Vorrichtung mit einer einstellbaren kapazitiven Einheit für ein induktives Ladesystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das induktive Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung eine einstellbare kapazitive Einheit für ein induktives Ladesystem.

Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.

Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. Insbesondere zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Speicher 103 für elektrische Energie (z.B. mit einer aufladbaren Batterie 103). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Sekundärspule 121 im Fahrzeug-Unterboden, wobei die Sekundärspule 121 über eine nicht gezeigte Impedanzanpassung und einen Gleichrichter 101 mit dem Speicher 103 für elektrische Energie verbunden ist. Die Sekundärspule 121 ist typischerweise Teil einer sogenannten „Wireless Power Transfer“ (WPT) Fahrzeugeinheit 120 bzw. Sekundäreinheit 120.

Die Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 kann über einer Primärspule 111 positioniert werden, wobei die Primärspule 111 z.B. auf dem Boden einer Garage angebracht ist. Die Primärspule 111 ist typischerweise Teil einer sogenannten WPT-Bodeneinheit 110 bzw. Primäreinheit 110. Die Primärspule 111 ist mit einer Stromversorgung 113 verbunden. Die Stromversorgung 113 kann einen Radio-Frequenz-Generator bzw. Wechselrichter umfassen, der einen AC (Alternating Current) Strom in der Primärspule der WPT-Bodeneinheit 110 erzeugt, wodurch ein magnetisches Feld (insbesondere ein elektromagnetisches Ladefeld) induziert wird. Das elektromagnetische Ladefeld kann einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich aufweisen. Die Ladefeld-Frequenz des elektromagnetischen Ladefelds kann im Bereich von 80–90kHz (insbesondere bei 85kHz) liegen.

Bei ausreichender magnetischer Kopplung zwischen Primärspule 111 der WPT-Bodeneinheit 110 und Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 über die Unterbodenfreiheit 130 wird durch das magnetische Feld eine entsprechende Spannung und damit auch ein Strom in der Sekundärspule 121 induziert. Der induzierte Strom in der Sekundärspule 121 der WPT-Fahrzeugeinheit 120 wird durch den Gleichrichter 101 gleichgerichtet und im Speicher 103 gespeichert. So kann elektrische Energie kabellos von der Stromversorgung 113 zum Energiespeicher 103 des Fahrzeugs 100 übertragen werden. Der Ladevorgang kann im Fahrzeug 100 durch ein Lade-Steuergerät 105 gesteuert werden. Das Lade-Steuergerät 105 kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, z.B. drahtlos, mit der WPT-Bodeneinheit 110 zu kommunizieren.

Um möglichst große Feldstärken des elektromagnetischen Ladefelds für die Überbrückung der Unterbodenfreiheit 130 herstellen zu können, können resonante Systeme verwendet werden. Dabei sind sowohl die Primärspule 111 als auch die Sekundärspule 121 in einen jeweiligen Schwingkreis eingebunden. Insbesondere werden dabei in einem Primärschwingkreis der WPT-Bodeneinheit 110 aufgrund eines relativ geringen Kopplungsfaktors zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 typischerweise relativ hohe Ströme (zur Erzeugung eines elektromagnetischen Ladefeldes mit ausreichender Feldstärke) verwendet.

Der Abstand zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 kann relativ stark variieren. Insbesondere kann die Höhe der Unterbodenfreiheit 130 für unterschiedliche Fahrzeugmodelle (Limousine vs. SUV) unterschiedlich sein. Des Weiteren kann es durch unpräzises Abstellen des Fahrzeugs 100 auf der Parkposition zu einem seitlichen Versatz der Spulen 111, 121 kommen. Als Konsequenz daraus ergeben sich unterschiedliche Übertragungsparameter (insbesondere unterschiedliche Größen des Kopplungsfaktors und unterschiedliche effektive Induktivitäten der Primärspule 111 bzw. der Sekundärspule 121) für das Spulensystem aus WPT-Bodeneinheit 110 und WPT-Fahrzeugeinheit 120.

Die unterschiedlichen Übertragungsparameter des Spulensystems können zumindest teilweise durch eine spezifische Regelung/Anpassung der induktiven Energieübertragung ausgeglichen werden, insbesondere durch eine Anpassung der Ladefeld-Frequenz. Des Weiteren können Schaltungen (insbesondere analoge Filter) zum Impedanzabgleich verwendet werden.

Die Anpassung der Ladefeld-Frequenz ist dabei typischerweise auf einen vordefinierten Ladefeld-Frequenzbereich beschränkt (z.B. 81,38 bis 90kHz gemäß der FCC, Federal Communications Commission, Frequenz Tabelle). Folglich können Änderungen der Übertragungsparameter nur in einem beschränkten Umfang über die Ladefeld-Frequenz ausgeglichen werden. Außerdem erfordert die Anpassung der Ladefeld-Frequenz einen entsprechend steuerbaren bzw. regelbaren Wechselrichter in der WPT-Bodeneinheit 110. Des Weiteren erfordert die Anpassung der Ladefeld-Frequenz eine entsprechende Auslegung der Komponenten der WPT-Bodeneinheit 110 und/oder der WPT-Fahrzeugeinheit 120 für den möglichen Ladefeld-Frequenzbereich. Insbesondere kann dies eine vielfache Überdimensionierung der Komponenten erfordern, um in jedem Arbeitspunkt die geforderte Leistung zu Verfügung stellen zu können. Dies ist typischerweise mit relativ hohen Verlusten und Kosten verbunden.

Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Kosten-, Energie- und Bauraum-effiziente einstellbare kapazitive Einheit für ein induktives Ladesystem bereitzustellen, insbesondere um auch für sich verändernde Übertragungsparameter zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit des induktiven Ladesystem eine effiziente Energieübertragung zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Vorrichtung kann z.B. Teil der WPT-Bodeneinheit bzw. Primäreinheit oder der WPT-Fahrzeugeinheit bzw. Sekundäreinheit sein. Die Vorrichtung umfasst eine einstellbare kapazitive Einheit bzw. einen einstellbaren Kondensator und eine (ggf. einstellbare) induktive Einheit bzw. Spule. Die kapazitive Einheit und die induktive Einheit können in Reihe geschaltet sein. Des Weiteren können die kapazitive Einheit und die induktive Einheit einen Schwingkreis bilden. Dieser Schwingkreis weist eine Resonanzfrequenz auf, die von der Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit und von der Induktivität der induktiven Einheit abhängt. Durch den Betrieb des Schwingkreises bei der Resonanzfrequenz kann eine effektive induktive Energieübertragung bewirkt werden.

Die induktive Einheit umfasst mindestens eine Spule, die eingerichtet ist, durch einen Wechselstrom ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers zu generieren (insbesondere im Falle einer WPT-Bodeneinheit) oder in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Ladestrom zum Laden des Energiespeichers zu generieren (insbesondere im Falle einer WPT-Fahrzeugeinheit). Die Spule kann somit dazu genutzt werden, in induktiver Weise elektrische Energie auf eine andere Spule zu übertragen oder von einer anderen Spule zu empfangen. Dabei hängt die effektive Induktivität der Spule des Schwingkreises typischerweise davon ab, wie diese Spule relativ zu der jeweils anderen Spule des gekoppelten Spulensystems angeordnet ist. Insbesondere haben der Abstand und/oder der Querversatz der Spulen des gekoppelten Spulensystems typischerweise einen Einfluss auf die effektive Induktivität der Spule des Schwingkreises.

Die einstellbare kapazitive Einheit weist eine Kapazität auf, die verändert werden kann. Insbesondere kann die einstellbare kapazitive Einheit mit einem Steuersignal angesteuert werden, um die Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit zu verändern. So kann eine Änderung der effektiven Induktivität der Spule des Schwingkreises (aufgrund einer veränderten Positionierung der gekoppelten Spulen) durch eine Anpassung der Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit ausgeglichen werden, z.B. um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises möglichst unverändert zu halten.

Die einstellbare kapazitive Einheit ist derart innerhalb der Vorrichtung angeordnet, dass durch die einstellbare kapazitive Einheit zumindest ein Teil des Wechselstroms fließt. Durch die einstellbare kapazitive Einheit fließt somit ein Strom, der Halbwellen mit unterschiedlichen Polaritäten bzw. Flussrichtungen aufweist.

Die einstellbare kapazitive Einheit umfasst zumindest eine Reihenschaltung, wobei die Reihenschaltung zumindest einem Teilkondensator und genau einen Schalt-Transistor (insbesondere einen Feldeffekt-Transistor, wie z.B. einen MOS (Metall Oxid Semiconductor) Transistor) umfasst. Dabei weist der Schalt-Transistor eine Invers-Diode auf, die auch bei einem geöffneten Zustand des Schalt-Transistors einen Stromfluss in eine bestimmte Richtung durch die Invers-Diode (insbesondere in eine Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Invers-Diode) ermöglicht. Der Schalt-Transistor ist somit derart ausgelegt, dass nur Ströme in Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Invers-Diode gesperrt werden können. Dennoch wird durch eine Reihenschaltung, die (ggf. ausschließlich) ein oder mehrere Teilkondensatoren und einen Schalt-Transistor umfasst, gewährleistet, dass auch bei Verwendung eines Schalt-Transistors, der nur in eine einzige Richtung sperren kann, die ein oder mehreren Teilkondensatoren durch Sperren des Schalt-Transistors deaktiviert bzw. aktiviert werden können, um die Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit zu verändern. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass im Anschluss an ein einmaliges Aufladen der ein oder mehreren Teilkondensatoren der Reihenschaltung (durch eine Halbwelle des Wechselstroms) kein Entladen und kein erneutes Aufladen der ein oder mehreren Teilkondensatoren der Reihenschaltung (in nachfolgenden Halbwellen des Wechselstroms) erfolgen kann.

