kontaktloses Laden eines Modellautos - Hit - FH

Teamorientierte Projektstudie MTB640 SS 2010
Prof. Dr.-Ing. Peter Weber
Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Beck
email: peter.weber@hs-karlsruhe.de
email: bernhard.beck@hs-karlsruhe.de
Kontaktloses Laden eines Modellautos
Marcel Jung
Matrikelnr.: 25751
juma0011@hs-karlsruhe.de
Alexandra Kleefeld
Matrikelnr.: 25787
klal0021@hs-karlsruhe.de
Leonid Morgus
Matrikelnr.: 25746
mole0011@hs-karlsruhe.de
Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Zur Erstellung dieses Dokumentes wurden folgende Hilfsmittel verwendet.
Software:

Microsoft® Office Paket 2007

EAGLE Version 5.6.0 Light Edition

PSpice Version 9.1

PTC – Pro/Engineer Wildfire 4.0

Mini Ringkern – Rechner Version 1.2

GanttProjekt Version 2.0.10
Literatur und Dokumente:

siehe Literaturverzeichnis
Hiermit erklären wir, Marcel Jung, Alexandra Kleefeld, Leonid Morgus, dass wir die
vorliegende Ausarbeitung selbständig verfasst und noch nicht anderweitig für
Prüfungszwecke vorgelegt haben. Wir haben keine anderen als die angegebenen
Quellen und Hilfsmittel verwendet und haben wörtliche und sinngemäße Zitate als
solche gekennzeichnet.
………………………………………………..
…………..….………………………………
Ort, Datum
Jung, Marcel
………………………………………………..
………………………………………………
Ort, Datum
Kleefeld, Alexandra
………………………………………………..
………………………………………………
Ort, Datum
Morgus, Leonid
1
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Eidesstattliche Erklärung ............................................................................................ 1
1
Einleitung ............................................................................................................. 4
2
Zusammenfassung............................................................................................... 5
3
Aufgabenstellung ................................................................................................. 6
4
Stand der Technik ................................................................................................ 7
5
4.1
MOVITRANS® – kontaktlose Energieübertragung von SEW-EURODRIVE .. 7
4.2
Powermat™ – Drahtlose Akkuladetechnik .................................................... 8
Grundlagen .......................................................................................................... 9
5.1
Elektromagnetismus ...................................................................................... 9
5.2
Magnetische Feldstärke ................................................................................ 9
5.3
Magnetische Flussdichte ............................................................................. 11
5.4
Induktion ...................................................................................................... 12
5.5
Selbstinduktion ............................................................................................ 12
5.6
Resonanz .................................................................................................... 13
5.7
Erzwungene Schwingung ............................................................................ 15
6
Funktionsprinzip ................................................................................................. 16
7
Planung .............................................................................................................. 17
7.1
8
Projektplan .................................................................................................. 17
Durchführung ..................................................................................................... 18
8.1
Anforderungsliste......................................................................................... 18
8.2
Black Box .................................................................................................... 20
8.3
Funktionsstruktur ......................................................................................... 21
8.3.1
8.4
Allgemeine Funktionen nach Roth ........................................................ 22
Schaltungsentwurf ....................................................................................... 23
8.4.1
Einschaltverzögerung ........................................................................... 23
8.4.2
Oszillator und Primärschwingkreis ........................................................ 24
8.4.3
Sekundärschwingkreis und Steuerschaltung ........................................ 26
8.4.4
Ladeschaltung....................................................................................... 27
8.5
Versuchsaufbau........................................................................................... 29
8.5.1
Konstruktion Primärschwingkreis .......................................................... 29
8.5.2
Bestimmung Resonanzfrequenz Primärschwingkreis ........................... 30
2
Inhaltsverzeichnis
8.5.3
Konstruktion Sekundärschwingkreis ..................................................... 31
8.5.4
Messungen ........................................................................................... 31
8.5.4.1
Messung der übertragenen Energie ............................................... 31
