Transformator-Teilschaltung Die Erfindung betrifft eine Transformator-Teilschaltung zur Verwendung zur Aufladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs .

Um eine Verbreitung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie Pkws zu ermöglichen, ist es notwendig, eine Infrastruktur mit Möglichkeiten zur Wiederaufladung der fahrzeugeigenen Akkus zur Verfügung zu stellen. Neben der Aufladung über Kabel- und Steckersysteme gibt es auch die Möglichkeit der drahtlosen Wiederaufladung durch induktive Kopplung. Hierzu werden spe- zielle Transformatoren verwendet, deren Primär- und Sekundärseite räumlich über größere Luftspalte im Bereich von 1 bis 30 cm getrennt sind.

Dabei wird als Primärseite diejenige Seite des Transformators angesehen, die unter dem Fahrzeug beispielsweise im Boden angeordnet ist. Die Sekundärseite ist Teil des Fahrzeugs und ist im Bereich des Fahrzeugbodens angeordnet. In Abhängigkeit von der Bodenfreiheit des Fahrzeugs und der Parkposition, d.h. der relativen Anordnung von Primär- und Sekundärseite, ergeben sich unterschiedliche Werte für die Transformatorstreuinduktivitäten und für die Hauptinduktivität. Im Vergleich mit herkömmlichen Trafos, deren Teile nicht auftrennbar sind, ergeben sich sehr hohe Werte für die Streuindukti ^¬ vitäten und vergleichsweise kleine Werte für die Hauptinduk- tivität.

Die Wechselrichter für die Primärseite werden typischerweise mit IGBTs aufgebaut und genau in der Resonanzfrequenz betrie ^¬ ben. Dadurch wird eine Abschaltung der einzelnen Halbleiter- Schalter im Stromnulldurchgang ermöglicht, was zu möglichst geringen Schaltverlusten führt. Befindet sich der Schaltzeitpunkt nicht genau im Resonanzpunkt, so steigen die Verluste erheblich an. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Transforma ^¬ tor-Teilschaltung zur Verwendung für die Aufladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs anzugeben, die sich durch einen vereinfachten Aufbau und verbesserte Eigenschaften bezüglich der Schaltverluste auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch eine Transformator-Teilschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Transformator- TeilSchaltung .

Die erfindungsgemäße Transformator-Teilschaltung ist geeignet zur Verwendung bei der Aufladung des Akkus eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Dafür ist die Transformator- Teilschaltung beispielsweise im Bodenbereich einer zur Aufladung bestimmten Parkstelle angebracht und agiert als Primär ^¬ seite eines Transformators, der sich ergibt, wenn ein elek ^¬ trisch betriebenes Fahrzeug mit entsprechender Sekundärseite auf der Parkstelle stehen bleibt. Die Transformator- Teilschaltung weist eine Brückenschaltung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern, insbesondere vier Halbleiterschaltern, auf. Mit der Brückenschaltung verbunden ist eine Induktivität zur Verwendung als Primärseite des sich ergebenden Transfor- mators . Schließlich umfasst die Transformator-Teilschaltung eine Steuerungseinrichtung für die Halbleiterschalter der Brückenschaltung. Die Steuerungseinrichtung ist ausgestaltet, die Brückenschaltung als Wechselrichter zu betreiben. Dabei wird erfindungsgemäß eine Abschaltung eines der Halbleiter- Schalter dann vorgenommen, wenn der Stromfluss durch den

Halbleiterschalter einen festlegbaren Schwellwert erreicht oder durchschreitet. Als Halbleiterschalter werden erfindungsgemäß MOSFETs verwendet. Bevorzugt beträgt die Schalt ^¬ frequenz mehr als 100 kHz. Mit anderen Worten ist die Steue- rungseinrichtung ausgestaltet, eine Schaltung der Halbleiterschalter derart zu bewirken, dass ein Betrieb bei einer ge ^¬ genüber der Resonanzfrequenz erhöhten Frequenz durchgeführt wird . Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt einen Betrieb mit äußerst geringen Schaltverlusten, da der abzuschaltende Strom in die bei den MOSFETs immer vorhandenen parallelen Streukapazitäten kommutiert. Gleichzeitig ist es auch vorteilhaft möglich, ei ^¬ ne Anpassung der Betriebsfrequenz vorzunehmen, um solche Änderungen der elektrischen Eigenschaften auszugleichen, die sich durch die verschiedenen Parkpositionen von elektrisch betriebenen Fahrzeugen über der Transformatorteilschaltung ergeben. Es wird dadurch vorteilhaft erreicht, dass auch bei nicht optimaler Parkposition eines Fahrzeugs eine möglichst verlustarme Aufladung stattfinden kann.

