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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für ein kontaktloses Aufladen eines Akkumulators eines Kraftfahrzeugs.
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Die Verbreitung von sogenannten Elektrofahrzeugen hat zuletzt deutlich zugenommen und wird aller Voraussicht nach in Zukunft weiter zunehmen. Hierbei sind die meisten derzeit im Gebrauch befindlichen Elektrofahrzeuge derart ausgestaltet, dass zum Aufladen des Akkumulators eines entsprechenden Elektrofahrzeugs ein Steckverbinder mit einem kompatiblen Gegenstück zu verbinden ist. Eine derartige Lösung wird jedoch unter anderem als nicht komfortabel angesehen und auch aus diesem Grund werden vor allem für die Zukunft Lösungen bevorzugt, die ein kontaktloses Aufladen eines Elektrofahrzeugs ermöglichen.
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Dabei ist das kontaktlose Aufladen eines Akkumulators an sich bereits als bekannt anzusehen und zumindest Umsetzungen für den Bereich Kleingeräte, wie beispielsweise Zahnbürsten oder Smartphones, befinden sich bereits am Markt. Elektrofahrzeuge weisen jedoch Akkumulatoren mit sehr viel größerer Ladekapazität auf als derartige Kleingeräte und diese Akkumulatoren sollen in möglichst kurzer Zeit aufgeladen werden können. Dazu sind höherer Leistungen zu übertragen, die wiederum signifikante Störfelder bedingen können.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhaft ausgebildete Ladevorrichtung für ein kontaktloses Aufladen eines Akkumulators eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung ist dabei eingerichtet für einen kontaktloses und insbesondere ein induktives Aufladen eines Akkumulators eines Kraftfahrzeugs. Sie weist hierzu eine Sendeeinheit zur Übertragung von elektrischer Leistung an eine mit dem Akkumulator verbundene Empfangseinheit des Kraftfahrzeugs auf. Weiterhin weist die Ladevorrichtung eine Wandlereinheit als Spannungsquelle für die Sendeeinheit auf, wobei die Wandlereinheit einen Eingang zur Koppelung mit einem Versorgungsnetz aufweist sowie einen Ausgang, der mit der Sendeeinheit verbunden ist. Darüber hinaus ist die Wandlereinheit derart eingerichtet, dass an deren Ausgang im Betrieb eine Quellspannung UQ anliegt, die durch eine Sinus-Spannung oder zumindest im Wesentlichen durch eine Sinus-Spannung mit einer Quellfrequenz fQ gegeben ist.
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D. h., dass die Quellspannung UQ einen zeitlichen Verlauf zeigt, der in guter bis sehr guter Näherung einer Sinus-Funktion im mathematischen Sinne entspricht mit der Quellfrequenz fQ . Dementsprechend weist die Quellspannung UQ , sofern man diese durch Fouriertransformation in ihre Frequenzanteile aufspaltet, vor allem einen Anteil mit der Grundfrequenz oder Quellfrequenz fQ auf und nur in sehr geringem Umfang Anteile mit abweichender Frequenz, also insbesondere Oberwellen.
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Die Quellfrequenz fQ wird dann zweckdienlicherweise derart vorgegeben, dass die von der Sendeeinheit mit der Quellfrequenz fQ abgegebene Strahlung in eine günstigen Frequenzband liegt, also zum Beispiel in einem Frequenzband, welches durch eine Norm für kontaktloses Laden freigegeben ist oder welches noch nicht für andere Zwecke vergeben ist. Sinnvolle Quellfrequenzen fQ sind beispielsweise 79 kHz, 85 kHz, 90 kHz oder 92 kHz. Dabei spielt es dann keine große Rolle, ob es sich um ein schmales Frequenzband handelt, da ja die Quellspannung UQ nur in sehr geringem Umfang Anteile mit von der Quellfrequenz fQ abweichender Frequenz aufweist und somit die von der Sendeeinheit abgegebene Strahlung nur in sehr geringem Umfang Anteile mit von der Quellfrequenz fQ abweichender Frequenz aufweist. Es werden somit kaum Störfelder generiert und die Ladevorrichtung weist eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf.
