WO2016055180A1

WO2016055180A1 - Verfahren und system zum berührungslosen laden eines batteriebetriebenen objekts

Info

Publication number: WO2016055180A1
Application number: PCT/EP2015/067231
Authority: WO
Inventors: Jan Riedel; Felix Stewing; Tobias Diekhans
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2016-04-14
Also published as: DE102014220224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar, welches eine Primärspulenanordnung (12) einer Ladestation (6) und eine Sekundärspulenanordnung (22) des batteriebetriebenen Objekts (4) umfasst, wobei ein Inverter über eine von einem ersten Gleichrichter erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung (12) anregt und wobei an der Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten bereitgestellt wird. Ferner ist vorgesehen, dass die Anschlusspunkte während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die Zwischenkreisspannung so geregelt wird, dass Schaltpunkte des Inverters im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung (12) liegen, so dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, ein System (100), eine Ladestation (6) und ein batteriebetriebenes Objekt(4), welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.

Description

Verfahren und System zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines

batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm, ein System, eine Ladestation und ein batteriebetriebenes Objekt, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.

Beim berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts erfolgt eine Übertragung von elektrischer Leistung über einen Luftspalt. Hierzu wird ein Spulenpaar verwendet, das über ein magnetisches Wechselfeld induktiv miteinander gekoppelt ist. In das batteriebetriebene Objekt ist dabei eine der Spulen integriert, die andere Spule ist einer Ladestation zugeordnet. Bei dem batteriebetriebenen Objekt handelt es sich zum Beispiel um ein Elektrofahrzeug oder um ein Plug-in-Hybridfahrzeug, dessen Antrieb ganz oder zumindest teilweise mittels eines Elektromotors erfolgt. Weitere Anwendungsfälle können beispielsweise das berührungslose Aufladen von elektrischen Werkzeugen oder Consumer-Geräten betreffen.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum berührungslosen Aufladen von Fahrzeugen bekannt, bei denen Energie aus dem magnetischen Wechselfeld einer Primärspule entnommen wird und in einer dem Fahrzeug zugeordneten Sekundärspule in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie wird anschließend einem Energiespeicher des Fahrzeugs zugeführt. Dabei ist es jedoch erforderlich, dass das Fahrzeug möglichst präzise über der Ladestation angeordnet wird. In Abhängigkeit vom Abstand und

Ausrichtung der Primärspule in der Ladestation und der Sekundärspule in dem Fahrzeug ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf das berührungslose Ladesystem. Dabei kann der Koppelfaktor des Spulensystems stark schwanken. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass das System zum berührungslosen Laden nicht in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, was in der Regel zu einem schlechteren Wirkungsgrad und/oder einem höheren magnetischen Wechselfeld im Luftspalt zwischen Primärspule und Sekundärspule führt.

Aus DE 10 2010 055 696 AI ist ein System zur kontaktlosen Übertragung von Energie bekannt, wobei die Frequenz des Übertragungssystems auf der Primärseite in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Sekundärseite angepasst wird. Neben einer reinen Anpassung der Systemparameter auf der Primärseite besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, durch eine sekundärseitige oder beidseitige Leistungsregelung den Betriebspunkt des induktiven Ladesystems anzupassen. Ein derartiges System wird beispielsweise in der Druckschrift US 2011/0231029 AI beschrieben, wobei ein zusätzlicher Spannungswandler auf der Sekundärseite benötigt wird.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass entweder eine einseitige

Leistungsregelung erfolgt, was zu einer erhöhten Verlustleistung in ungünstigen Arbeitspunkten führt, oder es werden zusätzliche Spannungswandler im System benötigt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad reduziert und der Aufwand erhöht wird.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar vorgeschlagen. Das Spulenpaar umfasst eine Primärspulenanordnung einer Ladestation und eine Sekundärspulenanordnung des batteriebetriebenen Objekts, wobei ein Inverter über eine von einem ersten Gleichrichter erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung anregt. Des Weiteren wird an der Sekundärspulenanordnung eine Wechselspannung zwischen zwei

Anschlusspunkten bereitgestellt, wobei vorgesehen ist, dass die

Anschlusspunkte während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die

Zwischenkreisspannung am Eingang so geregelt wird, dass die Schaltpunkte des Inverters im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung liegen, so dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird.

