DE102014207854A1

DE102014207854A1 - Übertragungssystem, Verfahren und Fahrzeuganordnung

Info

Publication number: DE102014207854A1
Application number: DE102014207854.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Diekhans; Oliver Blum; Philipp Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-10-29
Also published as: WO2015161944A1; EP3134952B1; CN106458048A; JP6259124B2; JP2017519471A; CN106458048B; EP3134952A1; US20170047768A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Übertragungssystem zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher, mit einer Übertragungseinrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie, mit einer Wechselrichtereinrichtung, welche zwischen einer Energiequelle, welche eine Versorgungsleistung bereitstellt, und der Übertragungseinrichtung angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, elektrische Energie aus der Energiequelle an die Übertragungseinrichtung zu übertragen, mit einer Gleichrichtereinrichtung, welche zwischen der Übertragungseinrichtung und dem Verbraucher angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie von der Übertragungseinrichtung an den Verbraucher zu übertragen, wobei die Wechselrichtereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Menge der übertragenen elektrischen Leistung durch Pulsmustermodulation der Energiequelle einzustellen und/oder die Gleichrichtereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Menge der übertragenen elektrischen Leistung durch Pulsmustermodulation einer von der Übertragungseinrichtung bereitgestellten Leistung einzustellen. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Fahrzeuganordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Übertragungssystem zum kontaktlosen Übertragen von Energie. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren und eine Fahrzeuganordnung.
Stand der Technik
Heute werden elektrische Energiespeicher in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Insbesondere in mobilen Anwendungen werden z.B. Batterien als Energiespeicher eingesetzt.
Beispielsweise werden Batterien in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen als Energiespeicher eingesetzt, um Energie für den elektrischen Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs bereitzustellen.
Um eine Batterie als Energiespeicher in einem Fahrzeug einsetzen zu können, muss zusätzlich eine Möglichkeit zum Laden der Batterie bereitgestellt werden.
Heute ist es üblich, Hochvoltbatterien in einem Fahrzeug z.B. über einen galvanischen Anschluss an das öffentliche Stromnetz zu laden. Dazu kann z.B. in einer Garage eines Hauses ein Ladeadapter installiert werden, an welchen das jeweilige Fahrzeug über ein Kabel angeschlossen werden kann. Alternative befindet sich der Ladeadapter auf Fahrzeugseite und kann an eine herkömmliche Steckdose angeschlossen werden.
Die EP2623363 zeigt eine herkömmliche Ladeeinrichtung für Energiespeicher.
Ferner sind heute induktive Ladeanordnungen bekannt, bei welchen Energie von dem Ladeadapter an das Fahrzeug kabellos über eine induktive Kopplung zweier Spulen übertragen wird.
Beim sogenannten induktiven Laden von Elektrofahrzeugen wird die für das Laden der Fahrzeugbatterie notwendige Energie nicht über ein Ladekabel zum Fahrzeug übertragen (konduktives Laden), sondern über einen Transformator mit großem Luftspalt kontaktlos übertragen. Hierbei ist typischerweise die Primärspule des Transformators entweder im Boden eingelassen oder als auf den Boden aufgelegte Ladeplatte ausgeformt und wird mittels einer geeigneten Elektronik mit dem Stromnetz verbunden. Die Sekundärspule des Transformators ist typischerweise fest im Unterboden des Fahrzeugs montiert und ihrerseits mittels geeigneter Elektronik mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Zur Energieübertragung erzeugt die Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert.
Da einerseits die übertragbare Leistung linear mit der Schaltfrequenz skaliert, andererseits die Schaltfrequenz durch die Ansteuerungselektronik, Verluste im Übertragungspfad und gesetzliche Grenzwerte bezüglich magnetischer Felder begrenzt ist, ergibt sich ein typischer Frequenzbereich von 10–150 kHz.
In 10 ist eine herkömmliche induktive Ladeanordnung gezeigt. Kernstück der Elektronik, die die Primärspule mit dem Stromnetz verbindet, ist ein mit hoher Schaltfrequenz betriebener Wechselrichter. Der Stromfluss ergibt sich typischerweise durch Anregung des durch die Primärspule und eine entsprechende Kompensationskapazität gebildeten Schwingkreises. Verschiedene Resonanzanordnungen mit zusätzlichen Resonanzelementen sind hierbei prinzipiell möglich.
Die resonante Last kann hierbei ausgenutzt werden, um den Wechselrichter im sogenannten Zero Voltage Switching Mode (ZVS) und/oder Zero Current Switching Mode (ZCS) zu betreiben. Bei diesem vollresonanten Betrieb entstehen nur geringe Schaltverluste in den zur Schaltung verwendeten Halbleiterbauelementen. Die Kombination der beiden Schwingkreise zuzüglich Wechselrichter und Gleichrichter kann für die Ladung einer Batterie mit festgelegtem Spannungsbereich und entsprechender Ladeleistung ausgelegt werden.
Wird als Resonanzanordnung beispielhaft die sogenannte Serien-Serien-Kompensation mit Serienschwingkreisen auf Primär- und Sekundärseite verwendet, so ergibt sich, dass der Primärspulenstrom von der Batteriespannung, nicht aber vom Ladestrom abhängt. Da die Leitungsverluste in den Spulen und im Wechselrichter einen wesentlichen Beitrag zu den Gesamtverlusten des Systems leisten, wird deutlich, dass diese Anordnung bei Teillastbetrieb, d.h. reduziertem Ladestrom, bezogen auf die Übertragungsleistung signifikant ansteigende Verluste und damit eine signifikant geringere Gesamteffizienz der Energieübertragung aufweist. Dieses Problem kann durch eine Reduktion der (in dem beschriebenen Aufbau durch die Batterie vorgegebenen) Sekundärspannung des Systems behoben werden. Ein geläufiger Ansatz ist der Einsatz eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers bzw. Impedanzwandlers (aktiv oder passiv) auf Sekundärseite. Ein solcher Wandler auf Sekundärseite, d.h. im Fahrzeug, ist jedoch auf Grund von Gewichts- und Bauraumrestriktionen sowie auf Grund von Verlusten in Schaltelementen und/oder passiven Bauelementen unvorteilhaft.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Übertragungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine Fahrzeuganordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Übertragungssystem zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher, mit einer Übertragungseinrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie, mit einer Wechselrichtereinrichtung, welche zwischen einer Energiequelle, welche eine Versorgungsleistung bereitstellt, und der Übertragungseinrichtung angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, elektrische Energie aus der Energiequelle an die Übertragungseinrichtung zu übertragen, mit einer Gleichrichtereinrichtung, welche zwischen der Übertragungseinrichtung und dem Verbraucher angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie von der Übertragungseinrichtung an den Verbraucher zu übertragen, wobei die Wechselrichtereinrichtung dazu ausgebildet ist, die übertragene elektrische Leistung durch eine Pulsmustermodulation der Steuersignale der Wechselrichtereinrichtung zu regeln und/oder die Gleichrichtereinrichtung dazu ausgebildet ist, die übertragene elektrische Leistung durch eine geeignete Pulsmustermodulation der Gleichrichtereinrichtung zu regeln..
