Titel

Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung.

Stand der Technik

Elektrofahrzeuge und Plugin-Hybridfahrzeuge, deren Antrieb ganz oder zumindest teilweise mittels eines Elektromotors erfolgt, sind bekannt. Dabei wird die elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie, bereitgestellt. Für das Aufladen dieses

Energiespeichers existieren verschiedene Ansätze.

Beispielsweise ist es möglich, das Elektrofahrzeug mittels eines geeigneten Ladekabels galvanisch mit einer Ladestation zu verbinden. Hierzu muss ein Benutzer eine elektrische Verbindung zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation herstellen. Dies kann

insbesondere bei schlechten Witterungsverhältnissen, wie zum Beispiel Regen, als unangenehm empfunden werden. Durch die sehr eingeschränkte elektrische Reichweite von Elektro- und Plugin-Hybridfahrzeugen muss diese Kabelverbindung durch den Benutzer zudem sehr oft hergestellt werden, was von vielen Nutzern als großer Nachteil von Elektrofahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen empfunden wird.

Daher existieren auch kabellose Lösungen zur Energieübertragung zwischen Ladestation und Fahrzeug. Hierbei wird die Energie von der Ladestation über ein magnetisches Wechselfeld zu dem Fahrzeug übertragen. Die Energie aus dem magnetischen

Wechselfeld wird in dem Fahrzeug in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie dem Energiespeicher des Fahrzeugs zugeführt. Bei dieser Lösung ist es jedoch erforderlich, dass das Fahrzeug möglichst präzise über der Ladestation angeordnet wird. In Abhängigkeit von Abstand und Ausrichtung der Primärspule in der Ladestation und der Sekundärspule in dem Fahrzeug ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf das kabellose Ladesystem. Dabei kann der Koppelfaktor des Spulensystems stark schwanken. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass das

Ladesystem nicht in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, was in der Regel zu einem schlechteren Wirkungsgrad und/oder einem höheren magnetischen Wechselfeld im Luftspalt zwischen Primärspule und Sekundärspule führt.

Die Druckschrift DE 10 2010 055 696 A1 offenbart ein System zur kontaktlosen

Übertragung, wobei die Frequenz des Übertragungssystems auf der Primärseite in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Sekundärseite angepasst wird. Neben einer reinen Anpassung der Systemparameter auf der Primärseite besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, durch eine sekundärseitige oder beidseitige Leistungsregelung den

Betriebspunkt des induktiven Ladesystems anzupassen. Ein derartiges System wird beispielsweise in der Druckschrift US 201 1/0231029 A1 beschrieben, wobei ein zusätzlicher Spannungswandler auf der Sekundärseite benötigt wird. Es besteht daher ferner ein Bedarf nach einer induktiven Energieübertragung, die eine verbesserte Anpassung der Energieübertragung bei variablem Koppelfaktor ermöglicht. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach einer effizienten und kostengünstigen

Realisierung einer induktiven Energieübertragung bei variablem Koppelfaktor. Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Sekundärspulenanordnung, die dazu ausgelegt ist, beim Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes zwischen zwei

Anschlusspunkten eine elektrische Wechselspannung bereitzustellen, einem

Gleichrichter, der dazu ausgelegt ist, die von der Sekundärspulenanordnung

bereitgestellte Wechselspannung gleichzurichten, und einer Schaltanordnung, die dazu ausgelegt ist, die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung elektrisch miteinander zu verbinden.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit den Schritten des Bereitstellens einer Wechselspannung zwischen zwei Anschlusspunkten einer

Sekundärspulenanordnung, in die ein magnetisches Wechselfeld einkoppelt; und des elektrischen Verbindens der zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung, wobei die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung während jeder Halbwelle der bereitgestellten Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein System zur induktiven

Energieübertragung auf der Sekundärseite so zu erweitern, dass ein zusätzlicher regelungstechnischer Freiheitsgrad geschaffen wird, der zur Optimierung des jeweiligen Arbeitspunktes genutzt wird. Hierzu wird auf der Sekundärseite ein zusätzlicher

