Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines schwingfähigen Systems, schwingfähiges System und Ener- gieübertragungssystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen Sys- tem mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor koppelbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie sowie ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie. Ferner betrifft die Erfindung ein EnergieübertragungsSystem.

Bei Vorrichtungen zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf einer zu dieser korrespondierenden Vorrichtung wird bei einer induktiven Übertragung die elektrische Energie über ein magnetisches Wechselfeld innerhalb eines luftspaltbehafteten Systems übertragen. Das Spulensystem besteht aus zwei Spulen: einer Primärspule, die über eine Stromquelle gespeist wird, und einer Sekundärspule, die dem Verbraucher die elektrische Energie zur Verfügung stellt. Soll eine solche Vorrichtung im Umfeld von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, so ist die Primärspule üblicherweise in einer Ladestation am Boden einer Parkfläche angeordnet. Die Sekundärspule befindet sich typischerweise im Kraftfahrzeug. Der Luftspalt des Spulensystems, der als ein Faktor die Über- tragungseffizienz beeinflusst, hängt von der geometrischen Ausgestaltung der Komponenten ab, in denen die Primärspule und die Sekundärspule integriert sind. Der Luftspalt des Sys ^¬ tems ist vor allem durch die Bodenfreiheit eines jeweiligen Fahrzeugtyps bestimmt. Die Effizienz der Übertragung wird ferner durch die jeweilige laterale Anordnung von Primärspule und Sekundärspule, verursacht durch eine jeweilige Abstellsi ^¬ tuation, beeinflusst. Grundsätzlich gilt, je größer der late- rale Versatz von Primär- und Sekundärspule ist und je größer der Luftspalt ist, desto geringer ist die Effizienz.

Grundsätzlich ist man bestrebt, ein solches Energieübertra- gungssystem mit fester Arbeitsfrequenz zu betreiben. Die Arbeitsfrequenz ergibt sich allgemein aus dem Induktivitätswert der Primärspule, der vom Kopplungsfaktor eines aus Primärspu ^¬ le und Sekundärspule gebildeten Transformators abhängt, oder einer Spule in Kombination mit einer Kapazität des jeweiligen Spulensystems. Um die gewünschte feste Arbeitsfrequenz des

Energieübertragungssystems, das einen Resonanzwandler bildet, gewährleisten zu können, ist es erforderlich, bei einer sich ändernden Last oder Induktivität (verursacht durch die jewei ^¬ lige Abstellsituation) die Kapazität des Spulensystems varia- bei einstellen zu können.

Im Hochfrequenzbereich werden hierfür typischerweise Kapazitätsdioden verwendet, welche sich allerdings nur für kleine Spannungen und kleine Kapazitätswerte eignen. Für Resonanz- wandler, wie diese in einem Energieübertragungssystem zur

Übertragung elektrischer Energie im Umfeld von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind diese jedoch ungeeignet, da die zu übertragende Leistung zu hoch ist. Typischerweise werden bei dieser Anwendung vom Primärspulensystem mehrere kW Leis- tung auf das Sekundärspulensystem übertragen.

Ferner ließe es sich mit Hilfe von bidirektionalen Schaltelementen ein variables Kondensatornetzwerk realisieren. Ein solches Netzwerk ist jedoch aufwändig hinsichtlich des benö- tigten Bauraums und der Kosten. Darüber hinaus produzieren die Schaltelemente erhebliche Verluste, wenn das Energieüber ^¬ tragungssystem, wie beschrieben, im Leistungsbereich von mehreren kW betrieben werden soll. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert anzugeben, bei der die Einstellung des Kapazitätswerts auf einfachere Weise möglich ist und welche in einem Energieübertragungssystem einsetzbar ist, welches zur Übertragung von Leistungen im Bereich von mehreren kW ausgelegt ist. Ferner sollen ein entsprechendes schwingfähiges System sowie ein Energieübertragungssystem angegeben werden.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, schwingfähige Systeme gemäß den Merkmalen der Ansprüche 8 bzw. 9 sowie ein Energieübertra ^¬ gungssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen .

Es wird eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen eines ersten schwingfähigen Systems vorgeschlagen, das zur Kopplung mit einem zweiten schwingfähigen System mit nicht bekanntem, schwachen Kopplungsfaktor vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator, dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, sowie eine Gleichspannungsquelle, deren an ihren Klemmen anliegende Spannung steuerbar ist. Die Serienschaltung aus der Gleichspannungs ^¬ quelle und einem Entkoppelelement ist parallel zu den Klemmen des Kondensators geschaltet, um den ersten Kondensator mit einer variablen Vorspannung zu beaufschlagen. Die an den Klemmen der Gleichspannungsquelle anliegende Spannung ist oder wird in Abhängigkeit einer Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems eingestellt.