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher, mit den Schritten zyklisches Schalten einer elektrischen Versorgungsleistung einer Energiequelle an eine Übertragungseinrichtung, welche zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie ausgebildet ist, kontaktloses Übertragen der elektrischen Energie in der Übertragungseinrichtung, zyklisches Schalten einer von der Übertragungseinrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung an den Verbraucher, wobei in mindestens einem der Schritte des zyklischen Schaltens die jeweilige Leistung durch eine Pulsmustermodulation geregelt wird.
Schließlich ist vorgesehen:
Eine Fahrzeuganordnung mit einem erfindungsgemäßen Übertragungssystem, mit einem Fahrzeug, wobei die Gleichrichtereinrichtung in dem Fahrzeug angeordnet ist, und wobei die Wechselrichtereinrichtung außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und wobei die Übertragungseinrichtung zumindest teilweise in dem Fahrzeug und teilweise außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass der Einsatz von zusätzlichen Impedanzwandlern einen zusätzlichen Aufwand bedeutet und den Gesamtwirkungsgrad reduziert.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Übertragungssystem vorzusehen, bei welchem die Impedanzwandler, z.B. DC/DC-Wandler des Standes der Technik durch eine geeignete Schaltstrategie in der Wechselrichtereinrichtung und/oder der Gleichrichtereinrichtung ersetzt werden.
Demzufolge sieht die vorliegende Erfindung ein Übertragungssystem vor, bei welchem eine Wechselrichtereinrichtung und/oder eine Gleichrichtereinrichtung die Leistung in allen auslegungsrelevanten Betriebspunkten auch unter Beibehaltung des gewünschten ZVS- und/oder ZCS-Betriebsmodus (Zero Voltage Switching bzw. Zero Current Switching, weichschaltender Betrieb) regeln kann. Dabei wird unter einer Pulsmustermodulation verstanden, dass die Wechselrichtereinrichtung und/oder die Gleichrichtereinrichtung derart angesteuert werden, dass die Übertragungseinrichtung mit positiven und negativen pulsartigen Signalen, z.B. Rechtecksignalen, angesteuert wird. Die Pulsmustermodulation besteht darin, die Frequenz, Anzahl bzw. Reihenfolge dieser pulsartigen Signale zu steuern. Dies kann im Fall der Wechselrichtereinrichtung bedeuten, dass das Übertragungssystem statt mit einem monofrequenten Rechtecksignal mit einem Rechtecksignal einer Grundfrequenz mit ausgelassenen Halb- oder Vollwellen angesteuert wird. Im Fall der Gleichrichtereinrichtung bedeutet dies, dass nicht alle Halb- oder Vollwellen des von der Übertragungseinrichtung übertragenen Stromsignals gleichgerichtet und damit zum Verbraucher weitergeleitet werden, sondern über einen gesteuerten Kurzschluss des Gleichrichtereingangs einige Halb- oder Vollwellen ausgelassen werden und im sekundären Schwingkreis der Übertragungseinrichtung rezirkulieren.
Bei weichschaltenden Topologien, die insbesondere auch bei höherer Übertragungsleistung und höherer Übertragungsfrequenz eingesetzt werden können, werden die Halbleiter-Schalter nur bei sehr kleinem Strom, nahe am Nulldurchgang des periodischen Stromsignals, oder sehr kleiner Spannung, während die parallele Freilaufdiode den Strom führt, betätigt.
Wenn bei der Leistungsmodulation nur komplette Sinus-Halbwellen ausmaskiert werden, ist das sogenannte weiche Schalten im Unterschied zu anderen Modulationsarten auch bei Teillast weiterhin möglich. Durch das Auslassen von Halbwellen wird im zeitlichen Mittel eine geringere Spannung an der Übertragungseinrichtung angelegt, ohne dass die Spannung z.B. durch einen DC/DC-Wandler geregelt werden muss.
Die Erfindung legt somit einen Systementwurf vor, der einerseits minimalen Hardware-Aufwand darstellt, da keine zusätzlichen passiven und aktiven Elemente benötigt werden, und andererseits auch bei hohen Leistungen, Voll- und Teillastbetrieb einen optimalen Wirkungsgrad erreicht. Zudem können die Topologie und die Schaltstrategie bei hohen Frequenzen eingesetzt werden, was durch den weichschaltenden Betrieb ermöglicht wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform entspricht die Grundfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz der Pulsmustermodulation der Resonanzfrequenz der Übertragungseinrichtung.
In einer Ausführungsform sind sowohl die Wechselrichtereinrichtung als auch die Gleichrichtereinrichtung dazu ausgebildet, die Leistung in allen auslegungsrelevanten Betriebspunkten zu regeln, wobei der gewünschte ZVS- und/oder ZCS-Betriebsmodus (Zero Voltage Switching bzw. Zero Current Switching mit weichschaltendem Betrieb) beibehalten wird. Werden sowohl die Wechselrichtereinrichtung als auch die Gleichrichtereinrichtung derart betrieben, dass sie beide zur Leistungsregelung beitragen, kann der Arbeitspunkt durch eine geeignete beidseitige Regelungsstrategie optimal eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Übertragungssystem eine Steuereinrichtung auf, welche mit der Wechselrichtereinrichtung und der Gleichrichtereinrichtung gekoppelt ist und für eine Vielzahl von Arbeitspunkten des Übertragungssystems für die Wechselrichtereinrichtung und/oder für die Gleichrichtereinrichtung jeweils ein Schaltmuster vorgegebener oder variabler Länge aufweist, wobei jede Stelle des Schaltmusters eine Halbwelle oder eine Vollwelle der jeweiligen elektrischen Spannung oder des jeweiligen elektrischen Stroms kennzeichnet, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, jeweils in Abhängigkeit eines der Schaltmuster die Wechselrichtereinrichtung und/oder die Gleichrichtereinrichtung zu steuern.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das Schalten der Wechselrichtereinrichtung und das Schalten der Gleichrichtereinrichtung zu synchronisieren. Werden die Schaltvorgänge der Wechselrichtereinrichtung und der Gleichrichtereinrichtung synchronisiert, kann die Schaltstrategie optimiert werden und der Wirkungsgrad verbessert werden und Blindströme im System dadurch verringert werden.