Bei dem Verfahren befindet sich das batteriebetriebene Objekt mit seiner Sekundärspulenanordnung im Bereich eines von der Primärspulenanordnung der Ladestation erzeugten magnetischen Wechselfeldes. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung ist dabei von verschiedenen Parametern abhängig. Diese Parameter umfassen insbesondere die Größe des Luftspalts zwischen der Primärspulenanordnung und der Sekundärspulenanordnung sowie Strom und Spannung auf der Sekundärseite. Da die Sekundärseite in der Regel mit einem elektrischen Energiespeicher wie eine Batterie verbunden ist, ist der Arbeitspunkt von einer Spannung dieses Energiespeichers und somit vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers abhängig. Im Fall einer Batterie als elektrischen Energiespeicher steigt mit zunehmendem Ladestand eine Spannung U_bat der Batterie an, während der Ladestrom der Batterie sinkt. Wird die Batterie über einen zweiten Gleichrichter, beispielsweise über einen Brückengleichrichter, mit der Sekundärspulenanordnung verbunden, so ist dadurch auch die

Ausgangsspannung der fahrzeugseitigen Spulenanordnung festgelegt.

Um den elektrischen Arbeitspunkt und damit das berührungslose Laden unabhängig vom elektrischen Energiespeicher, insbesondere unabhängig von Ladezustand und Ladeleistung der Batterie, einstellen zu können, ist

vorgesehen, dass für ein vorbestimmtes Zeitintervall während jeder Halbwelle der Wechselspannung die Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden. Während die Anschlusspunkte miteinander verbunden sind, kann ein Strom durch die Sekundärspulenanordnung fließen, ohne dass der elektrische Energiespeicher beteiligt ist. Die Dioden des

Brückengleichrichters verhindern hierbei, dass der elektrische Energiespeicher kurz geschlossen wird.

Durch das Verbinden der Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung während jeder Halbwelle der Wechselspannung für ein vorbestimmtes

Zeitintervall kann der Strom durch die Sekundärspule und damit der Arbeitspunkt insbesondere unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers eingestellt werden. Dieser Freiheitsgrad kann somit eingesetzt werden, um den

Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung zu steigern.

Ferner ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen, dass der Inverter, der zur Anregung der Primärspulenanordnung verwendet wird, von dem

Zwischenkreis versorgt wird. Der Zwischenkreis wiederum wird über den ersten Gleichrichter mit elektrischer Energie versorgt, der an das Stromnetz

angeschlossen ist. Das Stromnetz ist beispielsweise ein einphasiges oder dreiphasiges Wechselstromnetz, wobei der erste Gleichrichter den Inverter derart vom Wechselstromnetz entkoppelt, dass dieser als

Leistungsfaktorkorrektureinrichtung (power factor correction PFC) fungiert.

Der Inverter umfasst elektronische Schalter, die bevorzugt als

Halbleiterschaltelemente ausgeführt sind. Über die elektronischen Schalter erzeugt der Inverter aus der Zwischenkreisspannung die Wechselspannung, mit der die Primärspulenanordnung angeregt wird. Dabei wird die Wechselspannung so eingestellt, dass die gewünschte Leistung übertragen wird. Für den Fall, dass die elektrischen Schalter an einem Punkt betätigt werden, in dem entweder der Schalter selbst oder seine gegenüberliegende Freilaufdiode gerade von einem Strom durchflössen ist, treten Schaltverluste in den Schaltern auf. Um die elektrisch betätigbaren Schalter bevorzugt an den Punkten zu schalten, an denen der Stromfluss einen Nulldurchgang aufweist, ist vorgesehen, zur Regelung auch die Zwischenkreisspannung zu beeinflussen. Somit stehen zur Regelung insgesamt drei Parameter zur Verfügung, nämlich die Zwischenkreisspannung, eine primäre Pulsweite und eine sekundäre Pulsweite. Die Pulsweiten können dabei durch das Ansteuern der elektrisch betätigbaren Schalter eingestellt werden. Wird der Inverter so betrieben, dass das Schalten der elektrisch betätigbaren Schalter ausschließlich bei einem Nulldurchgang des Stroms erfolgt, so wird der Inverter "weichschaltend" betrieben. Wird das Schalten hingegen so betrieben, dass der Strom beim Schalten keinen Nulldurchgang aufweist, so wird der Inverter„hartschaltend" betrieben.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einer gemessenen elektrischen Größe in der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung bestimmt wird. Diese gemessenen elektrischen Größen können insbesondere eine Spannung und einen Strom eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eine Batteriespannung und einen Ladestrom einer Batterie umfassen.

Zusätzlich oder alternativ hierzu wird in einer Ausführungsform des Verfahrens das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, basierend auf einem Ladezustand einer Batterie bestimmt.

Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es bevorzugt, wenn das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, in Abhängigkeit eines gemessenen Kopplungsfaktors des magnetisch gekoppelten Spulenpaars bestimmt wird. Dieser Kopplungsfaktor beschreibt die Qualität der magnetischen Kopplung des Spulenpaars und ist unter anderem abhängig von der Ausrichtung der Spulen zueinander und von der Größe eines Luftspalts zwischen den beiden Spulen. Der Kopplungsfaktor kann beispielsweise mittels einer Strom- und/oder Spannungsmessung bei Beaufschlagung durch ein Referenzsignal gemessen werden.

