Das kabellose Laden eines E-Modellautos. Grundlagen und Experimente

INHALTSverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Stand der Technik
1.1.1 Powermat – Drahtlose Akkuladetechnik

2 Grundlagen
2.1 Elektromagnetismus
2.2 Magnetische Feldstärke
2.3 Übertragungsarten:
2.3.1 Kapazitive Kopplung:
2.3.2 Induktive Kopplung:
2.3.3 Radiative Kopplung:
2.3.4 Galvanische Kopplung:
2.4 Funktionsprinzip
2.5 Grundaufbau

3 Experimente zum Prinzip der Luftspulen Übertragung
3.1 Ladespule

4 Entwicklung der Schaltung
4.1 Beschreibung der Dioden
4.2 Primärseite
4.2.1 Beschreibung der wichtigsten Bauteile:
4.3 Sekundärseite

5 Tests
5.1 Spannungsverläufe bei Last und im Leerlauf
5.2 Deckungsgleichheit der Spulen
5.3 Ladekurve des RC-Auto

6 Mechanischer Aufbau

7 Schlussfolgerungen
7.1 Anpassung der Resonanzfrequenz
7.2 Automatische Positionierung der Sekundärspule
7.3 Änderung Geometrie der Spule
7.4 Adaptierung des entwickelten Modells für KFZ Elektroautos

8 Literaturverzeichnis

9 ANHANG

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1 Powermat

Abbildung 1.2 Powermat Außenhülle mit Ladetechnik für das iPhone

Abbildung 2.1 Magnetische Feldlinienverteilung

Abbildung 2.2 Magnetische Feldstärke

Abbildung 2.3 Blockschaltbild Funktionsprinzip

Abbildung 2.4 Grundaufbau eines kontaktlosen Energieübertragungssystems

Abbildung 3.1 Induktionskochplatte mit selbstgebauter Spule

Abbildung 3.2 Ladespule IWAS-4832FF-50

Abbildung 4.1 Diagramm der Sekundärspannung bei 50 kHz

Abbildung 4.2 Spannung im Verhältnis zur Frequenz

Abbildung 4.3 Diodenkennlinien

Abbildung 4.4 Kenndaten der Ultrafast Dioden

Abbildung 4.5 Versuchsaufbau Gleichrichterschaltung

Abbildung 4.6 Versuchsaufbau der Primärschaltung

Abbildung 4.7 Erster funktionierender Aufbau

Abbildung 4.8 Schaltbild eines invertierenden Schmitt-Triggers mit Ue als Eingangsspannung und Ur als Referenzwert

Abbildung 4.9 Ansteuerung einer n-Kanal-Halbbrücke durch eine Bootstrapping-Schaltung

Abbildung 4.10 Aufbau eines n-Kanal MOSFET

Abbildung 4.11 Schaltplan der Primärplatine

Abbildung 4.12 Print der Primärplatine

Abbildung 4.13 Foto der Primärplatine

Abbildung 4.14 Schaltplan der Gleichrichterplatine

Abbildung 4.15 Print der Gleichrichterplatine

Abbildung 4.16 Foto der Gleichrichterplatine

Abbildung 5.1 Oszilloskop Bild der Sekundär und Primärspannung mit angeschlossenem Akku

Abbildung 5.2 Oszilloskop Bild der Sekundär und Primärspannung im Leerlauf

Abbildung 5.3 Zusammenstellungsfoto der zwei Platinen und der zwei Spulen im Probebetrieb

Abbildung 5.4 Spulen beim Verschiebeversuch

Abbildung 5.5 Spannung, Strom und Leistungsverlauf der Ladestation

Abbildung 5.6 Leistungen in Abhängigkeit zum Deckungsgrad

Abbildung 5.7 Zugeführte und abgebende Leistung und Wirkungsgrad im Verhältnis zum Deckungsgrad

Abbildung 5.8 Die Spannungen im Verhältnis zum Deckungsgrad

Abbildung 5.9 Messwerte des Ladezeitraumes

Abbildung 5.10 Ladestromverlauf

Abbildung 6.1 Die fertige Ladestation mit RC-Auto

Abbildung 7.1 Beispiel von Ladespulen der Witricity

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Als Projekt haben wir ein ferngesteuertes Auto gewählt, welches kontaktlos den Strom in den Akkumulator des Autos übertragen soll und somit diesen auflädt.