In einer Ausführungsform führt die Steuereinrichtung eine Betriebsstrategie aus, bei welcher die Gleichrichtereinrichtung im Fahrzeug und die Wechselrichtereinrichtung in der Ladestation ihr jeweiliges Maß der Leistungsmodulation so einstellen, dass unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen wie Kopplungsfaktor der Spulen und Batteriespannung sowie der gewünschten Übertragungsleistung ein im Hinblick auf Belastung der Bauelemente, magnetisches Streufeld, Wärmeabfuhr und Übertragungsverluste optimaler Betriebspunkt des Gesamtsystems erreicht wird.
Dazu kann die Steuereinrichtung in einer Ausführungsform gleiche Pulsmuster auf der Primär- und der Sekundärseite verwenden. Für diese Betriebsstrategie wäre keine zusätzliche Messtechnik (z.B. zur Ermittlung der Koppelinduktivität M) im Vergleich zur konventionellen einseitigen Regelung notwendig. Einzige Voraussetzung ist eine vorhandene Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite. Die Regelgröße (z.B. der Batterieladestrom) muss in jedem Fall gemessen werden.
Eine zweite Betriebsstrategie hätte zum Ziel ein konstantes Stromverhältnis zwischen dem Strom auf der Primärseite und dem Strom auf der Sekundärseite durch ein geeignetes Pulsmuster auf Primär- und Sekundärseite einzuregeln. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der vorherigen Betriebsstrategie. Darüber hinaus wird die tatsächliche Batteriespannung durch die Sekundärseite vom System entkoppelt, so dass sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärseite die gleichen Ströme fließen wie im Nennpunkt, für den das System optimiert wurde. Es erfolgt demzufolge eine Impedanzanpassung durch die aktive Sekundärseite ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers.
Eine dritte Betriebsstrategie sieht eine adaptive Arbeitspunktanpassung vor. Unter der Randbedingung, dass eine geforderte Leistung bei einem gegebenen Koppelfaktor und gegebener Batteriespannung übertragen werden soll, kann nun adaptiv ein optimaler Arbeitspunkt eingestellt werden. Dies wird ermöglicht über den zusätzlichen Freiheitsgrad, den die beidseitige Regelung bietet. In einer Ausführungsform ist beispielsweise eine Messung des tatsächlichen Wirkungsgrades und eine adaptive Einstellung des effizientesten Arbeitspunktes möglich. Dieser Vorgang kann aus regelungstechnischer Sicht sehr langsam ablaufen, da sich im Ladevorgang der Arbeitspunkt nur langsam ändert. Auch andere Optimierungsgrößen sind möglich, beispielsweise der Ladevorgang mit einem minimalen B-Feld im Luftspalt.
Schließlich kann eine vierte Betriebsstrategie verwendet werden, die eine aktive Sekundärseite zur Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Gesamtsystems vorsieht. Erst wenn der Primärstrom einen festgelegten Maximalwert überschreitet, beispielsweise aufgrund eines schlechten Koppelfaktors, wird die Sekundärseite aktiv zur Impedanzanpassung verwendet, um das System weiter betreiben zu können ohne den maximalen Primärstrom zu überschreiten.
In einer weiteren Ausführungsform geschieht die Synchronisierung der Pulsmustermodulation der Wechselrichtereinrichtung und der Gleichrichtereinrichtung durch das Messen einer oder mehrerer elektrischer Größen, beispielsweise eines Stromes. So ist keine schnelle oder gar keine Kommunikation zur Synchronisierung der Wechselrichtereinrichtung und der Gleichrichtereinrichtung nötig.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Wechselrichtereinrichtung und die Gleichrichtereinrichtung derart zu steuern, dass die Stromamplituden und Verluste auf beiden Seiten der Übertragungseinrichtung annähernd konstant bzw. an den Ohmschen Widerstand der Resonanzkreise angepasst sind.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Zeitspannen der Ein- bzw. Abschaltung in der Wechselrichtereinrichtung und der Gleichrichtereinrichtung derart gewählt, dass die relativen Verluste bei der Energieübertragung minimiert werden.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung aufgeteilt auf die Wechselrichtereinrichtung und die Gleichrichtereinrichtung. Eine Datenübertragung zur Synchronisierung kann zwischen beiden Teilen z.B. über eine Funkverbindung, eine kabelgebundene Verbindung oder dergleichen erfolgen. Alternativ weisen die Wechselrichtereinrichtung und die Gleichrichtereinrichtung jeweils eine Steuereinrichtung auf, welche die Synchronisation jeweils mit Hilfe einer Strom- und/oder Spannungsmessung durchführen.
In einer Ausführungsform weist die Wechselrichtereinrichtung eine Brückenschaltung auf. Dabei kann die Brückenschaltung eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weist die Gleichrichtereinrichtung zwei negative Gleichrichterzweige mit jeweils einem zweiten Schaltelement mit einer zu dem jeweiligen zweiten Schaltelement antiparallel geschalteten zweiten Diode und zwei positive Gleichrichterzweige mit jeweils einer dritten Diode auf. Dadurch wird es möglich, bei geeigneter Ansteuerung der Schaltelemente sowohl den Schwingkreis auf der Eingangsseite der Übertragungseinrichtung als auch den Schwingkreis auf der Ausgangsseite der Übertragungseinrichtung zu schließen und von den weiteren Komponenten abzukoppeln. Dadurch kann der Energieeintrag in bzw. die Energieentnahme aus dem jeweiligen Schwingkreis unterbunden bzw. gesteuert werden.
Alternativ kann die Gleichrichtereinrichtung auch als Wechselrichtereinrichtung ausgebildet sein, welche insbesondere der erfindungsgemäßen Wechselrichtereinrichtung gleicht. Dadurch wird eine bidirektionale Energieübertragung ermöglicht.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeuganordnung;
4 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
5 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
6 ein weiteres Diagramm zur Darstellung der Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
7 ein weiteres Diagramm zur Darstellung der Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
8 ein weiteres Diagramm zur Darstellung der Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
9 ein weiteres Diagramm zur Darstellung der Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems; und
10 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Ladeanordnung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladesystems 1.
