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WO2022258278A1 - Ladestation für ein elektrisch antreibbares fahrzeug - Google Patents

Ladestation für ein elektrisch antreibbares fahrzeug Download PDF

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WO2022258278A1
WO2022258278A1 PCT/EP2022/062563 EP2022062563W WO2022258278A1 WO 2022258278 A1 WO2022258278 A1 WO 2022258278A1 EP 2022062563 W EP2022062563 W EP 2022062563W WO 2022258278 A1 WO2022258278 A1 WO 2022258278A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
charging station
magnetic core
voltage
inverter
winding
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2022/062563
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Blum
Monika POEBL
Matthias DE VIGNEUX
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to US18/568,359 priority patent/US20240270093A1/en
Publication of WO2022258278A1 publication Critical patent/WO2022258278A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H02M3/015—Resonant DC/DC converters with means for adaptation of resonance frequency, e.g. by modification of capacitance or inductance of resonance circuit

Definitions

  • the present invention relates to a charging station for inductively charging an electrically drivable vehicle with a connection for an electrical energy source, an inverter and an electronic coil connected to the inverter for wireless energy-related coupling of the electrically drivable vehicle.
  • the inverter is set up to apply an electrical AC voltage to the electronic coil.
  • the invention also relates to a method for operating the charging station.
  • Charging stations for the inductive charging of an electrically drivable vehicle are known in principle. They are used to supply an electrically driven vehicle with energy during a loading operation in order to charge its energy store, commonly referred to as a battery.
  • the energy-related coupling happens inductively, i.e. wirelessly, through the inductive coupling of two electronic coils, one of which is assigned to the charging station and the other is part of the vehicle.
  • the charging station is connected to an electrical energy source, for example to the public power grid, to an electrical generator, to a battery or the like. It generates an alternating magnetic field while absorbing electrical energy from the energy source.
  • the electrically powered vehicle uses its electronic coil to detect the magnetic alternating field, extracts energy from it and provides electrical energy on the vehicle side.
  • Such arrangements are known from KR 102012 0016521 A, for example.
  • the properties of the transformer formed by the two electronic coils are strongly influenced by the distance between the electronic coils and by the existing horizontal offset. With an inductive charging station, these are Properties vary, since the parked car contains the secondary coil and the parking location and the distance between the secondary coil and the ground cannot be precisely determined. Among other things, this influences the resonant frequency of the circuit on the primary side, i.e. on the charging station side. However, a variation of the working frequency is severely limited by normative specifications. It is known from US 2010/026747 A1 to use compensation circuits to compensate for the influences mentioned and ultimately to keep the frequency constant. These compensation circuits include variable construction elements, such as variable capacitors and / or va riable inductors.
  • a variable inductance in the sense of a change in the inductance value seen over the period mean can be achieved, for example, by means of a type of phase control, as is known from US Pat. No. 9,755,576 B2.
  • phase control as is known from US Pat. No. 9,755,576 B2.
  • this requires a controllable, bidirectional blocking element in the working current path. This element must then be designed for both the voltage that occurs, which is often more than 1 kV, and for the current.
  • Another possibility is to achieve a partial saturation of desired bottlenecks in the magnetic circuit through the working current through clever dimensioning. Although this also leads to a change in the inductance value, it cannot be controlled independently of the operating current.
  • the invention proposes a charging station according to independent claim 1 as a solution.
  • the invention proposes a method for operating a charging station according to independent claim 10 before.
  • Advantageous configuration The features and properties of the invention result from the features and properties of the dependent claims.
  • the charging station according to the invention for an electrically drivable vehicle comprises a connection for an electrical energy source, a control device, an inverter and an electronic coil connected to the inverter for wireless energy-related coupling of the electrically drivable vehicle.
  • the inverter is set up to apply an alternating voltage to the electronic coil.
  • the electronic coil is in turn connected to the inverter via a compensation circuit, the compensation circuit having an adjustable inductive component.
  • the adjustable inductive component comprises a winding which is arranged on a magnetic core and is connected to the current path of the alternating voltage. Furthermore, it comprises a second winding arranged in the air gap of the magnetic core on a second magnetic core. In this case, the second winding is connected to an auxiliary power supply which is designed to supply the second winding with an auxiliary voltage which has a DC component.
  • the charging station draws electrical energy from an electrical energy source and, by means of an inverter and an electronic coil connected to the inverter via a compensation circuit, generates an alternating electrical voltage, by means of which the electronic coil turns on provides magnetic alternating field for wireless energy-technical coupling of the electrically driven vehicle.
