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Elektrofahrzeuge

Induktive Ladekonzepte verzichten auf lästige Leitungen

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ET System electronic GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Die üblichen Umrichtertopologien hierbei sind Voll- bzw. Halbbrücken-Umrichter. Es werden jeweils rechteckförmige Spannungen (im Falle der Serienkompensation) bzw. rechteckförmige Ströme (im Falle der Parallelkompensation) auf die Primärspule geschaltet.

Das System ist für eine bestimmte Resonanzfrequenz (Arbeitsfrequenz) ausgelegt. Die Analyse des Übertragungsverhaltens erfolgt anhand einer Grundwellenbetrachtung der physikalischen Größen. Die Wirkung von Oberschwingungen ist bei gegebenen niedrigen Koppelfaktoren und im Resonanzfall für die meisten Anordnungen vernachlässigbar.

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Bei der Auswahl der Systemparameter muss beachtet werden, dass die magnetische Flussdichte bzw. Feldstärke innerhalb der zulässigen Grenzwerte gehalten werden. Die Grenzwerte hierfür werden von der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection ICNIRP [http://www.icnirp.org] vorgegeben. Die Grenze ist im Bereich der für Ladesysteme üblichen Frequenzen bei einer magnetischen Flussdichte von 27 Mikro-Tesla.

Die Analyse und der Entwurf einer induktiven Energieübertragungsstrecke erfolgen auf zwei Fachebenen. Auf der der Disziplin Elektromagnetismus zugeordneten Ebene wird die magnetische Kopplung der Spulen durch die Berechnung physikalischer Parameter des magnetischen Felds ermittelt.

Sowohl numerische Feldberechnungen mittels Finite Elemente Simulationen als auch analytische Verfahren basierend auf dem Ampèreschen bzw. Biot-Savartschen Gesetz kommen hier zum Einsatz. Über die Ermittlung von Haupt- und Streufluss-Komponenten werden die Parameter Primär- und Sekundärinduktivität sowie die Gegeninduktivität und der Kopplungsfaktor bestimmt [N. Parspour, J. Heinrich, P. Seitz, M. Zimmer: Development of Positioning Tolerant Inductive Charging Systems for Electric Vehicles, EDPC 2013, http://www.edpc.eu].

Mit Hilfe dieser Parameter kann das geeignete elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung entwickelt werden. Die Vierpoldarstellung des Ersatzschaltbildes mittels Impedanzen für eine seriell-kompensierte bzw. mittels Admittanzen für eine parallel-kompensierte Übertragungsstrecke führt zu übersichtlichen mathematischen Gleichungen.

Ergänzend sind noch die Hybrid-Ersatzschaltbilder zu erwähnen, die bei einer Kombination der Seriell- und Parallel-Kompensation zum Einsatz kommen. Auf der der Disziplin Schaltungstechnik und Leistungselektronik zugeordneten Ebene erfolgt der Entwurf der Kompensationsschaltung und der Umrichter. Die Auswahl der Kompensation erfolgt anhand des Vergleichs der gewünschten Systemeigenschaften und der aus den Simulationen bekannten Übertragungsfunktionen.

Die Übertragungsfunktionen stellen die Beziehung zwischen den physikalischen Größen der Primär- und der Sekundärseite dar, wie zum Beispiel die Spannungsübertragungsfunktion, die die Beziehung zwischen der Sekundärspannung und der Primärspannung darstellt.

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