Das Übertragungssystem der 1 weist eine Energiequelle 6 auf, die mit einer Wechselrichtereinrichtung 4 gekoppelt ist. Die Wechselrichtereinrichtung 4 ist mit einer Übertragungseinrichtung 3 gekoppelt und die Übertragungseinrichtung 3 ist mit einer Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelt, die wiederum mit einem Verbraucher 2 gekoppelt ist. Der Verbraucher 2 kann in einer Ausführungsform z.B. als ein Energiespeicher 2, z.B. eine Batterie 2, ausgebildet sein. Der Verbraucher kann aber auch als jede andere Art von elektrischem Verbraucher ausgebildet sein.
Die Energiequelle stelle eine Versorgungsleistung 7 bereit, die die Wechselrichtereinrichtung 4 in eine Versorgungsleistung 7 für die Übertragungseinrichtung 3 wandelt. Die Versorgungsleistung 7 für die Übertragungseinrichtung 3 kann z.B. eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom aufweisen.
Die Übertragungseinrichtung 3 kann elektrische Energie bzw. Leistung kontaktlos übertragen, dies ist lediglich beispielhaft in 1 als zwei Spulen dargestellt, die gegenüberliegend angeordnet sind. Ist die Übertragungseinrichtung 3 durch Spulen 3-1, 3-2 realisiert, weist jede Spule einen zusätzlichen Kondensator (nicht dargestellt) auf, der zusammen mit der jeweiligen Spule 3-1, 3-2 einen Schwingkreis bildet.
Für die Leistungsregelung in der Wechselrichtereinrichtung 4 wird eine Auslassung von Halb- oder Vollwellen in der Wechselrichtereinrichtung 4 genutzt. Hierdurch ergibt sich eine effektiv niedrigere Anregungsamplitude des primärseitigen Schwingkreises. In den Schwingungspausen wird die Wechselrichtereinrichtung 4 so eingestellt, dass sich ein Freilaufzustand ergibt, der ein Weiterschwingen des Schwingkreises erlaubt. Dies wird in Zusammenhang mit 5 näher erläutert.
Die Leistungsregelung durch die Gleichrichtereinrichtung 5 wird erfindungsgemäß durch die Einführung eines schaltbaren Freilaufzustandes in der Gleichrichtereinrichtung 5 durchgeführt. Auch hier ist es vorgesehen, dass eine oder mehrere Halb- oder Vollwellen ausgelassen bzw. ausmaskiert werden. Somit sieht die erfindungsgemäße Schaltstrategie auch hier vor, einen Freilaufzustand zum Kurzschließen des sekundärseitigen Schwingkreises über mindestens eine Halbwelle des Stromsignals zu aktivieren. Während des Kurzschlusses des sekundärseitigen Schwingkreises fließt damit kein Strom in die Batterie. Als Folge "sieht" die Schaltung vor der Gleichrichtereinrichtung eine effektiv niedrigere Batteriespannung, was zu einem deutlich kleineren Stromfluss in der Spule auf der Seite der Energiequelle und damit zu reduzierten Verlusten führt.
Durch eine Kombination der Pulsmustermodulation der Leistung in der Wechselrichtereinrichtung 4 und der Gleichrichtereinrichtung 5 kann so jeder beliebige Arbeitspunkt für das Übertragungssystem 1 eingestellt werden.
Es wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung nicht nur möglich, Bauteile in dem Übertragungssystem 1 einzusparen. Vielmehr kann das Übertragungssystem 1 auch im Teillastbetrieb mit hoher Effizienz betrieben werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt S1 das zyklische Schalten einer elektrischen Versorgungsleistung 7 einer Energiequelle 6 an eine Übertragungseinrichtung 3 vor, welche zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie ausgebildet ist.
In einem zweiten Schritt wird die elektrische Energie kontaktlos Übertragen, z.B. von einer Sendespule bzw. Primärspule 3-1 einer Übertragungseinrichtung 3 an eine in einem Fahrzeug angebrachte Empfängerspule bzw. Sekundärspule 3-2 der Übertragungseinrichtung 3.
In einem dritten Schritt S3 wird die von der Übertragungseinrichtung 3 bereitgestellte Leistung 8 zyklisch an den Verbraucher 2 geschaltet bzw. weitergeleitet.
Dabei werden die Schaltvorgänge bei mindestens einem der Schritte des zyklischen Schaltens S1, S3 in Pulsmustern moduliert. Alternativ kann auch in beiden Schritten des zyklischen Schaltens S1 und S3 Pulsmustermodulation durchgeführt werden.
Zusätzlich können in einer Ausführungsform die Schritte des zyklischen Schaltens synchronisiert werden.
Schließlich kann in einer Ausführungsform für eine Vielzahl von Arbeitspunkten des Übertragungsverfahrens jeweils ein Schaltmuster 11 vorgegebener oder variabler Länge für die zyklischen Schaltvorgänge vorgegeben werden.
Dabei können für die Schaltvorgänge in der Wechselrichtereinrichtung 4 und in der Gleichrichtereinrichtung 5 jeweils eigene Schaltmuster vorgegeben werden.
Die Stellen des Schaltmusters 11 kennzeichnen jeweils eine Halbwelle oder eine Vollwelle der jeweiligen elektrischen Spannung oder des jeweiligen Stroms auf dessen Basis geschaltet wird.
Basierend auf den Schaltmustern 11 können daraufhin die Leistungen in der Wechselrichtereinrichtung 4 und in der Gleichrichtereinrichtung 5 geschaltet werden, um einen gewünschten Arbeitspunkt beim Laden einzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unterschiedliche Strategien umsetzen. In einer Ausführungsform wird eine Betriebsstrategie genutzt, bei welcher die Gleichrichtereinrichtung und die Wechselrichtereinrichtung ihr jeweiliges Maß der Leistungsmodulation so einstellen, dass unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen wie Kopplungsfaktor der Spulen und Batteriespannung sowie der gewünschten Übertragungsleistung ein im Hinblick auf Belastung der Bauelemente, magnetisches Streufeld, Wärmeabfuhr und Übertragungsverluste optimaler Betriebspunkt des Gesamtsystems erreicht wird.