Bevorzugt ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass für den Fall, dass die

Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert annimmt, den der erste Gleichrichter einstellen kann, das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden so gewählt ist, dass der Inverter weichschaltend angesteuert wird. Alternativ dazu ist es denkbar, dass für den Fall, dass die

Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert annimmt, den der erste Gleichrichter einstellen kann, den Inverter hartschaltend anzusteuern und das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte miteinander verbunden werden, abhängig vom

Kopplungsfaktor, dem Ladezustand der Batterie oder anderen elektrischen Parametern zu wählen.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hier beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Software-Modul, eine Software- Routine oder eine Software-Subroutine zur Implementierung eines Ladesystems mit einem batteriebetriebenen Objekt und einer Ladestation handeln. Das Computerprogramm kann auf dem

batteriebetriebenen Objekt als auch auf der Ladestation oder auf diesen verteilt gespeichert sein, insbesondere auf permanenten oder wiederbeschreibbaren maschinenlesbaren Speichermedien oder in Zuordnung zu einer

Computereinrichtung, beispielsweise auf einem tragbaren Speicher wie einer CD-ROM, DVD, Blu-ray-Disc, einem USB-Stick oder einer Speicherkarte.

Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einer

Computereinrichtung wie etwa einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk wie das Internet oder über eine Kommunikationsverbindung wie eine Telefonleitung oder eine Drahtlosverbindung. Im Falle eines Elektrofahrzeugs kann das

Computerprogramm auf einem Steuergerät im Fahrzeug gespeichert sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System mit einer

Ladestation, einem batteriebetriebenen Objekt und einem Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, eines der hierin

beschriebenen Verfahren auszuführen. Dementsprechend gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale entsprechend für das System und umgekehrt die im Rahmen des Systems beschriebenen Merkmale entsprechend für das Verfahren.

Das Steuergerät kann dabei der Ladestation oder dem batteriebetriebenen Objekt zugeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sowohl das batteriebetriebene Objekt als auch die Ladestation mit Steuergeräten

ausgestattet sind, welche gemeinsam das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung werden eine Ladestation sowie ein batteriebetriebenes Objekt zur Verwendung mit einem derartigen Systemen bereitgestellt.

Die Begriffe "Batterie" und "batteriebetrieben" werden in der vorliegenden Beschreibung wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich auch für Akkumulator beziehungsweise akkumulatorbetrieben verwendet. In der Batterie können mehrere Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und

schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet verwendet werden, um die geforderten Leistungsdaten bereitstellen zu können. Prinzipiell ist aber auch jeder andere elektrische

Energiespeicher denkbar, beispielsweise Superkondensatoren.

In einer Ausführungsform der Ladestation ist vorgesehen, dass der erste

Gleichrichter eingerichtet ist, eine Leistungsfaktorkorrektur vorzunehmen.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise entsprechend mit dem durch die Erfindung bereitgestellten System werden zusätzliche

regelungstechnische Freiheitsgrade geschaffen, die zur Optimierung des jeweiligen Arbeitspunktes genutzt werden können, und somit den Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung steigern können. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass Anschlusspunkte an der Sekundärspulenanordnung miteinander verbunden werden können, um die fundamentale

Ausgangsspannung der Sekundärspulenanordnung unabhängig von einem angeschlossenen elektrischen Energiespeicher wie einer Batterie einstellen zu können.

Des Weiteren wird ein in der Regel zur Realisierung einer

Leistungsfaktorkorrektur ohnehin notwendiger Gleichrichter eingesetzt, um Schaltverluste im Inverter zu reduzieren. Dazu wird die vom Gleichrichter bereitgestellte Zwischenkreisspannung so geregelt, dass die im Inverter angeordneten Schalter weichschaltend und damit verlustarm betrieben werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Zwischenkreisspannung mit dem zeitweiligen Verbinden der Anschlusspunkte an der Sekundärseite kombiniert wird. Üblicherweise können die Gleichrichter die von ihnen bereitgestellte Zwischenkreisspannung nur über einen begrenzten

Spannungsbereich einstellen, so dass ein weichschaltender Betrieb des Inverters nicht für jeden bereitgestellten Strom möglich wäre. Durch die Verbindung der Anschlusspunkte auf der Sekundärseite kann der in der

Sekundärspulenanordnung fließende Strom und damit auch der in der

Primärspulenanordnung fließende Strom ebenfalls beeinflusst werden, so dass ein weichschaltender Betrieb der Schalter im Inverter gewährleistet werden kann. Dadurch wird das Auftreten elektrischer Leistungsverluste minimiert und insgesamt der Wirkungsgrad des berührungslosen Ladens eines

batteriebetriebenen Objekts erheblich verbessert.