Die Halbleiterschalter schalten zur Erreichung des überreso- nanten Betriebs aktiv einen von Null verschiedenen Strom ab. Der dabei abgeschaltete Strom beträgt bevorzugt zwischen 2 A und 10 A. Der genaue SchaltZeitpunkt wird in einer bevorzug ^¬ ten Ausgestaltung anhand einer Strommessung ermittelt. Zweckmäßig wird nach der Abschaltung eines der Halbleiterschalter ein weiterer der Halbleiterschalter nach Verstreichen einer Totzeit von beispielsweise 100 ns bis 200 ns ein ^¬ geschaltet. In dieser Zeit werden die Streukapazitäten umgeladen. Ein Stromfluss durch den weiteren Halbleiterschalter passiert dabei zunächst durch die parallelen parasitären Bo- dydioden erst nach dem nächstfolgenden Stromnulldurchgang. Es ist daher vorteilhaft nicht nötig, den Nulldurchgang für das Anschalten genau zu erfassen. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Halbleiterschaltern um einzelne MOSFETs. In einer alternativen Ausgestaltung wird an der Stelle der vier Halbleiterschalter im Wechselrichter jeweils eine Parallelschaltung mehrerer einzelner MOSFETs verwendet.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh ^¬ rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu- ren näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen

Figur 1 eine stationäre Ladeschaltung zusammen mit einer

fahrzeugseitigen Ladeschaltung,

Figur 2 den Frequenzgang der stationären Ladeschaltung und Figur 3 einen Verlauf von Drainstrom und Drain-Source- Spannung . Figur 1 zeigt eine stationäre Ladeschaltung 10 zusammen mit einer fahrzeugseitigen Ladeschaltung 20. Die fahrzeugseitige Ladeschaltung 20 weist eine fahrzeugseitige Spule 21 auf, die als Teil eines Transformators agiert. Die fahrzeugseitige Spule 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Dioden- gleichrichter 22 verbunden, dessen Ausgänge mit der weiteren Leistungselektronik des Fahrzeugs, die nicht gezeigt ist, verbunden sind.

Die stationäre Ladeschaltung 10 weist eine stationärseitige Spule 16 auf, die induktiv mit der fahrzeugseitigen Spule 21 koppelt. In der realen Umgebung ist die stationäre Ladeschal ^¬ tung beispielsweise im Boden im Bereich eines Parkplatzes un ^¬ tergebracht, wobei der Parkplatz zur drahtlosen Aufladung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen gedacht ist. Die fahrzeug- seitige Spule 21 wiederum ist zusammen mit dem Brückengleichrichter Teil eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das elektrisch betriebene Fahrzeug wird zum Aufladen auf dem Parkplatz positioniert. Die sich ergebende relative Anordnung der fahrzeugseitigen Spule 21 und der fahrzeugseitigen Spule 16 ist dabei variabel und ergibt sich durch die Fahrzeugposi ^¬ tion. Die variable Positionierung bewirkt wiederum eine deut ^¬ liche Variabilität der elektrischen Eigenschaften des sich ergebenden Transformators aus der fahrzeugseitigen Spule 21 und der stationärseitigen Spule 16.

Die stationäre Ladeschaltung 10 weist neben der stationärsei ^¬ tigen Spule 16 noch einen damit verbundenen Wechselrichter, bestehend aus einem ersten bis vierten MOSFET 11...14, auf. Jeder des MOSFETs 11...14 hat eine gewisse Streukapazität, die durch je einen Kondensator 15 in Parallelschaltung dargestellt ist. Die MOSFETs 11...14 sind dabei in zwei Paare auf ^¬ geteilt, wobei die MOSFETs 11...14 eines Paars seriell ge- schaltet sind und die beiden Paare parallel zueinander ge ^¬ schaltet sind. Die stationärseitige Spule 16 ist dabei mit einem Ausgang mit der Mitte eines der Paare und mit dem ande ^¬ ren Ausgang mit der Mitte des anderen Paares verbunden. An den jeweils verbundenen Außenseiten der beiden Paare liegt eine DC-Eingangsspannung an.

