Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR NON-CONTACT INDUCTIVE ENERGY TRANSFER, IN PARTICULAR FOR INDUCTIVE CHARGING PROCESSES IN MOTOR VEHICLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/070115
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a device for non-contact inductive energy transfer, in particular for inductive charging processes in motor vehicles, which device comprises a primary coil arrangement and power electronics connected to the primary coil arrangement and configured for energy transfer via the primary coil arrangement. In this case, the primary coil arrangement comprises a plurality of individual coils (A, B, C) and capacitances, which are interconnectable to form different primary circuits via one or more switching devices (S1, S2) of the primary coil arrangement. The primary circuits are tuned to the same resonant frequency and each comprise one of the individual coils (A, B, C) or a series connection of a plurality of the individual coils (A, B, C). The proposed device makes it possible to supply different types of vehicles having different ground clearances with energy inductively in a non-contact manner, wherein charging power and also current and voltage levels remain the same here at the operating point.

Inventors:
MAIER DAVID (DE)
KLEIN FELIX (DE)
PARSPOUR NEJILA (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/076570
Publication Date:
April 09, 2020
Filing Date:
October 01, 2019
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UNIV STUTTGART (DE)
International Classes:
B60L53/12; B60L53/30; B60L53/39; H01F38/14; H02J7/02
Foreign References:
DE102013004180A12014-09-18
DE102013217877A12015-03-12
DE102015221582A12017-05-04
EP2551991A12013-01-30
Attorney, Agent or Firm:
GAGEL, Roland (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Einrichtung zur kontaktlosen induktiven

Energieübertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen,

die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene Leistungs

elektronik aufweist, die für die Energieüber tragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist,

wobei die Primärspulenanordnung mehrere Einzel spulen (A, B, C) und Kapazitäten aufweist, die über eine oder mehrere Schalteinrichtungen (Si,

S2) der Primärspulenanordnung zu unterschiedlichen Primärkreisen verschaltbar sind, die auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind und jeweils eine der Einzelspulen (A, B, C) oder eine Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen (A, B,

C) umfassen. 2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Primärspulenanordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule (A, B, C) mit unterschiedlichen Induktivitäten

aufweisen, wobei ein erster der unterschiedlichen

Primärkreise nur die erste Einzelspule, ein zweiter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und ein dritter der unterschiedlichen Primärkreise eine Reihenschaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule (A, B, C) umfasst.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Primärspulenanordnung so ausgebildet ist, dass die Einzelspulen (A, B, C) eine hohe Kopplung von k > 0,9 untereinander aufweisen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einzelspulen (A, B, C) in der

Primärspulenanordnung übereinander angeordnet sind . 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einzelspulen (A, B, C) in der

Primärspulenanordnung Flachspulen sind. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die unterschiedlichen Primärkreise seriell kompensiert sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass in Reihe zu jeder der Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren

verschaltet ist, so dass in den Primärkreisen mit einer Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen

(A, B, C) zwischen den in Reihe verschalteten Einzelspulen (A, B, C) jeweils wenigstens einer der Kondensatoren angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die unterschiedlichen Primärkreise parallel kompensiert sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass Leitungsenden der jeweils nicht über die eine oder mehreren Schalteinrichtungen (Si, S2) der Primärspulenanordnung zu einem Primärkreis verschalteten Einzelspulen (A, B, C) offen sind.

10. Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energie

übertragung mit einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche bei unterschied lichen vorgegebenen Koppelfaktoren zwischen

Primärspule (n) und Sekundärspule,

bei dem für jeden der unterschiedlichen

Koppelfaktoren eine andere Sekundärspule verwendet und ein anderer der schaltbaren Primärkreise der Primärspulenanordnung geschaltet wird, wobei die schaltbaren Primärkreise und die Sekundärspulen so ausgelegt werden, dass Ausgangsleistung,

charakteristischer Widerstand und Spannungsüber tragungsfunktion für die unterschiedlichen

Koppelfaktoren konstant bleiben.