Auch wenn in einigen Arbeitspunkten ein hartschaltender Betrieb des Inverters notwendig ist, so lassen sich durch ein Herabsetzen der Zwischenkreisspannung durch die vorgeschaltete Gleichrichterstufe die Schaltverluste im Inverter in diesen Arbeitspunkten zumindest reduzieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung und eines batteriebetriebenen Objekts,

Figur 2 einen schematischen Aufbau eines Systems zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Systems zum berührungslosen Laden,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Volllast gemäß einer

Ausführungsform, Figur 5 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast gemäß einer

Ausführungsform,

Figur 6 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast gemäß einer weiteren Ausführungsform und

Figur 7 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung gemäß einer weiteren

Ausführungsform.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte

Beschreibung dieser Komponente verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum

berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts 4. Das

batteriebetriebene Objekt 4 ist hier als Elektrof ahrzeug ausgeführt und umfasst eine Sekundärspulenanordnung 22. Das batteriebetriebene Objekt 4 wurde so positioniert, dass dessen Sekundärspulenanordnung 22 direkt über der

Primärspulenanordnung 12 einer Ladestation 6 liegt. Die Ladestation 6 ist mit einem Wechselstromnetz 8 verbunden, worüber die Ladestation 6 elektrische Energie bezieht. Zum berührungslosen Laden des batteriebetriebenen Objekts 4 erzeugt die Ladestation 6 über ihre Primärspulenanordnung 12 ein magnetisches Wechselfeld, welches den Luftspalt mit der Höhe h überbrückt und in der Sekundärspulenanordnung 22 wieder in einen elektrischen Strom umgesetzt wird. Dieser elektrische Strom kann dann verwendet, um die Batterie 34 des batteriebetriebenen Objekts 4 aufzuladen.

In Figur 2 ist das System 100 zum berührungslosen Laden eines

batteriebetriebenen Objekts 4 schematisch dargestellt. Die elektrische Energie wird einem Wechselstromnetz 8 entnommen, welches beispielsweise als ein einphasiges oder dreiphasiges Wechselstromnetz 8 ausgeführt ist. Über einen ersten Gleichrichter 10 wird eine Zwischenkreisspannung U_dc bereitgestellt, über die ein Inverter 11 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der erste Gleichrichter 10 entkoppelt dabei den Inverter 11 derart vom Wechselstromnetz 8, dass durch den ersten Gleichrichter 10 eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bereitgestellt wird.

Der Inverter 11 erzeugt eine Wechselspannung, über den eine

Primärspulenanordnung eines Spulenpaars 20 angeregt wird. Das Spulenpaar 20 weist zudem eine Sekundärspulenanordnung auf, über die elektrische Energie aus dem durch die Primärspulenanordnung erzeugten magnetischen

Wechselfeld entnommen und einem zweiten Gleichrichter 21 zur Verfügung gestellt wird. An den zweiten Gleichrichter 21 ist ein elektrischer Energiespeicher in Form einer Batterie 34 angeschlossen. Die Batterie 34 weist dabei eine Batteriespannung U_bat auf und wird mit der vom zweiten Gleichrichter 21 bereitgestellten elektrischen Energie aufgeladen.

Über ein Steuergerät 30 können zur Optimierung des Wirkungsgrads der elektrischen Energieübertragung der erste Gleichrichter 10, der Inverter 11 und der zweite Gleichrichter 21 beeinflusst werden. Als Eingangsgrößen dienen dem

Steuergerät 30 dabei insbesondere die Zwischenkreisspannung U_dc, ein

Batteriestrom l_bat, eine Batteriespannung U_bat und eine Höhe h eines Luftspalts zwischen Primärspulenanordnung und Sekundärspulenanordnung. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für das

System 100 zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen Objekts 4. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Primärseite 1 und eine Sekundärseite 2. Die Primärseite 1 wird vom ersten Gleichrichter 10 mit der

Zwischenkreisspannung U_dc Energie versorgt. Der Inverter 11 kann

beispielsweise als eine Vollbrücke mit vier Schaltelementen Sl bis S4 ausgeführt sein. Jedes dieser Schaltelemente Sl bis S4 stellt einen elektrisch betätigbaren Schalter dar, der insbesondere als MOSFET oder als IGBT ausgeführt sein kann. Jedem der Schaltelemente Sl bis S4 kann eine Freilaufdiode Dl bis D4 parallel geschaltet werden. Durch das gezielte Betätigen der Schaltelemente Sl bis S4 wird eine rechteckförmige Wechselspannung Ui erzeugt, die einer Primärspulenanordnung 12 des Spulenpaares 20 zugeführt wird. Die

Primärspulenanordnung 12 umfasst einen Resonanzkreis, der beispielsweise durch eine Primärspule Li und einen Serienresonanzkondensator Ci gebildet wird. Vorzugsweise ist die Frequenz des durch den Inverter 11 bereitgestellten Wechselstroms beziehungsweise der bereitgestellten Wechselspannung Ui auf eine Resonanzfrequenz ω₀ der Primärspulenanordnung 12 abgestimmt.