Dazu können in einer Ausführungsform gleiche Pulsmuster auf der Primär- und der Sekundärseite verwendet werden. Für diese Betriebsstrategie wäre keine zusätzliche Messtechnik (z.B. zur Ermittlung der Koppelinduktivität M) im Vergleich zur konventionellen einseitigen Regelung notwendig. Einzige Voraussetzung ist eine vorhandene Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite. Die Regelgröße (z.B. der Batterieladestrom) muss in jedem Fall gemessen werden.
Eine zweite Betriebsstrategie hätte zum Ziel, ein konstantes Stromverhältnis zwischen dem Strom auf der Primärseite und dem Strom auf der Sekundärseite durch ein geeignetes Pulsmuster auf Primär- und Sekundärseite einzuregeln. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der vorherigen Betriebsstrategie. Darüber hinaus wird die tatsächliche Batteriespannung durch die Sekundärseite vom System entkoppelt, so dass sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärseite die gleichen Ströme fließen wie im Nennpunkt, für den das System optimiert wurde. Es erfolgt demzufolge eine Impedanzanpassung durch die aktive Sekundärseite ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers.
Eine dritte Betriebsstrategie sieht eine adaptive Arbeitspunktanpassung vor. Unter der Randbedingung, dass eine geforderte Leistung bei einem gegebenen Koppelfaktor und gegebener Batteriespannung übertragen werden soll, kann nun adaptiv ein optimaler Arbeitspunkt eingestellt werden. Dies wird ermöglicht über den zusätzlichen Freiheitsgrad, den die beidseitige Regelung bietet. In einer Ausführungsform ist beispielsweise eine Messung des tatsächlichen Wirkungsgrades und eine adaptive Einstellung des effizientesten Arbeitspunktes möglich. Dieser Vorgang kann aus regelungstechnischer Sicht sehr langsam ablaufen, da sich im Ladevorgang der Arbeitspunkt nur langsam ändert. Auch andere Optimierungsgrößen sind möglich, beispielsweise der Ladevorgang mit einem minimalen B-Feld im Luftspalt.
Schließlich kann eine vierte Betriebsstrategie verwendet werden, die eine aktive Sekundärseite zur Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Gesamtsystems vorsieht. Erst wenn der Primärstrom einen festgelegten Maximalwert überschreitet, beispielsweise aufgrund eines schlechten Koppelfaktors, wird die Sekundärseite aktiv zur Impedanzanpassung verwendet, um das System weiter betreiben zu können ohne den maximalen Primärstrom zu überschreiten.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeuganordnung 20.
In der Fahrzeuganordnung 20 ist ein Fahrzeug 25 dargestellt, wobei innerhalb des Fahrzeugs 25 die Empfängerspule 3-2 der Übertragungseinrichtung 3, die Gleichrichtereinrichtung 5 und der als Energiespeicher 2 ausgebildete Verbraucher 2, z.B. eine Fahrzeugbatterie 2, angeordnet sind.
Außerhalb des Fahrzeugs 25 sind die Energiequelle 6, die Wechselrichtereinrichtung 4 und die Primärspule 3-1 der Übertragungseinrichtung 3 angeordnet.
Schließlich ist eine Steuereinrichtung 10 vorgesehen, die mit der Wechselrichtereinrichtung 4 und der Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese zu steuern.
Die Steuereinrichtung 10 kann ausgebildet sein, ein Verfahren gemäß 2 auszuführen. Die Steuereinrichtung 10 kann dabei als einzelnes Steuergerät 10 ausgebildet sein. Alternativ kann die Steuereinrichtung 10 auch als verteiltes Steuersystem 10 ausgebildet sein, welches zum Teil in der Wechselrichtereinrichtung 4 und zum Teil in der Gleichrichtereinrichtung 5 angeordnet sein kann. Dabei können die Teile der Steuereinrichtung Daten zur Synchronisation z.B. per Funk austauschen. Alternativ können die Teile der Steuereinrichtung 10 die Synchronisation auch basierend auf einer Strom bzw. Spannungsmessung durchführen.
4 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems 1.
Das Übertragungssystem in 4 weist eine Energiequelle 6 auf, die eine Versorgungsspannung U₀ bereitstellt. Die Wechselrichtereinrichtung 4 weist 4 Zweige auf, wobei zwei Zweige mit dem positiven Pol der Energiequelle 6 und zwei Zweige mit dem negativen Pol der Energiequelle 6 gekoppelt sind. Jeweils ein Zweig, der mit dem positiven Pol gekoppelt ist, und ein Zweig, der mit dem negativen Pol gekoppelt ist, ist mit einem ersten Pol einer Sendespule 3-1 der Übertragungseinrichtung 3 gekoppelt, die eine Induktivität L1 aufweist. Die verbleibenden Zweige sind mit einem zweiten Pol der Sendespule 3-1 der Übertragungseinrichtung 3 gekoppelt. Jeder Zweig weist eine erste Schalteinrichtung 15-1–15-4 und eine mit der jeweiligen ersten Schalteinrichtung 15-1–15-4 antiparallel geschaltete erste Diode 16-1–16-4 auf. Zwischen der Wechselrichtereinrichtung 4 und der Sendespule 3-1 ist ferner ein Kondensator C1 angeordnet, der mit der Spule 3-1 einen Schwingkreis bildet.
Die Empfängerspule 3-2 der Übertragungseinrichtung 3 ist mit der Gleichrichtereinrichtung 5 gekoppelt. Die Gleichrichtereinrichtung 5 weist zwei Zweige auf, die jeweils einen der Pole der Empfängerspule 3-2 mit dem negativen Pol des Energiespeichers 2 koppeln. Jeder dieser Zweige weist eine zweite Schaltvorrichtung 17-1–17-2 mit jeweils einer antiparallel angeordneten zweiten Diode 18-1, 18-2 auf. Die Gleichrichtereinrichtung 5 weist ferner zwei Zweige auf, die jeweils einen der der Pole der Empfängerspule 3-2 mit dem, positiven Pol des Energiespeichers 2 koppeln. Jeder dieser Zweige weist eine dritte Diode 19-1, 19-2 auf. Zwischen der Gleichrichtereinrichtung 5 und der Empfängerspule 3-2 ist ferner ein Kondensator C2 angeordnet, der mit der Spule 3-2 einen Schwingkreis bildet.
In 4 stellt die Energiequelle die Spannung U₀ bereit. An dem Schwingkreis der Sendespule 3-1 liegt die Spannung U₁ an. In dem Schwingkreis der Sendespule 3-1 fließt der Strom I₁. An dem Schwingkreis der Empfängerspule 3-2 liegt die Spannung U₂ an. In dem Schwingkreis der Empfängerspule 3-2 fließt der Strom I₂. Der Energiespeicher 2 weist die Spannung U_bat auf.