Description:
Einrichtung zur kontaktlosen induktiven

Energieübertragung, insbesondere für induktive

Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine

Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energie

übertragung, insbesondere für induktive Ladevorgänge bei Kraftfahrzeugen, die eine Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulenanordnung verbundene

Leistungselektronik aufweist, die für die

Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein

Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energie

übertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung.

Die induktive Energieübertragung stellt eine kontaktlose Übertragungstechnik dar, die bspw. zum Laden des Akkumulators eines Elektrofahrzeugs

eingesetzt werden kann. Dabei befinden sich die

Primärspule im Boden eines Stellplatzes und die

Sekundärspule am Unterboden des Fahrzeugs. Ein Problem dieser kontaktlosen Energieübertragung, speziell im Kraftfahrzeugbereich, sind unterschiedliche Abstände der Spulen aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugklassen. Dies führt in erster Linie zu unterschiedlichen

Koppelfaktoren und dementsprechend unterschiedlichem Betriebsverhalten. Die SAE Norm J2954 spezifiziert drei unterschiedliche z-Klassen im Abstand von 100mm bis 250mm. Stand der Technik

Bisherige Systeme zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung sind für einen bestimmten Koppel faktor der Spule ausgelegt. Da sich der Koppelfaktor mit einer Veränderung des Abstandes zwischen

Primärspule und Sekundärspule verkleinert oder

vergrößert, führt dies zu Abweichungen im Betriebs punkt. Abweichungen bedeuten, dass die Ladeleistung schwankt und Spannungspegel bzw. Stromstärke sich ändern. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen

Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden, so dass die Ladeeinrichtung abgeschaltet werden muss. Zur Vermeidung dieser Problematik im Bereich der

Kraftfahrzeuge ist es bekannt, den Primär- und den Sekundärkreis geeignet zu regeln. So kann bei

geändertem Koppelfaktor bspw. die Eingangsspannung angepasst werden oder auch die Ausgangsspannung.

Nachteilig dabei ist, dass bei diesen Methoden entweder die Ladeleistung, die Effizienz oder die Spannung nicht konstant bleiben und außerdem eine zusätzliche Regelung im System benötigt wird. Eine weitere bekannte Technik zur Vermeidung der obigen Problematik besteht darin, den unterschiedlichen Abstand durch eine mechanisch bewegliche Primärseite auszugleichen. Die Primärspule wird hierbei mit Hilfe eines Aktors entsprechend angehoben oder abgesenkt. Damit ist die gleiche Ladeleistung bei gleicher

Stromstärke und gleichen Spannungspegeln möglich. Ein Nachteil besteht hierbei jedoch in der dafür benötigten Mechanik, die regelmäßig gewartet werden muss. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung anzugeben, die ohne mechanisch bewegliche Teile eine konstante Ladeleistung und konstante Spannungspegel auch bei vorgegebenen

unterschiedlichen Abständen zwischen Primär- und

Sekundärspule ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Einrichtung zur

kontaktlosen induktiven Energieübertragung gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Patentanspruch 8 gibt ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung mit der vorgeschlagenen Einrichtung an.

Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine

Primärspulenanordnung und eine mit der Primärspulen anordnung verbundene Leistungselektronik auf, die für die Energieübertragung über die Primärspulenanordnung ausgebildet ist, die sie also mit einer geeigneten Wechselspannung versorgt. Die Leistungselektronik kann dabei in bekannter Weise eine Gleichspannungsquelle und einen Wechselrichter aufweisen. Die vorgeschlagene Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die

Primärspulenanordnung eine oder mehrere Schaltein richtungen sowie mehrere Einzelspulen und Kapazitäten aufweist, die über die eine oder mehreren Schaltein richtungen zu unterschiedlichen Primärkreisen

verschaltbar sind. Diese Primärkreise umfassen jeweils nur eine oder eine Reihenschaltung mehrerer der

Einzelspulen und sind jeweils auf die gleiche Resonanz frequenz abgestimmt.