8.5.4.2
Strommessung Primärschwingkreis ............................................... 32
8.5.4.3
Messung des Signalspektrums ....................................................... 32
8.6
8.6.1
Konstruktion Primärschwingkreis .......................................................... 33
8.6.2
Bestimmung Resonanzfrequenz Primärschwingkreis ........................... 33
8.6.3
Konstruktion Sekundärschwingkreis ..................................................... 34
8.6.4
Einbau der Schaltungen in das Modellauto ........................................... 35
8.6.5
Einbau Sekundärspule in das Modellauto ............................................. 36
8.7
9
Projektaufbau .............................................................................................. 33
Technische Probleme .................................................................................. 37
8.7.1
Abstimmung Resonanzfrequenz ........................................................... 37
8.7.2
Lichtschranke ........................................................................................ 37
Betriebsanleitung ............................................................................................... 38
10 Resultat .............................................................................................................. 39
11 Ausblick.............................................................................................................. 41
11.1
Verbesserung Wirkungsgrad .................................................................... 41
11.1.1 Anpassung der Resonanzfrequenz ....................................................... 41
11.1.2 Automatische Positionierung der Sekundärspule.................................. 42
11.1.3 Änderung Geometrie der Spule ............................................................ 43
11.1.4 Änderung der Resonanzfrequenz ......................................................... 43
Literaturverzeichnis ..................................................................................................... I
Tabellenverzeichnis .................................................................................................... II
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................... III
Formelverzeichnis ..................................................................................................... IV
Anhang ....................................................................................................................... V
3
1 Einleitung
1
Einleitung
Hervorgerufen durch die Knappheit an fossilen Brennstoffen liegt das
Hauptaugenmerk der Automobilindustrie vorwiegend auf der Entwicklung alternativer
Antriebstechniken. Eine dieser Alternativen ist der Elektroantrieb.
Die Idee des vorliegenden Projekts ist die zur Fortbewegung benötigte Energie
kontaktlos an ein Fahrzeug zu übertragen und dort zu speichern. Eine alternative
Ladetechnik soll den im Fahrzeug befindlichen Akkumulator, nach Positionierung auf
einer vordefinierten Parkfläche, automatisch laden.
Diese Idee kann in Zusammenhang mit elektrisch betriebenen Fahrzeugen auch im
Bereich des CarSharings Anwendung finden. Beim CarSharing handelt es sich um
eine organisierte, gemeinsame Nutzung von Kraftfahrzeugen. Wird ein Fahrzeug
benötigt, kann dieses an einem reservierten Stellplatz entliehen und nach Gebrauch
für den nächsten Nutzer bereitgestellt werden. /BCS 2007/
Die Umsetzung der Idee soll gewährleisten, dass die Akkuzellen des Fahrzeugs für
den nachfolgenden Nutzer ausreichend geladen sind. Das Fahrzeug beginnt nach
dem Abstellen auf der Parkfläche selbständig mit dem Ladevorgang und sorgt, ohne
aktiven Beitrag des Nutzers, für ausreichende Energie im Speicher.
Das im Folgenden beschriebene Projekt befasst sich mit der Technik der
kontaktlosen Energieübertragung. Es werden Versuche durchgeführt, um
herauszufinden, wie die benötigte Energie ohne Leitungen übertragen werden kann.
Ziel des Projekts ist es ein Modellauto mit dieser Technik zu laden.
4
2 Zusammenfassung
2
Zusammenfassung
Beim Projekt „kontaktloses Laden eines Modellautos“ wird das Thema kontaktlose
Energieübertragung mittels Induktion behandelt. 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 Glühbirnen
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 4W 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. Dieses Modellauto wird darüber hinaus mit
einer Spannungsanzeige auf dem Dach und einer Ladeelektronik im Innern
ausgestattet. Die Spannungsanzeige ist direkt mit dem Akkumulator des Autos
verbunden und soll verdeutlichen, dass der Ladevorgang automatisch nach Anfahren
der Parkfläche beginnt und die Spannung sich erhöht.
Im vorliegenden Projekt wird ein Royer-Oszillator mit einer Spannung von 12V
Gleichspannung 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.
5
3 Aufgabenstellung
3
Aufgabenstellung
Ein Modellauto ist so auszustatten, dass der im Modellauto befindliche Akkumulator
mittels kontaktloser Energieübertragung geladen wird. Des Weiteren wird das Auto
mit einer Anzeige ausgerüstet, auf der die aktuelle Spannung des Akkus abzulesen