Beim Projekt „kontaktloses Laden eines Modellautos“ wird das Thema kontaktlose Energieübertragung mittels Induktion behandelt. Das Funktionsprinzip basiert auf der Energieübertragung eines Transformators. Die unter der Oberfläche angebrachte Induktionsschleife erzeugt ein Magnetfeld, eine am Fahrzeugboden montierte Aufnahmespule wandelt diese wieder in elektrischen Strom um, der wiederum den Akkumulator des Elektrofahrzeuges lädt.

Ziel ist ein Modellauto nur durch Anfahren einer vordefinierten Parkfläche zu laden. Es werden zuerst Versuche durchgeführt, um herauszufinden, wie es möglich ist ausreichend Energie zu übertragen. Bei den ersten Versuchen sollen zur Verdeutlichung eine Taschenlampen Glühbirne, kontaktlos zum Leuchten gebracht werden. Gleichzeitig wird die übertragene Energie mit Hilfe eines Oszilloskops und Multimetern gemessen. Das Ziel der Versuche ist eine Leistung von mindestens 2W zu erreichen, da diese benötigt wird um den Akku des vorgesehenen Modellautos zu laden.

Anschließend wird der Versuchsaufbau verfeinert, um die Technik in ein vorhandenes Modellauto einzubauen.

Im vorliegenden Projekt wird ein Oszillator mit einer Spannung von 19V Gleichspannung (ein handelsübliches Netzteil eines Laptops) gespeist. Dieser Oszillator wiederum liefert eine Sinusschwingung an einen Schwingkreis aus einer Spule mit nur einer Windung und diversen Kondensatoren. Bei dieser zuvor genannten Kombination aus Oszillator und Schwingkreis handelt es sich um die Primärseite, welche die Energie sendet. Die Sekundärseite, die kontaktlos Energie empfängt, besteht wiederum aus einer Spule und Kondensatoren. Am Ausgang dieses Schwingkreises liegt eine Wechselspannung mit Sinusschwingung an, die zur weiteren Verwendung gleichgerichtet wird.

Bei der Kombination aus der Induktivität der Spule und der Kapazität der Kondensatoren handelt es sich um einen Schwingkreis der eine Eigenfrequenz, genannt Resonanzfrequenz, besitzt. Als Ergebnis der Versuche lässt sich festhalten, dass es wichtig ist, dass die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise so genau wie möglich aufeinander abgestimmt werden. Weichen die Resonanzfrequenzen nur gering voneinander ab, so kann festgestellt werden, dass die übertragene Energie deutlich geringer ausfällt. Des Weiteren zeigen die Versuche, dass auch die Position der Sekundärspule eine wesentliche Rolle spielt.

Die Vorteile der kontaktlosen Energieübertragung zeigen sich insbesondere in der Wartungsfreiheit und der Flexibilität. Während bei der traditionellen Energieversorgung Schleifkontakte oder beanspruchte Leitungen getauscht werden müssen, ist dies bei der berührungslosen Energieübertragung nicht mehr notwendig.

Durch den Einsatz der kontaktlosen Energieübertragung lassen sich Wartungsarbeiten an Anlagen und Fahrzeugen um bis zu 90% reduzieren

1.1 Stand der Technik

Im folgenden Kapitel wird eine Auswahl an Systemen vorgestellt, die bereits auf dem Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung basieren.