Die Vorrichtung umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, den Schalt-Transistor anzusteuern, um eine Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit einzustellen. Insbesondere kann dabei die Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit verändert werden, um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus induktiver Einheit und kapazitiver Einheit zu verändern. Dabei kann die Steuereinheit eingerichtet sein, eine Ziel-Resonanzfrequenz für den Schwingkreis zu ermitteln (diese kann z.B. in dem o.g. Ladefeld-Frequenzbereich von 81,38 bis 90kHz liegen). Des Weiteren kann eine Ist-Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden (die sich aufgrund der aktuellen Anordnung zwischen der Spule des Schwingkreises und der damit gekoppelten Spule ergibt). Außerdem kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die einstellbare kapazitive Einheit derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der Ist-Resonanzfrequenz und der Ziel-Resonanzfrequenz reduziert wird (z.B. so dass die Abweichung betraglich kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Toleranz-Schwellenwert ist).

Die Vorrichtung ermöglicht somit die Bereitstellung eines induktiven Ladesystems, dass auch für unterschiedliche Übertragungsparameter der gekoppelten Spulen einen Betrieb bei einer vordefinierten Resonanzfrequenz ermöglicht. Dabei kann pro Teilkondensator der kapazitiven Einheit nur ein einziger Schalt-Transistor (z.B. nur ein einziger MOS-Transistor) verwendet werden, der nur in eine einzige Flussrichtung sperren kann. So können Kosten-, Bauraum- und Energie-effiziente induktive Ladesysteme bereitgestellt werden.

Eine Wechselspannung an der Reihenschaltung kann einen Effektivwert und/oder einen maximalen Amplitudenwert aufweisen. Der Schalt-Transistor kann mindestens für einen Spannungsabfall ausgelegt sein, der den doppelten Effektivwert und/oder den doppelten maximalen Amplitudenwert aufweist. So kann eine zuverlässige Deaktivierung des Teilkondensators der Reihenschaltung bewirkt werden.

Die einstellbare kapazitive Einheit umfasst typischerweise einen Ansteuer-Schaltkreis zur Ansteuerung des Schalt-Transistors. Dabei kann der Ansteuer-Schaltkreis einen Ansteuer-Kondensator umfassen, der angeordnet ist, um eine Ansteuer-Spannung zur Ansteuerung des Schalt-Transistors bereitzustellen. Die Ansteuer-Spannung kann dabei mindestens einer Grenzspannung des Schalt-Transistors entsprechen, durch die ein Schalten des Schalt-Transistors bewirkt wird. Der Ansteuer-Schaltkreis kann eingerichtet sein, den Ansteuer-Kondensator mittels des Wechselstroms zu laden. Es kann somit elektrische Energie zum Laden des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs dazu verwendet werden, die Ansteuer-Spannung zur Ansteuerung des Schalt-Transistors bereitzustellen. So kann eine Energie-effiziente einstellbare kapazitive Einheit bereitgestellt werden.

Die Reihenschaltung kann zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten angeordnet sein. Der Ansteuer-Schaltkreis kann eine Lade-Dioden-Funktionseinheit (insbesondere eine Lade-Diode) umfassen, die auf einer ersten Seite, insbesondere mittelbar über einen Lade-Widerstand, mit dem ersten Knoten und auf einer zweiten Seite mit dem Ansteuer-Kondensator gekoppelt ist. Des Weiteren kann der Ansteuer-Kondensator (ggf. direkt) mit dem zweiten Knoten gekoppelt sein. Die Lade-Dioden-Funktionseinheit kann eingerichtet sein, einen Stromfluss in eine erste Richtung zu ermöglichen und in eine zweite, entgegengesetzte, Richtung zu sperren. So kann über die Lade-Dioden-Funktionseinheit in einer bestimmten Halbwelle des Wechselstroms elektrische Energie auf dem Ansteuer-Kondensator gespeichert und im Anschluss daran gehalten werden. Diese elektrische Energie kann dann zum Schalten des Schalt-Transistors verwendet werden.

Der Schalt-Transistor kann ein Gate und eine Source aufweisen und der Ansteuer-Kondensator kann zwischen dem Gate und der Source des Schalt-Transistors angeordnet sein. So kann mittels der elektrischen Energie in dem Ansteuer-Kondensator eine Gate-Source Kapazität des Schalt-Transistors geladen werden, um den Schalt-Transistor zu schalten (z.B. um den Schalt-Transistor zu schließen). Insbesondere kann eine erste Seite des Ansteuer-Kondensators (ggf. mittelbar über einen Ansteuer-Widerstand) mit dem Gate gekoppelt sein. Des Weiteren kann eine zweite Seite des Ansteuer-Kondensators mit der Source gekoppelt sein (die wiederum mit dem zweiten Knoten gekoppelt sein kann).

Der Ansteuer-Schaltkreis kann einen Optokoppler mit einem Fototransistor umfassen, wobei der Fototransistor eingerichtet ist, das Gate und die Source kurzzuschließen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Optokoppler anzusteuern, um den Fototransistor zu schließen oder zu öffnen. So kann eine galvanische Trennung zwischen der Steuereinheit und dem Schalt-Transistor bereitgestellt werden.