ist. Dadurch lässt sich erkennen, wann die Parkfläche zur Wiederaufladung
angefahren werden muss.
6
4 Stand der Technik
4
Stand der Technik
Im folgenden Kapitel wird eine Auswahl an Systemen vorgestellt, die bereits auf dem
Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung basieren.
4.1
MOVITRANS® – kontaktlose Energieübertragung
von SEW-EURODRIVE
Bei dem System MOVITRANS® von SEW-EURODRIVE handelt es sich um ein
System zur kontaktlosen Energieübertragung, das auf dem Prinzip der induktiven
Energieübertragung basiert. Die elektrische Energie wird kontaktlos von einem im
Boden oder in der Wand verlegtem Leiter auf einen oder mehrere mobile
Verbraucher übertragen. Da die elektromagnetische Kopplung über einen Luftspalt
erfolgt ist diese wartungs- und verschleißfrei. Des Weiteren hat das System den
großen Vorteil, dass es keine Verschmutzung verursacht und unempfindlich
gegenüber Fremdverschmutzung ist. MOVITRANS® ist daher das perfekte
Versorgungssystem bei allen mobilen Applikationen und sehr gut einsetzbar, wenn
bei langen Verfahrwegen hohe Geschwindigkeiten zu überbrücken sind oder ein
wartungsfreier Betrieb gefordert ist. Außerdem lässt sich das System gut in
Feuchtbereichen einsetzen, sowie in jenen, die keine zusätzlichen Verschmutzungen
erlauben. /SEW 2007/
Abbildung 1: MOVITRANS® /SEW 2007/
7
4 Stand der Technik
4.2
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.
Das Powermat™ System wird seit Oktober 2009 in den USA verkauft und soll im
Sommer 2010 auf den deutschen Markt kommen. /GOL 2010/
Abbildung 2: Powermat™ /POW 2010/
Abbildung 3: Außenhülle mit Ladetechnik für iPhone /POW 2010/
8
5 Grundlagen
5
Grundlagen
In diesem Kapitel werden Grundbegriffe, Phänomene und Definitionen zum
Magnetismus und Wechselstromkreis erläutert.
5.1
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 4: Feldlinienverteilung /KUCH 2007/, [S. 449]
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.
/KUCH 2007/, [S. 449]
5.2
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. /KUCH 2007/, [S. 449-450]
Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Strom als Ursache des Feldes und
der magnetischen Feldstärken ist durch das Durchflutungsgesetz erklärt. /KUCH
2007/, [S. 451-452]
9
5 Grundlagen
Wenn
 H
magnetische Feldstärke,
 s
Umlaufweg,
 I
Stromstärke,
 HS
Feldstärkekomponente in Wegrichtung,
Abbildung 5: magnetische Feldstärke /Kuch 2007/, [S. 451]
dann gilt:
Formel 5.1: Durchflutungsgesetz
Die Richtung der Feldstärke stimmt in jedem Punkt eines Feldes mit der Richtung der
Feldlinien überein. /KUCH 2007/, [S. 451]
Wenn
 H
magnetische Feldstärke in einer kurzen Zylinderspule,
 I
Stromstärke im Leiter,
 N
Windungszahl,
 l
Länge der Spule,
 r
Radius der Windungen,
dann gilt:
Formel 5.2: magnetische Feldstärke
10
5 Grundlagen
5.3
Magnetische Flussdichte
Die Feldstärke H und der dadurch entstandene Strom I sind als Maß für die Stärke
eines magnetischen Feldes anzusehen. Beim Ein- oder Ausschalten des
Magnetfeldes einer Probespule (Induktionsspule mit der Windungszahl N) oder einer
Leiterschleife (N = 1) wird ein Spannungsstoß der Größe ∫udt induziert. Er kommt der
Änderung der magnetischen Flussdichte gleich. /KUCH 2007/, [S. 454]
Den je Flächeneinheit und Windung induzierten Spannungsstoß bezeichnet man als
magnetische Flussdichte B. /KUCH 2007/, [S. 456]
Wenn
 B
magnetische Flussdichte mit Stoff im Feld,
 H
magnetische Feldstärke,
 µ0
magnetische Feldkonstante = 1,257 * 10-6
 µr
Permeabilitätszahl des Stoffs (Luft = 1),
,
dann gilt:
Formel 5.3: magnetische Flussdichte
Abbildung 6: magnetische Flussdichte /KUCH 2007/, [S. 454]
11
5 Grundlagen
5.4
Induktion
Wenn sich der magnetische Fluss in einer Spule ändert, wird eine Spannung
induziert. Bewegt sich ein Leiter quer durch ein Magnetfeld geschieht ähnliches.
Diese Begebenheit nennt man Induktion. Die induzierte Spannung bewirkt, bei
geschlossenen Leiterschleifen, einen Induktionsstrom. /KUCH 2007/, [S. 461]
Wenn
 U
in einer Spule induzierte Spannung,
 ∆Φ
gleichmäßige Flussänderung,
 ∆t
Dauer der gleichmäßigen Änderung,
 N
Windungszahl der Spule,
dann gilt bei einer ungleichmäßigen Änderung des Flusses für die induzierte
Spannung als augenblicklicher Wert u:
Formel 5.4: induzierte Spannung nach Flussänderung
Das Induktionsgesetz von Faraday lautet:
Formel 5.5: Induktionsgesetz
Das Minuszeichen bedeutet, dass Induktionsspannung und Induktionsstrom der sie
erzeugenden Flussänderung entgegenwirken (LENZ'sche Regel).
5.5
Selbstinduktion
Änderung des magnetischen Flusses induzieren nicht nur in anderen Leitern eine
Spannung, sondern auch in der das magnetische Feld erzeugenden Spule selbst.
Diese Erscheinung nennt man Selbstinduktion.
Die Gleichung Formel 5.5 gilt ebenfalls für die in der Spule (oder jedem anderen
Leiter) selbst induzierte Spannung. Die Änderung des magnetischen Flusses ∆ Φ ist
aber in jedem Fall der Stromstärkenänderung ∆ I im Stromkreis proportional. /KUCH
2007/, [S. 463 – 464]
Wenn
 U
Selbstinduktionsspannung,
 ∆I
gleichmäßige Stromänderung im Leiter,
12
5 Grundlagen
 ∆t
Dauer der Änderung der Stromstärke,
 L
Induktivität des Leiters,