Freilaufzustand ermöglicht, indem die beiden unteren Dioden des Gleichrichters durch aktive Schalter ersetzt werden. Durch eine gezielte Ausnutzung dieses neu eingeführten Freilaufzustands kann beispielsweise der Wirkungsgrad der induktiven

Energieübertragung in einer Vielzahl von Arbeitspunkten gesteigert werden. Darüber hinaus kann die induktive Energieübertragung auch bei ungünstigen

Koppelfaktoren so betrieben werden, dass in dem Luftspalt zwischen Primärspule und Sekundärspule eine maximale magnetische Feldstärke nicht überschritten wird. Somit können Gefahren, die durch zu hohe magnetische Feldstärken entstehen würden, beispielsweise durch die Erhitzung von metallischen Fremdobjekten, vermieden werden.

Durch die gezielte Ausnutzung des zusätzlichen Freilaufzustands auf der Sekundärseite wird eine induktive Energieübertragung in einem sehr breiten Toleranzbereich des Koppelfaktors ermöglicht. Somit kann insbesondere auch bei Koppelfaktoren, die bei einem konventionellen System keine oder nur eine sehr schlechte induktive

Energieübertragung erlauben würden, dennoch eine effiziente induktive

Energieübertragung durchgeführt werden. Auch bei einem Betrieb in ansonsten ungünstigen Arbeitspunkten, wie z.B. dem Teillastbetrieb, kann der Wrkungsgrad entscheidend verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße induktive Energieübertragung auch eine zusätzliche Schutzfunktion durch gezieltes und dauerhaftes Kurzschließen der

Sekundärseite im Fehlerfall. So kann beispielsweise ein unzulässig hoher Anstieg des Primärstroms verhindert werden, der bei einem unkontrollierten sekundärseitigen

Lastabwurf auftreten würde. In einer Ausführungsform ist sind die Resonanzkondensatoren in Serie zur Primär- und/oder Sekundärspulenanordnung verschaltet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltanordnung mindestens einen Halbleiterschalter. Vorzugsweise ist der Halbleiterschalter ein MOSFET oder ein IGBT. Solche Halbleiterschalter ermöglichen auf lange Dauer ein zuverlässiges, schnelles und verlustarmes Schalten der Schaltanordnung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform verbindet die Schaltanordnung die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung während jeder Halbwelle der bereitgestellten Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall. Durch ein periodisches Kurzschließen der Ausgänge der Sekundärspulenanordnung für einen bestimmten Phasenwinkel während jeder Halbwelle der bereitgestellten

Wechselspannung kann der zusätzlich neu eingeführte Betriebsmodus gezielt angesteuert werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Zeitintervall, in der die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung miteinander elektrisch verbunden werden, basierend auf der Stromstärke in der Primärspulenanordnung und/oder der Sekundärspulenanordnung bestimmt. Auf diese Weise können die auftretenden Ströme gezielt geregelt werden.

In noch einer weiteren Ausführungsform wird das Zeitintervall, in der die zwei

Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung elektrisch miteinander verbunden werden, während der Energieübertragung adaptiv angepasst. Somit ist selbst bei einem variablen Koppelfaktor, aufgrund von Änderungen während der induktiven Energieübertragung kontinuierlich eine optimale Anpassung des Betriebsmodus möglich. Eine mögliche Optimierungsgröße hierbei ist beispielsweise der

Wrkungsgrad des induktiven Übertragungssystems. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verbindet die Schaltanordnung die zwei

Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung nur dann elektrisch miteinander, wenn ein Primärstrom in einer Primärspulenanordnung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner eine Energieübertragungsvorrichtung mit einer Primärspulenanordnung, die dazu ausgelegt ist, ein magnetisches Wechselfeld bereitzustellen, und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung, in die das bereitgestellte magnetische Wechselfeld einkoppelt.

Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Volllast gemäß einer Ausführungsform;

Figur 3: eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast;

Figur 4: eine schematische Darstellung von Strom- und Spannungsverläufen in der Primär- und Sekundärspulenanordnung bei Teillast gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Figur 5: eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung für ein

Elektrofahrzeug mit einer Energieübertragungsvorrichtung gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 6: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer

induktiven Energieübertragung, wie es einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Auch wenn die vorliegende Erfindung im Folgenden vorzugsweise in Bezug auf eine elektrische Energieübertragung für das Aufladen eines Elektrofahrzeugs beschrieben wird, so ist die erfindungsgemäße induktive Energieübertragung nicht auf diese

Anwendung beschränkt. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, die erfindungsgemäße Energieübertragung auch auf jeden beliebigen weiteren Anwendungsfall zu erweitern. Ferner kann die am Ausgang der beschriebenen Vorrichtung bereitgestellte

Ausgangsspannung neben dem Aufladen einer Batterie auch für beliebige weitere Anwendungen verwendet werden. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für eine induktive Energieübertragung, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Primärseite 1 und eine Sekundärseite 2. Die Primärseite 1 wird von einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist. Alternativ ist auch eine Speisung durch eine Wechselspannungsquelle mit anschließender Gleichrichtung möglich. Die Primärseite 1 kann darüber hinaus bei Bedarf auch geeignete Hochsetzoder Tiefsetzsteller zur Anpassung des Spannungsniveaus der Eingangsspannung U _in umfassen. Die Eingangsspannung U _in wird einer Wechselrichterschaltung 1 1 zugeführt. Bei der Wechselrichterschaltung 11 kann es sich beispielsweise um eine Vollbrücke mit vier Schaltelementen S1 bis S4 handeln. Jedes dieser Schaltelemente S1 bis S4 kann eine Freilaufdiode D1 bis D4 parallel geschaltet werden. Die (rechteckförmige)

Wechselspannung Ui wird einer Primärspulenanordnung 12 mit einem

Serienresonanzkreis zugeführt. Dieser Serienresonanzkreis umfasst beispielsweise die Primärspule U des induktiven Übertragungssystems und einen Resonanzkondensator Ci. Die von dem Wechselrichter 1 1 bereitgestellte Wechselspannung Ui ist dabei

vorzugsweise auf die Resonanzfrequenz ω ₀ des Serienresonanzkreises abgestimmt.

Die Sekundärseite 2 umfasst eine sekundärseitige Spulenanordnung 22 mit einem

Schwingkreis, der die Sekundärspule L ₂ des induktiven Übertragungssystems und einen in Serie geschalteten Resonanzkondensator C ₂ umfasst. Die beiden Anschlüsse der sekundärseitigen Spulenanordnung 22 sind mit dem Eingang eines Gleichrichters 21 verbunden, bestehend aus den Dioden D5 bis D8, wobei parallel zu den beiden unteren Dioden D7 und D8 des Gleichrichters 21 jeweils ein Schaltelement S5 bzw. S6

angeordnet ist. Bei diesen Schaltelementen S5 und S6 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschaltelemente. Als solche Halbleiterschaltelemente können beispielsweise MOSFET oder IGBT verwendet werden. Die Dioden D7 und D8 müssen nicht diskret ausgeführt sein, sondern können auch die intrinsischen Dioden eines Halbleiterschaltelements sein. Diese Halbleiterschaltelemente ermöglichen über eine große Anzahl von Schaltvorgängen ein schnelles und verlustarmes Schalten. Andere Schaltelemente, insbesondere andere Halbleiterschaltelemente, sind jedoch ebenso möglich. Die Ausgangsspannung U _out des Gleichrichters kann optional über einen

Glättungskondensator C ₃ geglättet werden.

Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, werden durch das Schließen der beiden Schaltelemente S5 und S6 die beiden Ausgänge der sekundärseitigen Spulenanordnung 22 miteinander elektrisch verbunden. Die Halbleiterschaltelemente S5 und S6 können beispielsweise über eine Steuervorrichtung 23 gezielt angesteuert werden. Diese Steuervorrichtung 23 kann über geeignete Sensoren Strom- bzw. Spannungswerte aus der Primärseite 1 oder der Sekundärseite 2 erfassen, auswerten und darauf basierend die Ansteuerung der Schaltelemente S5 und S6 vornehmen. Vorzugsweise sind vorhandene Sensoren auf der Primärseite 1 dabei über eine drahtlose Funkschnittstelle mit der Steuervorrichtung 23 gekoppelt. Beispielsweise können somit Strom und/oder Spannung auf der Primärseite bzw. der Sekundärseite erfasst und ausgewertet werden. Basierend auf diesen oder gegebenenfalls auch weiteren Parametern kann die Steuervorrichtung 23 somit die Schaltelemente S5 und S6 für einen optimierten Betrieb ansteuern, wie dies im

Nachfolgenden näher beschrieben wird.

Für eine induktive Energieübertragung von der Primärseite 1 zu der Sekundärseite 2 wird durch das Anlegen der Wechselspannung Ui an einer primärseitigen Spulenanordnung 21 von der Primärspule U ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses magnetische Wechselfeld koppelt in die Spule L ₂ des sekundärseitigen Schwingkreises ein und induziert dort eine elektrische Wechselspannung. Die Wechselspannung am Ausgang der sekundärseitigen Spulenanordnung 22 wird durch den Gleichrichter 21 gleichgerichtet, gegebenenfalls durch den Glättungskondensator C ₃ geglättet und steht dann als

Ausgangsspannung U _out am Ausgang bereit. Diese Ausgangsspannung U _out kann beispielsweise zum Aufladen einer Batterie in einem Elektrofahrzeug verwendet werden.

Figur 2 zeigt den Verlauf von Strom und Spannung in den primären bzw. sekundären Spulenanordnungen 12 und 22 im Volllastbetrieb. Die Amplitude der Grundwelle der Ui in der primären Spulenanordnung 12 kann dabei über einen Phasenwinkel zwischen der Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 bis S4 eingestellt werden. Daraus ergibt sich eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 1 1 , wie er in dem oberen Diagramm dargestellt ist. Der Wnkel a bezeichnet dabei die Pulsweite der Spannung Ui. Ein Winkel von a=180°, entspricht dabei einer reinen Rechteckspannung. Die Amplitude der Grundwelle der Spannung Ui berechnet sich bei der Resonanzfrequenz ω dabei zu:

4 a

Ui = - π Uin ^sin ö In einem ersten Betriebsmodus bleiben dabei die beiden sekundärseitigen

Halbleiterschalter S5 und S6 dauerhaft geöffnet. Die sekundärseitige Leistungselektronik verhält sich somit wie ein rein passiver Gleichrichter. In diesem Betriebsmodus berechnen sich die Amplituden der Grundwellen der Ströme und der Spannungen bei der

Resonanzfrequenz ω in Abbildung 2 betragsmäßig zu:

_ 4 _ Ui_ U ₂ 4 U _out

υ ₂ - _π υ _οηΐ ,- - _ωΜ ^; ^ - _ωΜ - _{π ωΜ}

Dabei ist der Primärstrom nur von der Ausgangsspannung U _ou t und der

Gegeninduktivität M des Spulensystems, bestehend aus der Primärspule L und der Sekundärspule L ₂ , abhängig. Dieser Primärstrom kann durch eine Regelung der Pulsweite a des Wechselrichters 1 1 nicht beeinflusst werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Primärspannung Ui und Primärstrom im oberen Diagramm, sowie im unteren Diagramm eine

schematische Darstellung von Sekundärspannung U ₂ und Sekundärstrom l ₂ im

Teillastbetrieb, wie sie bei dauerhaft geöffneten Halbleiterschaltern S5 und S6 während der induktiven Energieübertragung auftreten. Dieser Betriebsmodus entspricht den Strombzw. Spannungsverläufen, wie sie auch bei einer konventionellen induktiven