1.1.1 Powermat – Drahtlose Akkuladetechnik

Bei Powermat handelt es sich um eine induktive Ladetechnik aus den USA. Es wird für den Ladevorgang eine sogenannte Ladematte benötigt, die an das Stromnetz angeschlossen wird. Für die zu ladenden Mobiltelefone oder Notebooks benötigt man spezielle Akkus, die samt neuem Akkufachdeckel mitgeliefert werden. Für das iPhone von Apple gibt es eine spezielle Außenhülle, in der die Ladetechnik integriert ist. Die für Powermat aufgerüsteten Mobiltelefone lassen sich dann künftig aufladen, indem sie lediglich auf die Ladematte gelegt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1 Powermat^[1]

Abbildung 1.2 Powermat Außenhülle mit Ladetechnik für das iPhone^[2]

2 Grundlagen

In diesem Kapitel werden Grundbegriffe, Phänomene und Definitionen zum Magnetismus und Wechselstromkreis erläutert.

2.1 Elektromagnetismus

Ein stromdurchflossener Leiter ist immer von einem Magnetfeld umgeben. Für einen geraden Stromleiter sind die magnetischen Feldlinien konzentrische Kreise. Bei einer Spule überlagern sich die Felder der einzelnen Windungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Magnetische Feldlinienverteilung^[3]

Das Feld im Inneren einer langen Zylinderspule ist homogen. Die inhomogenen Feldteile, die an den Enden der Zylinderspule auftreten, sind bei einer Ringspule nicht vorhanden. Im Inneren einer Ringspule sind die Feldlinien in sich geschlossen.

2.2 Magnetische Feldstärke

Die Stärke des magnetischen Feldes kann durch die Kraftwirkung bestimmt werden, die es auf einen im Inneren des Feldes befindlichen Probemagneten ausübt. Da kein Magnetpol alleine vorkommt, erfahren Nord- und Südpol des Probemagneten entgegen gerichtete Kraftwirkung. Es entsteht also ein Drehmoment, das den Probemagneten in Feldlinienrichtung orientiert. Dieses Drehmoment ist ein Maß für die magnetische Feldstärke an dieser Stelle. Bei Zylinderspulen ist die magnetische Feldstärke der Windungszahl und der Stromstärke proportional, sowie der Spulenlänge umgekehrt proportional.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Magnetische Feldstärke^[4]

2.3 Übertragungsarten:

Folgende Übertragungsarten bzw. Kopplungsmethoden werden unterschieden:

2.3.1 Kapazitive Kopplung:

Grundlage für die Anwendung von kapazitiver Kopplung ist eine gegenseitig kapazitive Wirkung zwischen zwei Stromkreisen. Eine Potentialdifferenz zwischen den Stromkreisen führt zum Aufbaueines elektrischen Feldes und ermöglicht die Übertragung.

2.3.2 Induktive Kopplung:

Das Prinzip der induktiven Kopplung o.a. Gegeninduktion ist die gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter elektrischer Stromkreise durch einen magnetischen Fluss. Eine der geläufigsten Beispiele für die Anwendung dieser Technologie ist der Transformator.

2.3.3 Radiative Kopplung:

Radiative Felder spielen in der Praxis eine Rolle für die kontaktlose Energieübertragung bei höheren Frequenzen. Das Fernfeld, in dem sich die Empfängerantenne befinden soll, ist bei niedrigen Frequenzen sehr weit vom Sender entfernt. Niederfrequenten Antennen sind jedoch in Bezug auf ihre enormen konstruktiven Ausmaße von geringer technischer Bedeutung.

2.3.4 Galvanische Kopplung:

Galvanische Kopplung tritt dann ein, wenn zwei Stromkreise miteinander leitend verbunden sind und so der Stromfluss über eine gemeinsame Impedanz ermöglicht wird. Induktive und kapazitive Kopplungen werden ausschließlich bei Übertragungen mit kleinen Abständen genutzt. Das Erzeugen eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes mit größerer Reichweite erfordert hohe Spannungen und Ströme und bietet somit keine wirtschaftlich sinnvolle Alternative. Für den Gebrauch bei geringen Abständen gehören diese Technologien zum Standard in der kontaktlosen Energieübertragung.

