übertragender Leistung von der
Primärspulenanordnung 10 zu Sekundärspulenanordnung 20 unterschiedliche Anzahlen von Spulenwindungen ausgewählt werden. Beispielsweise ist eine Anpassung der Primärspulenanordnung 10 und/oder Sekundärspulenanordnung 20 an zuvor definierte Ladeleistungsniveaus möglich. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass bereits zuvor die relative Position zwischen Primärspulenanordnung 10 und Sekundärspulenanordnung 20 bestimmt wird und darauf basierend die Anzahl der aktiv an der Energieübertragung beteiligten Spulenwindungen in Primärspulenanordnung 10 und
Sekundärspulenanordnung 20 festgelegt wird.
Für eine optimale Einstellung der aktiv an der Energieübertragung beteiligten
Spulenwindungen ist es dabei vorteilhaft, bereits vor Beginn der Energieübertragung oder unmittelbar bei Start der Energieübertragung die Anzahl der aktiv an der
Energieübertragung beteiligten Spulenwindungen zu bestimmen und daraufhin die Primärspulenanordnung 10 und/oder die Sekundärspulenanordnung 20 entsprechend einzustellen. Darüber hinaus kann es auch vorteilhaft sein, die Energieübertragung kontinuierlich zu überwachen, und gegebenenfalls daraufhin die Anzahl der aktiven Spulenwindungen in Primärspulenanordnung 10 und/oder Sekundärspuleneinheit 20 anzupassen. Hierzu kann beispielsweise kontinuierlich ein Stromfluss in der
Primärspuleneinheit 10 überwacht werden. Darüber hinaus ist auch die Überwachung und Bestimmung weiterer Parameter möglich. Wird während der Energieübertragung festgestellt, dass durch Variation der aktiven Spulenwindungen in
Primärspulenanordnung 10 oder Sekundärspuleneinheit 20 eine optimierte
Energieübertragung möglich ist, so kann daraufhin die Anzahl der aktiv an der
Energieübertragung beteiligten Spulenwindungen angepasst werden. Alternativ ist auch erst eine Anpassung möglich, wenn die ermittelten Parameter einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Somit kann ein häufiges Hin- und Herschalten zwischen den beteiligten Spulenwindungen gegebenenfalls vermieden werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer induktiven Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung 10 zu einer
Sekundärspulenanordnung 20, wie es einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In Schritt 1 10 wird die Primärspulenanordnung 10 bereitgestellt. Die Primärspulenanordnung 10 umfasst dabei die zuvor beschriebenen Bauelemente, wie Basiswindungen 11 und Erweiterungseinheit mit Zusatzwindungen 12, die von der Steuereinheit 15 gesteuert werden können.
In Schritt 120 wird eine Sekundärspulenanordnung 20 bereitgestellt. Diese
Sekundärspulenanordnung 20 umfasst ebenfalls die zuvor beschriebenen Komponenten, wie Grundwindungen 21 , sowie Erweiterungseinheit mit Ergänzungswindungen 22, die durch die Steuereinheit 25 zu den Grundwindungen hinzu oder weggeschaltet werden können.
In Schritt 130 wird die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung 10 angepasst, die während der induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen werden. Zusätzlich oder alternativ wird eine zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung 20 angepasst, wobei diese Sekundärspulenanordnung 20 wie ebenfalls zuvor beschrieben während der induktiven Energieübertragung eine elektrische Wechselspannung bereitstellt. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Energieübertragung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule. Veränderungen des Koppelfaktors zwischen Primär- und Sekundärspule, die beispielsweise aufgrund von Variationen im Luftspalt oder einem Versatz zwischen Primärspule und Sekundärspule auftreten, werden durch Anpassung der aktiv beteiligten Spulenwindungen in Primär- oder Sekundärspule kompensiert. Somit kann eine Koppelinduktivität zwischen Primär- und Sekundärspule auch bei veränderlichem Koppelfaktor nahezu konstant gehalten werden oder an eine bestimmte Ladeleistung angepasst werden. Hierdurch ist eine Optimierung des
Wrkungsgrades oder anderer Parameter möglich. Weiterhin kann eine Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Primär- und Sekundärspulenanordnungen erreicht werden.

Claims

Ansprüche
Vorrichtung (1) zur induktiven Energieübertrag einer Primärspulenanordnung (10), die eine erste Anzahl von Primärwindungen aufweist, wobei die Primärwindungen dazu ausgelegt sind, während einer induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen zu werden, und einer Sekundärspulenanordnung (20), die dazu ausgelegt ist, zwischen einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen eine elektrische Wechselspannung bereitzustellen, wobei die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der
Sekundärspulenanordnung (20) veränderbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , wobei die Primärspulenanordnung (10) eine erste vorbestimmte Anzahl (NP,B) von Basiswindungen (11) und eine erste
Erweiterungseinheit aufweist, wobei die erste Erweiterungseinheit dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere Zusatzwindungen (12) zu der ersten Anzahl (NP,B) von Basiswindungen (1 1) der Primärspulenanordnung (10) hinzuzufügen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die erste Erweiterungseinheit eine erste Kompensationsvorrichtung (CP,Z) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine
Resonanzfrequenz in der Primärspulenanordnung (10) anzupassen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Sekundärspulenanordnung (20) eine zweite vorbestimmte Anzahl (NS,B) von Grundwindungen (21) und eine zweite Erweiterungseinheit aufweist, wobei die zweite Erweiterungseinheit dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere
Ergänzungswindungen (22) zu der zweiten Anzahl (NS,B) von Grundwindungen (21) der Sekundärspulenanordnung (20) hinzuzufügen. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine
Steuereinheit (15, 25), die dazu ausgelegt ist, die erste Anzahl von
Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung (20) anzupassen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (15 25) dazu ausgelegt ist, einen Strom und/oder eine Spannung in der Primärspulenanordnung (10) und/oder der Sekundärspulenanordnung (20) zu messen und die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung (20) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und/oder der gemessenen Spannung anzupassen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (15, 25) die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung (20) in Abhängigkeit von einer zu übertragenden Leistung anpasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuereinheit (15, 25) die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der
Sekundärspulenanordnung (20) zu Beginn einer Energieübertragung anpasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Steuereinheit (15, 25) die erste Anzahl von Primärwindungen in der Primärspulenanordnung (10) und/oder die zweite Anzahl von Sekundärwindungen in der
Sekundärspulenanordnung (20) während einer Energieübertragung dynamisch anpasst.
Verfahren (100) zum Betreiben einer induktiven Energieübertragung von einer Primärspulenanordnung (10) zu einer mit der Primärspulenanordnung (10) induktiv koppelbaren Sekundärspulenanordnung (20), mit den Schritten:
Bereitstellen (1 10) der Primärspulenanordnung (10);
Bereitstellen (120) der Sekundärspulenanordnung (20); und Anpassen (130) einer ersten Anzahl von Primärwindungen in der
Primärspulenanordnung (10), die während der induktiven Energieübertragung von einem elektrischen Wechselstrom durchflössen werden und/oder Anpassen einer zweiten Anzahl von Sekundärwindungen in der Sekundärspulenanordnung (20), zwischen denen während der induktiven Energieübertragung eine elektrische
Wechselspannung bereitgestellt wird.
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