  • the inductance of an adjustable inductive component of the compensation circuit is thereby applied by applying an auxiliary Voltage set, wherein the auxiliary voltage has a DC component.
  • an adjustable inductive element can be created by partially saturating the magnetic circuit.
  • the partial saturation is not caused by the working current itself, i.e. the current flow in the winding triggered by the AC voltage, but by a separately adjustable DC pre-magnetization of a small part of the magnetic circuit.
  • This pre-magnetization is made possible by inserting the second winding in the air gap area.
  • the second winding is supplied with a current that has a DC component and is expediently a pure DC current in order to achieve a DC bias of the flux in the core.
  • This DC bias means that the starting point of the AC flow is locally shifted into the saturation range on the B-H curve of the material, for example ferrite N87. As a result, a different flux density acts locally, which in turn causes a different local permeability and thus reduces the total inductance.
  • the gradient (permeability) and thus the inductance can also be adjusted within a certain range via the level of the DC bias.
  • the invention advantageously requires no controllable, bidirectionally blocking element designed for high voltages in the working current path for changing the inductance. This leads to a reduction in the necessary hardware deployment and losses. Furthermore, the decoupling of saturation and operating current enables the inductance value to be regulated independently of the operating point. As a result, improved control and regulation is achieved overall, with which the normative specifications with regard to the working frequency for inductive charging are complied with.
  • Advantageous refinements of the charging station according to the invention emerge from the claims dependent on claim 1 .
  • the embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with the features from several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided for the charging station:
  • the control device can be designed to keep the frequency of the AC voltage in a frequency band, in particular to keep the frequency constant. This may be necessary in particular due to normative specifications.
  • the control device can be designed to maximize the efficiency of the inductive transmission and/or the inductively transmitted power by adjusting the auxiliary voltage.
  • the applied auxiliary voltage can be iteratively increased or decreased until maximum efficiency or a maximum transmitted power is reached or the control range of the auxiliary voltage is exhausted.
  • the auxiliary voltage can be a DC voltage, ie it has no intended AC component. This is the best way to predict what change in inductance will result. An AC component of the auxiliary voltage is undesirable.
  • the magnetic core can be a ferrite core and example, be constructed as an EE core.
  • the second magnetic core is preferably located in the air gap of the central E-arm.
  • the second magnetic core can also be designed as an EE core.
  • the second magnetic core has a material which has a higher saturation flux density than the material of the magnetic core.
  • the second magnetic core can be made of this material al pass.
  • the second magnetic core may consist of a nanocrystalline material such as kOr 120. With such materials, a significantly higher flux density is required to bring about a change in permeability.
  • This has the advantage that the working current can have a significantly higher AC modulation without causing a significant change in the permeability in the second magnetic core. This makes it possible to design the magnetic circuit more efficiently as a whole, thus saving costs and material.
  • a higher adjustment range of the inductance value is to be expected.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a charging station in wireless energy-technical coupling by means of a magnetic field with a matching receiving circuit of an electrically drivable vehicle during charging operation
  • FIG. 2 shows a component with variable inductance
  • FIG. 3 shows a section of a B-H diagram of a ferrite material.
  • FIG. 1 shows a charging station 10 for electrically charging an electrically operated vehicle.
  • FIG. 1 also shows an exemplary receiving circuit 60 which is part of such a vehicle and is inductively coupled to the charging station 10 .
  • the charging station 10 includes an inverter 11, which is connected on the input side to a DC voltage source, for example a DC voltage intermediate circuit 14.
  • a DC voltage source for example a DC voltage intermediate circuit 14.
  • the DC voltage source can, for example, be fed from the supply network, with connection to a local network or also to a medium-voltage source being possible.
  • the inverter 11 comprises a full bridge with four power semiconductor switches 12. Two of the switches 12 each form a series circuit and the two series circuits are in turn connected in parallel. The outputs 13 of the inverter 11 are formed by the potential points between the switches 12 connected in series.
  • a first of the outputs 13 is connected to a first node 15 via a first variable inductive component LI.
  • the second of the outputs 13 is connected to a second node 16 via a second variable inductive component L2.
  • a first capacitive component 18 is connected between the first and second nodes 15, 16. Pa rallel to the first capacitive component 18 is a series circuit of a second capacitive component 19, a coil 20 and a third capacitive component 21 swimmingal switched.