Der Ansteuer-Schaltkreis kann eine Zener-Diode umfassen, die eingerichtet ist, eine Spannung an dem Ansteuer-Kondensator zu begrenzen. Insbesondere kann durch die Zener-Diode die Spannung an dem Ansteuer-Kondensator auf einen Werte begrenzt werden, der um einen bestimmten Faktor (z.B. 1,1 oder mehr) über der Grenzspannung des Schalt-Transistors liegt. So kann eine zuverlässige Ansteuerung des Schalt-Transistors bereitgestellt werden.

Die einstellbare kapazitive Einheit kann eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten Teilkondensator und mit einem zweiten Schalt-Transistor umfassen, wobei die Reihenschaltung und die zweite Reihenschaltung parallel zueinander angeordnet sind (insbesondere zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten). Der Teilkondensator und der Schalt-Transistor können dabei in der Reihenschaltung gespiegelt angeordnet sein, im Vergleich zu dem zweiten Teilkondensator und dem zweiten Schalt-Transistor in der zweiten Reihenschaltung. Durch die gespiegelte Anordnung können Gleichspannungsanteile in den Teilkondensatoren der einstellbaren kapazitiven Einheit vermieden werden.

Die einstellbare kapazitive Einheit kann einen Basiskondensator umfassen, wobei die Reihenschaltung parallel zu dem Basiskondensator angeordnet ist. Durch die Aktivierung des Teilkondensators der Reihenschaltung kann somit die Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit über die Kapazität des Basiskondensators hinaus vergrößert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Primäreinheit (z.B. eine WPT-Bodeneinheit) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Primäreinheit kann einen Wechselrichter umfassen, der eingerichtet ist, einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren. Des Weiteren umfasst die Primäreinheit eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms ein elektromagnetisches Ladefeld zum Laden des Energiespeichers zu generieren. Die Spule der Vorrichtung entspricht in diesem Fall einer Primärspule.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sekundäreinheit (z.B. eine WPT-Fahrzeugeinheit) für ein induktives Ladesystem zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Sekundäreinheit umfasst eine in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, in Reaktion auf ein elektromagnetisches Ladefeld einen Wechselstrom zu generieren. Die Spule der Vorrichtung entspricht in diesem Fall einer Sekundärspule. Des Weiteren kann die Sekundäreinheit einen Gleichrichter umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis des Wechselstroms einen gleichgerichteten Ladestrom zum Laden des Energiespeichers zu generieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung bzw. Sekundäreinheit umfasst.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 beispielhafte Komponenten eines induktiven Ladesystems;

2 beispielhafte Komponenten einer WPT-Bodeneinheit und einer WPT-Fahrzeugeinheit;

3 einen beispielhaften Aufbau einer einstellbaren kapazitiven Einheit;

4 eine beispielhafte WPT-Bodeneinheit und eine beispielhafte WPT-Fahrzeugeinheit mit mehreren einstellbaren kapazitiven Einheiten;

5a eine beispielhafte Implementierung eines Schaltelements einer einstellbaren kapazitiven Einheit;

5b beispielhafte Potentialdifferenzen an dem Schaltelement im offenen und im geschlossenen Zustand; und

6a und 6b beispielhafte Anordnungen von Schaltelementen bei einer Parallelschaltung von Teilkondensatoren.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Anpassung eines (ggf. resonanten) induktiven Ladesystems für ein Kraftfahrzeug an unterschiedliche Unterbodenfreiheiten 130 und/oder an einen Querversatz zwischen WPT-Bodeneinheit 110 und WPT-Fahrzeugeinheit 120.

2 zeigt ein Schaltbild einer WPT-Bodeneinheit 110 und einer WPT-Fahrzeugeinheit 120. Die WPT-Bodeneinheit 110 umfasst einen Wechselrichter 213, der eingerichtet ist, aus einem Gleichstrom (z.B. bei einer Gleichspannung von ca. 500V) einen Wechselstrom mit einer Ladefeld-Frequenz zu generieren. Des Weiteren umfasst die WPT-Bodeneinheit 110 die Primärspule 111 und einen Primärkondensator 212. Außerdem ist in 2 beispielhaft die parasitäre Induktivität 214 von weiteren Komponenten (insbesondere von Leitungen) der WPT-Bodeneinheit 110 dargestellt. Die WPT-Bodeneinheit 110 umfasst somit einen seriellen Schwingkreis (hier auch als Primärschwingkreis bezeichnet), dessen Resonanzfrequenz sich aus der Gesamtkapazität C (insbesondere der Kapazität des Kondensators 212) und der Gesamtinduktivität L (insbesondere der Induktivität der Primärspule 111 und ggf. der parasitären Induktivitäten 214) als ergibt. Die Ladefeld-Frequenz entspricht bevorzugt der Resonanzfrequenz f₀, um einen möglichst hohen Kopplungsgrad zwischen Primärspule 111 und Sekundärspule 121 zu erreichen.