Will man Energie mit Hilfe der radiativen Kopplung, d.h. mittels elektromagnetischer Wellen übertragen, dann muss der Empfänger außerhalb des Nahfeldes positioniert werden, damit eine induktive Einkopplung vermieden wird. Für viele Anwendungen hat diese Besonderheit einen starken Einfluss auf den Kostenfaktor und auf die Realisierungsaufwand. Zusammen mit dem, im Gesetz definierten Begrenzungen für die radiative Leistungsabstrahlung bei bestimmten Frequenzen, ist das der Grund für die begrenzten Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie. Die galvanische Kopplung schließt sich aufgrund der Grundbedingung eines gemeinsamen Potentials zwischen Sender und Empfänger als kontaktlose Energieübertragungstechnologie aus.

2.4 Funktionsprinzip

Mittels eines Oszillators wird ständig Energie zum LC-Schwingkreis auf der Primärseite zugefügt. Dies ist notwendig, da im schwingungsfähigen System verlorene elektrische Energie (z.B. durch ohmschen Widerstand in Wärme umgewandelt) durch eine Spannungsquelle ausgeglichen werden muss. Der Sender bringt den Schwingkreis auf der Empfängerseite durch die Resonanz zum Schwingen. Diese Schwingungen verursachen eine Änderung des magnetischen Flusses, dass Selbstinduktion zur Folge hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Blockschaltbild Funktionsprinzip

2.5 Grundaufbau

Das vereinfachte Modell der kontaktlosen Energieübertragung besteht aus den Modulen: „Sender“, „Übertragungsmedium“ und „Empfänger“.

Der Sender stellt hierbei die Energie zur Verfügung und ermöglicht eine Überführung ins

Übertragungsmedium. Ein Übertragungsmedium erlaubt es durch seine materiellen Eigenschaften

einen Übertragungskanales herzustellen. Der Empfänger entnimmt dem Übertragungsmedium die bereitgestellte Energie.

Abbildung 2.4 Grundaufbau eines kontaktlosen Energieübertragungssystems

3 Experimente zum Prinzip der Luftspulen Übertragung

Zu Beginn wurden wie in der Abbildung 3.1 Induktionskochplatte mit selbstgebauter Spuleersichtlich mit einer handelsüblichen Induktionskochplatte die ersten Versuche gemacht. Es wurde ein 1,5mm² Yf Draht zu einer mehrlagigen Luftspule gewickelt. Diese Spule wurde auf eine Induktionskochplatte gelegt und mit einem Topf die Topferkennung aktiviert um eine Leistungsabgabe der Induktionskochplatte zu ermöglichen. Darauf folgend wurde die Kochplatte eingeschaltet und an beiden Enden der Spule eine 25W/230V Kerzenlampe angeschlossen, welche im Anschluss zu Leuchten begonnen hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1 Induktionskochplatte mit selbstgebauter Spule

Dabei wurden grundsätzliche Erkenntnisse zum Lufttransformator in der Praxis gewonnen. Es kam bei diesem Versuch zu einer großen Hitzeentwicklung weil sich durch die induzierten Wirbelströme die Eisenplatten stark erhitzten. Der Wirkungsgrad von 20W/1000W war nicht sehr zufriedenstellend.

Des Weiteren wurde mit einem Frequenzgenerator empirisch die optimalste Frequenz der Primärspule ermittelt. Eine anschließende Internet-Recherche ergab, dass die Qi Handyspulen, aufgrund der hohen Effizienz und der kompakten Abmessungen als geeignet für unsere Ladestation befunden wurden.

[...]

---

^[1] Powermat 1

^[2] Powermat 2

^[3] Taschenbuch der Physik

^[4] Taschenbuch der Physik