  • the coil 20 effects the inductive coupling to a coil 61 on the vehicle side, if one is present, ie if a vehicle is parked in the area of the charging station.
  • the vehicle-side coil 61 is connected in series with a fourth, fifth and sixth capacitive component 62, 63,
  • a third node 65 is formed between the fourth and fifth capacitive components 62,63 and a fourth node 66 is formed between the fifth and sixth capacitive components 63,64.
  • the capacitive components 62, 63, 64 can be individual capacitors or networks of several capacitors.
  • the third and fourth nodes 65, 66 are each connected via a variable capacitance 67, 68 and an LC filter 69, 70 to a fifth and sixth node 71, 72, respectively tied together.
  • the fifth and sixth nodes 71, 72 form the input points of a passive rectifier in this case with four interconnected diodes 73 in a known manner.
  • the charging system from charging station 10 and reception circuit 60 forms a DC/DC converter structure with galvanic isolation, with the properties of the transformer consisting of the two coils 20, 61 being able to vary widely due to the parking position of the vehicle and its structural properties.
  • variable inductive component LI, L2 is based on a first magnetic core 31 with an air gap 32.
  • the first magnetic core 31 is designed as an EE core and carries the main winding 33 around the middle arms 311.
  • the main winding 33 is in the current path of the alternating current connected as shown in FIG.
  • a two-ter magnetic core 35 is arranged in the air gap 32 in the middle arms 311.
  • the second magnetic core 35 is also an EE core, the size of which is adapted to the size of the air gap 32 so that it can be accommodated therein.
  • the second magnetic core 35 preferably has no air gap and fills the air gap 32 in the area of the central arms 311 of the first magnetic core 31 largely off.
  • the middle arms 351 of the second magnetic core 35 carry an auxiliary winding 36.
  • the orientation of the turns of the auxiliary winding 36 is shown in FIG.
  • the auxiliary winding 36 is not connected to the current path of the alternating current, but is connected to an auxiliary voltage source that supplies a DC voltage.
  • the level of the DC voltage is adjustable.
  • the auxiliary voltage source can be a DC/DC converter, for example, which is connected to an otherwise available low-voltage source.
  • a DC bias can be specified for the auxiliary winding 36 by means of the auxiliary voltage. This DC bias results in the starting point of the AC flow of the working current being shifted locally into the saturation range on the B-H curve of the material of the second magnetic core 35 .
  • a different flux density acts locally there, which in turn causes a different local permeability and thus reduces the total inductance.
  • the gradient (permeability) and thus the resulting inductance can also be adjusted within a certain range via the level of the DC bias. It is advantageous if the applied AC modulation is small enough not to cause a significant change in permeability at certain points in time.
  • FIG. 3 shows a section of a magnetization curve for the second magnetic core 35.
  • Various values for the DC bias 41...43 specified by the auxiliary voltage determine a certain basic magnetization.
  • the alternating current in the main winding causes a variation in the magnetization, which is indicated by arrows. It can be seen that different values for the DC bias result in different effective values for the differential permeability.
  • the material of the second magnetic core 35 is freely selectable bar and in particular the first and the second magnetic see core 33, 35 be ferrite cores.
  • the first magnetic core 33 is a ferrite core
  • the second magnetic core 35 consists of nanocrystalline kOr 120.
  • This material has a higher saturation flux density than ferrite.
  • significantly higher flux densities are required for the second magnetic core 35 in order to bring about a change in permeability than for the magnetic core 31 made of ferrite.
  • the DC magnetization required to set the desired inductance on the other hand, can be specifically set. This minimizes the limitation to a small AC amplitude.

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Abstract

Eine Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug umfasst ein variables induktives Bauelement, das eine im Luftspalt seines magnetischen Kerns auf einem zweiten magnetischen Kern angeordnete zweite Wicklung umfasst, wobei die zweite Wicklung mit einer Hilfsstromversorgung verbunden ist, die ausgestaltet ist, die zweite Wicklung mit einer Hilfsspannung zu versorgen, die einen DC-Anteil aufweist.

Description

Beschreibung
Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation für das induktive Laden eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Wechselrichter sowie einer an den Wechselrichter angeschlos senen elektronischen Spule zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Der Wechsel richter ist dazu eingerichtet, die elektronische Spule mit einer elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen. Die Er findung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der La destation.