Die Sekundärseite 2 umfasst eine Sekundärspulenanordnung 22, die ebenfalls Teil des Spulenpaares 20 ist. Die Sekundärspulenanordnung 22 umfasst eine Sekundärspule L₂ und einen in Serie geschalteten Resonanzkondensator C₂. Die Sekundärspulenanordnung 22 ist mit dem Eingang eines zweiten Gleichrichters

21 verbunden. Der zweite Gleichrichter 21 umfasst die Dioden D5 bis D8, wobei parallel zu den beiden unteren Dioden D7 und D8 des zweiten Gleichrichters 21 jeweils ein Schaltelement S5 beziehungsweise S6 angeordnet ist. Bei diesen Schaltelementen S5 und S6 handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um

Halbleiterschaltelemente, die beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgeführt sein können. Die Dioden D7 und D8 müssen hierbei nicht diskret ausgeführt sein, sondern können auch intrinsische Dioden der jeweiligen Halbleiterschaltelemente S5 oder S6 sein. Die Ausgangsspannung des zweiten Gleichrichters 21 wird in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform über einen Glättungskondensator C₃ geglättet. Der Ausgang des zweiten Gleichrichters 21 wird mit der

aufzuladenden Batterie 34 (nicht dargestellt) verbunden, so dass am Ausgang die Spannung U_bat der Batterie 34 anliegt.

Wie aus Figur 3 zu erkennen ist, werden durch das Schließen der beiden

Schaltelemente S5 und S6 die beiden Ausgänge der Sekundärspulenanordnung

22 miteinander elektrisch verbunden. Die beiden Ausgänge sind in Figur 3 als Anschlusspunkte 32 gekennzeichnet. Zum Verbinden der Anschlusspunkte 32 werden die Schaltelemente S5 und S6 über eine Steuervorrichtung 23 gezielt angesteuert, so dass diese für ein vorgegebenes Zeitintervall während jeder Halbwelle der Wechselspannung geschlossen bzw. geöffnet werden. Die

Steuervorrichtung 23 wird vom Steuergerät 30 kontrolliert, so dass das vorbestimmte Zeitintervall b, in dem beiden Schalter geöffnet sind, abhängig von verschiedenen Zustandsparametern wie der Zwischenkreisspannung U_dc, dem Batteriestrom l_bat, der Batteriespannung U_bat und der Höhe h des Luftspalts zwischen der Primärspulenanordnung 12 und der Sekundärspulenanordnung 22 geregelt werden kann.

Für eine induktive Energieübertragung von der Primärseite 1, die insbesondere einer Ladestation 6 zugeordnet sein kann, zu der Sekundärseite 2, die insbesondere dem batteriebetriebenen Objekt 4 zugeordnet sein kann, wird durch das Anlegen der Wechselspannung Ui an der Primärspulenanordnung 12 von der Primärspule Li ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dabei fließt in der Primärspule Li ein entsprechender Wechselstrom Ii. Das magnetische

Wechselfeld koppelt in die Spule L₂ der Sekundärspulenanordnung 22 ein und induziert dort eine elektrische Wechselspannung, so dass dort ein

entsprechender Strom l₂ fließt. Der Wechselstrom am Ausgang der

Sekundärspulenanordnung 22 wird durch den zweiten Gleichrichter 21 gleichgerichtet, durch den Glättungskondensator C₃ geglättet und steht dann als Ausgangsspannung bereit. Mit der Ausgangsspannung beziehungsweise dem Ausgangsstrom kann dann die Batterie 34 geladen werden.

Figur 4 zeigt den Verlauf des Stroms Ii und der Spannung Ui in der

Primärspulenanordnung 12 (oberes Diagramm) beziehungsweise des Stroms l₂ und der Spannung U₂ in der Sekundärspulenanordnung 22 (unteres Diagramm) im Volllastbetrieb. Durch gezieltes Ansteuern der Schaltelemente Sl bis S4 wird die Zwischenkreisspannung U_dc mit wechselndem Vorzeichen jeweils für eine Zeitdauer a auf die Primärspulenanordnung 12 gegeben. Die Zeitdauer a wird dabei als Pulsweite der Spannung Ui bzw. als primäre Pulsweite bezeichnet. Die Amplitude der Grundwelle der Spannung Ui kann dann über die Pulsweite a eingestellt werden. Die Spannung Ui weist dabei eine periodische Wellenform auf, die rechteckförmig ist. Bezogen auf die Periodendauer der Wellenform kann die Pulsweite a auch als Phasenwinkel ausgedrückt werden, wobei ein

Phasenwinkel von 180° einer reinen Rechteckspannung entsprechen würde.