In analoger Weise umfasst die WPT-Fahrzeugeinheit 120 einen Schwingkreis (hier auch als Sekundärschwingkreis bezeichnet), der aus der Sekundärspule 121 und einem Sekundärkondensator 222 gebildet wird. Die Resonanzfrequenz dieses Sekundärschwingkreises ist bevorzugt an die Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises der WPT-Bodeneinheit 110 angepasst, um einen möglichst hohen Kopplungsgrad zu erreichen.

Eine effektive Induktivität der Primärspule 111 (und in reduziertem Maße der Sekundärspule 121) hängt von der Anordnung der Primärspule 111 relativ zu der Sekundärspule 121 ab. Insbesondere hängt die effektive Induktivität der Primärspule 111 von der Größe der Unterbodenfreiheit 130 und/oder von einem Querversatz der Primärspule 111 zur Sekundärspule 121 ab. Eine sich ändernde effektive Induktivität führt zu einer sich ändernden Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises.

Die Ladefeld-Frequenz kann zumindest teilweise an eine sich ändernde Resonanzfrequenz angepasst werden. Dies führt jedoch zu den eingangs dargelegten Nachteilen. Die in 2 dargestellte WPT-Bodeneinheit 111 umfasst daher einen einstellbaren Kondensator 212 mit einer einstellbaren Kapazität (in analoger Weise kann auch die WPT-Fahrzeugeinheit 120 einen einstellbaren Kondensator 222 aufweisen). Der einstellbare Kondensator 212 (allgemein als einstellbare kapazitive Einheit bezeichnet) kann derart durch eine Steuereinheit 230 angepasst werden, dass Änderungen der effektiven Induktivität ausgeglichen werden können, und somit die Resonanzfrequenz unverändert bleibt. So kann die WPT-Bodeneinheit 110 mit einer festen Ladefeld-Frequenz betrieben werden, was u.a. eine Kosten-effiziente Implementierung der WPT-Bodeneinheit 110 ermöglicht.

3 zeigt eine beispielhafte Realisierung einer einstellbaren kapazitiven Einheit 212 als Kondensator-Netzwerk mit einer Vielzahl von Teilkondensatoren 312, 301. Das Kondensator-Netzwerk umfasst einen Grund-Kondensator 312, der mit einer Kondensator-Matrix 300 in Reihe geschaltet ist. Der Basis-Kondensator 312 kann derart ausgelegt sein, dass er mit einer maximal möglichen effektiven Induktivität einen Primärschwingkreis mit einer Ziel-Resonanzfrequenz bildet. Ein Absinken der effektiven Induktivität (durch sich verändernde Übertragungsparameter) kann durch die konfigurierbare Kondensator-Matrix 300 kompensiert werden. Insbesondere kann mittels der Kondensator-Matrix 300 die Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit 212 in dem Maße erhöht werden, in dem die effektive Induktivität von der maximal möglichen effektiven Induktivität abweicht. So kann durch Anpassung der Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit 212 die Resonanzfrequenz des Primärschwingkreises bei der Ziel-Resonanzfrequenz gehalten werden.

Die Kondensator-Matrix 300 umfasst N Kondensator-Reihen, wobei jede Kondensator-Reihe M parallel geschaltete Teilkondensatoren 301 (c_n1 bis c_nM, für n = 1, ..., N mit N ≥ 1. Die N Kondensator-Reihen sind in Reihe zueinander angeordnet. Des Weiteren umfasst die Kondensator-Matrix 300 Schalter bzw. Schaltelemente 302 (z.B. Halbleiterschalter wie z.B. IGBTs oder MOSFETs, oder Relais), die es ermöglichen, einzelne Kondensator-Reihen zu überbrücken (s₁₁ bis s_N1) bzw. einzelne Kondensatoren 301 innerhalb einer Kondensator-Reihe parallel zu schalten (s_n2 bis s_nM für die Kondensator-Reihen n = 1, ..., N, M ≥ 1). Durch die Schalter 302 kann die Kapazität der Kondensator-Matrix 300 von einem Minimalwert (alle Überbrückungs-Schalter s₁₁ bis s_N1 geschlossen) bis zu einem Maximalwert (alle Überbrückungs-Schalter s₁₁ bis s_N1 offen und alle Parallel-Schalter s_n2 bis s_nM, für n = 1, ..., N, geschlossen) in fließender Weise verändert werden.

Insbesondere kann durch die Kondensator-Matrix 300 eine (nahezu) lineare und quasi-kontinuierliche Anpassung der Kapazität der einstellbaren kapazitiven Einheit 212 bewirkt werden. Zu diesem Zweck können die einzelnen Teilkondensatoren 301 der Kondensator-Matrix 300 unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, die derart gewählt werden, dass sich auf Basis der Formeln für in Reihe geschaltete Kondensatoren und für parallel zueinander geschaltete Kondensatoren ein möglichst linearer Verlauf der effektiven Kapazität durch Öffnen/Schließen der Schalter 302 der Kondensator-Matrix 300 ergibt.

