Schaltung für induktives Ladesystem

(Bild: Finepower)

Induktive Ladesysteme für elektrische Fahrzeuge sind aktuell Gegenstand der Erforschung, Entwicklung und Standardisierung. Typische Anwendungsbeispiele induktiver Ladesysteme sind das kontaktlose Nachladen von Flurförderfahrzeugen im industriellen Bereich sowie von Elektrofahrzeugen im Straßenverkehr.

Eine induktive Ladestation mit der Fähigkeit, eine möglichst hohe Anzahl unterschiedlicher Fahrzeugtypen mit entsprechend unterschiedlichen Empfängerspulen und Batteriesystemen zu bedienen, wird aktuell bei Finepower im Rahmen des vom bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft & Medien (StMWi) geförderten Forschungsprojekts „UnIndCha“ („Universal Inductive Charging“) aufgebaut.

TDK Electronics (vormals: Epcos) ist im Projekt als Hersteller von Transmitter- und Receiver-Spulen für induktive Ladesysteme beteiligt und legt ein besonderes Augenmerk auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von universellen Systemen. Des Weiteren unterstützen die Technische Universität München (TUM), Fachgebiet Energiewandlungstechnik, sowie die Hochschule Kempten beziehungsweise das Technologienetzwerk Allgäu (TNA) mit grundlegenden Forschungsarbeiten.

Üblicherweise werden induktive Ladesysteme auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt, wobei der Übertragerspule sender- und empfängerseitig Kapazitäten zugeschaltet sind. Durch diese Kombination kann das System auf die normativ geforderten Übertragungsfrequenzen ausgelegt werden. Durch eine solche Kombination von Spulen und Kapazitäten entsteht ein Schwingkreis, der eine bestimmte Eigenfrequenz, auch Resonanzfrequenz genannt, besitzt.

Gleichung 1

Je nach Positionierung der Sender- und Empfängerspulen zueinander verschiebt sich die Resonanzfrequenz geringfügig zu höheren oder niedrigeren Werten, da sich die für die Resonanzfrequenz maßgebende Induktivität verändert. Um die gewünschte Ladeleistung zur Verfügung zu stellen, muss dann die Übertragungsfrequenz entsprechend angepasst werden.

Eine alternative Methode verändert nicht die Übertragungsfrequenz, sondern die Resonanzkreisabstimmung. Konkret bedeutet das, dass beispielsweise durch ein Zu- oder Abschalten von zusätzlichen Kapazitäten die Resonanzfrequenz immer auf demselben Wert gehalten wird. Eine im Forschungsvorhaben realisierte Schaltung zeigt Bild 1.

Einfluss auf die elektromagnetische Störaussendung

Die Energieübertragung erfolgt bei induktiven Ladesystemen über ein Magnetfeld, das aus dem hochfrequenten Wechselstrom resultiert, der durch die Übertragerspulen fließt. Betrachtet man diesen Strom an einem digitalen Speicheroszilloskop, so ist eine Sinusform erkennbar, welche der Resonanzfrequenz des Übertragungssystems entspricht. Die Physik der elektromagnetischen Wellen erklärt, dass der zeitliche Verlauf des Magnetfelds identisch mit dem des Spulenstroms ist (Maxwellsches Durchflutungsgesetz):

Gleichung 2

Jedoch kann ein solches System trotz der augenscheinlich idealen Kurvenformen von Strom und Magnetfeld die normativ geforderten Grenzwerte nicht ohne weitere Filtermaßnahmen einhalten. Grund hierfür ist, dass die Stromform nicht exakt sinusförmig ist, sondern je nach Betriebsfrequenz einen mehr oder weniger stark ausgeprägten weiteren, unterschiedlichen Frequenzanteil besitzt. Diese Stromform ist immer dann erkennbar, wenn die Betriebsfrequenz deutlich von der Resonanzfrequenz abweicht. Je nach Vorzeichen der Abweichung ergeben sich folgende beispielhafte Stromformen bei jeweils gleichen Lastbedingungen (Simulation mit Parametern des realen Systems).

Eine Frequenzanalyse der Stromform (FFT) ergibt die folgenden Werte für die Oberwellen (Bilder 3 bis 6).