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Es sei an dieser Stelle kurz angemerkt, dass wenn im Rahmen dieser Anmeldung von einer Spannung, beispielsweise der Quellspannung UQ , die Rede ist, damit üblicherweise nicht ein Spannungswert zu einem bestimmten Zeitpunkt gemeint ist sondern in den meisten Fällen der zeitliche Verlauf der entsprechenden Spannung. Nachfolgend wird jedoch stets lediglich von der Spannung, also beispielsweise der Quellspannung UQ , gesprochen, da es sich für den Fachmann stets aus dem Kontext ergibt, ob der Spannungswert zu einem bestimmten Zeitpunkt oder der zeitliche Verlauf der Spannung gemeint ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung weist die Quellspannung UQ dabei einen Klirrfaktor mit einem Wert kleiner gleich 5 %, weiter bevorzugt kleiner gleich 3 % und insbesondere kleiner gleich 1 % auf. Somit unterscheidet sich der zeitliche Verlauf der Quellspannung UQ signifikant von einem zeitlichen Verlauf einer einfachen Rechteckspannung und der zeitliche Verlauf der Quellspannung UQ entspricht in guter bis sehr guter Näherung einer Sinus-Funktion im mathematischen Sinne.
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Auf diese Weise werden bei der Übertragung von elektrischer Leistung von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit in besonders geringem Maße Funkstörungen generiert, sodass sich insbesondere auch Funkschutz-Grenzwerte für Wohngebiete oder Wohnbereiche einhalten lassen. Die Ladevorrichtung ist daher zum Beispiel ausgebildet für eine Nutzung in einem Wohngebiet oder Wohnbereich.
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Je nach Ausführungsvariante ist die Quellfrequenz fQ typischerweise größer gleich 1 kHz, weiter bevorzugt größer gleich 10 kHz und insbesondere größer gleich 50 kHz. Davon unabhängig ist die Quellfrequenz fQ üblicherweise kleiner gleich 150 kHz und insbesondere kleiner gleich 100 kHz. Typisch ist hierbei zum Beispiel eine Frequenz fQ von 85 kHz.
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Als günstig wird es weiter angesehen, wenn der Nennwert oder Effektivwert der Quellspannung UQ einen Wert größer gleich 100 V und insbesondere größer gleich 200 V aufweist. Außerdem wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Effektivwert der Quellspannung UQ kleiner gleich 15 kV und insbesondere kleiner gleich 1 kV ist.
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Wie bereits zuvor erwähnt weist die Wandlereinheit einen Eingang zur Koppelung mit einem Versorgungsnetz auf. Hierbei ist die Wandlereinheit bevorzugt für ein Versorgungsnetz eingerichtet, welches eine Netzspannung UN mit einer Netzfrequenz fN kleiner gleich 100 Hz bereitstellt. Davon unabhängig ist die Netzfrequenz fN bevorzugt größer gleich 20 Hz. Ein typischer Wert für die Netzfrequenz fN ist hierbei zum Beispiel 50 Hz oder 60 Hz.
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Des Weiteren ist die Wandlereinheit vorzugsweise für ein Versorgungsnetz eingerichtet, welches als Niederspannungsnetz ausgebildet ist und eine Netzspannung UN , nämlich eine Wechselspannung, mit einem Effektivwert kleiner gleich 1,5 kV bereitstellt. Alternativ ist die Wandlereinheit für ein Versorgungsnetz eingerichtet, welches als Mittelspannungsnetz ausgebildet ist. Außerdem ist der Effektivwert der Netzspannung UN bevorzugt größer gleich 150 V. Die Wandlereinheit ist also insbesondere ausgebildet zur Koppelung mit einem typischen Anschluss eines Versorgungsnetzes der Niederspannung oder der Mittelspannung. Hierzu ist der Eingang beispielsweise als Steckverbinder oder Festanschluss, also als feste Installation, ausgebildet.