Energieübertragung mit rein primärseitiger Regelung und passivem Gleichrichter auf der Sekundärseite auftreten. Auch hier kann der Strom auf der Primärseite durch die Regelung der Vollbrücke im Wechselrichter 11 nicht beeinflusst werden. Dies führt dazu, dass beispielsweise im Teillastbetrieb, oder bei einem ungünstigen Koppelfaktor auf der Primärseite, durch den Primärstrom hohe Verluste verursacht werden.

Figur 4 zeigt weiterhin im oberen Diagramm den Verlauf von Primärspannung Ui und Primärstrom , sowie im unteren Diagramm den Verlauf von Sekundärspannung U ₂ und Sekundärstrom l ₂ im Teillastbetrieb in einem weiteren Betriebsmodus, bei dem die Schalter S5 und S6 der sekundärseitigen Elektronik nun gezielt periodisch geschlossen werden. In diesem Freilaufzustand zirkuliert der Resonanzstrom l ₂ weiterhin durch die sekundärseitige Spule L ₂ und den Serienresonanzkondensator C ₂ . Nachdem die Schalter S5 und S6 wieder geöffnet werden, fließt der Resonanzstrom über einen optionalen Glättungskondensator C ₃ in eine am Ausgang der Sekundärseite 2 angeschlossene Last, wie zum Beispiel eine Batterie.

Der elektrische Winkel b bezeichnet dabei die Pulsweite der Spannung U ₂ (siehe Fig. 4). Dies entspricht der Zeit, während der die Schalter S5 und S6 geöffnet sind. Die Amplitude der Grundwelle der sekundärseitigen Spannung U ₂ berechnet sich damit zu:

4 b

U ₂ = - U _0Ut sin- π

Die Amplitude der Grundwelle der primärseitige Spannung ergibt sich weiterhin zu:

Ui = - π Uin ^sin

Somit ergeben sich die Scheitelwerte von Sekundärstrom l ₂ und Primärstrom \ betragsmäßig zu:

U ₁ 1 4- a 1 4 b

=— 77 =— 77— U ₀ ut sin— ; /·, =——— U _out sin-

Durch den neu eingeführten Freilaufzustand auf der Sekundärseite 2 können daher jetzt sowohl der primärseitige Strom , als auch der sekundärseitige Strom l ₂ gezielt eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die induktive Energieübertragung in einem jeweils optimalen Arbeitspunkt zu betreiben und dabei die induktive Energieübertragung auch bei unterschiedlichem Luftspalt oder Versatz von Primärspule zu Sekundärspule L ₂ sowie auch im Teillastbetrieb jeweils optimal anzupassen. Zur Bestimmung der Wnkelgröße b des elektrischen Winkels während dem die Schalter S5 und S6 geöffnet sind, sind dabei verschiedene Betriebsstrategien möglich. Für eine erste Betriebsstrategie können beispielsweise auf der Primärseite 1 und der

Sekundärseite 2 gleiche Pulsweiten verwendet werden. Das heißt, der Wnkel a für die Ansteuerung des Wechselrichters 1 1 auf der Primärseite 1 entspricht dem Wnkel b für die Ansteuerung der Schalter S5 und S6 auf der Sekundärseite 2. In einem vorgegebenen Arbeitspunkt berechnen sich die Wnkel a und b somit zu:

Dabei ist ω die Betriebsfrequenz während der induktiven Energieübertragung, P _SO II die zu übertragende Leistung, U _in die Eingangsgleichspannung auf der Primärseite und U _ou t die Ausgangsgleichspannung auf der Sekundärseite, sowie M die Gegeninduktivität zwischen Primärspule U und Sekundärspule L ₂ bezeichnet. In diesem Fall ist keine zusätzliche Messtechnik für die Bestimmung weiterer Parameter erforderlich. Einzige Voraussetzung ist eine Schnittstelle zur Kommunikation zwischen Primärseite 1 und Sekundärseite 2. Diese Schnittstelle ist vorzugsweise kabellos ausgeführt. Darüber hinaus müssen die Regelgrößen, wie zum Beispiel ein Batterieladestrom, erfasst und ausgewertet werden.

