Verluste in drahtlosen Ladesystemen Transfer-Effizienz verbessern

WPT-Systeme als lose gekoppelter Transformator

Mit Hilfe einer Schaltungssimulation wurde der Einfluss der vorgestellten Parameter eines WPT-Systems untersucht. Das verwendete Simulationsmodell ist in Bild 4 dargestellt. Die Schaltung besteht aus den beiden Resonanzkreisen mit L1 und C2 für die Primärseite und L2 und C2 für die Sekundärseite. Die Verluste in den WPT-Spulen wurden durch die Widerstände RS1 und RS2 berücksichtigt. Auf der Sekundärseite befindet sich der Lastwiderstand RL, der die Batterie nachbildet.

Der Einfluss der zusätzlichen Induktivitäten L3 und L4 als serielle Kompensationselemente wurde ebenfalls untersucht. Als Vergleichsparameter wurde die Transfer-Effizienz n zwischen den beiden Resonanzkreisen definiert:

(2)    Transfer-Effizienz n = P2 / P1

Die Transfer-Effizienz gibt direkt den Einfluss der jeweiligen Variablen auf die Leistungsübertragung an. Die für die Berechnung verwendeten Parameter sind in der Tabelle 3 zusammengefasst.

Um die Komplexität des Modells zu reduzieren, wurden die Parameter der Primär- und der Sekundärspule als symmetrisch angenommen. Die Verluste im Inverter mit PFC oder im Gleichrichter, die für die Berechnung der Gesamteffizienz des WPT-Systems notwendig wären, wurden vernachlässigt.

Einfluss auf die Effizienz

Im ersten Schritt wurde der Einfluss der Spulenverluste RSv (v= 1, 2) in Abhängigkeit vom Koppelfaktor k berechnet. Die Ergebnisse sind in den Kurven in Bild 5 für verschiedene Lastwiderstände RL = 10 Ω und RL = 50 Ω dargestellt. Die Kompensationselemente L3 und L4 wurden für die Berechnung entfernt.

Die Kurven der berechneten Effizienz zeigen einen deutlichen Einfluss der Spulenverluste auf die Effizienz. Diese wird mit abnehmender Kopplung und ansteigenden Verlusten kleiner. In den bisherigen Ausführungen wurde gezeigt, dass der typische Wert des Koppelfaktors k bei WPT-Systemen zwischen 0,1 und 0,3 liegt.

Wie man sieht, beeinträchtigt auch die Höhe des Lastwiderstandes das Ergebnis. Bei hohen Spulenverlusten RSv und hohem Lastwiderstand RL beträgt die Transfer-Effizienz selbst bei guter Kopplung von k = 0,3 stets weniger als 80 Prozent.

Das Diagramm in Bild 6 zeigt die berechnete Transfer-Effizienz als Funktion des Lastwiderstandes RL bei verschiedenen Koppelfaktoren und Verlustwiderständen. Im Fall von verlustfreien Spulen beeinflussen der Lastwiderstand RL und der Koppelfaktor k die Effizienz nur geringfügig. Sobald die Verlustwiderstände mit 0,25 Ω eingefügt werden, sinkt die Effizienz jedoch deutlich.

Während die Transfer-Effizienz bei mittlerer und guter Kopplung für die verschiedenen Lastwiderstände noch über 80 Prozent beträgt, lässt sich im Fall einer schwachen Kopplung von k = 0,1 nur eine unbefriedigende Effizienz von weniger als 80 Prozent erwarten.

Die Spulenverluste zeigen also einen starken Einfluss auf die Transfer-Effizienz. Bei niedrigen Lastwiderständen RL und schwacher Kopplung k besitzen die Verluste einen wesentlichen Beitrag bei der Berechnung der Effizienz. Dieser Aspekt ist bei der Entwicklung und Dimensionierung der WPT-Spulen für die Serienproduktion zu berücksichtigen.

Einfluss auf die Resonanzfrequenz

In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss des Koppelfaktors k auf die Resonanzfrequenz f0 untersucht. In Bild 7 ist die Resonanzfrequenz als Funktion des Koppelfaktors k aufgetragen. Ohne Kompensationsspulen L3 und L4 verändert sich die Resonanzfrequenz deutlich mit dem Koppelfaktor k, in dem berechneten Beispiel zwischen 79 und 100 kHz, und liegt somit außerhalb des für die WPT-Anwendungen vorgesehenen Frequenzintervalls von 79 bis 90 kHz. Zudem erhöht die große Frequenzänderung die Ansprüche an den Abstimmkreis im Inverter oder im Resonanzkreis, was zusätzlichen Aufwand und damit höhere Kosten bedeutet.