In einer alternativen Ausgestaltung, die in Figur 1 nicht gezeigt ist, werden nur zwei MOSFETs 11...14 verwendet. Dabei sind die zwei MOSFETs 13, 14 einer der beiden Brückenhälften, beispielsweise der rechten Brückenhälfte, durch Kondensatoren ersetzt, die einen Hilfszwischenkreis bilden.

Der gesamte Aufbau der stationären Ladeschaltung 10 weist einen Frequenzgang 30 auf, der in Figur 2 skizziert ist. Die Frequenzskala in Figur 2 reicht dabei von 100 kHz bis 1 MHz. Der Frequenzgang 30 weist ein deutliches Maximum bei einer Frequenz von in diesem Beispiel 156 kHz auf. Dieses Maximum wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Eine in Figur 1 nicht dargestellte Steuereinrichtung für die stationäre Ladeschaltung 10 steuert die MOSFETs 11...14 nun im Ladebetrieb so, dass ein leicht überresonanter Betrieb vorgenommen wird. Dabei schalten die MOSFETs 11...14 einen von Null verschiedenen Strom aktiv ab. Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel wird die stationäre Ladeschaltung 10 so an ^¬ gesteuert, dass sich eine Arbeitsfrequenz 32 von 160 kHz, d.h. 4 kHz mehr als die Resonanzfrequenz, ergibt.

Einen konkreten Schaltvorgang dazu zeigt Figur 3. In der Fi- gur 3 ist der Verlauf des Drainstroms 41 sowie der Verlauf der Drain-Source-Spannung 40 eines MOSFETs gezeigt. Die x- Achse des Graphen von Figur 3 zeigt dabei eine volle Perio ^¬ dendauer entsprechend der Arbeitsfrequenz 32. Es ist erkenn- bar, dass das Abschalten des entsprechenden MOSFETs 11...14 bei etwas unter 50 % der Periodendauer bei einem deutlich von Null verschiedenen Drainstrom 41 erfolgt. Dafür schaltet jeder der MOSFETs 11...14 einen Drainstrom 41 von ca. 5 A ab. Das Einschalten der jeweiligen MOSFETs 11...14 erfolgt natürlich derart, dass sich die Funktion eines Wechselrichters er ^¬ gibt und erfolgt spannungslos nach Verstreichen einer Totzeit von ca. 100 bis 200 ns . Der abzuschaltende Strom kommutiert in die immer vorhandenen Kapazitäten und Bodydioden der MOS- FETs 11...14 und fließt nach Überschreiten der 0 A, beispielsweise in Fig. 3 beΪ Cd 5 % der Periodendauer, selbst ^¬ tätig durch den eingeschalteten MOSFET 11...14.

Der leicht überresonante Betrieb wird dabei auch beibehalten, wenn sich die Resonanzfrequenz aufgrund einer veränderten Positionierung der stationärseitigen Spule 16 zur fahrzeugsei- tigen Spule 21 verändert. Mit anderen Worten ist eine breit- bandige Anpassung der Arbeitsfrequenz 32 an die jeweilige relative Positionierung realisiert. Vorteilhaft muss dadurch der Nulldurchgang des Drainstroms 41 nicht mehr exakt erfasst werden, da die An- und Abschaltung ohnehin nicht mehr beim Nulldurchgang erfolgt. Die Kondensatoren 15 werden vom jeweiligen Reststrom umgeladen und tragen so zur Vermeidung von Schaltverlusten bei.

Dadurch, dass bei der stationären Ladeschaltung 10 MOSFETs 11...14 an der Stelle von beispielsweise IGBTs verwendet wer ^¬ den, sind neben der Möglichkeit hoher Schaltfrequenzen von mindestens 100 kHz auch keine großen Totzeiten notwendig zur Ladungsträgerrekombination. Die stationäre Ladeschaltung 10 erlaubt die Kompensation von großen Luftspaltunterschieden und lateralen Verschiebungen der fahrzeugseitigen Spule 21 zur stationärseitigen Spule 16.