µ
Permeabilität = µ0µr,
dann gilt, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Stromstärke nicht konstant ist, für
die induzierte Momentanspannung:
Formel 5.6: induzierte Momentanspannung
oder, für die durch Änderung der Stromstärke, im eigenen Stromkreis, induzierte
Spannung:
Formel 5.7: induzierte Spannung nach Stromänderung
Der Proportionalitätsfaktor wird als Induktivität L des Stromkreises bezeichnet und
hängt nur von dessen Geometrie sowie dem im Feld befindlichen Stoff ab.
Für die Induktivität einer kurzen Zylinderspule gilt aus Formel 5.5 mit Φ = µHA und:
Formel 5.8: induzierte Spannung kurze Zylinderspule
also
Formel 5.9: Induktivität kurze Zylinderspule
5.6
Resonanz
Resonanz ist eine Erscheinung, bei der ein schwingungsfähiges System infolge
erzwungener Schwingungen (bzw. periodische Krafteinwirkung) zum Schwingen mit
maximaler Amplitude angeregt wird. Resonanz tritt dann ein, wenn die
Erregerfrequenz und die Eigenfrequenz des schwingenden Körpers übereinstimmen.
/KUCH 2007/, [S. 489-490]
Wenn
 L
Induktivität des Stromkreises,
 C
Kapazität des Stromkreises,
13
5 Grundlagen
 ω
Kreisfrequenz = 2πf,
 f
Frequenz des Wechselspannung,
 T
Periodendauer = 1/f,
dann gilt als Resonanzbedingung:
Formel 5.10: Resonanzbedingungen
Das ergibt die Thomson-Gleichung:
Formel 5.11: Kreisfrequenz
Formel 5.12: Frequenz
Formel 5.13: Periodendauer
Bedeutung der Selbstinduktion
Schwingungserzeugung:
und
der
LENZ'schen
Regel
für
die
Abbildung 7: LC-Schwingkreis
Nach dem Aufladen des Kondensators, entlädt sich dieser über die Spule. Dabei wird
ein Magnetfeld um die Spule erzeugt, wodurch eine Spannung induziert wird
(Selbstinduktion), die gegen die Ursache ihrer Entstehung entgegenwirkt (LENZ'sche
Regel). Bei vollkommender Entladung des Kondensators bricht das Magnetfeld
wieder zusammen. Dadurch wird wieder eine Spannung induziert, die in Richtung
des Kondensators gerichtet ist (durch die LENZ'sche Regel; Ursache ist in diesem
Fall, dass der Strom „weniger“ wird). Dadurch wird der Kondensator entgegengesetzt
aufgeladen.
14
5 Grundlagen
5.7
Erzwungene Schwingung
Bei erzwungenen Schwingungen wird ständig (periodisch) Energie zum
schwingungsfähigen System zugefügt, und die Eigenfrequenz der Erregerfrequenz
angeglichen (siehe 8.4.2 Oszillator und Primärschwingkreis).
Dies ist notwendig, da im schwingungsfähigen System verlorene elektrische Energie
(durch den ohmschen Widerstand in Wärme umgewandelt) durch eine
Spannungsquelle ausgeglichen werden muss.
15
6 Funktionsprinzip
6
Funktionsprinzip
Das verwendete Prinzip ähnelt der Stimme einer ausgebildeten Sängerin, die mit
ihrer Stimme ein Glas zerbrechen kann. Das Glas absorbiert die akustische Energie,
die die Sängerin abgibt. Hat die Stimme die gleiche Resonanzfrequenz wie das Glas
fängt es an zu schwingen bis es zerbricht.
Übertragen auf die Technologie des Projekts ist die Sängerin der Primärschwingkreis
und das Glas der Sekundärschwingkreis.
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, was Selbstinduktion zur Folge hat.
Abbildung 8: Blockschaltbild Funktionsprinzip
16
7 Planung
7
Planung
7.1
Projektplan
Tabelle 1: Gantt - Diagramm
17
8 Durchführung
8
Durchführung
8.1
Anforderungsliste
Die Anforderungsliste wirkt steuernd auf alle nachfolgenden Konstruktionsschritte,
indem sie die Solleigenschaften des Produktes festlegt, die in allen
Entscheidungsphasen mit den von einzelnen Lösungsalternativen realisierbaren
Eigenschaften verglichen werden. Da sie interdisziplinär von verschiedenen
Fachbereichen gebraucht wird, sollte sie eine betriebsintern vereinbarte, verbindliche
Form haben. /SCH 2000/
Ziele der Erstellung einer Anforderungsliste:

klares Herausarbeiten von Forderungen und Wünschen

Vermeidung von Fehlentwicklungen
Tabelle 2: Anforderungsliste 1/2
18
8 Durchführung
Tabelle 3: Anforderungsliste 2/2
19
8 Durchführung
8.2
Black Box
Störgrößen



Umwelteinflüsse (Temperatur,
Luftfeuchtigkeit, Schmutz)
magnetische und elektrische
Störsignale (EMV)
mechanische Stöße
warme Luft
St2
kalte Luft
Ladebetrieb Ein
St1
S1opt
Akkumulator
E2el
Betriebsspannung 12V
E1el
Spannungsanzeige
Kontaktloses Laden
eines Modellautos
S2opt
Laden
S3opt
Start
S1mech
Störung
S4opt
Fahrzeugantrieb
E3el
Stopp
S2mech
Parkposition
S5opt


Wetterfest
Spannungsstabilisierung
Restriktionen
Abbildung 9: Black Box
20
8 Durchführung
8.3
Funktionsstruktur
Abbildung 10: Funktionsstruktur nach Roth
21
8 Durchführung
8.3.1
Allgemeine Funktionen nach Roth
Allgemeine Operatoren
Allgemeine Größen
Leiten
Speichern
Wandeln
Stoff
Stoff
Stoff
Stoff
Stoff und
Leiten
Speichern
Wandeln
Stoff verknüpfen
Energie
verknüpfen
Energie
Energie
Energie
Energie und
Energie und
Leiten
Speichern
Wandeln
Energie
verknüpfen
Nachricht
verknüpfen
Nachricht
Nachricht
Nachricht
Nachricht und
Nachricht und
Leiten
Speichern
wandeln
Nachricht
verknüpfen
Stoff
verknüpfen
Energie
Nachricht (Signal)
Verknüpfen
Stoff und
Stoff und
Nachricht verknüpfen
Energie und
Stoff verknüpfen
Nachricht und
Energie verknüpfen
Tabelle 4: Allgemeine Funktionen nach Roth
22
8 Durchführung
8.4
Schaltungsentwurf
Um
die
einzelnen
Schaltungen
besser
Nachzuvollziehen,
sind
die
Schaltungsentwürfe sowie die Leiterplattenlayouts im Anhang A1 bis D2 beigefügt.
8.4.1
Einschaltverzögerung
Die Schaltung in Abbildung 11: Schaltung Einschaltverzögerung dient dazu, den
Oszillator (siehe Oszillator und Primärschwingkreis) erst nach dem Ablauf einer
einstellbaren Zeit (z.B. 10s) einzuschalten. Der Taster S1 dient als Startbedingung
für den Timerbaustein IC1. S1 ist ein Endschalter um festzustellen, ob sich das Auto
auf der richtigen Parkposition befindet, um später die maximale Energieübertragung
zu erreichen. Wenn Spannung am Timerbaustein anliegt (Pin 4 = HIGH), läuft die
einstellbare Einschaltverzögerung ab. Diese kann über den variablen Widerstand R2
und dem Elektrolytkondensator C2 eingestellt werden. Während der Timer abläuft,
leuchtet die LED1. Nach Ablauf der Verzögerung wird der Transistor Q1 geschaltet,
wodurch das Relais K1 dauerhaft angezogen wird (LED2 leuchtet). Erst nach
Unterbrechung der Spannung an Pin 4 fällt das Relais wieder ab. Dies ist der Fall,
wenn das Auto seine Parkposition verlässt, also von dem Endschalter S1 herunter
fährt. Die Diode D1 ist eine sogenannte Freilaufdiode, die beim Abfallen des Relais,
die in der Spule entstehende Induktionsspannung kurzschließt. Der Kondensator C1
(Entstörkondensator) sorgt dafür, dass der Timer von keinen äußeren Signalen
beeinflusst wird. /ATX/
