(Bild: Witricity)
Witricity nutzt in seinem Lades-System auf Basis von Magnet-Resonanz ein Tunable-Matching-Network (TMN), dessen Steuerung ein Mikrocontroller von Texas Instruments übernimmt. Dabei handelt es sich um ein adaptives Anpassungsnetzwerk zur Optimierung des Wirkungsgrads. Das TMN überwacht während des Ladevorgangs in Echtzeit verschiedene Parameter und stellt die Anpassungsnetzwerke so ein, dass der Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen optimal ist. Das System erkennt etwa, wenn das Fahrzeug nicht korrekt über der Ladeplatte positioniert ist und erfasst zudem Abweichungen beim vertikalen Abstand zwischen den Spulen sowie die aktuelle Batteriespannung. Das TMN reagiert auf Änderungen in diesen Parametern, indem es Impedanzen in den Anpassungsnetzwerken verändert.
Magnet-Resonanz im Einsatz
Grundsätzlich funktioniert die Magnet-Resonanz-Technologie wie folgt: Mittels elektromagnetischer Induktion wird Energie ohne direkte elektrische Verbindung von einer Primärspule zu einer Sekundärspule übertragen. Damit solche Systeme verlustarm arbeiten, müssen sich Quelle und Empfänger in unmittelbarer Nähe zueinander befinden und sorgfältig positioniert werden. Doch was passiert, wenn die Energie über eine größere Distanz übertragen werden soll oder Quelle und Gerät frei zueinander positioniert werden sollen?
Witricity forschte an verschiedenen Techniken für die Übertragung von Energie über mittlere Distanzen und entwickelte einen Ansatz, der Resonanz nutzt, um die Effizienz der Energieübertragung zu erhöhen: Über hochwertige Resonatoren lässt sich Energie auch bei schwacher Kopplung effizient übertragen. Dadurch sind größere Abstände und mehr Positionsfreiheit möglich als bisher. Außerdem erlaubt die Magnetic-Resonance-Technologie, auch „highly resonant wireless power transfer“ (HR-WPT) genannt, Elektrofahrzeuge mit einem hohen Wirkungsgrad laden. Bei Anwendungen wie dem Aufladen von Elektrofahrzeugen mit Leistungen im Kilowatt-Bereich erreicht die Technologie End-to-End-Effizienzen (AC-Eingang zu DC-Ausgang) von mehr als 94 Prozent. Solche Wirkungsgrade erfordern, dass jede Stufe im System einen Wirkungsgrad von 98 – 99 Prozent oder mehr aufweist. Daher mussten die Entwickler jede Stufe sehr sorgfältig ausgelegen, um Verluste zu minimieren.
Den Aufbau des Systems und wie das Prinzip gekoppelter Resonatoren funktioniert, erfahren Sie auf der nächsten Seite.
Aufbau des Systems
Bild 1: Blockdiagramm eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung ohne TMN. In diesem Fall lädt das Fahrzeug ausschließlich mit konstanter Ladeleistung. Witricity
In einem Anwendungsraum, der Leistungsübertragungen von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt überspannt, verfügt ein kabelloses Energieübertragungssystem auf Basis von HR-WPT häufig über gemeinsame Funktionsblöcke. Ein allgemeines Diagramm eines solchen Systems ohne TMN ist in Bild 1 zu sehen. Die Eingangsleistung kommt üblicherweise aus einer Wandsteckdose (AC-Netz), die in einem Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt wird. Alternativ kommt die Gleichspannung direkt von einer Batterie oder einer anderen DC-Versorgung. Ein Leistungsumrichter wandelt die Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um, die den Quellresonator speist. Oft kommt ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk (IMN) zum Einsatz, um den Wechselrichter effizient mit dem Quellresonator zu koppeln. Das IMN dient dazu, die Effizienz der Energieübertragung zu optimieren.
Das vom Quellresonator erzeugte Magnetfeld koppelt mit dem Geräteresonator und induziert an den Geräteresonator eine Spannung, die wiederum im angeschlossenen Verbraucherstromkreis einen Stromfluss hervorruft. Die so übertragene Energie wird genutzt, um beispielsweise eine Batterie zu laden. Durch ein zweites IMN auf der Geräteseite lässt sich die Effizienz des Systems auf Magnet-Resonanz-Basis weiter steigern. Es kann die tatsächliche Last-impedanz in die effektive Lastimpedanz umwandeln, die der Belastung für den optimalen Wirkungsgrad entspricht. Bei Lasten, die eine Gleichspannung erfordern, wandelt ein Gleichrichter die empfangene Wechselspannung wieder in DC um.