Im Folgenden wird für die Beschreibung als Vereinfachung nur die sinusförmige Grundwelle der rechteckförmigen Spannung betrachtet. Diese Vereinfachung ist gerechtfertigt, da höhere Frequenzen stark gedämpft werden. Die Amplitude der Grundwelle der Spannung Ui berechnet sich bei der Resonanzfrequenz ω=ω₀ dabei zu: U_x = -U_dc sm - π 2

In einem ersten Betriebsmodus bleiben dabei die beiden Schaltelemente S5 und S6 der Sekundärseite 2 dauerhaft geöffnet. Die sekundärseitige

Leistungselektronik verhält sich dadurch wie ein rein passiver Gleichrichter. In diesem Betriebsmodus berechnen sich die Amplituden der Grundwellen der Ströme und der Spannungen bei Resonanzfrequenz ω₀ in Figur 4 betragsmäßig zu:

T T ——TT T - ü. T - ^U2 - ^{4 u}^

U bat ⁱ 2

π ωΜ ωΜ π ωΜ

Dabei ist der Primärstrom Ii nur von der am Ausgang der Sekundärseite 2 anliegenden Spannung U_bat und einer Gegeninduktivität M des Spulenpaares 20 abhängig. Dieser Primärstrom Ii kann durch eine Regelung der Pulsweite a des Inverters 11 nicht beeinflusst werden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der

Primärspannung Ui und des Primärstroms Ii im oberen Diagramm sowie im unteren Diagramm eine schematische Darstellung der Sekundärspannung U₂ und des Sekundärstroms l₂ im Teillastbetrieb. Dabei sind in der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform die Schaltelemente S5 und S6 dauerhaft geöffnet. Dieser Betriebsmodus entspricht den Strom- beziehungsweise

Spannungsverläufen, wie sie auch bei einer konventionellen induktiven

Energieübertragung mit rein primärseitiger Regelung und passivem zweiten Gleichrichter 21 auf der Sekundärseite 2 auftreten. Auch hier kann der Strom Ii auf der Primärseite durch die Regelung der Pulsweite a im Inverter 11 nicht beeinflusst werden. Dies führt dazu, dass durch den hohen Primärstrom Ii von hier etwa 20 A hohe Verluste verursacht werden.

In Figur 6 ist wiederum im oberen Diagramm der Verlauf der Primärspannung Ui und des Primärstroms Ii aufgetragen sowie im unteren Diagramm der Verlauf der Sekundärspannung U₂ und des Sekundärstroms l₂. Ähnlich wie in der in Figur 5 dargestellten Situation wird das System 100 in einem Teillastbetrieb betrieben, wobei bei dem in Figur 6 dargestellten Betriebsmodus die Schaltelemente S5 und S6 auf der Sekundärseite 2 nun gezielt periodisch geschlossen werden. Sind die Schaltelemente S5 und S6 geschlossen, so befindet sich die

Sekundärspulenanordnung 22 in einem Freilaufzustand, bei dem der

Sekundärstrom l₂ weiterhin durch die sekundärseitige Spule L₂ und deren Serienresonanzkondensator C₂ fließt, jedoch nicht in den Glättungskondensator C₃ fließt. Nachdem die Schaltelemente S5 und S6 wieder geöffnet werden, fließt der Sekundärstrom l₂ über den Glättungskondensator C₃ in eine am Ausgang der Sekundärseite 2 angeschlossene Last, wie beispielsweise die Batterie 34.

In der Figur 6 ist die Zeitdauer, für die die Schaltelemente S5 und S6 geöffnet sind, als Pulsweite b eingezeichnet. Die Pulsweite b wird auch als sekundäre Pulsweite bezeichnet. Möchte man stattdessen die Zeitdauer angeben, für die die Schaltelemente S5 und S6 geschlossen sind, also die Anschlusspunkte 32 der Sekundärspulenanordnung 22 miteinander verbunden sind, so kann diese Zeitdauer erhalten werden, indem man von der Periodendauer der Schwingung des Wechselstroms beziehungsweise der Spannung die Pulsweite b abzieht.

Im Folgenden wird für die Betrachtung zur Vereinfachung nur die Amplitude der Grundwelle der sekundärseitigen Spannung U₂ betrachtet. Die Amplitude der Grundwelle der sekundärseitigen Spannung U₂ berechnet sich damit zu:

U₂ = -U_bat sm - π 2

Die Amplitude der Grundwelle der primärseitigen Spannung Ui ergibt sich weiterhin zu:

/ / ⁴ I i ^{■ a}

% l

Somit ergeben sich die Scheitelwerte des Sekundärstroms l₂ und des

Primärstroms Ii betragsmäßig zu:

Durch den neu eingeführten Freilaufzustand auf der Sekundärseite 2 können daher jetzt sowohl der Primärstrom Ii als auch der Sekundärstrom l₂ gezielt eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die induktive Energieübertragung in einem jeweils optimalen Arbeitspunkt zu betreiben und damit die induktive Energieübertragung auch bei unterschiedlichem Luftspalt h oder einem lateralen Versatz der Primärspulenanordnung 12 zur Sekundärspulenanordnung 22 sowie auch im Teillastbetrieb jeweils optimal anzupassen.