Ladestationen für das induktive Laden eines elektrisch an treibbaren Fahrzeugs sind dem Grunde nach bekannt. Sie dienen dazu, ein elektrisch antreibbares Fahrzeug während eines La debetriebs mit Energie zu versorgen, um damit dessen Energie speicher, gemeinhin als Batterie bezeichnet, aufzuladen. Da bei passiert die energietechnische Kopplung induktiv, also drahtlos, durch die induktive Kopplung zweier elektronischer Spulen, von denen eine der Ladestation zugeordnet ist und die andere Teil des Fahrzeugs ist. Die Ladestation ist dafür an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an das öffent liche Energieversorgungsnetz, an einen elektrischen Genera tor, an eine Batterie oder dergleichen angeschlossen. Sie er zeugt unter Aufnahme elektrischer Energie der Energiequelle ein magnetisches Wechselfeld. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug erfasst mittels seiner elektronischen Spule das mag netische Wechselfeld, entnimmt diesem Energie und stellt elektrische Energie fahrzeugseitig bereit. Solche Anordnungen sind beispielsweise aus der KR 102012 0016521 A bekannt.
Die Eigenschaften des aus den beiden elektronischen Spulen gebildeten Transformators werden stark vom Abstand der elekt ronischen Spulen und von dem vorliegenden horizontalen Ver satz beeinflusst. Bei einer induktiven Ladestation sind diese Eigenschaften variabel, da das parkende Auto die sekundäre Spule enthält und der Abstellort und auch der Abstand der se kundären Spule vom Boden nicht genau festlegbar sind. Unter anderem wird dadurch die Resonanzfrequenz der primärseitigen, also ladestations-seitigen Schaltung beeinflusst. Durch nor mative Vorgaben ist jedoch eine Variation der Arbeitsfrequenz stark eingeschränkt. Aus der US 2010/026747 Al ist bekannt, zur Kompensation der genannten Einflüsse und letztlich zur Konstanthaltung der Frequenz Kompensationsschaltungen zu ver wenden. Diese Kompensationsschaltungen umfassen variable Bau elemente, beispielsweise variable Kondensatoren und/oder va riable Induktivitäten.
Eine variable Induktivität im Sinne einer Veränderung des In duktivitätswertes über das Periodenmittel gesehen kann bei spielsweise mittels einer Art von Phasenanschnitt-Steuerung erreicht werden, wie aus der US 9755576 B2 bekannt. Das er fordert aber ein steuerbares, bidirektional sperrendes Ele ment im Arbeitsstrompfad. Dieses Element muss dann für sowohl die auftretende Spannung, die oft mehr als 1 kV beträgt, als auch für den Strom ausgelegt sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch eine geschickte Dimensionierung eine partielle Sättigung gewollter Engstellen im magnetischen Kreis durch den Arbeitsstrom zu erreichen. Dies führt zwar auch zu einer Veränderung des Induktivitätswertes, ist aller dings nicht unabhängig vom Arbeitsstrom steuerbar.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive La destation mit einer Kompensationsschaltung mit einem Bauele ment mit variabler Induktivität anzugeben, mit der die ein gangs genannten Nachteile vermieden werden. Eine weitere Auf gabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb der Ladestation anzugeben.
Als Lösung schlägt die Erfindung eine Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Darüber hinaus schlägt die Er findung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestation gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 vor. Vorteilhafte Ausgestaltun- gen der Erfindung ergeben sich durch Merkmale und Eigenschaf ten der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Ladestation für ein elektrisch antreib- bares Fahrzeug umfasst einen Anschluss für eine elektrische Energiequelle, eine Steuereinrichtung, einen Wechselrichter sowie eine an den Wechselrichter angeschlossene elektronische Spule zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
Dabei ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, die elektro nische Spule mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Die elektronische Spule wiederum ist über eine Kompensations schaltung an den Wechselrichter angeschlossen, wobei die Kom pensationsschaltung ein einstellbares induktives Bauelement aufweist.