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Davon unabhängig ist die Wandlereinheit typischerweise derart eingerichtet, dass diese im Betrieb am Ausgang eine elektrische Leistung mit einem Wert größer gleich 1 kW und insbesondere größer gleich 10 kW bereitstellt. Je nach Ausführungsvariante ist die Wandlereinheit außerdem eingerichtet, im Betrieb am Ausgang eine elektrische Leistung mit einem Wert kleiner gleich 1 MW bereitzustellen. Typischerweise ist die Wandlereinheit derart eingerichtet, dass diese im Betrieb am Ausgang eine elektrische Leistung mit einem Wert zwischen 10 kW und 500 kW bereitstellt. Hierbei liegt der Effektivwert der Quellspannung UQ dann zum Beispiel im Bereich zwischen etwa 400 V und etwa 800 V.
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Des Weiteren weist die Wandlereinheit üblicherweise einen Sinus-Generator auf. Der Aufbau dieses Sinus-Generators basiert dabei je nach Anwendungsfall beispielsweise auf dem Prinzip eines getakteten modulierten Wechselrichters, eines Oszillators, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzsynthesizers, eines Sinus-Generators mit Schieberegister, eines Digitalen Sinusgenerators und/oder auf dem Prinzip einer Direkten Digitalen Synthese Ausgestaltet. Jener Sinus-Generator dient typischerweise zur Generierung eines Referenzsignals mit der Frequenz, die für die Quellspannung UQ vorgegeben werden soll, also der Quellfrequenz fQ .
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Außerdem weist die Wandlereinheit üblicherweise einen Signalgeber zur Generierung eines Steuersignals auf, der bevorzugt für einen Arbeitstakt fA ausgelegt ist, dessen Wert größer gleich dem 50-fachen, weiter bevorzugt dem 1000-fachen und insbesondere dem 5000-fachen oder gar dem 10000-fachen der Quellfrequenz fQ entspricht. Der Arbeitstakt fA gibt dabei die maximale Frequenz an, mit welcher die Zustände eine Anzahl von Schaltungselementen im Betrieb der Wandlereinheit durch Ansteuerung mittels des Steuersignals gewechselt werden, also zum Beispiel die Schaltzustände eines Halbleiter-Schalters oder mehrerer Halbleiter-Schalter.
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Von Vorteil ist es weiter, wenn die Wandlereinheit einen Halbleiter-Schalter aufweist, insbesondere ein Leistungstransistor, und wenn die Wandlereinheit derart eingerichtet ist, dass der Halbleiter-Schalter im Betrieb der Wandlereinheit zumindest zeitweise im Arbeitstakt fA den Schalterzustand zwischen offenen und geschlossenen wechselt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Halbleiter-Schalter derart ausgebildet, dass der Halbleiter-Schalter zumindest zeitweise im geschlossenen Schalterzustand Ströme IS durchleidet mit einer Stromstärke größer gleich 1 A und insbesondere größer gleich 5 A. Hierbei handelt es sich bei dem Halbleiter-Schalter dann zum Beispiel um einen sogenannten Leistungstransistor.
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Davon unabhängig ist ein zuvor genannter Halbleiter-Schalter vorzugsweise als ein Galliumnitrid basierender Halbleiter-Schalter ausgebildet und insbesondere als ein Galliumnitrid basierender Transistor. Derartige Halbleiter-Schalter bzw. Transistoren haben sich als geeignet erwiesen, um einerseits die gewünschten schnellen Schaltvorgänge zu realisieren und andererseits um hohe Ströme zu führen.
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Entsprechende Galliumnitrid basierende Transistoren sind dabei zum Beispiel beschrieben in „Stephen Colino und Robert Beach, Fundamentals of Gallium Nitride Power Transistors, 2013“.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein Kraftfahrzeug und eine Ausführung einer an ein Versorgungsnetz angeschlossenen Ladevorrichtung mit einer Wandlereinheit sowie
- 2 in einer Blockschaltbilddarstellung die Wandlereinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene und in 1 skizzierte Ladevorrichtung 2 ist für ein kontaktloses Aufladen und insbesondere für ein induktives Aufladen eines Akkumulators 4 eines Kraftfahrzeugs 6 ausgebildet. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug 6 ist in 1 schematisch dargestellt und typischerweise als reines Elektrofahrzeug ausgebildet. Alternativ ist das Kraftfahrzeug 6 als sogenanntes Hybrid-Fahrzeug ausgestaltet.