Abbildung 11: Schaltung Einschaltverzögerung
23
8 Durchführung
8.4.2
Oszillator und Primärschwingkreis
Oszillator:
Der in Abbildung 12: Oszillator und Primärschwingkreis dargestellte Oszillator wird
als Royer-Oszillator bezeichnet. Dieser erzeugt, wenn der Schließer von K1
geschlossen ist, aus der 12V DC Versorgungsspannung eine Wechselspannung. Der
Kondensator C3 dient zur Stabilisierung der Versorgungsspannung. Die Drosseln L1
und L2 sorgen dafür, dass keine Wechselspannung in das Gleichspannungsnetz
gelangt. Die Gateströme der beiden MOSFETs Q2 und Q3 werden über die
Widerstände R6 und R8 eingestellt. Die Gatespannungen steigen, bis die
Drainströme die Drainspannungen soweit sinken lassen, dass die Gatespannungen
durch die Dioden D2 und D3 am weiteren Anstieg gehindert werden. Es stellt sich ein
Gleichgewichtszustand ein, in dem die MOSFETs als analoge Verstärker arbeiten.
Da jeder MOSFET eine Spannungsverstärkung >1 hat und dabei das Signal in der
Phase um 180° dreht, ergibt sich insgesamt ein schwingfähiges System. Der Strom,
der sich durch R6 und R8 ergibt, muss auch über die Dioden D2 und D3 fließen,
womit diese in der Einschwingphase beide leitend sind. Dadurch wird jeweils das
Gate eines MOSFETs mit dem Drain des anderen MOSFETs verbunden. Ist die
Schwingung in Gang gekommen, geht die Schaltung sehr schnell in den
Großsignalbetrieb über. Sobald die Drainspannung die 12V-Versorgungsspannung
überschreitet, sperrt die jeweilige Diode und trennt das Gate vom Drain, wodurch ein
oszillierendes Signal (Wechselspannung) entsteht. /REH 2010/
Primärschwingkreis:
Der elektrische Schwingkreis in Abbildung 12: Oszillator und Primärschwingkreis ist
eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus einer Spule (L) und mehreren
Kondensator (C4 bis C9), die elektrische Schwingungen ausführen kann. Bei diesem
LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem
elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht. Das entstehende
magnetische Feld an der Spule mit der definierten Resonanzfrequenz (296kHz) dient
zur Energieübertragung an den Sekundärschwingkreis.
24
8 Durchführung
Abbildung 12: Oszillator und Primärschwingkreis
Simulation:
Der Oszillator und der Primärschwingkreis werden nach dem vorhandenen Entwurf
mit PSpice simuliert, um eine Vorstellung zu bekommen, wie die später erhaltene
Schwingung aussieht. In den nachfolgenden 2 Abbildungen sind der
Schaltungsaufbau und das erhaltene Ergebnis mit PSpice zu sehen. Zudem sind die
Abbildungen der Simulation im Anhang B3 und B4 beigefügt.
Abbildung 13: PSpice Simulationsaufbau
25
8 Durchführung
Abbildung 14: PSpice Ergebnis
8.4.3
Sekundärschwingkreis und Steuerschaltung
Sekundärschwingkreis:
Im Sekundärschwingkreis, der in Abbildung 15: Sekundärschwingkreis und
Ansteuerschaltung zu sehen ist, wird aufgrund der abgestimmten Resonanzfrequenz