Das einstellbare induktive Bauelement umfasst eine auf einem magnetischen Kern angeordnete und in den Strompfad der Wech selspannung geschaltete Wicklung. Weiterhin umfasst es eine im Luftspalt des magnetischen Kerns auf einem zweiten magne tischen Kern angeordnete zweite Wicklung. Dabei ist die zwei te Wicklung mit einer Hilfsstromversorgung verbunden, die ausgestaltet ist, die zweite Wicklung mit einer Hilfsspannung zu versorgen, die einen DC-Anteil aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer La destation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bezieht die Ladestation elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle und erzeugt mittels eines Wechselrichters und einer über eine Kompensationsschaltung an den Wechselrichter angeschlossenen elektronischen Spule eine elektrische Wech selspannung, mittels der die elektronische Spule ein magneti sches Wechselfeld zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs bereitstellt. Die In duktivität eines einstellbaren induktiven Bauelements der Kompensationsschaltung wird dabei durch Anlegen einer Hilfs- Spannung eingestellt, wobei die Hilfsspannung einen DC-Anteil aufweist.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass ein einstellbares in duktives Element geschaffen werden kann, indem eine partielle Sättigung des magnetischen Kreises vorgenommen wird. Aller dings wird hier die partielle Sättigung nicht durch den Ar beitsstrom selbst, also den durch die Wechselspannung ausge lösten Stromfluss in der Wicklung hervorgerufen, sondern durch eine getrennt davon einstellbare DC-Vormagnetisierung eines kleinen Teiles des magnetischen Kreises. Diese Vormag netisierung wird durch das Einführen der zweiten Wicklung im Luftspaltbereich ermöglicht. Die zweite Wicklung wird mit ei nem Strom beaufschlagt, der einen DC-Anteil aufweist und zweckmäßig ein reiner DC-Strom ist, um im Kern einen DC-Bias des Flusses zu erreichen.
Dieser DC-Bias führt dazu, dass auf der B-H-Kurve des Materi als, beispielsweise Ferrit N87, der Startpunkt des AC-Flusses lokal in den Sättigungsbereich verlegt wird. Dadurch wirkt lokal eine andere Flussdichte, die wiederum lokal eine andere Permeabilität hervorruft und somit die Gesamtinduktivität verringert. Über die Höhe des DC-Bias ist auch die Steigung (Permeabilität) und damit Induktivität in einem gewissen Be reich einstellbar.
Gegenüber bekannten Ausgestaltungen einer variablen Indukti vität wird bei der Erfindung vorteilhaft kein steuerbares, bidirektional sperrendes und für hohe Spannungen ausgelegtes Element im Arbeitsstrompfad für die Veränderung der Indukti vität benötigt. Dies führt zu einer Verringerung des nötigen Hardwareeinsatzes und der Verluste. Weiterhin ist durch die Entkopplung von Sättigung und Arbeitsstrom die arbeits punktunabhängige Regelung des Induktivitätswertes möglich. Dadurch wird insgesamt eine verbesserte Steuerung und Rege lung erreicht, mit der die normativen Vorgaben hinsichtlich der Arbeitsfrequenz bei der induktiven Ladung eingehalten werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ladestati on gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merk malen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit de nen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Ladestation noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, die Frequenz der Wechselspannung in einem Frequenzband zu halten, insbe sondere die Frequenz konstant zu halten. Dies kann insbeson dere durch normative Vorgaben erforderlich sein.
Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, den Wirkungs grad der induktiven Übertragung und/oder die induktiv über tragene Leistung durch Einstellung der Hilfsspannung zu maxi mieren. Hierfür kann beispielsweise zu Beginn eines Ladevor gangs die angelegte Hilfsspannung iterativ gesteigert oder gesenkt werden, bis ein maximaler Wirkungsgrad oder eine ma ximale übertragene Leistung erreicht ist oder der Stellbe reich der Hilfsspannung erschöpft ist.
Die Hilfsspannung kann eine DC-Spannung sein, das heißt sie weist keinen beabsichtigten AC-Anteil auf. Dadurch ist am besten vorhersehbar, welche Änderung der Induktivität sich ergibt. Ein AC-Anteil der Hilfsspannung ist unerwünscht.
Der magnetische Kern kann ein Ferrit-Kern sein und beispiels weise als EE-Kern aufgebaut sein. Der zweite magnetische Kern ist bevorzugt im Luftspalt des zentralen E-Arms angeordnet.
