Interoperabilitätsdefinition
Die Interoperabilitätsdefinition ist als Quellendefinition formuliert. Dies bedeutet, dass sich alle Definitionen auf die primäre Feldplatte der Versorgungseinheit beziehen, welche die elektrische Leistung zur Verfügung stellt. Dieses Konzept erlaubt die Konstruktion unterschiedlicher sekundärer Feldplatten, welche gemeinsam mit der definierten primären Feldplatte einen komplett bestimmten und damit berechenbaren Transformator ergeben, der ein durch den Verbraucher bestimmtes Verhalten aufweist. Weiterhin kann derart eine technologieneutrale Definition formuliert werden, welche alleinig auf den die Schnittstelle darstellenden Luftspalt bezogene Größen verwendet.Die Definition der Interoperabilität gliedert sich in die eigentliche Quellendefinition zur Festlegung der Geometrie und der elektrischen Betriebsgrößen. Diese Interoperabilitätsdefinition wird durch eine Referenzgeometrie ergänzt, welche für Qualifizierungsmessungen verpflichtend vorgesehen ist. Darüber hinaus werden informativ Beispielgeometrien für sekundäre Feldplatten beschrieben. Diese dienen neben den experimentell untersuchten Abnehmern als Referenz für die Analyse der Eigenschaften der Interoperabilitätsdefinition.
Quellendefinition
Geometrische Definition
Die geometrische Definition beschreibt einerseits den magnetischen Kreis der primären Feldplatte und andererseits die Lage der primären Wicklung. In der Interoperabilitätsdefinition wird die Wicklung nicht im Detail festgelegt, sondern eine repräsentative einzelne Windung mechanisch definiert, welche das Verhalten komplexer Windungsanordnungen im Wesentlichen abbildet. Diese einzelne Ersatzwindung wird als Wicklungsschwerpunkt bezeichnet. Der Vorteil liegt darin, dass auf diese Art durch Veränderung von Windungszahlen eine Anpassung an verschiedene Versorgungsspannungen erfolgen können und herstellerspezifische Details umsetzbar bleiben, die die Interoperabilität nach wie vor gewährleisten.Als Wicklungstyp wird eine Doppelflachwicklung gewählt. Diese besteht aus zwei spiegelsymmetrischen rechteckförmigen Teilwicklungen. Die Wicklung ist komplett mit einem magnetischen Rückschluss (Ferrit) hinterlegt und flächig verteilt über dieser Oberfläche angeordnet. Der Referenzpunkt P für die Wicklungsschwerpunkte ist der Punkt auf einem Viertel der Diagonalen der Ferritebene.
Die Definition der Quelle erfolgt für eine unterflurige Anordnung, da diese Anordnung den für die Interoperabilitätsdefinition adressierten Einsatzbereich im öffentlichen Raum repräsentiert und dieser Fall verglichen mit einer Überflurvariante den elektromagnetische schwierigeren Fall darstellt und daher möglichst exakt abgebildet sein sollte.
Elektrische Definition
Die elektrische Definition beschreibt das Betriebsverhalten der Quelle. Als Quellgröße ist die Druchflutung definiert, so dass die Feldplatte von einer Stromquelle gespeist wird. Die Durchflutung stellt die Summe der Ströme dar, welche die gedachte Verbindungslinie zwischen den Zentren A und B der beiden Teilwicklungen fließen. Die Durchflutung fließt damit je zur Hälfte in den beiden Teilwicklungen. Der Grund für die Auswahl der Durchflutung liegt darin begründet, dass diese Quellgröße auch im Leerlauf, d.h. ohne das Vorhanden sein einer sekundären Feldplatte erzeugt werden kann, ohne das System technisch überdimensionieren zu müssen. Somit bleibt das Verhalten der Quelle auch dann definiert, wenn der Abnehmer ein schadhaftes Verhalten aufweist. Folgende elektrische Betriebsparameter sind für den Bemessungspunkt (Nennpunkt oder Arbeitspunkt) festgelegt.| Größe |
Wert |
Einheit |
|---|---|---|
| Durchflutung (nominal) |
120 |
Aeff |
| Systemfrequenz |
140 |
kHz |
| Netzleistung (nominal) |
3,3 |
kW |
| Durchflutungsrampe min. |
250 |
Aeff/s |
Grundsätzlich besteht der Quellenansatz darin, dass die Durchflutung mit dem Nennwert konstant gehalten oder abgeschaltet wird. Dennoch wird in der Regel eine gesteuerte Stromquelle verwendet, so dass die Durchflutung im Dauerbetrieb um den Nennpunkt herum zumindest in einem beschränktem Arbeitsbereich gesteuert werden kann. Das ermöglicht eine exakte Einstellung der nominellen Netzleistung auch wenn die äußeren Gegebenheiten wie etwa der Luftspalt von den Bemessungsbedingungen abweichen. Weiterhin kann beim Einschalten der Durchflutung eine Rampe durchlaufen werden, deren Mindeststeilheit bis zum Erreichen des Betriebsbereiches vorgegeben ist. Dieser Parameter gewährleistet die Implementierung zeitlicher Abschaltbedingungen, insbesondere einer Abschaltung, wenn sich trotz Durchflutung kein Leistungsfluss einstellt. Eine derartige Situation tritt auf, wenn die Durchflutung ohne das Vorhandensein eines Abnehmers aktiviert wird.