Ist bei einer ungünstigen Positionierung der Spulen U und L ₂ zueinander die

Gegeninduktivität M deutlich geringer als bei einer optimalen Positionierung, so müsste ein konventionelles primärseitig geregeltes System mit passiver Gleichrichtung mit einem deutlich höheren Primärstrom betrieben werden, um die gleiche Leistung P _SO II bei verminderter Kopplung zu übertragen. Dies würde zu einer deutlichen Steigerung der Verluste auf der Primärseite führen. Durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der beiden Schalter S5 und S6 auf der Sekundärseite kann diese Primärstromerhöhung bei verringerter Kopplung geringer ausfallen. Es werden zwar sowohl Primärstrom , wie auch Sekundärstrom l ₂ erhöht, jedoch können die Gesamtsystemverluste in diesem Arbeitspunkt im Vergleich zu einer konventionellen primärseitigen Ansteuerung mit passivem Gleichrichter insgesamt verringert werden. Analoge Betrachtungen gelten auch für den Betrieb der induktiven Energieübertragung im Teillastbetrieb oder sonstigen Änderungen der Lastimpedanz.

Gemäß einer weiteren Betriebsstrategie wird das Verhältnis von Primärstrom zu Sekundärstrom l ₂ auf einen konstanten Wert eingeregelt. Dabei werden die Phasenwinkel a und b beispielsweise so gewählt, dass für das sekundärseitige Aufladen einer Batterie mit der Nennspannung U _Ne nn und der aktuellen Batteriespannung U _Ba t folgende Bedingung gilt:

U _Ba t . b . a π <»MP _Soll

— sin- = sin- =— γ-

<->Nenn 2 2 2 2 . in ^u Nenn Neben den zuvor bereits beschriebenen Vorteilen wird dabei die tatsächliche

Batteriespannung U _Ba t durch die Sekundärseite 2 von dem System entkoppelt, so dass auf Primärseite 1 und auf Sekundärseite 2 die gleichen Ströme fließen wie in einem Nennpunkt, für den das System optimiert wurde. Es erfolgt somit eine

Impedanzanpassung der Last durch die aktive Sekundärseite 2, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich wäre.

In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitspunkt adaptiv anzupassen. Dabei wird ein optimaler Arbeitspunkt adaptiv so eingestellt, dass eine geforderte Leistung Psoii bei einem gegebenen Koppelfaktor und einer gegebenen Batteriespannung U _Ba t übertragen werden kann und gleichzeitig eine Optimierungsgröße maximiert bzw.

minimiert wird. Eine solche adaptive Anpassung des Arbeitspunktes kann aufgrund des zusätzlichen Freiheitsgrades erreicht werden, den die erfindungsgemäße beidseitige Regelung ermöglicht. Als Optimierungsgröße kann beispielsweise der (gemessene) Systemwirkungsgrad dienen, aber auch andere Optimierungsgrößen sind denkbar. Da sich während des Ladevorgangs einer Batterie der Arbeitspunkt nur sehr langsam ändert, kann diese adaptive Anpassung aus regelungstechnischer Sicht langsam gegenüber der inneren Regelungsschleife ablaufen.