Das grundlegende Betriebsverhalten des induktiven Übertragungssystems lässt sich mit der Grundwellenanalyse bestimmen, bei der die Oberwellen des rechteckförmigen Spannungssignals vernachlässigt werden. Nach der Grundwellenanalyse errechnet sich die übertragene Leistung bei der Resonanzfrequenz ω = ω₀ in der beispielhaften Ausführungsform nach 4 gemäß der folgenden Formel
Es ist zu erkennen, dass diese Leistung durch drei Faktoren beeinflusst werden kann. Einerseits kann die sekundärseitige Spannung U₂ variiert werden_. Ferner kann die primärseitige Spannung U₁ variiert werden. Schließlich kann der Koppelfaktor k zwischen der Primärspule 3-1 und der Sekundärspule 3-2 verändert werden und damit die Koppelinduktivität M. Dabei sind üblicherweise der Koppelfaktor und die Batteriespannung durch die Gegebenheiten in dem Übertragungssystem, z.B. durch ein Fahrzeug, vorgegeben bzw. können nicht explizit eingestellt werden.
Durch eine zyklische Ansteuerung der ersten und zweiten Schaltelemente 15-1–15-4 und 17-1–17-2 können die Spannungen U₁ und U₂ gezielt beeinflusst werden. Dadurch wird es möglich, jeden beliebigen Arbeitspunkt in dem Übertragungssystem 1 einzustellen.
In 4 sind durch dick gezeichnete Verbindungsleitungen die Strompfade gezeigt, mit denen der Schwingkreis der Primärspule 3-1 und der Schwingkreis der Sekundärspule 3-2 jeweils geschlossen bzw. von der Energiequelle 6 oder dem Energiespeicher 2 getrennt werden können.
Der Pfad des Schwingkreises der Primärspule 3-1 läuft von einem ersten Pol der Primärspule 3-1 über den Kondensator C1 zu dem Schaltelement 15-1 über die positive Versorgungsleitung zu dem Schaltelement 15-2 und von diesem zu dem zweiten Pol der Primärspule 3-1. Werden Halb- oder Vollwellen aus der Versorgungsspannung des Schwingkreises der Primärspule 3-1 durch weiches Schalten entfernt bzw. ausmaskiert, ergibt sich eine effektiv niedrigere Anregungsamplitude des Schwingkreises der Primärspule 3-1.
Der Pfad des Schwingkreises der Sekundärspule 3-2 läuft von einem ersten Pol der Sekundärspule 3-2 über den Kondensator C2 zu dem Schaltelement 17-1 über die negative Versorgungsleitung zu dem Schaltelement 17-2 und von diesem zu dem zweiten Pol der Sekundärspule 3-2. Auch hier ist es vorgesehen, die Anzahl der Halb- oder Vollwellen zu modulieren. Somit sieht die erfindungsgemäße Schaltstrategie auch hier vor, einen Freilaufzustand zum Kurzschließen des sekundärseitigen Schwingkreises über mindestens eine Halbwelle des Stromsignals zu aktivieren. Während des Kurzschlusses des sekundärseitigen Schwingkreises fließt damit kein Strom in den Energiespeicher. Als Folge „sieht“ die Schaltung vor dem Gleichrichter eine effektiv niedrigere Spannung U₂, was zu einem kleineren Stromfluss im Primärkreis führt.
In 4 ist die Energiequelle 6 als Gleichspannungsenergiequelle 6 dargestellt. In weiteren Ausführungsformen kann die Energiequelle 6 auch als eine Wechselspannungsenergiequelle mit einem zusätzlichen Gleichrichter oder dergleichen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Energiequelle 6 auch ein elektrisches Versorgungsnetzwerk eines öffentlichen Energieversorgers sein.
In den Diagrammen der 5–9 werden Spannungen und Ströme in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Übertragungssystems 1 nach 4 gezeigt. Die Diagramme weisen jeweils sechs übereinander dargestellte Kurven auf. Die erste Kurve kennzeichnet den Verlauf der Ausgangsleistung des Übertragungssystems 1. Die zweite Kurve kennzeichnet die Spannung U₁ in 4. Die dritte Kurve kennzeichnet den Strom in der Primärspule 3-1, die vierte Kurve kennzeichnet den Strom in der Sekundärspule 3-2. Die fünfte Kurve kennzeichnet die Schalterstellung der Gleichrichtereinrichtung 5.
Schließlich kennzeichnet die sechste Kurve den Verlauf des Ladestroms an dem Energiespeicher 2.
In 5 ist zwischen der ersten und der zweiten Kurve ferner ein Schaltmuster 11 dargestellt, welches angibt, wann die Wechselrichtereinrichtung ihre Funktion ausführt und die Spannung der Energiequelle 6 wechselrichtet und wann nicht. Dabei weist das Schaltmuster 11 einen Wert für jede Halbwelle der wechselgerichteten Spannung der zweiten Kurve auf. Das Schaltmuster 11 der 5 weist acht Stellen auf und wird drei Mal wiederholt. Das Schaltmuster 11 lautet „11000000“ Es wird also eine Vollwelle bzw. eine Periode der Spannung U₁ an die Übertragungseinrichtung 3 übertragen und weitere drei Perioden ausgelassen. Dies entspricht einem Tastverhältnis von ¼.
In der dritten Kurve ist zu sehen, dass der Strom in der Primärspule 3-1 mit jeder übertragenen Vollwelle einen Einschwingvorgang ausführt, der bis zur vierten Periode nahezu abgeklungen ist. Daraufhin wird erneut eine Vollwelle bzw. eine Periode der Spannung U₁ an die Übertragungseinrichtung 3 übermittelt und der Einschwingvorgang beginnt erneut. Die Amplitude des Strom beträgt dabei im Maximum bei diesem Beispiel ca. 100A.
Auf der Seite der Primärspule 3-1 wird durch das Auslassen der Perioden eine Leistungsregelung möglich. Dabei wird der im Mittel der Primärspule 3-1 zugeführte Strom gesteuert.
In der vierten Kurve ist zu sehen, dass der Strom in der Sekundärspule 3-2 dem Stromverlauf des Stroms in der zweiten Kurve folgt. Allerdings liegt dessen maximale Amplitude etwas tiefer, bei ca. 50A. Die Amplitude des Stroms in der Sekundärspule wird durch den Koppelfaktor zwischen den zwei Spulen 3-1, 3-2 bestimmt.