Er kann diesen Luftspalt beispielsweise ausfüllen. Der zweite magnetische Kern kann ebenfalls als EE-Kern ausgeführt sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite magnetische Kern ein Material aufweist, das eine höhere Sättigungsfluss dichte als das Material des magnetischen Kerns aufweist. Ins besondere kann der zweite magnetische Kern aus diesem Materi- al bestehen. Beispielsweise kann der zweite magnetische Kern aus einem nanokristallinen Material wie beispielsweise kOr 120 bestehen. Bei solchen Materialien ist eine deutlich höhe re Flussdichte nötig, um eine Veränderung der Permeabilität hervorzurufen. Dies hat den Vorteil, dass der Arbeitsstrom eine wesentlich höhere AC-Aussteuerung aufweisen kann, ohne eine deutliche Änderung der Permeabilität im zweiten magneti schen Kern zu bewirken. Dadurch ist es möglich, den Magnet kreis als Ganzes effizienter auszulegen und somit Kosten und Material einzusparen. Zudem ist ein höherer Stellbereich des Induktivitätswertes zu erwarten.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
Es zeigen:
Figur 1 ein schematisiertes Schaltbild einer Ladestation in drahtloser energietechnischer Kopplung mittels eines Magnet feldes mit einer dazu passenden Empfangsschaltung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs während eines Ladebetriebs,
Figur 2 ein Bauelement mit variabler Induktivität,
Figur 3 einen Ausschnitt aus einem B-H-Diagramm eines Ferrit materials.
Figur 1 zeigt eine Ladestation 10 zur elektrischen Ladung ei nes elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Figur 1 zeigt weiterhin eine beispielhafte Empfangsschaltung 60, die ein Teil eines solchen Fahrzeugs ist und induktiv mit der Ladestation 10 ge koppelt ist.
Die Ladestation 10 umfasst dabei einen Wechselrichter 11, der eingangsseitig an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, beispielsweise einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 14. Die Gleichspannungsquelle kann ihrerseits beispielsweise aus dem Versorgungsnetzwerk gespeist werden, wobei ein Anschluss an ein Ortsnetz oder aber auch an eine Mittelspannungsquelle möglich ist.
Der Wechselrichter 11 umfasst eine Vollbrücke mit vier Leis tungshalbleiter-Schaltern 12. Dabei bilden je zwei der Schal ter 12 eine Serienschaltung und die beiden Serienschaltungen sind ihrerseits parallel geschaltet. Die Ausgänge 13 des Wechselrichters 11 sind durch die Potentialpunkte zwischen den seriell geschalteten Schaltern 12 gebildet.
Ein erster der Ausgänge 13 ist über ein erstes variables in duktives Bauelement LI mit einem ersten Knotenpunkt 15 ver bunden. Der zweite der Ausgänge 13 ist über ein zweites vari ables induktives Bauelement L2 mit einem zweiten Knotenpunkt 16 verbunden. Zwischen den ersten und zweiten Knotenpunkt 15, 16 ist ein erstes kapazitives Bauelement 18 geschaltet. Pa rallel zum ersten kapazitiven Bauelement 18 ist eine Serien schaltung aus einem zweiten kapazitiven Bauelement 19, einer Spule 20 und einem dritten kapazitiven Bauelement 21 geschal tet.
Die Spule 20 bewirkt die induktive Kopplung zu einer fahr zeugseitigen Spule 61, sofern eine solche vorhanden ist, also sofern ein Fahrzeug im Bereich der Ladestation geparkt ist. Die fahrzeugseitige Spule 61 ist in eine Serie mit einem vierten, fünften und sechsten kapazitiven Bauelement 62, 63,
64 geschaltet. Ein dritter Knotenpunkt 65 ist zwischen dem vierten und fünften kapazitiven Bauelement 62, 63 gebildet und ein vierter Knotenpunkt 66 ist zwischen dem fünften und sechsten kapazitiven Bauelement 63, 64 gebildet. Die kapazi tiven Bauelemente 62, 63, 64 können einzelne Kondensatoren oder auch Netzwerke von mehreren Kondensatoren sein.
Der dritte und vierte Knotenpunkt 65, 66 sind jeweils über eine variable Kapazität 67, 68 und ein LC-Filter 69, 70 mit einem fünften beziehungsweise sechsten Knotenpunkt 71, 72 verbunden. Der fünften und sechsten Knotenpunkt 71, 72 bilden die Eingangspunkte eines in diesem Fall passiven Gleichrich ters mit vier in bekannter Weise zusammengeschalteten Dioden 73. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter an einen Glättungs kondensator 74 und den Akkumulator des Fahrzeugs 75 ange schlossen.