In der Primärspulenanordnung der vorgeschlagenen Einrichtung lassen sich somit unterschiedliche

Kombinationen von Einzelspulen zu Primärkreisen

verschalten, so dass die unterschiedlichen Primärkreise unterschiedliche Induktivitäten aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung der Einzelspulen und

Kondensatoren wird somit ermöglicht, mit nur einer primärseitigen Leistungselektronik und der

Primärspulenanordnung unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Bodenabständen (z-Klassen) kontaktlos induktiv mit Energie zu versorgen, indem jeweils auf die passende Kombination von Einzelspulen umgeschaltet wird. Ladeleistung sowie Strom- und

Spannungspegel bleiben dabei im Betriebspunkt gleich. Dies setzt lediglich voraus, dass die Induktivitäten der Sekundärspulen in den jeweiligen Fahrzeugklassen und die Induktivitäten der unterschiedlichen Primär- kreise auf die unterschiedlichen Abstände bzw.

Koppelfaktoren abgestimmt sind, wie dies im Folgenden noch näher ausgeführt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der

vorgeschlagenen Einrichtung weist die Primärspulen anordnung wenigstens eine erste, eine zweite und eine dritte Einzelspule mit unterschiedlichen Induktivitäten auf. Ein erster der unterschiedlichen Primärkreise umfasst dabei nur die erste Einzelspule, der zweite Primärkreis eine Reihenschaltung aus erster und zweiter Einzelspule und der dritte Primärkreis eine Reihen schaltung aus erster, zweiter und dritter Einzelspule. Dies wird durch geeignete Verschaltung mit Hilfe der Schalteinrichtungen erreicht. Auf diese Weise kann zwischen drei Primärkreisen umgeschaltet werden, die jeweils eine unterschiedliche Induktivität aufweisen. Durch die Reihenschaltung mehrerer Einzelspulen können hohe Induktivitäten erzeugt werden, ohne hierfür entsprechend große Einzelspulen einsetzen zu müssen.

Bei dem Betrieb der vorgeschlagenen Einrichtung zur induktiven Energieübertragung auf Sekundärkreise in Kraftfahrzeugen müssen unterschiedliche Sekundärspulen in Fahrzeugen unterschiedlicher Fahrzeugklassen verbaut werden. Jeder der Primärkreise der vorgeschlagenen Einrichtung ist dabei so dimensioniert, dass er einen gewissen Koppelfaktor abdeckt, so dass je nach Fahrzeug bzw. Fahrzeugklasse dann die entsprechende primär seitige Spulenkombination bzw. der entsprechende

Primärkreis geschaltet wird.

Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung bzw. des zugehörigen Verfahrens lässt sich anhand der folgenden Gleichung zeigen. Die Gleichungen für

Ausgangsleistung P, charakteristischer Widerstand R2 , c und Spannungsübertragungsfunktion M 0 ergeben sich bei serieller Kompensation von Primär- und Sekundärkreis zu :

Es ist aus den Gleichungen ersichtlich, dass Li und k sowie und k in gleichem Verhältnis stehen, k entspricht dabei dem Koppelfaktor, Li und L 2 der

Induktivität der Spulen bzw. Spulenkombination im

Primärkreis und im Sekundärkreis. Primärkreise und Sekundärkreise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren so dimensioniert, dass die drei Terme für alle