Ferner ist es auch möglich, den Arbeitspunkt so anzupassen, dass in dem Luftspalt zwischen Primärspule L und Sekundärspule L ₂ das magnetische Feld möglichst minimal wird. Das magnetische Wechselfeld im Luftspalt des Spulenpaars Li , L ₂ führt zu einer Erhitzung von metallischen Objekten durch induzierte Wirbelströme, die sich im Bereich zwischen Primärspule L und Sekundärspule L ₂ befinden können. Bei hohen

Magnetfeldern stellt dies ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Beispielsweise kann sich ein metallischer Gegenstand in diesem Bereich während der Energieübertragung sehr stark erhitzen. Durch die erfindungsgemäße Minimierung des Magnetfeldes im Luftspalt zwischen Primärspule L und Sekundärspule L ₂ kann dieses Sicherheitsrisiko verringert werden. Alternativ kann auch bei einer Beibehaltung einer maximalen magnetischen

Feldstärke das Spulenpaar Li , L ₂ kleiner dimensioniert werden. Somit verringern sich der erforderliche Bauraum und die Kosten für den Aufbau eines solchen Systems zur induktiven Energieübertragung. In einer weiteren Betriebsstrategie ist es möglich, den Arbeitsbereich des Systems zur induktiven Energieübertragung durch die aktive Regelung auf der Sekundärseite zu erweitern. Dabei bleiben die beiden zusätzlichen Schalter S5 und S6 auf der

Sekundärseite 2 während des normalen Betriebs ausgeschaltet. Die sekundärseitige Leistungselektronik 21 verhält sich dabei zunächst wie ein passiver Gleichrichter.

Überschreitet der Primärstrom einen festgelegten Schwellwert, so wird die Ansteuerung der zusätzlichen Schaltelemente S5 und S6 aktiviert. Hierdurch ist auch bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie beispielsweise einem schlechten Koppelfaktor, eine

Impedanzanpassung möglich. Somit kann das System zur induktiven Energieübertragung selbst dann weiter betrieben werden, wenn auf konventionelle Weise der maximale Primärstrom überschritten würde und das System abgeschaltet werden müsste.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung 3 für ein

Elektrofahrzeug 4. Die Ladevorrichtung 3 umfasst dabei die im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Komponenten. Insbesondere umfasst die Ladevorrichtung 3 in dem Kraftfahrzeug 4 dabei eine Schaltungsanordnung mit den zusätzlichen Schaltelementen S5 und S6, um die sekundärseitige Spulenanordnung 22 an den Ausgängen elektrisch kurzzuschließen und somit den zusätzlichen erfindungsgemäßen Freilaufzustand zu ermöglichen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch Ladevorrichtungen für andere Anwendungen, wie das Aufladen einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, o.ä. möglich. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung für ein Verfahren 100 zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung, wie es der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In Schritt 1 10 wird zwischen den zwei Anschlusspunkten einer

Sekundärspulenanordnung 22, in die ein magnetisches Wechselfeld einkoppelt, eine Wechselspannung bereitstellt. In Schritt 120 werden die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung 22 elektrisch miteinander verbunden, wobei die zwei Anschlusspunkte der Sekundärspulenanordnung 22 während jeder Halbwelle der bereitgestellten Wechselspannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall miteinander verbunden werden. Das vorbestimmte Zeitintervall währenddessen die beiden Anschlusspunkte der

Sekundärspulenanordnung 22 elektrisch miteinander verbunden werden, kann dabei, wie bereits oben beschrieben, basierend auf verschiedenen Betriebsstrategien bestimmt werden. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine induktive Energieübertragung von einer Primärspule zu einer Sekundärspule mit einer beidseitigen Regelung und einem zusätzlichen Betriebszustand. Durch diese beidseitige Regelung erfolgt eine primär- und sekundärseitige Ansteuerung der Leistungselektronik nach einer vorbestimmten

Betriebsstrategie. Somit kann beispielsweise auch bei ungünstigen Koppelfaktoren der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung erhöht werden, das Magnetfeld im Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärspule verringert werden und die induktive

Energieübertragung optimiert werden. In der vorliegenden Erfindung wird diese optimierte Betriebsstrategie durch einen neu eingeführten Freilaufzustand ermöglicht, der ein periodisches Kurzschließen der Sekundärseite erlaubt.