Zur Bestimmung der Pulsweite b, also der Zeitdauer, während der die

Schaltelemente S5 und S6 geöffnet sind, sind dabei verschiedene

Betriebsstrategien möglich. Für eine erste Betriebsstrategie können

beispielsweise auf der Primärseite 1 und der Sekundärseite 2 gleiche Pulsweiten a und b verwendet werden. Die Pulsweiten a und b berechnen sich dabei für eine vorgegebene Leistung P_son zu:

Gemäß einer weiteren Betriebsstrategie wird das Verhältnis des Primärstroms Ii zum Sekundärstrom l₂ auf einen konstanten Wert eingeregelt. Dabei werden die Pulsweiten a und b beispielsweise so gewählt, dass für das Aufladen einer Batterie 34 mit einer Nennspannung υ_Νβηη und der aktuellen Batteriespannung Ubat folgende Bedingung gilt:

Neben den zuvor bereits beschriebenen Vorteilen wird dabei die tatsächliche Batteriespannung U_bat durch die Sekundärseite 2 von dem System 100 entkoppelt, so dass auf der Primärseite 1 und auf der Sekundärseite 2 die gleichen Ströme fließen wie in einem Nennpunkt, für den das System 100 optimiert wurde. Es erfolgt somit eine Impedanzanpassung der Last durch die aktive Steuerung des zweiten Gleichrichters 21 auf der Sekundärseite 2, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich wäre. In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitspunkt adaptiv anzupassen. Dabei wird ein optimaler Arbeitspunkt adaptiv so eingestellt, dass eine geforderte Leistung P_SOII bei einem gegebenen Koppelfaktor und einer gegebenen Batteriespannung U_bat übertragen werden kann und gleichzeitig eine Optimierungsgröße maximiert bzw. minimiert wird. Eine solche adaptive

Anpassung des Arbeitspunktes kann aufgrund des zusätzlichen Freiheitsgrades erreicht werden, den die erfindungsgemäße beidseitige Regelung ermöglicht. Als Optimierungsgröße kann beispielsweise der (gemessene) Systemwirkungsgrad dienen, aber auch andere Optimierungsgrößen sind denkbar.

Ferner ist es auch möglich, den Arbeitspunkt so anzupassen, dass in dem Luftspalt zwischen Primärspule Li und Sekundärspule L₂ das magnetische Feld möglichst minimal wird. Das magnetische Wechselfeld im Luftspalt des

Spulenpaars 20 (Li, L₂) führt zu einer Erhitzung von metallischen Objekten durch induzierte Wirbelströme, die sich im Bereich zwischen Primärspule Li und Sekundärspule L₂ befinden können. Bei hohen Magnetfeldern stellt dies ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Durch die erfindungsgemäße Minimierung des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen der Primärspule Li und der Sekundärspule L₂ kann dieses Sicherheitsrisiko verringert werden. Alternativ kann auch bei einer Beibehaltung einer maximalen magnetischen Feldstärke das Spulenpaar 20 (Li, L₂) kleiner dimensioniert werden. Somit verringern sich der erforderliche Bauraum und die Kosten für den Aufbau eines solchen Systems 100 zur induktiven Energieübertragung.

In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitsbereich des Systems 100 zur induktiven Energieübertragung durch die aktive Regelung auf der Sekundärseite 2 zu erweitern. Dabei bleiben die beiden zusätzlichen

Schaltelemente S5 und S6 auf der Sekundärseite 2 während des normalen Betriebs ausgeschaltet. Die sekundärseitige Leistungselektronik mit dem zweiten Gleichrichter 21 verhält sich dabei zunächst wie ein passiver Gleichrichter.