vorgegebenen Koppelfaktoren bzw. Abstände zwischen Primär- und Sekundärspule konstant bleiben. Somit muss bei Vergrößerung des Koppelfaktors k im Falle einer seriellen Kompensation von Primärkreis und Sekundär kreis die Induktivität Li und die Induktivität L 2 entsprechend niedriger gewählt werden als bei einem kleineren Koppelfaktor (k† => Lij. L 2| - k => Li† L 2 f) . Fahrzeuge mit geringerem Abstand zum Boden (und damit einem entsprechend höheren Koppelfaktor) erhalten daher eine Sekundärspule mit niedrigerer Induktivität und auch der entsprechend zu schaltende Primärkreis wird mit nur einer Einzelspule oder einer Kombination weniger Einzelspulen niedriger Induktivität betrieben. Prinzipiell kann hierbei bspw. aus der Gleichung für P das für den jeweiligen Koppelfaktor erforderliche Li und aus der Gleichung für R 2 ,c oder M 0 das erforderliche L 2 bestimmt werden. Die Induktivitäten der Einzelspulen der Primärspulenanordnung werden dann so gewählt, dass die unterschiedlichen LI (für die unterschiedlichen Koppelfaktoren) durch geeignete Kombination der

Einzelspulen (einschließlich der Nutzung nur einer der Einzelspulen) mit Hilfe der Schalteinrichtung (en) erhalten werden können.

Auf diese Weise wird erreicht, dass bspw. für drei unterschiedliche Abstände bzw. Fahrzeugklassen und damit drei unterschiedliche Koppelfaktoren jeweils durch entsprechendes Umschalten der Primärspulen anordnung die Ausgangsleistung, der charakteristische Widerstand und die Spannungsübertragungsfunktion konstant bleiben. Dies ermöglicht eine gleiche

Ladeleistung bei gleicher Stromstärke und gleichen Spannungspegeln für alle drei Fahrzeugklassen mit der vorgeschlagenen Einrichtung, die ohne mechanisch bewegliche Teile oder entsprechende Regelungen der Primär- und Sekundärelektronik auskommt.

Die unterschiedlichen Primärkreise und der

jeweilige Sekundärkreis können entweder seriell oder parallel kompensiert sein. Bei serieller Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis seriell kompensiert sein. Bei paralleler Kompensation der Primärkreise muss auch der Sekundärkreis parallel kompensiert sein. Im Falle einer beidseitigen

parallelen Kompensation erbeben sich aus den dann gegebenen Gleichungen für P, R2 , c und M 0 , dass bei einer Erhöhung des Kopplungsfaktors die Induktivitäten des Primärkreises und des Sekundärkreises ebenfalls vergrößert und bei einer Verkleinerung des

Koppelfaktors verkleinert werden müssen (k => Li† L2† - kj => L L 2|) .

Bei einer seriellen Kompensation der Primärkreise ergibt sich zudem der Vorteil, dass zu jeder der Einzelspulen eine geeignete Kapazität in Reihe

verschaltet werden kann, so dass bei einer

Reihenschaltung mehrerer der Einzelspulen zwischen den Einzelspulen jeweils wenigstens eine Kapazität liegt. Eine derartige Aufteilung der Kapazitäten über die Primärspulenanordnung ist vorteilhaft, um hohe

Blindspannungen, gerade bei kleinen Koppelfaktoren, also einem großen Abstand und großer Induktivität, über die gesamte Spulenanordnung zu verteilen. Die

Anschlussenden der in Reihe geschalteten

Spulenanordnung weisen somit nicht die gesamte

Blindspannung auf, die mehrere kV betragen kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die

Primärspulenanordnung so ausgebildet oder ausgelegt, dass die (primärseitigen) Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung von k > 0,9 untereinander aufweisen. Die Einzelspulen der Primärspulenanordnung sind hierzu vorzugsweise übereinander angeordnet, um möglichst große Koppelfaktoren zwischen diesen Einzelspulen zu erreichen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um flach gewickelte Spulen. Bei dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spulendinduktivität

einfließt. Damit lassen sich mit Spulen kleinerer

Windungszahl und damit geringerem Materialverbrauch höhere Induktivitäten erzielen.