Gekoppelte Resonatoren
Bild 2: Serienresonanzschaltung – eine äquivalente Schaltung für gekoppelte Resonatoren. Der Generator ist eine sinusförmige Spannungsquelle mit Amplitude Vg mit einem Generatorwiderstand Rg. Witricity
Bild 3: Energieübertragung zwischen effizient gekoppelten Resonatoren in einem Ladesytem auf Basis von Magnet-Resonanz. Witricity
Parkt das Fahrzeug nicht exakt über der Ladeplatte, hat das unmittelbare Auswirkungen auf die Ladeleistung bei einem Ladesystem auf Magnet-Resonanz-Basis. Denn die beiden Resonatoren sind nicht optimal zueinander angeordnet und die magnetische Kopplung für den Energieaustausch ist beeinträchtigt. Die Effizienz des Energieaustausches hängt von den charakteristischen Parametern der Resonatoren und deren Kopplungsfaktor (k) ab. Eine äquivalente Schaltung für gekoppelte Resonatoren ist die in Bild 2 und Bild 3 gezeigte Serienresonanzschaltung. Hier ist der Generator eine sinusförmige Spannungsquelle mit Amplitude Vg mit einem Generatorwiderstand Rg. LS und LD stellen die Quell- und Geräte-Resonator-Spulen dar, die durch die gegenseitige Induktivität M gekoppelt sind, wobei M=k√(LSLD ). Jede Spule wird mit einem Kondensator beschaltet und bildet so einen Resonator. Die Widerstände RS und RD repräsentieren die parasitären Widerstände der Spule und den Resonanzkondensator in den jeweiligen Resonatoren. Die Last wird durch einen äquivalenten Wechselstromwiderstand RL dargestellt.
Der Kopplungsfaktor (k) ist ein dimensionsloser Parameter, der den Bruchteil des magnetischen Flusses beschreibt, der mit den Quellen- und Geräteresonatoren verkettet ist und eine Größe zwischen Null und Eins hat, was für keine oder eine ideal feste Kopplung steht. Die Kopplung ist eine Funktion der relativen Größen der Resonatoren, des Abstandes zwischen ihnen und ihrer relativen Orientierung. Kabellose Energieübertragungssysteme, die auf herkömmlicher Induktion basieren wie etwa in Akku-Zahnbürsten, sind typischerweise für größere Kopplungsfaktoren ausgelegt und benötigen daher einen kleinen Abstand und eine genaue Ausrichtung zwischen Quell- und Geräteresonator.
Die Verwendung von qualitativ hochwertigen Resonatoren auch bei niedrigeren Kopplungswerten ermöglicht hingegen einen effizienten Betrieb, wodurch die Notwendigkeit einer präzisen Positionierung zwischen Quell- und Geräteresonator entfällt und eine größere Bewegungsfreiheit die Folge ist. Die Fähigkeit, auch bei niedrigen Kopplungsfaktoren einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, erweitert den Einsatzraum für drahtlose Energieübertragung weit über die der traditionellen Induktion hinaus.
Auf der folgenden Seite finden Sie Details zu IMN, TMN und der verwendeten MCU zur Echtzeiterfassung.
IMN und TMN
Bild 4: Skizze eines Ladesystems mit TMN. In der Ladeplatte wird das TMN zwischen Inverter und Spule verbaut, während auf der Fahrzeugseite das TMN zwischen Spule und Gleichrichter angeordnet wird. Witricity
Um nun Fahrzeuge nicht nur über mittlere Distanzen effizient zu laden, sondern auch die Auswirkungen von Positioniertoleranzen und variabler Batteriespannung auszumerzen, ist ein TMN essenziell. Das TMN nimmt Einfluss auf Impedanzen im IMN und optimiert den Energietransfer, indem es diese für jeden Arbeitspunkt optimal einstellt. Je größer die Güte der Resonatoren, desto effizienter ist das System, da die Verluste in den Resonatoren gering bleiben. Bild 4 zeigt den Aufbau eines Ladesystems mit TMN schematisch. In der Ladeplatte wird das TMN zwischen Inverter und Spule verbaut, während auf der Fahrzeugseite das TMN zwischen Spule und Gleichrichter angeordnet wird. Beide TMN-Blöcke sind im Aufbau identisch und bestehen aus diskreten passiven Bauelementen und Halbleitern, die die Energieübertragungseigenschaften des Systems verbessern.
MCU zur Echtzeiterfassung
Die Steuerung des TMN übernimmt ein C28x-basierter 32-Bit-Mikrocontroller von Texas Instruments. Er ist mit einem hochleistungsfähigen Kern und anwendungsoptimierter Peripherie ausgestattet. Ein wichtiger Bestandteil sind hier die integrierten Peripheriekomponenten. Dabei handelt es sich um sehr leistungsfähige Bauelemente zur Echtzeitsteuerung, die beim kontaktlosen Laden von Elektrofahrzeugen als Ein-Chip-Steuerungslösung dienen. Der C28x-Core nimmt eine besondere Stellung ein: Er kombiniert einerseits die Merkmale eines allgemeinen Mikrocontrollers und andererseits die eines digitalen Signalprozessors. Der Vorteil dabei liegt in der Codedichte und der Geschwindigkeit des DSPs, die der C28x gewährleistet. Zugleich ist er ähnlich einfach zu handhaben wie ein Mikrocontroller.
Ein weiteres zentrales Bauelement ist der Echtzeit-Steuerungsbeschleuniger (Control-Law-Accelerator; CLA). Ein CLA ist ein unabhängiger 32-Bit-Fließkommaprozessor für mathematische Operationen auf der Basis des C28x-Kerns. Des Weiteren ist er frei mit der Steuerungsperipherie verbunden. Der Nutzen sind vollständig parallele Steuerungsschleifen, die vom primären C28x-Kern losgelöst sind. Der CLA stellt also alleine ohne einen zusätzlichen Prozessor die Parallelverarbeitung sicher.
Dipl.-Ing. Peter Wambsganß
(prm)