Insgesamt bildet das Ladesystem aus Ladestation 10 und Emp fangsschaltung 60 also eine DC/DC-Wandlerstruktur mit galva nischer Trennung, wobei die Eigenschaften des Transformators aus den beiden Spulen 20, 61 weitläufig variieren können durch die Parkposition des Fahrzeugs und seine baulichen Ei genschaften.
Normative Vorschriften bedingen, dass eine in Figur 1 nicht dargestellte Steuervorrichtung in diesem Beispiel die Leis tungshalbleiter-Schalter 12 mit einer im Wesentlichen kon stanten Frequenz ansteuern. Eine Einstellung des Wirkungs grads der induktiven Übertragung mittels einer Veränderung der Frequenz ist daher in diesem Beispiel ausgeschlossen. Da her findet die Wahl eines optimalen Punkts der Übertragungs funktion hier mittels der variablen induktiven Bauelemente LI, L2 statt.
Der Aufbau der variablen induktiven Bauelemente LI, L2 ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Das variable induktive Bau element LI, L2 basiert auf einem ersten magnetischen Kern 31 mit Luftspalt 32. Der erste magnetische Kern 31 ist als EE- Kern ausgestaltet und trägt um die mittleren Arme 311 die Hauptwicklung 33. Die Hauptwicklung 33 ist in den Strompfad des Wechselstroms geschaltet wie in Figur 1 ersichtlich. Im Luftspalt 32 im Bereich der mittleren Arme 311 ist ein zwei ter magnetischer Kern 35 angeordnet. Der zweite magnetische Kern 35 ist ebenfalls ein EE-Kern, der in der Größe an die Größe des Luftspalts 32 angepasst ist, sodass er in diesem Platz findet. Der zweite magnetische Kern 35 weist dabei be vorzugt keinen Luftspalt auf und füllt den Luftspalt 32 im Bereich der mittleren Arme 311 des ersten magnetischen Kerns 31 weitgehend aus. Die mittleren Arme 351 des zweiten magne tischen Kerns 35 tragen eine Hilfswicklung 36. Die Orientie rung der Windungen der Hilfswicklung 36 ist in Figur 3 als gleichläufig zur Hauptwicklung 33 dargestellt, das ist aber beliebig wählbar.
Die Hilfswicklung 36 ist nicht in den Strompfad des Wechsel stroms geschaltet, sondern mit einer Hilfsspannungsquelle verbunden, die eine DC-Spannung liefert. Die Höhe der DC- Spannung ist einstellbar. Die Hilfsspannungsquelle kann bei spielsweise ein DC/DC-Wandler sein, der an eine anderweitig vorhandene Niederspannungsquelle angeschlossen ist. Mittels der Hilfsspannung kann für die Hilfswicklung 36 ein DC-Bias vorgegeben werden. Dieser DC-Bias führt dazu, dass auf der B- H-Kurve des Materials des zweiten magnetischen Kerns 35 der Startpunkt des AC-Flusses des Arbeitsstroms lokal in den Sät tigungsbereich verlegt wird. Dort wirkt nun lokal eine andere Flussdichte, die wiederum lokal eine andere Permeabilität hervorruft und somit die Gesamtinduktivität verringert. Über die Höhe des DC-Bias ist auch die Steigung (Permeabilität) und damit die sich ergebende Induktivität in einem gewissen Bereich einstellbar. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die ange legte AC-Aussteuerung klein genug ist, um nicht auch damit zu gewissen Zeitpunkten eine signifikante Änderung der Permeabi lität hervorzurufen.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Magnetisierungskurve für den zweiten magnetischen Kern 35. Verschiedene Werte für den durch die Hilfsspannung vorgegebenen DC-Bias 41...43 legen dabei eine bestimmte Grund-Magnetisierung fest. Der Wechsel strom in der Hauptwicklung sorgt für eine Variation der Mag netisierung, die durch Pfeile angedeutet ist. Es ist erkenn bar, dass verschiedene Werte für den DC-Bias für unterschied liche wirksame Werte der differenziellen Permeabilität sor gen.
Das Material des zweiten magnetischen Kerns 35 ist frei wähl bar und insbesondere können der erste und der zweite magneti- sehe Kern 33, 35 Ferritkerne sein. In diesem Ausführungsbei spiel ist der erste magnetische Kern 33 ein Ferritkern, der zweite magnetische Kern 35 besteht jedoch aus nanokristalli- nem kOr 120. Dieses Material hat eine höhere Sättigungsfluss- dichte als Ferrit. Dadurch sind bei dem zweiten magnetischen Kern 35 deutlich höhere Flussdichten nötig, um eine Verände rung der Permeabilität hervorzurufen als beim magnetischen Kern 31 aus Ferrit. Dies hat den Vorteil, dass nun selbst ei ne hohe AC-Austeuerung keine große Änderung der Permeabilität nach sich zieht. Die zur Einstellung der gewünschten Indukti vität nötige DC-Magnetisierung kann hingegen gezielt einge stellt werden. Dadurch wird die Beschränkung auf eine kleine AC-Amplitude minimiert.