Die vorgeschlagene Einrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich vor allem für die kontaktlose Energieübertragung im Bereich der Kraftfahrzeuge. Die Einrichtung und das Verfahren lassen sich jedoch auch für die Energieübertragung auf andere Objekte einsetzen, bei denen eine ähnliche Problematik

unterschiedlicher Abstände oder Koppelfaktoren

vorliegt .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Einrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die Verhältnisse bei der

Energieübertragung für drei unterschied liche Koppelfaktoren gemäß dem Stand der Technik;

Fig . 2 ein Schaltbild einer Einrichtung zur

kontaktlosen induktiven Energieüber tragung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig . 3 eine schematische Darstellung der Primär spulenanordnung und der Sekundärspule bei einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Primärspulen

anordnung der Figur 3 sowie eine

Darstellung der Einzelspulen dieser

Primärspulenanordnung; und

Fig . 5 ein Schaltbild einer weiteren Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Energieüber tragung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Bei bisherigen Systemen, die lediglich für einen bestimmten Koppelfaktor der Spulen ausgelegt sind, ergeben sich durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Primärspule und Sekundärspule Abweichungen vom Betriebspunkt, die zu einer Änderung der Ladeleistung sowie der Spannungspegel bzw. Stromstärke führen. Figur 1 zeigt hierzu ein Beispiel für drei unterschiedliche

Koppelfaktoren anhand eines Diagrammes, das die

Spannungsübertragungsfunktion U 2 /Ui in Abhängigkeit vom Widerstand der Sekundärseite R 2 zeigt. Ui und U 2 stellen hierbei die Eingangsspannung U 2 und die Ausgangs- Spannung U 2 , L 2 und L 2 wiederum die Induktivität im

Primärkreis und die Induktivität im Sekundärkreis dar. ki, k 2 und k 2 sind die drei unterschiedlichen

vorgegebenen Koppelfaktoren, ar die Design- bzw.

Resonanzfrequenz. Typische Betriebsbereiche sind in der Figur mit den schraffierten Bereichen gekennzeichnet. Der optimale Betriebspunkt (R=R 2,C) entsprechend dem besten Wirkungsgrad im Spulensystem mit Blindleistungs kompensation ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Werden die Abweichungen vom vorgesehenen Betriebspunkt zu groß, kann die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden .

Bei der vorgeschlagenen Einrichtung werden größere Abweichungen vom Betriebspunkt bei unterschiedlichen Koppelfaktoren vermieden, indem zwischen den einzelnen Primärkreisen geschaltet wird. Figur 2 zeigt hierzu ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung. Die Figur zeigt die Eingangsspannung Ui ,D cv die über einen Wechselrichter in eine geeignete

Wechselspannung U gewandelt wird. Mit dieser

Wechselspannung wird die Primärspulenanordnung 1 der vorgeschlagenen Einrichtung beaufschlagt, die im vorliegenden Beispiel aus drei Spulen mit den Induktivitäten Li a , Li b und Li c sowie den zugehörigen in Reihe geschalteten Kapazitäten Ci a , Ci b und Ci c gebildet ist. Zwischen diesen einzelnen Komponenten aus Spule und Kondensator sind zwei Schalteinrichtungen S b und S2 angeordnet, mit denen unterschiedliche Primärkreise in der Primärspulenanordnung geschaltet werden können. Der erste Primärkreis besteht hierbei lediglich aus der ersten Primärspule mit der Induktivität Li a und der Kapazität Ci a . Der zweite Primärkreis wird durch eine Reihenschaltung der ersten beiden Spulen mit den

Induktivitäten Li a und L bb sowie den zugehörigen

Kapazitäten Ci a und C bb gebildet. Der dritte Primärkreis wird durch die Reihenschaltung aller drei Spulen und Kapazitäten gebildet. Die einzelnen Primärkreise sind hierbei über die entsprechenden Kapazitäten jeweils auf die gleiche Auslegungsfrequenz co b kompensiert. Figur 2 zeigt hierbei das Gesamtsystem, d.h. auch die Sekundär seite mit der Sekundärspule L2 X , dem Kondensator im Sekundärkreis C2 X , dem Wechselrichter, der lastseitigen Kapazität C D c2 und dem lastseitigen Widerstand R2, DCV der bspw. durch die zu ladende Fahrzeugbatterie eines

Kraftfahrzeugs gebildet sein kann. In dem dargestellten Beispiel sind Primärkreis und Sekundärkreis jeweils seriell kompensiert. Für das Laden von Fahrzeugen unterschiedlicher Abstandsklassen existiert hierbei zu jedem Primärkreis mit einem oder mehreren der

Einzelspulen Li x eine Sekundärspule L2 X , welche passend zur jeweiligen Induktivität des Primärkreises ist.