Die beschriebene Vorrichtung ist gegenüber einer Variante mit bidirektionalen Schaltelementen weniger verlustbehaftet. Die Vorrichtung verbraucht einen geringen Bauraum und lässt sich kostengünstig bereitstellen. Insbesondere kann als erster Kondensator ein vergleichsweise billiger Kondensator mit einer „schlechten" Keramik eingesetzt werden. „Schlecht" ist hierbei im Hinblick auf die Stabilität seiner Kapazität im Hinblick auf die über ihm abfallende Spannung zu verstehen.

Der erste Kondensator kann gemäß einer Ausgestaltung aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren bestehen. Durch die Anzahl der Kondensatoren, welche sich je nach Auslegung eines Energieübertragungssystems unterscheiden kann, lässt sich die Größe des Kapazitätswerts des ersten Kondensa ^¬ tors festlegen. Bekanntermaßen ist der Kapazitätswert umso größer, je größer die Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren ist. Für die Anwendung im automobilen Umfeld zur Übertragung von Energie auf eine Sekundärspule ist die Anzahl vorzugsweise zwischen 30 und 40. Das Entkoppelelement ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Induktivität. Diese stellt sicher, dass ein über den ersten Kondensator fließender Wechselstrom nicht in den parallelen Pfad über die niederohmige Gleichspannungsquelle fließt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle und dem Entkoppelelement in Serie zu einem zweiten Kondensator verschaltet sein. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem zweiten Kondensator um einen fre- quenz- und spannungsstabilen Kondensator. Das Vorhandensein und die Dimensionierung des zweiten Kondensators hängt von dem in dem schwingfähigen System zu erzielenden maximalen und minimalen Kapazitätswert ab.

Grundsätzlich wird der Kapazitätswert des zweiten Kondensa ^¬ tors kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators gewählt. Hierdurch wird bei der Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Kondensator sichergestellt, dass die über dem ersten Kondensator abfallende Spannung derart klein ist, dass der Kapazitätswert des ersten Kondensators nicht auf ^¬ grund der anliegenden Wechselspannung schwankt. Dies hätte ansonsten zur Folge, dass der Kapazitätswert des ersten Kon ^¬ densators nicht konstant gehalten werden könnte.

Die Auslegung der Kapazitätswerte des ersten schwingfähigen Systems erfolgt anhand von zwei Kriterien. Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfä- higen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die

Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert , der sich aus dem Ka- pazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhan ^¬ denen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal.

Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die

Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.

Die Einstellung des Kapazitätswerts durch entsprechende Ein ^¬ stellung der Spannung in Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems erfolgt nun zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert, die, wie oben beschrieben, ermittelt wurden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kopplungsfaktor zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System kleiner als 50%. Die Arbeitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems liegt insbesondere zwischen 80 kHz und 90 kHz. Die Erfindung schlägt weiter ein schwingfähiges System zum Übertragen von Energie auf ein anderes, schwach gekoppeltes schwingfähiges System vor, das einen Schwingkreis mit einem Frequenzgenerator (Stromquelle) , eine erste Spule und eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art umfasst. Die Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert dient dazu, eine feste Arbeitsfrequenz des schwingfähigen Systems innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, der zwischen 80 kHz und 90 kHz liegt, einzustellen, wenn das schwingfähige System zur induk- tiven Energieübertragung im Umfeld des Ladens des elektrifizierten Fahrzeugen dient.

Weiter schafft die Erfindung ein schwingfähiges System zum Empfangen von Energie von einem anderen, schwach gekoppelten schwingfähigen System, umfassend eine Last, eine zweite Spule und eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, der oben beschriebenen Art. Durch die Einstellung des Kapazitätswerts des schwingfähigen Systems zum Empfangen von Energie kann beispielsweise unter Nutzung eines MPP (Maximum Peak Po- wer) -Verfahrens die auf die Last übertragbare Energie maxi- miert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird ein Energieübertragungssystem vorgeschlagen, welches ein erstes schwingfähiges System und ein zweites schwingfähiges System umfasst, die mit einem nicht bekannten schwachen Kopplungsfaktor gekoppelt sind, wobei das erste schwingfähige System zum Übertragen von Energie auf das andere, zweite schwingfähige System eine Vor ^¬ richtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des ersten schwingfähigen Systems umfasst.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann auch das zweite schwingfähige System eine Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert zum Abstimmen des zweiten Schwingkreises aufwei- sen, um unter Nutzung des MPP-Verfahrens eine Maximierung der an die Last übertragbaren Leistung sicherzustellen. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem „nicht bekannten" Kopplungsfaktor die Rede ist, so ist dies auf den Umstand der bevorzugten Anwendung zurückzuführen. Die bevorzugte Anwendung des hier beschriebenen Energieübertragungs- Systems ist das drahtlose Laden von elektrifizierten Fahrzeu ^¬ gen. Bei diesem kann, je nach Abstellsituation des die Sekundärspule umfassenden Fahrzeugs über einer Primärspule, z.B. im Boden eines Parkplatzes, der Luftspalt (abhängig vom Fahrzeugtyp) und der Versatz (abhängig von der Parksituation) va- riieren. Die oben beschriebenen Auslegungskriterien tragen diesem Umstand Rechnung.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs ^¬ beispielen in der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Energieübertra ^¬ gungssystems ,