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In jedem Fall weist das Kraftfahrzeug 6 eine Empfangseinheit 8 auf zum Empfang von elektrischer Leistung, die von einer Sendeeinheit 10 der Ladevorrichtung 2 im Betrieb der Ladevorrichtung 2 übertragen wird. Zudem weist das Kraftfahrzeug 6 den zuvor genannten Akkumulator 4 auf, der mit der Empfangseinheit 8 des Kraftfahrzeugs 6 verbunden ist, sodass hierdurch elektrische Leistung über die Empfangseinheit 8 in den Akkumulator 4 eingespeist werden kann.
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Zwischen Empfangseinheit 8 und Akkumulator 4 ist typischerweise eine Wandlerschaltung und/oder eine Ladesteuerung 12 zwischengeschaltet, durch welche der von der Empfangseinheit 8 bereitgestellte Strom für die Einspeisung in den Akkumulator 4 aufbereitet und/oder der Ladevorgang gesteuert wird.
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Die Ladevorrichtung 2 weist abgesehen von der bereits beschriebenen Sendeeinheit 10, welche zweckdienlicherweise eine nicht explizit dargestellte Spule oder Spulenanordnung aufweist, eine Wandlereinheit 14 mit einem Eingang 16 und mit einem Ausgang 18 auf.
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Der Ausgang 18 der Wandlereinheit 14 ist dabei mit der Sendeeinheit 10 verbunden und dient im Betrieb der Ladevorrichtung 2 oder im Betrieb der Wandlereinheit 14 als Spannungsquelle für die Sendeeinheit 10 der Ladevorrichtung 2. Diese Spannungsquelle stellt im Betrieb der Ladevorrichtung 2 oder im Betrieb der Wandlereinheit 14 beispielsweise eine Quellspannung UQ mit einem Effektivwert von etwa 400 V und mit einer Frequenz fQ von 85 kHz bereit. Bei der Quellspannung UQ handelt es sich zudem um eine Sinusspannung, deren Klirrfaktor kleiner gleich 1 % beträgt.
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Der Eingang 16 der Wandlereinheit 14 ist zur Koppelung mit einem Versorgungsnetz 20 ausgebildet und ist im Ausführungsbeispiel auch mit einem Versorgungsnetz 20 gekoppelt. Bei dem Versorgungsnetz 20 handelt es sich bevorzugt um ein sogenanntes Niederspannungsnetz, also zum Beispiel ein typisches Versorgungsnetz 20 zur Versorgung von Haushalten, oder um ein sogenanntes Mittelspannungsnetz. In 1 wird die Verbindung zwischen Ladevorrichtung 2 oder Eingang 16 der Wandlereinheit 14 und Versorgungsnetz 20, also der Anschluss an das Versorgungsnetz 20, exemplarisch durch einen sogenannten Nullleiter N und drei sogenannte Phasen P dargestellt und ist somit als typischer Haushaltsanschluss ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel stellt nun das Versorgungsnetz 20 der Wandlereinheit 14 eine Netzspannung UN mit einem Nennwert von 230 V und einer Netzfrequenz fN von 50 Hz über jede Phase P zur Verfügung (Nullleiter N als Bezugspotential). Die maximal über den Anschluss bereitgestellte elektrische Leistung beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 25 kW.
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Zum Aufladen des Kraftfahrzeugs 6 ist dieses beispielsweise in einem nicht explizit dargestellten (Raum-)Bereich zu positionieren, der zum Beispiel durch nicht mit abgebildete Markierungen gekennzeichnet ist. Hierdurch sind dann Sendeeinheit 10 und Empfangseinheit 8, so wie in 1 angedeutet, in einer Nahfeldanordnung relativ zueinander positioniert und hierdurch quasi miteinander gekoppelt. Die Sendeeinheit 10 ist hierbei zum Beispiel in einen Untergrund, beispielsweise einem Boden einer Garage, eingelassen oder integriert.
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Sind nun also die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 8 miteinander gekoppelt, so startet daraufhin typischerweise automatisch die Ladesteuerung 12 des Kraftfahrzeugs 6 in Abhängigkeit des Ladezustands des Akkumulators 4 den Ladevorgang. Nachfolgend wird der Ladevorgang und somit der Fluss von elektrischer Leistung durch die Ladesteuerung 12 gesteuert. Alternativ oder ergänzend hierzu weist die Ladevorrichtung 2 eine nicht dargestellte Steuereinheit auf, die den Ladevorgang startet und/oder steuert.