Diese Spule L2 X wird je nach Abstandsklasse im Fahrzeug verbaut. Jeder der n Einzelspulen der Primärseite deckt einzeln oder in Reihenschaltung mit einer oder mehreren anderen der Einzelspulen einen gewissen Koppelfaktor ab. Je nach zu ladendem Fahrzeug wird dann eine geeignet primärseitige Spulenkombination als

Primärkreis geschaltet.

Die Abstimmung zwischen den unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandsklassen und den

Primärkreisen, die in der Einrichtung geschaltet werden können, erfolgt mit dem bereits weiter oben angeführten Gleichungssystem derart, dass für die unterschiedlichen Fahrzeugklassen bzw. Abstandklassen Ausgangsleistung, charakteristischer Widerstand und Spannungsüber

tragungsfunktion konstant bleiben.

Bei einem hohen Koppelfaktor, d.h. niedrigem

Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden muss die

primärseitige Induktivität klein sein. Die Spulen Li b und Li c sowie deren Kondensatoren werden hierbei in diesem Beispiel nicht geschaltet. Im Kraftfahrzeug wird dann ebenfalls eine passende kleine sekundärseitige Induktivität verbaut. Vergrößert sich der Koppelfaktor, d.h. großer Abstand des Kraftfahrzeugs zum Boden, so muss die primärseitige Induktivität entsprechend größer sein. In dem Kraftfahrzeug dieser Abstandsklasse ist dann ebenfalls eine passende größere sekundärseitige Induktivität verbaut. Nun wird basierend auf dem

Abstand mit Hilfe der Schalteinrichtungen Si, S2 entweder nur eine Reihenschaltung aus Li a und Li b oder eine Reihenschaltung aus Li a , L bb und Li c in der

Primärseite mit deren Kondensatoren verschaltet. Da die Werte für die drei oben genannten Gleichungen konstant bleiben, ändern sich P, R2 ,c und M b nicht.

Die Resonanzfrequenzen beider Systeme, d. h.

Primärseite und Sekundärseite, bleiben dabei konstant auf den bspw. momentan typischen 85 kHz oder 140 kHz. Dies wird erreicht, indem jede Einzelspule derart mit einer passenden Kapazität kompensiert wird, dass sich in Summe die gleiche Resonanzfrequenz einstellt. Der Zusammenhang ist bei beidseitig serieller Kompensation invers proportional. Erhöht sich daher die Induktivität durch eine Reihenschaltung, so muss die Kapazität verringert werden. Dies funktioniert vorteilhaft bei einer seriellen Kompensation ebenso durch eine

Reihenschaltung der Kondensatoren. In Summe bleibt dann die Resonanzfrequenz konstant.

Da die Windungszahl bei hoher innerer Kopplung quadratisch in die Spuleninduktivität einfließt (L = magnetischer Leitwert x Windungszahl 2 ) , sind die nicht beschalteten Einzelspulen der Primärseite (Li b mit Ci b usw.) nicht in Resonanz und es kann keine effektive Leistungsübertragung auf die nicht beschalteten

Einzelspulen stattfinden. Dies ist ein positiver

Nebeneffekt, da die Leitungsenden der nicht

beschalteten Einzelspule (n) vorzugsweise offen, also nicht kurzgeschlossen sind, und ohnehin keine

Leistungsübertragung stattfinden sollte. Die nicht beschalteten Einzelspulen sind also durch den

jeweiligen Schalter bzw. die jeweilige Schaltein richtung vorzugsweise offen, so dass keine Spannung induziert werden kann. Ohne Resonanz treten auch keine hohen Blindspannungen in den nichtbeschalteten

Einzelspulen der Primärspulenanordnung auf.