Liste der Bezugszeichen
10 Ladestation
11 Wechselrichter
12 Leistungshalbleiter-Schalter
13 Wechselrichter-Ausgang
14 Gleichspannungs-Zwischenkreis
15, 16 Knotenpunkt
LI, L2 einstellbares induktives Bauelement 18, 19, 21 kapazitive Bauelemente
20, 61 Spule
31 magnetischer Kern
32 Luftspalt
33 Wicklung
35 zweiter magnetischer Kern
36 zweite Wicklung 60 Empfangsschaltung
62, 63, 64 kapazitive Bauelemente
65, 66 Knotenpunkt
67, 68 variable Kondensatoren
69, 70 LC-Filter
71, 72 Knotenpunkt
73 Diode
74 Glättungskondensator
75 Akkumulator (Fahrzeugbatterie)

Claims

Patentansprüche
1. Ladestation (10) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle (14), einer Steuereinrichtung, einem Wechselrichter (11) sowie ei ner an den Wechselrichter (11) angeschlossenen elektronischen Spule (20) zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, wobei
- der Wechselrichter (11) dazu eingerichtet ist, die elektro nische Spule (20) mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen,
- die elektronische Spule (20) über eine Kompensationsschal tung mit einem einstellbaren induktiven Bauelement (LI, L2) an den Wechselrichter (11) angeschlossen ist,
- das einstellbare induktive Bauelement (LI, L2) eine auf ei nem magnetischen Kern (31) angeordnete und in den Strompfad der Wechselspannung geschaltete Wicklung (33) umfasst,
- das einstellbare induktive Element (LI, L2) eine im Luft spalt (32) des magnetischen Kerns (31) auf einem zweiten mag netischen Kern (35) angeordnete zweite Wicklung (36) umfasst,
- die zweite Wicklung (36) mit einer Hilfsstromversorgung verbunden ist, die ausgestaltet ist, die zweite Wicklung (36) mit einer Hilfsspannung zu versorgen, die einen DC-Anteil aufweist.
2. Ladestation (10) nach Anspruch 1, bei der die Steuerein richtung ausgestaltet ist, die Frequenz der Wechselspannung in einem Frequenzband zu halten, insbesondere die Frequenz konstant zu halten.
3. Ladestation (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steu ereinrichtung ausgestaltet ist, den Wirkungsgrad der indukti ven Übertragung und/oder die induktiv übertragene Leistung durch Einstellung der Hilfsspannung zu maximieren.
4. Ladestation (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Hilfsspannung eine DC-Spannung ist.
5. Ladestation (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der magnetische Kern (31) ein Ferrit-Kern ist.
6. Ladestation (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der zweite magnetische Kern (35) ein Material auf weist, das eine höhere Sättigungsflussdichte als das Material des magnetischen Kerns (31) aufweist.
7. Ladestation (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der magnetische Kern (31) ein EE-Kern ist.
8. Ladestation (10) nach Anspruch 7, bei der der zweite mag netische Kern (35) im Luftspalt (32) des zentralen E-Arms an geordnet ist.
9. Ladestation (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der zweite magnetische Kern (35) ein EE-Kern ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Ladestation (10) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, bei dem
- die Ladestation (10) elektrische Energie von einer elektri schen Energiequelle (14) bezieht und mittels eines Wechsel richters (11) und einer über eine Kompensationsschaltung an den Wechselrichter (11) angeschlossenen elektronischen Spule (20) eine elektrische Wechselspannung erzeugt, mittels der die elektronische Spule (20) ein magnetisches Wechselfeld zum drahtlosen energietechnischen Koppeln des elektrisch antreib- baren Fahrzeugs bereitstellt,
- die Induktivität eines einstellbaren induktiven Bauelements (LI, L2) der Kompensationsschaltung durch Anlegen einer Hilfsspannung eingestellt wird, wobei die Hilfsspannung einen DC-Anteil aufweist.
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