Beispielsweise kann jede Kondensator-Reihe Teilkondensatoren 301 umfassen, die Kapazitäten zwischen einer maximalen Reihen-Kapazität und einer minimalen Reihen-Kapazität aufweisen. Zwischen der maximalen Reihen-Kapazität und der minimalen Reihen-Kapazität können Zwischenkapazitäten gewählt werden, die sich um einen bestimmten Faktor (z.B. 2) voneinander unterscheiden. Des Weiteren können für unterschiedliche Kondensator-Reihen Teilkondensatoren 301 mit jeweils unterschiedlichen maximalen Reihen-Kapazitäten und/oder minimalen Reihen-Kapazitäten gewählt werden. So kann durch unterschiedliche Schalterstellungen eine hohe Zahl von unterschiedlichen Kapazitäten bewirkt werden.

Der Grund-Kondensator 312 ist bevorzugt zwischen Primärspule 111 und Kondensator-Matrix 300 angeordnet. So können die Spannungsanforderungen für die Teilkondensatoren 301 und die Schalter 302 der Kondensator-Matrix 300 reduziert werden, was eine Kosten-effektive Implementierung des einstellbaren Kondensators 212 ermöglicht. Des Weiteren ist es aus dem gleichen Grund vorteilhaft, die Schalter 302 für die einzelnen Teilkondensatoren 301 auf der von der Primärspule 111 abgewandten Seite der jeweiligen Teilkondensatoren 301 anzuordnen. Dies ist in 4 veranschaulicht.

Insbesondere zeigt 4 einen ersten Bereich 402 der WPT-Bodeneinheit 110, in dem bei Eingangsspannungen von ca. 500V Spannungen von 2000V und mehr auftreten können (insbesondere bis zu 5000V über der Primärspule 111). Andererseits liegen die Spannungen in einem zweiten Bereich 403 bei 1000V und weniger. Diese reduzierten Spannungswerte sind vorteilhaft für die Auslegung der in der Kondensator-Matrix 300 verwendeten Teilkondensatoren 301 und/oder Schalter 302.

Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, den Primärkondensator in zwei (einstellbare) kapazitive Einheiten 212, 412 aufzuteilen und in symmetrischer Weise rechts bzw. links von der Primärspule 111 anzuordnen. Dies kann in analoger Weise für die WPT-Fahrzeugeinheit 120 erfolgen (Kondensatoren 222, 422). Dies ist insbesondere in Hinblick auf EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Anforderungen der WPT-Einheiten 110, 120 vorteilhaft. 4 zeigt in diesem Zusammenhang einen beispielhaften EMV-Filter 401 der WPT-Bodeneinheit 110.

Der oder die Primärkondensatoren 212 des Primärschwingkreises können somit abgleichbar ausgebildet werden. Alternativ oder ergänzend kann dies für den Sekundärschwingkreis erfolgen. Dazu kann der Primärkondensator 212 aus mehreren Teilkondensatoren 312, 301 aufgebaut werden. Diese können durch Schalter 302 überbrückt oder zugeschaltet werden, so dass die Kapazität des Primärkondensators 212 einstellbar wird. Dabei ist vorteilhaft, dass die Schaltelemente 302 weder für den Gesamtstrom noch für die Gesamtspannung dimensioniert werden müssen, und somit Kosten-effizient implementiert werden können.

Der Abgleich einer kapazitiven Einheit 212 kann durch folgendes Verfahren erfolgen. Das Fahrzeug 100 kann über der WPT-Bodeneinheit 110 geparkt werden. Es kann dann die Impedanz (oder Resonanzfrequenz) des Ladesystems aus Sicht der WPT-Bodeneinheit 110 und aus Sicht der WPT-Fahrzeugeinheit 120 ermittelt werden. Des Weiteren können Kapazitätswerte (für den Primär- und/oder Sekundärschwingkreis) ermittelt werden, die ein bestimmtes Optimierungskriterium (z.B. einen möglichst hohen Kopplungsgrad) optimieren. Durch Ansteuerung der Schalter 302 können die jeweiligen Kapazitätswerte eingestellt werden. Es kann dann ggf. eine Überprüfung der Impedanz (bzw. der Resonanzfrequenz) erfolgen, und bei Bedarf kann eine erneute Anpassung der Kapazitätswerte vorgenommen werden. Andernfalls kann der Ladevorgang gestartet werden. Sollten sich während des Ladevorgangs Änderungen der Übertragungsparameter ergeben, so kann eine erneute Anpassung der Kapazitätswerte erfolgen.

Wie in den 3 und 4 dargestellt, können Schalter 302 (insbesondere Parallel-Schalter s_n2 bis s_nM, für n = 1, ..., N dazu verwendet werden, einzelne Teilkondensatoren 301 zuzuschalten bzw. zu deaktivieren, um den Kapazitätswert einer einstellbaren kapazitiven Einheit 212, 412 zu verändern. Dabei erfordert die komplette Isolierung eines Teilkondensators 301 die Verwendungen von Schaltern 302, die den Stromfluss in beiden Flussrichtungen unterbinden. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass für einen Schalter 302 zwei MOS-Transistoren verwendet werden, die anti-seriell zueinander angeordnet sind, so dass die Invers-Dioden der MOS-Transistoren anti-seriell zueinander angeordnet sind.