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer ersten Aus- gestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert,

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer zweiten

Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vor- richtung mit einstellbarem Kapazitätswert,

Fig. 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer dritten

Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert, und

Fig. 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer vierten

Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstellbarem Kapazitätswert. Fig. 1 zeigt ein dem Fachmann bekanntes Energieübertragungs ^¬ system, welches ein erstes schwingfähiges System 10 und ein zweites schwingfähiges System 20 umfasst. Das erste schwing ^¬ fähige System 10 umfasst einen Frequenzgenerator 11 (Span- nungsquelle) , einen Kondensator 12 mit einem Kapazitätswert Ci und eine Spule 13 mit einer Induktivität Li. Das erste schwingfähige System 10 stellt ein Primärspulensystem einer Vorrichtung zum Übertragen von Energie auf das zweite

schwingfähige System 20 dar. Das erste schwingfähige System 10 kann beispielsweise im Boden einer Parkfläche eingelassen oder am Boden der Parkfläche angeordnet sein.

Die Komponenten des zweiten schwingfähigen Systems 20, welche neben einer Last 21 (einem Energiespeicher) einen zweiten Kondensator 22 mit einem Kapazitätswert C2 und eine zweite Spule 23 mit einer Induktivität L2 umfassen, sind in einem Fahrzeug integriert. Wird das Fahrzeug auf der Parkfläche ab ^¬ gestellt, so kommen die Spulen übereinander zum Liegen, so dass deren Spulen 13, 23 in Abhängigkeit der Abstellsituation eine magnetische Kopplung K zueinander aufweisen. Aufgrund des in der Regel großen Luftspalts zwischen den Spulen des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 und des sekundärsei- tigen schwingfähigen Systems 20 im Bereich zwischen 8cm bis 12cm ergeben sich Kopplungsfaktoren von in der Regel weniger als 50%.

Die Arbeitsfrequenz des primärseitigen schwingfähigen Systems 10 ergibt sich aus der Induktivität Li des durch die primär- seitige und die sekundärseitige Spulen 13, 23 gebildeten

Transformators sowie der primärseitigen Spule 13 in Verbin ^¬ dung mit dem primärseitigen Kapazitätswert Ci. Um eine feste Arbeitsfrequenz in einem für induktive Fahrzeugladesysteme gesetzlich vorgegebenen Frequenzbereich zwischen 80 kHz und 90 kHz sicherstellen zu können, ist es erforderlich, dass der Kapazitätswert Ci des Kondensators 12 aufgrund einer sich än ^¬ dernden Last 21 oder unterschiedlichen Induktivität Li des Transformators bzw. der Spule 13 variabel einstellbar ist. Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele ermög ^¬ lichen es, den Kapazitätswert Ci des Kondensators 12 des pri ^¬ märseitigen schwingfähigen Systems zwischen einem minimalen Kapazitätswert und einem maximalen Kapazitätswert einzustel- len. Dadurch kann die Forderung, die Arbeitsfrequenz f fest einstellen zu können, auch bei einer sich ändernden Last 21 oder Induktivität Li bzw. L2 sichergestellt werden. Fig. 2 zeigt die allgemeinste Ausgestaltungsform einer variablen Kapazität. Da eine entsprechende variable Kapazität auch in dem zweiten schwingfähigen System 20 optional vorgesehen sein kann, sind sämtliche Ausführungsbeispiele der va ^¬ riablen Kapazität in den Fig. 2 bis 5 mit den Bezugszeichen 12, 22 versehen.