Bei der Auslegung der Primärspulenanordnung wird dabei vorzugsweise darauf geachtet, dass die

primärseitigen Einzelspulen eine möglichst hohe Kopplung untereinander aufweisen. Dies wird

vorzugsweise durch eine Anordnung der Einzelspulen übereinander erreicht, wie dies schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Diese Figur zeigt die

Primärspulenanordnung mit den übereinander angeordneten Spulen A, B und C der Induktivitäten Li a , Li b und Li c sowie die davon beabstandete Spule D der Sekundärseite mit der Induktivität L2 a . Die Einzelspulen der

Primärseite sind dabei über dem Radius r einer radialen Flachwicklung angeordnet. Dies funktioniert mit

beliebigen Spulentopologien. Mit einem hohen

Koppelfaktor innerhalb der Primärseite wird die

benötigte Spulenlänge verkürzt, was zu einer

Kosteneinsparung führt, wobei der obige Zusammenhang zwischen der Induktivität L und der Windungszahl gilt. Ein hoher Koppelfaktor von vorzugsweise k > 0,9 zwischen den Einzelspulen der Primärspulenanordnung lässt sich auch durch andere Maßnahmen erreichen, so dass die Einzelspulen hierfür nicht zwangsläufig übereinander angeordnet sein müssen.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine

beispielhafte Spulenanordnung gemäß Figur 3, in der die drei Einzelspulen A, B und C erkennbar sind. Im unteren Teil der Figur sind die drei Spulen A, B, C zur

besseren Erkennbarkeit nochmals nebeneinander

dargestellt .

Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine

Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung, bei der Primär- und Sekundärkreis jeweils parallel kompensiert sind. Im Unterschied zur Ausgestaltung der Figur 2 muss hierzu noch jeweils eine Drosselspule L DRI , L DR 2 zwischen Spannungsquelle und Wechselrichter der Primärseite und zwischen Wechselrichter und Last der Sekundärseite verschaltet werden. Durch die parallele Kompensation werden in diesem Beispiel auch zwei zusätzliche

Schalteinrichtungen S 3 , S 4 in der Primärspulenanordnung 1 benötigt, um bspw. bei Betrieb nur der ersten Spule Lla alle drei Kapazitäten Cla, Clb und Clc parallel schalten zu können, während bei Reihenschaltung aller drei Spulen nur die erste Kapazität Clc benötigt wird.

Bei einer beispielhaften Dimensionierung der Einrichtung gemäß Figur 2 für eine Leistung P von 50W und Eingangs- und Ausgangsspannungen von 28V werden bei entsprechenden Abständen zi = 4 cm, Z2 = 6 und Z3 = 10 cm und daraus resultierenden Koppelfaktoren ki = 0,36, k 2 = 0,2 und k 3 = 0,1 Werte für die Spulen und

Kondensatoren von Li a = 41,4 mH, Li b = 5,7 mH, Li c = 13,9 mH, Ci a = 30,1 nF, C ib = 37,6 nF und Ci c = 16,7 nF ermittelt, wobei für die zu berücksichtigende Kopplung zwischen den Spulen Werte von k xy > 0,9 verwendet wurden. Messergebnisse, die anhand des zuletzt

beschriebenen Aufbaus erhalten wurden, zeigen, dass sich bei Nutzung der vorgeschlagenen Einrichtung

Ausgangsleistung und Spannungsübertragungsfunktion nicht mit den drei unterschiedlichen Koppelfaktoren ändern. Eine Realisierung einer derartigen Einrichtung mit höheren Ausgangsleistungen von mehreren kW ist ohne weiteres möglich.