Oberwellen

Tabelle 1: Vergleich der Oberwellen des Spulenstroms. Finepower

Ein Vergleich der Oberwellen des Spulenstroms zeigt, dass für den Fall „resonanter Betrieb“ die Werte deutlich niedriger ausfallen (Tabelle 1).

Für die Einhaltung normativer Forderungen ist jedoch eine Bewertung der abgestrahlten Magnetfelder notwendig. Folgende Abschätzung gibt einen qualitativen Überblick über die resultierenden abgestrahlten Magnetfelder. Bei einem geraden Leiter, durch den der Strom fließt, kann ein kreisförmiges Magnetfeld angenommen werden, dessen Amplitude umgekehrt proportional zum Abstand einer Magnetfeldlinie zum Leiter abnimmt (Nahfeld).

Gleichung 3

Aus der Normung wird eine Magnetfeldmessung im Abstand von 10 m gefordert. Dies ergibt in dem oben dargestellten Beispiel in etwa folgende Feldstärken (Peak-Werte) (Tabelle 2).

Finepower Tabelle 2

Tabelle 2: Vergleich der Feldstärken (Peak-Werte). Finepower

Thema der nächsten Seite sind die Messergebnisse

Amplitudenwerte

Tabelle 3: Gegenüberstellung der unterschiedlichen Amplitudenwerte für die Harmonischen der Betriebsfrequenz. Finepower

Im Forschungsvorhaben UnIndCha wurde ein induktives Ladesystem prototypisch aufgebaut und die abgestrahlte magnetische Störaussendung im Frequenzbereich zwischen 9 kHz und 30 MHz bei unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen des WPT-Systems gemessen (Bild 8).

Die Ergebnisse zeigen, dass mit unterschiedlichen Resonanzkreisabstimmungen unterschiedlich starke Störaussendungen bei ansonsten gleichen Betriebsparametern resultieren (Bilder 9 bis 11). Diese Unterschiede ergeben sich vor allem durch unterschiedlich hohe Abweichungen der Betriebsfrequenzen von der jeweiligen resultierenden Resonanzfrequenz des Systems. Je nach Abstimmung konnte in den Messreihen eine Reduktion der abgestrahlten Emissionen um bis zu 10 dBµA/m festgestellt werden. Dabei ergab sich in Übereinstimmung mit den theoretischen Annahmen eine minimale Störabstrahlung bei Betrieb in Resonanz.

Zudem konnte in den Messungen ein optimaler Wert für die Abstimmung von 62 Prozent festgestellt werden, wodurch die Schlussfolgerung naheliegt, dass mit einer variablen Abstimmung bei zu starker Kompensation die Störaussendungen wieder zunehmen. Bei höheren Versatzpositionen ist davon auszugehen, dass die Anpassung der Abstimmung an Wirksamkeit zunimmt. Durch die Möglichkeit der variablen Resonanzkreisabstimmung kann dabei bei höheren Versatzpositionen immer ein Betrieb im normativ vorgesehenen Frequenzbereich sichergestellt werden.

Die unterschiedlichen Amplitudenwerte für die Harmonischen der Betriebsfrequenz sind in Tabelle 3 nochmals zusammengefasst und gegenübergestellt. Die Unterschiede zu den theoretischen Betrachtungen sind in erster Linie quantitativ, da in den Messungen nur eine Vektor-Polarisation gemessen wurde, welche einen mehr oder weniger großen Bruchteil des gesamten Feldvektors beträgt. In den theoretischen Betrachtungen wurde durch die Annahme eines idealen geraden Leiters und eines daraus resultierenden idealen kreisförmigen Magnetfelds immer der Maximalwert des Feldvektors berechnet. Die qualitative Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Werte ist hingegen gegeben.

Messungen der abgestrahlten Störemissionen haben deutliche Unterschiede bei Betrieb mit unterschiedlichen Frequenzen sowie zusätzlich unterschiedlichen Abstimmungen ergeben. Bei Betrieb mit Resonanzfrequenz konnte eine wesentliche Reduktion der Oberwellen erreicht werden. Dies erfordert insbesondere bei hohen Versatzpositionen eine schaltungstechnische Möglichkeit der Nachjustierung der Resonanzabstimmung, was im Forschungsvorhaben UnIndCha untersucht wurde.

Georg Heiland

Finepower

Dr. Christof Ziegler

TDK Electronics

(neu)

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