Überschreitet der Primärstrom Ii einen festgelegten Schwellwert, so wird die Ansteuerung der zusätzlichen Schaltelemente S5 und S6 aktiviert. Hierdurch ist auch bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie beispielsweise bei einem schlechten Koppelfaktor, eine Impedanzanpassung möglich. Somit kann das System 100 zur induktiven Energieübertragung selbst dann weiter betrieben werden, wenn auf andere Weise der maximale Primärstrom Ii überschritten würde, wohingegen in konventionellen Systemen eine Abschaltung erfolgen müsste.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der

Primärspannung Ui und des Primärstroms Ii im oberen Diagramm sowie im unteren Diagramm eine schematische Darstellung der Sekundärspannung U₂ und des Sekundärstroms l₂. Bei dem in Figur 7 dargestellten Betriebsmodus wird die Zwischenkreisspannung U_dc, welche dem Inverter 11 als Eingangsspannung dient, ebenfalls geregelt. Gegenüber den zu Figuren 4, 5 und 6 dargestellten Situationen wurde die Zwischenkreisspannung U_dc abgesenkt, wodurch sich die Zeitpunkte, an denen die Schaltelemente Sl bis S4 des Inverters 11 schalten, verschoben haben. Die Primärspannung Ui ist nun nahezu rechteckförmig, was für die Pulsweite a einem Phasenwinkel von etwa 180° entspricht. Ferner treten die Wechsel des Vorzeichens der Primärspannung Ui genau zu den Zeitpunkten auf, an denen der sinusförmige Verlauf des Primärstroms Ii einen Nulldurchgang aufweist. Werden die Schaltelemente Sl bis S4 zu diesen Zeitpunkten betätigt, treten nur geringe Verlustleistungen auf, was auch als weichschaltender Betrieb der Schaltelemente Sl bis S4 beziehungsweise des Inverters 11 bezeichnet wird.

In bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung werden sowohl eine

Regelung der Pulsweiten a und b durchgeführt als auch eine Regelung der Zwischenkreisspannung U_dc.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, übernimmt der erste

Gleichrichter eine Korrektur des Leistungsfaktors, als sogenannte P FC-Stufe. Dabei sind sowohl Ausführungsformen zum Betrieb am einphasigen

Wechselspannungsnetz, wie auch am dreiphasigen Wechselspannungsnetz vorgesehen.

In einer weiteren Ausführungsvariante, ist der erste Gleichrichter als dreiphasige, gesteuerte B6-Brücke ausgeführt, was eine kostengünstige Realisierung insbesondere für große Leistungen ermöglicht. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum berührungslosen Laden eines batteriebetriebenen

Objekts (4) über ein magnetisch gekoppeltes Spulenpaar (20), welches eine Primärspulenanordnung (12) einer Ladestation (6) und eine

Sekundärspulenanordnung (22) des batteriebetriebenen Objekts (4) umfasst, wobei ein Inverter (11) über eine von einem ersten

Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und die Primärspulenanordnung (12) anregt und wobei an der

Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten (32) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspunkte (32) während jeder Halbwelle der

Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden und die Zwischenkreisspannung so geregelt wird, dass Schaltpunkte des Inverters (11) im Bereich eines Nulldurchgangs eines Stroms der Primärspulenanordnung (12) liegen, so dass der Inverter (11) weichschaltend angesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die von einem ersten Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung, wie auch eine von einem Inverter (11) erzeugte Rechteckspannung mit variabler Pulsweite zur Regelung des berührungslosen Ladens herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

zusätzlich das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zur Regelung des berührungslosen Ladens herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die zwei Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einer gemessenen elektrischen Größe der Primärspulenanordnung (12) und/oder der Sekundärspulenanordnung (22) bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest basierend auf einem Ladezustand einer Batterie (34) bestimmt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden, zumindest in Abhängigkeit eines gemessenen Kopplungsfaktors des magnetisch gekoppeltes Spulenpaars (20) bestimmt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fall, bei dem die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert einnimmt den der erste Gleichrichter (10) einstellen kann, das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden so gewählt ist, dass der Inverter (11) weichschaltend

angesteuert wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fall, bei dem die Zwischenkreisspannung den kleinsten Wert einnimmt den der erste Gleichrichter (10) einstellen kann, der Inverter (11) hartschaltend angesteuert wird und das Zeitintervall, in dem die Anschlusspunkte (32) miteinander verbunden werden entsprechend einem der Ansprüche 4 bis 6 gewählt ist.

Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird.

System (100) mit einer Ladestation (6), einem batteriebetriebenen Objekt (4) und einem Steuergerät (30), wobei die Ladestation (6) einen ersten Gleichrichter (10), einen Inverter (11), und eine

Primärspulenanordnung (12) umfasst und das batteriebetriebene Objekt (4) eine Sekundarspulenanordnung (22) und einen zweiten Gleichrichter (21) umfasst, wobei der Inverter (11) über eine von dem ersten

Gleichrichter (10) erzeugte Zwischenkreisspannung gespeist wird und eingerichtet ist, die Primärspulenanordnung (12) anzuregen und wobei an der Sekundärspulenanordnung (22) eine Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten (32) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (30) eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.

Ladestation (6) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 10.

Ladestation (6) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichrichter (10) eingerichtet ist, eine Leistungsfaktorkorrektur vorzunehmen.

13. Batteriebetriebenes Objekt (4) zur Verwendung in einem System (100) nach Anspruch 10.