Wie Bild 7 zeigt, reduziert sich die Frequenzänderung durch die Einführung der Serienkompensationselemente. Bei einem Wert von 150 µH für die beiden Induktivitäten L3 und L4 reduziert sich das Frequenzintervall auf 79 bis 83 kHz für einen weiten Bereich des Koppelfaktors k. Im Gegensatz zu den Verlusten in den WPT-Spulen L1 und L2 beeinflussen die Verluste in den Induktivitäten L3 und L4 die Effizienz nur geringfügig. Das liegt daran, dass die Induktivitäten L1 und L2 Teil des Resonanzkreises sind und daher hohe Ströme bei Resonanz tragen. Weiterhin beeinflussen deren Verluste direkt die Güte des Resonanzkreises und damit die Transfer-Effizienz. Die Verluste in den Serieninduktivitäten L3 und L4 lassen sich als Serienschaltung von kleinen Widerständen in Reihe zur Impedanz der Quelle oder des Lastwiderstandes RL beschreiben. Daher haben ihre Werte nur einen geringen Einfluss.

Fazit

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Verluste in den WPT-Spulen und des Koppelfaktors auf die Transfer-Effizienz untersucht. Für die Berechnungen kam das Ersatzmodell eines lose gekoppelten Transformators zum Einsatz, das die Kopplung der beiden Resonanzkreise beschreibt. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade bei einem WPT-System gibt es einige Parameter, die als Variablen für die Berechnung angesetzt werden müssen. Die verwendeten Parameter wurden diskutiert und schließlich mit einem typischen Wertebereich als Eingabe für die Berechnung verwendet. Anhand der Ergebnisse zeigte sich, dass die Verluste in den WPT-Spulen einen deutlichen Einfluss auf die Transfer-Effizienz besitzen. Ebenso ist ein Einfluss der Lastimpedanz bei schwacher Kopplung und hohen Verlusten vorhanden. Die Verluste in den WPT-Spulen stellen somit ein wesentliches Kriterium für den Spulenentwurf bei der Produktion hoher Stückzahlen dar. Während sich für die Prototypen und geringe Musterstückzahlen qualitativ hochwertige HF-Litze verwenden lassen, wird der Preis der HF-Litze bei großen Stückzahlen ein wesentliches Kriterium bei der Materialauswahl.

Die Variation der Resonanzfrequenz lässt sich durch Einführung von seriellen Kompensationselementen reduzieren. Diese Erkenntnis hat Einfluss auf die Entwicklung von WPT-Systemen, da sich mit Hilfe der Serienkompensation die Anforderungen an die Anpassungsschaltung im Inverter oder im Resonanzkreis reduzieren lassen. Die geringere Komplexität trägt somit ebenfalls zur Kostenreduktion bei.

Literatur

[1] IEC 619801-1: „Electric vehicle Wireless Power Transfer Systems (WPT) - Part 1: General requirements”, IEC-Dokument Version 69/370/FDI, 2016.
[2] Siqi Li, Chunting Chris Mi: „Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Applications”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 3, p. 1204 - 1208, März 2015.
[3] IEC 619801-3: „Electric vehicle Wireless Power Transfer Systems (WPT) - Part 3: Specific Requirements for Magnetic Field Wireless Power Systems”, IEC-Dokument Version 69/383A/CD, 2016.
[4] SAE J2954: „Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-In / Electric Vehicles and Automated Charging and Alignment Methodology”, SAE Recommended Practice, Proposed Draft, Stand Dezember 2016.
[5] Albach M.: „Die Verluste von Luftspulen”, ECPE Cluster Schulung - Induktivitäten in der Leistungselektronik, Seiten 35 - 60, 23. - 24. Juli 2013.
[6] Pack Feindrähte: „Technische Daten - Rupalit Hochfrequenzlitzen“, http://www.pack-feindraehte.de/de/technische_daten/litzentabelle.html, aufgerufen: Februar 2017.
[7] IEC EN 60317-11:2000: „Specifications for Particular Types of Winding Wires, Part 11: Bunched solderable Polyurethane Enamelled Round Copper Wires, Class 130, with Silk Covering“, IEC-standard, 2000.

 

Die Autoren

Dr. Christof Ziegler

studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt Hochfrequenztechnik und Kommunikationstechnik an der Universität Erlangen. Nach seiner Promotion im Jahr 2003 entwickelte er Funk- und Kommunikationssyteme für den Automobilbereich. Seit 2015 ist Dr. Ziegler im EMV-Labor der Firma Epcos in Regensburg tätig und unterstützt die Entwicklung und Charakterisierung von Komponenten für drahtlose Ladesysteme. Als Mitglied des Gremiums GAK 353.0.1 „Berührungsloses Laden von Elektrofahrzeugen“ in der DKE gestaltet er die Normung zu diesem Thema.

christof.ziegler@epcos.com

Dr. Stefan Weber

studierte Elektrotechnik in Ilmenau und promovierte auf dem Gebiet der EMV in der Leistungselektronik. Er gestaltet seit 2007 die internationale Normung zur Sicherheit von EMV-Bauelementen mit und ist Obmann des Gremiums K623 in der DKE. Dr. Weber ist Author zahlreicher Veröffentlichungen zu den Themen EMV und passive Baulemente in leistungselektronischen Anwendungen. Seit 2012 leitet er die Abteilung „Development and Application“ der Business Group Magnetics bei Epcos in München.

stefan.weber@epcos.com


Georg Heiland ist bei Finepower tätig.
g.heiland@finepower.com


Denis Kraus ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität München.
denis.kraus@tum.de