Die variable Kapazität 12, 22 umfasst gemäß Fig. 2 einen ers ^¬ ten Kondensator C _var , dessen Kapazität abhängig von einer Spannung ist, und eine Gleichspannungsquelle DC _var , deren an ihren Klemmen anliegende Gleichspannung steuerbar ist. Eine Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DC _var und einem als Induktivität ausgebildetem Entkoppelelement L _en tk sind im ersten Kondensator C _var parallel geschaltet. Dadurch kann der erste Kondensator C _var mit einer variablen Vorspannung beauf- schlagt werden. Die an der Klemmen der Gleichspannungsquelle DC _var anliegende Spannung wird in Abhängigkeit einer gewünsch ^¬ ten Arbeitsfrequenz (zwischen 80 kHz und 90 kHz) des ersten schwingfähigen Systems 10 eingestellt. Der eine starke Span ^¬ nungsabhängigkeit aufweisende erste Kondensator wird damit mit Hilfe der variablen Gleichspannungsquelle DC _var vorge ^¬ spannt, wodurch der gewünschte Kapazitätswert eingestellt wird. Zur Entkopplung der Vorspannung von den Komponenten des ersten schwingfähigen Systems ist die Induktivität L _en tk vor ^¬ gesehen. Zur Einstellung der variablen Kapazität 12, 22 wird eine Regelung genutzt, deren Stellgröße die Gleichspannung ist. Der Sollwert ergibt sich dabei aus der gewünschten Ar ^¬ beitsfrequenz des ersten schwingfähigen Systems 10.

Das Ausgestaltungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem aus Fig. 2 lediglich dadurch, dass der erste Kondensator C _var aus einer Anzahl an parallel geschalteten Kondensatoren C _var ,i, C _var , _n besteht . Die Anzahl der parallel ge- schalteten Kondensatoren wird in Abhängigkeit der Auslegung des Energieübertragungssystems gewählt.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 ist jeweils zu- sätzlich zu den in Fig. 2 und 3 gezeigten Varianten jeweils ein zweiter Kondensator C _fes t seriell zu der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator C _var und der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle DC _var und dem Entkoppelelement L _en t _k verschaltet. Im Gegensatz zu dem ersten Kondensator C _var ist der zweite Kondensator frequenz- und spannungsstabil. Ferner ist der Kapazitätswert des zweiten Kondensators C _fes t kleiner als der Kapazitätswert des ersten Kondensators C _var .

Durch die Anzahl der parallel geschalteten Kondensatoren des ersten Kondensators und den optionalen festen Kondensator kann die Größe des Kapazitätswerts eingestellt werden. Wird zusätzlich der zweite, frequenz- und spannungsstabile Kondensator vorgesehen, lässt sich ein sehr stark variabler Kapazitätswert realisieren. Die Auslegung des gesamten Kapazitäts- werts erfolgt anhand von zwei Kriterien:

Bei einem ersten Kriterium wird davon ausgegangen, dass die Kopplung zwischen dem ersten schwingfähigen System und dem zweiten schwingfähigen System maximal ist. Die Kopplung ist dann maximal, wenn zwischen den Spulen des ersten schwingfähigen Systems und des zweiten schwingfähigen Systems ein optimaler Versatz (d.h. Versatz = 0) und ein minimaler Luftspalt gegeben ist. In diesem Fall sind die

Streuinduktivitäten der beiden Spulen der zwei Schwingkreise am kleinsten. Der Gesamtkapazitätswert , der sich aus dem Ka ^¬ pazitätswert des ersten Kondensators und dem optional vorhan ^¬ denen, seriell dazu verschalteten zweiten Kondensator ergibt, ist dann maximal. Bei einem zweiten Kriterium wird von einer minimalen Kopplung zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ausgegangen. Eine minimale Kopplung ist dann gegeben, wenn der Luftspalt maximal ist und der Versatz zwischen den Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems ebenfalls maximal ist. In diesem Fall sind die

Streuinduktivitäten der Spulen des ersten und des zweiten schwingfähigen Systems maximal. In dieser Konstellation ist der Kapazitätswert der Vorrichtung, der sich aus dem Kapazitätswert des ersten, variablen Kondensators und dem optional vorhandenen zweiten Kondensator ergibt, minimal.

Während das Vorsehen der variablen Kapazität in dem ersten schwingfähigen System dazu dient, eine feste Arbeitsfrequenz des Resonanzwandlers bei einer sich ändernden Last oder In ^¬ duktivität sicher stellen zu können, kann das Vorsehen einer variablen Kapazität in dem zweiten schwingfähigen System dazu genutzt werden, die über den Transformator übertragbare Leis- tung zu maximieren. Dabei kann der Kapazitätswert des zweiten schwingfähigen Systems - nachdem die Arbeitsfrequenz durch Einstellung des Kapazitätswerts in dem ersten schwingfähigen System festgelegt wurde - variiert werden, um nach dem MPP (Maximum Peak Power) -Verfahren die auf die Last 21 übertrag- bare Leistung zu maximieren.