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Während des Ladevorgangs wird die Wandlereinheit 14 mit elektrischer Leistung vom Versorgungsnetz 20 gespeist. In der Wandlereinheit 14 werden zunächst Gleichspannungen mittels Gleichrichtern 22 erzeugt. Diese Gleichspannungen werden wiederum in einem Wechselrichter 24 zur Generierung einer Wechselspannung genutzt, deren Grundfrequenz der Frequenz fQ der Quellspannung UQ entspricht. Bei jener Wechselspannung handelt es sich um eine Sinusspannung, deren Klirrfaktor im Ausführungsbeispiel kleiner gleich etwa 3 % ist. Diese Wechselspannung wird schließlich einer Filtereinheit 26 zugeführt, mittels derer die Restwelligkeit der Wechselspannung weitgehend herausgefiltert wird und an deren Ausgang schließlich die Quellspannung UQ zur Verfügung steht für die Speisung der Sendeeinheit 10. Der Klirrfaktor der Quellspannung UQ ist dabei kleiner gleich etwa 1 %. Durch den Filterungsprozess geht hierbei also nur relativ wenig Leistung verloren, da bereits der Wechselrichter 24 eine recht gute Sinusspannung liefert.
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Der Wechselrichter 24 weist dabei im Ausführungsbeispiel zwei Halbleiter-Schalter 28 und eine Steuereinheit 30 auf, durch welche die Halbleiter-Schalter 28 im Betrieb angesteuert werden. Durch die Ansteuerung der Halbleiter-Schalter 28 mittels eines Steuersignals S werden nach an sich bekanntem Prinzip im Betrieb Strompulse mit variierender Pulslänge erzeugt, welche dann unter Zuhilfenahme einer Induktivität 32 zur Generierung der zuvor genannten Wechselspannung genutzt werden.
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Hierbei wechselt jeder Halbleiter-Schalter 28 zumindest zeitweise seinen Zustand zwischen offen und geschlossen mit einem Arbeitstakt fA von etwa 850 MHz und dementsprechend weist das Steuersignal S, welches von einem Signalgeber 34 erzeugt wird, zumindest zeitweise eine Frequenz auf, die dem Arbeitstakt fA entspricht.
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Das Steuersignal S wiederum wird im Ausführungsbeispiel basierend auf einer Differenzermittlung generiert, bei der in einer Komparatoreinheit 36 die aktuelle Wechselspannung mit einer Referenzspannung verglichen wird. Die Referenzspannung wird dabei mittels eines quarzstabilen Sinus-Generators 38 generiert und weist als Frequenz die für die Quellspannung UQ vorzugebende Frequenz fQ von 85 kHz auf.
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Außerdem werden im Ausführungsbeispiel durch jeden Halbleiter-Schalter 28 im geschlossenen Schalterzustand Ströme IS durchgeleitet, die zumindest zeitweise eine Stromstärke größer gleich 3 A und insbesondere größer gleich 5 A erreichen. IS ist dabei zum Beispiel der Emitterstrom eines Transistors. Die entsprechenden Halbleiter-Schalter 2 sind dabei bevorzugt als Galliumnitrid basierende Halbleiter-Schalter 28 ausgebildet und insbesondere als Galliumnitrid basierende Transistoren.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ladevorrichtung
- 4
- Akkumulator
- 6
- Kraftfahrzeug
- 8
- Empfangseinheit
- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Ladesteuerung
- 14
- Wandlereinheit
- 16
- Eingang
- 18
- Ausgang
- 20
- Versorgungsnetz
- 22
- Gleichrichter
- 24
- Wechselrichter
- 26
- Filtereinheit
- 28
- Halbleiter-Schalter
- 30
- Steuereinheit
- 32
- Induktivität
- 34
- Signalgeber
- 36
- Komparatoreinheit
- 38
- Sinus-Generator
- UQ
- Quellspannung
- fQ
- Frequenz der Quellspannung
- UN
- Netzspannung
- fN
- Frequenz der Netzspannung
- S
- Steuersignal
- IS
- Strom durch Halbleiter-Schalter