Bei Verwendung der Teilkondensatoren 301 in Zusammenhang mit einem Wechselstrom ist jedoch eine Unterbindung des Stromflusses in nur eine einzige Flussrichtung ausreichend, da nach einem einmaligen Aufladen eines Teilkondensators 301 in einer Flussrichtung durch einen einzigen Schalt-Transistor, ein Entladen des Teilkondensators 301 und ein wiederholtes Aufladen des Teilkondensators 301 unterbunden werden kann. Dies ist beispielhaft in 5a dargestellt. Der Schalt-Transistor 502 ist in Serie zu dem Teilkondensator 301 angeordnet und weist eine Invers-Diode auf, die einen Stromfluss in eine Flussrichtung ermöglicht (z.B. zu dem Teilkondensator 301 hin, wie in 5a dargestellt). Wenn der Schalt-Transistor 502 geöffnet ist, kann bei einer ersten (z.B. negativen) Halbwelle eines Wechselstroms der Teilkondensator 301 über die Invers-Diode geladen werden. Ein Abfließen der Ladung aus dem Teilkondensator 301 in der folgenden (z.B. positiven) Halbwelle wird durch den offenen bzw. sperrenden Schalt-Transistor 502 unterbunden. Des Weiteren erfolgt auch in einer folgenden (z.B. negativen) Halbwelle kein weiterer Stromfluss in den Teilkondensator 301, da dieser bereits geladen ist. Somit kann durch Verwendung eines einzigen Schalt-Transistors 502 eine effiziente und zuverlässige Deaktivierung eines Teilkondensators 301 ermöglicht werden.

5a zeigt weiter einen Ansteuer-Schaltkreis 510, über den der Schalt-Transistor 502 angesteuert werden kann. Der Ansteuer-Schaltkreis 510 umfasst einen Ansteuer-Kondensator 514, der über einen Lade-Widerstand 511 und eine Lade-Diode 512 aufgeladen werden kann. Der Teilkondensator 301 und der Schalt-Transistor 502 können, wie in 5a dargestellt, in Serie zwischen einem ersten Knoten 521 und einem zweiten Knoten 522 angeordnet sein. Der Lade-Widerstand 511, die Lade-Diode 512 und der Ansteuer-Kondensator 514 können ebenfalls in Serie zwischen dem ersten Knoten 521 und dem zweiten Knoten 522 angeordnet sein. So kann der Ansteuer-Kondensator 514 in einer Halbwelle eines Wechselstroms aufgeladen werden. Dabei kann durch den Lade-Widerstand 511 der Stromfluss in den Ansteuer-Kondensator 514 begrenzt werden. Des Weiteren kann durch die Lade-Diode 512 das Abfließen der Ladung des Ansteuer-Kondensators 514 verhindert werden.

Der Ansteuer-Schaltkreis 510 umfasst weiter einen Ansteuer-Widerstand 513, der einen Verbindungspunkt zwischen der Lade-Diode 512 und dem Ansteuer-Kondensator 514 mit dem Gate G des Schalt-Transistors 502 verbindet. Durch den Ansteuer-Kondensator 514 kann somit eine Gate-Source Spannung bereitgestellt werden, um den Schalt-Transistor 502 zu öffnen bzw. zu schließen. Insbesondere kann die Ladung aus dem Ansteuer-Kondensator 514 dazu verwendet werden, um die Gate-Kapazität des Schalt-Transistor 502 über den Ansteuer-Widerstand 513 zu laden. Somit kann die Energie zur Ansteuerung des Schalt-Transistors 502 direkt aus dem Schwingkreis und somit direkt aus der Ladeenergie zum Laden des Energiespeichers 103 entnommen werden. Des Weiteren kann somit auf eine eigene Stromversorgung für die Ansteuerung des Schalt-Transistors 502 verzichtet werden.

Außerdem umfasst der Ansteuer-Schaltkreis 510 einen Optokoppler 516, 517 mit eine Leuchtdiode bzw. Laserdiode 517 als Sender und einem Fototransistor 516 als Empfänger. Der Fototransistor 516 ist eingerichtet, das Gate und die Source des Schalt-Transistors 502 kurzzuschließen. So kann die Gate-Kapazität des Schalt-Transistors 502 wieder entladen werden (z.B. um den Schalt-Transistor 502 zu schließen). Durch den Optokoller 516, 517 wird eine galvanische Trennung zwischen der Ansteuerung des Schalt-Transistors 502 und dem Schwingkreis ermöglicht.

Durch Öffnen des Fototransistors 516 kann mittels der Ladung aus dem Ansteuer-Kondensator 514 der Schalt-Transistor 502 z.B. geschlossen werden. Andererseits kann durch Schließen des Fototransistors 516 der Schalt-Transistor 502 z.B. geöffnet werden.