In der fünften Kurve ist zu sehen, dass bei der Anordnung der 5 auf der Sekundärseite keine Auslassung bzw. Austastung stattgefunden hat. Dies wird auch in der sechsten Kurve deutlich, in der zu sehen ist, welcher Strom dem Energiespeicher 2 zugeführt wird. Dieser entspricht exakt dem gleichgerichteten Strom der vierten Kurve.
In 6 ähnelt der Verlauf der ersten und zweiten Kurven dem Verlauf der ersten und zweiten Kurven der 5, allerdings zeigt die erste Kurve eine mittlere Leistung von 6,38 kW an und das Schaltmuster der zweiten Kurve lautet „110000“. Der Gleichrichter wurde ca. 30% seiner Zeit in den Freilaufzustand geschaltet. Die Wechselrichtereinrichtung wird in 6 also statt wie in 5 1/4 jetzt in 6 1/3 Vollwellen an die Übertragungseinrichtung 2 übertragen, um ungefähr auf die gleiche Gesamtleistung wie im vorigen Beispiel zu kommen.
Der Verlauf des Stroms in der dritten Kurve gleicht vom Verlauf her demjenigen der 5, allerdings liegt dessen maximale Amplitude bei ca. 75A. Auch der Verlauf des Stroms in der vierten Kurve folgt erneut dem Verlauf des Stroms der dritten Kurve.
In der fünften Kurve ist zu sehen, dass jeweils in etwa für die Dauer einer Periode der Spannung U₁ bis zur Mitte einer Periode der Spannung U₁ eine Austastung auf der Sekundärseite stattfindet. Der Schwingkreis auf Sekundärseite wird also geschlossen und keine Energie entnommen. Dies ist daran zu erkennen, dass die Amplitude des Stroms in dem Sekundärschwingkreis weniger stark abnimmt, als in 5. Das entsprechende Schaltmuster 11 für den Sekundärschwingkreis lautet „001“.
Die sechste Kurve zeigt, dass während den Austastungen keine Übertragung von Strom an den Energiespeicher 2 erfolgt.
Während durch die Schaltmuster 11 der 6 der Strom in der Sekundärspule 3-1 nahezu gleichgeblieben ist, wurde der Primärspulenstrom um 20% reduziert. Dies entspricht einer Reduktion der Primärspulenverluste um 35%.
7 zeigt ein Schaltmuster 11, bei welchem jede Vollwelle der Spannung U1 übertragen wird. Das Schaltmuster könnte also z.B. „11“ lauten und ständig wiederholt werden. In der fünften Kurve der 7 ist ferner zu sehen, dass auf Sekundärseite keine Austastung stattfindet. Die 7 zeigt das Verhalten des Übertragungssystems 1 bei maximaler Kopplung und maximaler Ladeleistung.
Da keine Austastung auf Primärseite stattfindet, verläuft der Strom in der Primärspule 3-1 in einem sinusförmigen periodischen Verlauf. Auf Grund der maximalen Kopplung verläuft der Strom in der Sekundärspule 3-2 ebenfalls in einem sinusförmigen periodischen Verlauf. Beide Ströme haben eine Amplitude von etwa 100A. Die sechste Kurve zeigt, eine kontinuierliche Übertragung des gleichgerichteten Stroms der vierten Kurve an den Energiespeicher 2.
8 zeigt nun eine Schaltstrategie, bei welcher in dem Übertragungssystem 1 annähernd die gleiche Leistung übertragen werden kann, wie in 7. Allerding beträgt der Koppelfaktor dabei nur etwa 50% von dem maximalen Koppelfaktor der 7.
Bei halbem Kopplungskoeffizient muss, um die volle Leistung zu erreichen, die Spannungsamplitude der wechselgerichteten Spannung U₁ halbiert und der Strom in der Primärspule 3-1 verdoppelt werden. Dazu wird jede zweite Vollwelle im Wechselrichter ausgelassen. Ein entsprechendes Schaltmuster 11 kann z.B. „0011“ lauten.
Entsprechend zeigt die zweite Kurve, dass lediglich jede zweite Vollwelle der Spannung U₁ an die Übertragungseinrichtung 2 übertragen wird. Dies führt zu einer Verdoppelung des Stroms in der Primärspule 3-1 auf ca. 200A. Die Amplitude des Stroms in der Sekundärspule 3-2 bleibt aber, wie in 7, bei 100A. Somit wird auf der Sekundärseite in etwa die gleiche Ladeleistung erzielt, wie in 7.
9 zeigt eine alternative Schaltstrategie zu der Schaltstrategie der 8, mit welcher bei gleichen Rahmenbedingungen eine annähernd gleiche Leistung übertragen werden kann.
Eine annähernd gleiche Ladeleistung, wie nach der Schaltstrategie der 8 kann auch dadurch erzielt werden, dass die Wechselrichtereinrichtung 4 ohne Freilauf geschaltet wird, dafür aber in der Gleichrichtereinrichtung 5 50% der Zeit eine Austastung stattfindet. Dementsprechend ergibt sich eine Reduktion des Primärspulenstroms auf den bei maximaler Kopplung erreichten Wert, während der Sekundärspulenstrom auf den doppelten Wert ansteigt, da dieser nur die Hälfte der Zeit für die Batterie wirksam wird.
Dementsprechend zeigt die Schaltstrategie der 9, dass keine Austastung stattfindet, also ein Schaltmuster 11 z.B. „11“ lautet. Demgegenüber ist das Schaltmuster 11 für die Sekundärspule 3-2 derart angelegt, dass jede zweite Vollwelle ausgetastet wird. Das Schaltmuster 11 kann z.B. „0011“ lauten.
Zu erkennen ist, dass jede zweite Vollwelle des Stroms in der Sekundärspule 3-2 an den Energiespeicher 2 übertragen wird.
In den 5–9 wurden Schaltstrategien für vorgegebene Arbeitspunkte gezeigt. In weiteren Ausführungsformen können weitere Schaltstrategien z.B. aus Kombinationen der oben gezeigten Schaltstrategien bestehen. Beispielsweise kann das Austasten von Halb- bzw.- Vollwellen der Spannung U₁ und das Austasten bzw. Auslassen von Halb- oder Vollwellen des Stroms in der Sekundärspule 3-2 beliebig miteinander kombiniert werden.