Referenzfeldplatte
Um eine Interoperabilität von kontaktlosen Energieübertragungssystemen
in der Praxis garantieren zu können, müssen Zertifizierungsprozeduren
eingeführt werden. Die Zertifizierung von Abnehmern für kontaktlose
Energieübertragung muss für diesen Zweck auf einer Testeinrichtung mit
einer interoperablen Quelle stattfinden. Derartige Testaufbauten und
darauf beruhende Messungen müssen an verschiedenen Orten reproduzierbar
durchgeführt werden können. Die neutrale geometrische Quellendefinition
für die Wicklung basierend auf einem repräsentativen
Wicklungsschwerpunkt langt für derartige Zwecke nicht aus. Aus diesem
Grund wird eine Referenzfeldplatte mit einer exakten Wicklungsanordnung
für die Herstellung von Testständen definiert.Für die Referenzfeldplatte wird eine verteilte Wicklungsanordnung gewählt, die eine dreieckförmige relative Stromdichtenverteilung gemäß der folgenden Abbildung aufweist.
Die exakte Lage der Windungen ergibt sich daraus gemäß der folgende Abbildung.
Beispiele von Abnehmerfeldplatten
In diesem Abschnitt werden zwei beispielhafte sekundärseitige Feldplatten für die Abnahme der Energie seitens eines mobilen Verbrauchers beschrieben. Diese Beispiele sind nicht Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition, sondern dienen lediglich der Durchführung von Systemanalysen, die nur in Verbindung von interoperabler Primärseite und einem sekundären Abnehmer durchgeführt werden können. Die beschriebenen Beispiele sind geometrisch sehr unterschiedlich gewählt, so dass die große geometrische Varianz von Abnehmen deutlich wird. Die erste großflächige Version zeigt einen Abnehmer, welcher die Flussdichten im Luftspalt klein hält, die zweite kompakt bauende Version zeigt eine bauraumoptimierte Lösung.Flussreduzierende sekundäre Feldplatte
Eine die Flussdichte stark reduzierende Feldplatte wird mit einer
relativ großen Fläche auf der Sekundärseite erreicht. Hierbei wird als
Spulentyp wie auch bei der interoperablen Primärseite eine
Doppelflachwicklung gewählt. Die folgende Abbildung zeigt die für
Vergleichsrechnungen herangezogene Beispielanordnung. Innerhalb des
spezifizierten Wicklungsbereiches sind die Windungen homogen verteilt
und bilden somit eine rechteckförmige Stromdichtenverteilung.
Bauraumreduzierende sekundäre Feldplatte
Die am kompaktesten bauenden Feldplatten mit nach wie vor relativ großen Kopplungsfaktoren sind mit dem Wicklungstyp Solenoid realisierbar. Zur Analyse wird eine Feldplatte mit lediglich 33 cm Außenmaß herangezogen, deren exakten Abmessungen in der folgenden Abbildung angegeben sind. Um Streufelder des Solenoiden nach oben zu vermeiden, muss dieser Wicklungstyp mit einem in der Abbildung nicht dargestellten Aluminiumrückwandschirm ausgestattet werden. Dieser spiegelt die nach oben verlaufenden Feldlinien nach unten, so dass diese zur Kopplung beitragen. Seine Fläche muss über die Ferritfläche weit hinausragen. Dimensionen des Rückwandschrims sind bei konkreten Rechnungen angegeben.Der Solenoid trägt im Wicklungsbereich eine homogen verteilte Wicklung.
Steuerung
Schon aus energetischen Gründen zur Vermeidung von
Verlusten ist es nicht sinnvoll, dass die primäre Feldplatte aktiviert
ist, wenn sich dort kein Fahrzeug befindet oder dieses keine Energie
abnimmt. Somit ist es notwendig, dass die magnetische Quelle erst auf
Anforderung zielgerichtet eingeschaltet wird und damit einer externen
Steuerung unterliegt.Die Interoperabilitätsdefinition erfordert ein vom Verbraucher (Fahrzeug) ausgehendes binäres Signal, welches von der Quelle empfangen wird. Eine Aktivierung der Quelle erfolgt nur dann, wenn dieses Signal empfangen wird. Eine zwingende Anforderung an dieses Signal ist eine begrenzte Reichweite, d.h. der Empfang des Signals darf nur in einer definierten Entfernung des Abnehmers von der Quelle möglich sein. Im wesentlichen sichert dies ab, dass nur jene Feldplatte aktiviert wird auf welcher das Fahrzeug auch tatsächlich positioniert ist und stellt sicher, dass eine ausreichende Überdeckung von primärer und sekundärer Feldplatte besteht und eine sinnvolle Energieübertragung stattfinden kann.
Realisiert wird diese Funktion durch eine in der primären (und sekundären) Feldplatte mittig positionierte Rahmenspule. Wird in dieser Spule eine definierte hochfrequente Wechselspannung über einem Schwellwert liegende Wechselspannung gemessen, so dient dies zur Aktivierung der primären Feldplatte. Auch dieses Kommandosignal wird daher mittels einer induktiven Kopplung generiert. Es handelt sich um ein Punkt zu Punkt Signal (P2PS) vom Fahrzeug zur Quelle.
Dieses steuernde Signal ist zwingender Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition.