Der Ansteuer-Schaltkreis 510 kann weiter eine Zener-Diode 515 umfassen, die eingerichtet ist, den Spannungsabfall am Ansteuer-Kondensator 514 und den Stromfluss in den Ansteuer-Kondensator 514 zu begrenzen. Insbesondere kann der Spannungsabfall am Ansteuer-Kondensator 514 auf eine Spannung begrenzt werden, die um einen bestimmten Betrag (z.B. um 1–2V) über der Grenzspannung des Schalt-Transistors 502 liegt.

5b zeigt beispielhafte Spannungen an dem Teilkondensator 301 und an dem Schalt-Transistor 502 im geschlossenen Zustand des Schalt-Transistors 502 (linke Seite) und im offenen Zustand des Schalt-Transistors 502 (rechte Seite). Im geschlossenen Zustand folgt die Spannung am Teilkondensator 301 der Spannung zwischen den Knoten 521, 522. Andererseits ist die Spannung am Schalt-Transistor 502 im offenen Zustand aufgrund der Ladung des Teilkondensators 301 um den Spannungsabfall am Teilkondensator 301 versetzt. Der Schalt-Transistor 502 ist typischerweise für einen derart erhöhten Spannungsabfall ausgelegt.

6a zeigt zwei parallel angeordnete Stränge bzw. Reihenschaltungen von Teilkondensatoren 301 und Schalt-Transistoren 502, sowie jeweilige Ansteuer-Schaltkreise 510 für die Schalt-Transistoren 502. Die Stränge von Teilkondensatoren 301 und Schalt-Transistoren 502 sind paarweise umgekehrt angeordnet. So kann ein symmetrisches Entladen der Teilkondensatoren 301 gewährleistet werden. Insbesondere können so DC-Spannungen an den Teilkondensatoren 301 vermieden werden.

6b zeigt eine Einbettung eines Teil-Kondensators 301, eines Schalt-Transistors 502 und eines Ansteuer-Schaltkreises 510 in einer Kondensator-Matrix 300 mit anderen Teilkondensatoren 301. Beim Start sind alle Kondensatoren 301, 312 ungeladen. Des Weiteren können alle Optokoppler 516, 517 eingeschaltet werden, um die Schalt-Transistoren 502 definiert zu sperren (d.h. zu öffnen). Mit einer definierten Ladefrequenz kann die Schaltung hochgefahren werden, bis die Kondensatoren (insbesondere die Ansteuer-Kondensatoren 514) ausreichend geladen sind, um eine ausreichende Gate-Spannung zum Schalten der Schalt-Transistoren 502 bereitzustellen. Ein Energiefluss zum Laden eines Energiespeichers 103 ist dabei nicht erforderlich. Dabei sind der Ansteuer-Widerstand 513 und der Lade-Widerstand 511 bevorzugt derart dimensioniert, dass der Strom über den Lade-Widerstand 511 zum Laden des Ansteuer-Kondensators 514 größer ist als der Entladestrom über den Ansteuer-Widerstand 513 und über den geschlossenen Fototransistor 516.

Nach Aufladen der Ansteuer-Kondensatoren 514 können je nach Bedarf die Schalt-Transistoren 512 einzelner Teilkondensatoren 301 eingeschaltet werden, um eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises anzupassen. Zu diesem Zweck können je nach Bedarf einzelne Optokoppler 516, 517 ausgeschaltet werden, um die entsprechenden Schalt-Transistoren 502 zu schließen. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 511, 513 kann gewährleistet werden, dass die Ansteuer-Kondensatoren 514 stets aufgeladen sind, um ein einschalten der Schalt-Transistoren 512 zu ermöglichen.

In diesem Dokument wurde eine einstellbare kapazitive Einheit beschrieben, die mit einem relativ geringen schaltungstechnischen Aufwand implementiert werden kann. Des Weiteren weist die einstellbare kapazitive Einheit eine flexible, modulare Bauweise auf, bei der z.B. jeder Schalt-Transistor 502 gleich ausgeführt werden kann. Außerdem wird eine Skalierung der einzelnen Schalt-Transistoren 502 auf die jeweiligen Schaltanforderungen ermöglicht. Der beschriebene Ansteuer-Schaltkreis ermöglicht eine energieeffiziente Ansteuerung, da ein Teil des Ladestroms für die Gate-Ansteuerung der Schalt-Transistoren 502 verwendet wird. Die Ansteuerung der Schalt-Transistoren 502 kann über Schalteingänge von ein oder mehreren Optokopplern 516, 517 erfolgen. Dabei kann eine Umschaltung der einzelnen Schalt-Transistoren 502 während des Betriebs eines Schwingkreises erfolgen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können der Schalt-Transistor und/oder der beschriebene Ansteuer-Schaltkreis für Kondensatoren in diversen unterschiedlichen Topologien von Schwingkreisen (z.B. parallele oder serielle Schwingkreise) und/oder in anderen Komponenten eines Ladesystems (z.B. in einem Kompensationsnetzwerk oder Filter) angewendet werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.