In den oben dargestellten Ausführungsformen bedeutet in dem Schaltmuster 11 für die Primärseite eine „1“, dass eine Halbwelle der Spannung U₁ an die Übertragungseinrichtung übermittelt wird. Für die Sekundärseite bedeutet eine „1“ in dem Schaltmuster 11, dass die entsprechende Halbwelle nicht an den Energiespeicher 2 übertragen wird. Diese Logik kann in weiteren Ausführungsformen abweichend ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine High-aktive oder eine Low-aktive Logik ausgewählt werden. Ferner kann die Länge des Schaltmusters variieren. In einer Ausführungsform weist das Schaltmuster 100 Stellen auf. Dadurch kann die Leistung sehr einfach in Prozentschritten geregelt werden, wobei jede Stelle für ein Prozent steht. Andere Anzahlen von Stellen in dem Schaltmuster 11 sind ebenfalls möglich. Des weiteren wird in den oben dargestellten Ausführungsformen immer eine gesamte Vollwelle („11“ oder „00“) geschaltet bzw. ausmaskiert. Eine ebenfalls erfindungsgemäße Ausführungsform sieht das Schalten bzw. Ausmaskieren von isolierten Halbwellen vor, z.B. „1001001100“.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2623363 [0006]

Claims

Übertragungssystem (1) zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher (2), mit einer Übertragungseinrichtung (3) zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie, mit einer Wechselrichtereinrichtung (4), welche zwischen einer Energiequelle (6), welche eine Versorgungsleistung (7) bereitstellt, und der Übertragungseinrichtung (3) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, elektrische Energie aus der Energiequelle (6) an die Übertragungseinrichtung (3) zu übertragen; mit einer Gleichrichtereinrichtung (5), welche zwischen der Übertragungseinrichtung (3) und dem Verbraucher (2) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie (8) von der Übertragungseinrichtung (3) an den Verbraucher (2) zu übertragen; wobei die Wechselrichtereinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, die Menge der übertragenen elektrischen Leistung durch eine Pulsmustermodulation der Steuersignale der Wechselrichtereinrichtung (4) einzustellen und/oder die Gleichrichtereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die übertragene elektrische Leistung durch eine geeignete Pulsmustermodulation der Steuersignale der Gleichrichtereinrichtung (5) einzustellen.
Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Grundfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz der Pulsmustermodulation der Resonanzfrequenz der Übertragungseinrichtung entspricht.
Übertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsmustermodulation der Wechselrichtereinrichtung (4) und/oder der Gleichrichtereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die Schaltvorgänge unter Ausnutzung eines Zero Voltage Switching, ZVS, und/oder Zero Current Switching, ZCS, Betriebsmodus durchzuführen.
Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Steuereinrichtung (10), welche mit der Wechselrichtereinrichtung (4) und der Gleichrichtereinrichtung (5) gekoppelt ist und für eine Vielzahl von Arbeitspunkten des Übertragungssystems (1) für die Wechselrichtereinrichtung (4) und/oder für die Gleichrichtereinrichtung (5) jeweils ein Schaltmuster (11) vorgegebener oder variabler Länge aufweist, wobei jede Stelle des Schaltmusters (11) eine Halbwelle oder eine Vollwelle der jeweiligen elektrischen Spannung oder des jeweiligen elektrischen Stroms kennzeichnet; und wobei die Steuereinrichtung (10) ausgebildet ist, jeweils in Abhängigkeit eines der Schaltmuster (11) die Wechselrichtereinrichtung (4) und/oder die Gleichrichtereinrichtung (5) zu steuern.
Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, das Schalten der Wechselrichtereinrichtung (4) und das Schalten der Gleichrichtereinrichtung (5) zu synchronisieren.
Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtereinrichtung (4) eine Brückenschaltung aufweist; und/oder dass die Gleichrichtereinrichtung (5) zwei negative Gleichrichterzweige (14-1–14-2) mit jeweils einem zweiten Schaltelement (17-1–17-2) mit einer zu dem jeweiligen zweiten Schaltelement antiparallel geschalteten zweiten Diode (18-1–18-2) und zwei positive Gleichrichterzweige (14-3–14-4) mit jeweils einer dritten Diode (19-1–19-2) aufweist, oder dass die Gleichrichtereinrichtung (5) als Wechselrichter ausgebildet ist, welche insbesondere der Wechselrichtereinrichtung (4) gleicht.
Verfahren zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher (2), mit den Schritten: zyklisches Schalten (S1) einer elektrischen Versorgungsleistung (7) einer Energiequelle (6) an eine Übertragungseinrichtung (3), welche zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie ausgebildet ist; Kontaktloses Übertragen (S2) der elektrischen Energie in der Übertragungseinrichtung (3); zyklisches Schalten (S3) einer von der Übertragungseinrichtung (3) bereitgestellten elektrischen Leistung (8) an den Verbraucher (2); wobei in mindestens einem der Schritte des zyklischen Schaltens (S1, S3) die jeweilige Leistung durch Pulsmustermodulation geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in beiden der Schritte des zyklischen Schaltens jeweils die Leistung durch Pulsmustermodulation geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Schritte des zyklischen Schaltens oder die Schaltmuster synchronisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei für eine Vielzahl von Arbeitspunkten des Verfahrens jeweils ein Schaltmuster (11) vorgegebener oder variabler Länge für das zyklisches Schalten einer elektrischen Versorgungsleistung (7) der Energiequelle (6) und/oder das zyklische Schalten der von der Übertragungseinrichtung (3) bereitgestellten elektrischen Leistung (8) vorgegeben werden, wobei jede Stelle des Schaltmusters (11) eine Halbwelle oder eine Vollwelle der jeweiligen elektrischen Spannung oder des jeweiligen Stroms der jeweiligen Leistung kennzeichnet; und wobei jeweils in Abhängigkeit eines der Schaltmuster (11) die elektrische Versorgungsleistung (7) der Energiequelle (6) zyklisch geschaltet wird und/oder die von der Übertragungseinrichtung (3) bereitgestellte Leistung (8) zyklisch geschaltet wird.
Fahrzeuganordnung (20), mit einem Übertragungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; mit einem Fahrzeug (25); wobei die Gleichrichtereinrichtung (5) in dem Fahrzeug (25) angeordnet ist; und wobei die Wechselrichtereinrichtung (4) außerhalb des Fahrzeugs (25) angeordnet ist; und wobei die Übertragungseinrichtung (3) zumindest teilweise in dem Fahrzeug (25) und teilweise außerhalb des Fahrzeugs (25) angeordnet ist.