(296kHz) mit dem Primärschwingkreis eine Spannung mittels des auftretenden
Magnetfelds induziert (siehe Grundlagen). Die Resonanzfrequenz ergibt sich durch
die Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators C10. Die Induktivität
setzt sich aus der Größe (100 x 100 mm), dem Drahtquerschnitt (0,75mm²) und der
Windungszahl (N = 10) zusammen. Am Ausgang von C10 liegt eine
Wechselspannung an.
Ansteuerschaltung:
Am Anfang der Ansteuerschaltung in Abbildung 15: Sekundärschwingkreis und
Ansteuerschaltung befindet sich ein Brückengleichrichter aus vier Dioden sowie zwei
Glättungskondensatoren. Die Dioden D4 bis D7 machen aus der anliegenden
Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung. Mit Hilfe der parallel zum
Verbraucher geschalteten Kondensatoren C11 (Elektrolytkondensator) und C12
(Folienkondensator), wird die durch die Gleichrichtung erhaltene Restwelligkeit der
Spannung minimiert. Über R10 (270Ω) wird der Strom eingestellt. Anschließend sorgt
die Zenerdiode D9 (30V) dafür, dass nicht mehr als 30V an der Ladeschaltung sowie
den restlichen Bauteilen anliegen. Die konstante Spannung von 30V DC gehen direkt
auf die Ladeschaltung (grüne LED für Betrieb EIN leuchtet) und das Relais K2,
welches anzieht und mittels Öffner den Motor vom Akku trennt. Gleichzeitig verbindet
K2 über einen Schließer den Akku mit der Ladeschaltung und der Akku beginnt zu
Laden (rote LED leuchtet). Aufgrund der Trennung des Motors vom Akku ist während
26
8 Durchführung
des Ladevorgangs ein Wegfahren nicht möglich. Damit ein Wegfahren zur jeder Zeit
gewährleistet ist, kann durch Betätigung des Tasters S2 der Ladevorgang
abgebrochen werden. Dies erfolgt durch das Relais K3, welches mittels Öffner die
Spannungsversorgung von K2 unterbricht, wodurch der K2 wieder abfällt und somit
der Akku mit dem Motor verbunden wird. Desweiteren hält sich das Relais K3 über
die Spannungsversorgung selbst, bis diese nach Verlassen des Parkplatzes
zusammenbricht. Ein erneuter Start des Ladevorganges ist nur durch erneutes
anfahren der Parkposition möglich. Die Dioden D9 und D10 sind sogenannte
Freilaufdioden, die beim Abfallen des Relais, die in der Spule entstehenden
Induktionsspannung kurzzuschließen.
Abbildung 15: Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung
8.4.4
Ladeschaltung
Die Abbildung 16: Ladeschaltung LM 16 zeigt die Schaltung des Lademoduls LM 16.
Die Betriebsspannung, die aufgrund der Zenerdiode konstant 30V beträgt, wird dem
Modul an ST1, ST2 zugeführt. Über die Miniatur-Sicherung SI1 gelangt die
Spannung auf den Pufferelko C1 und die über R1 mit Spannung versorgte LED D2
zeigt die Betriebsbereitschaft des Moduls an. Der Lade-Baustein IC2 und der in IC1
integrierte P-Kanal-FET werden direkt über die Verpolungsschutzdiode D1 versorgt.
Die wesentlichen Komponenten des sekundär getakteten Schaltreglers (StepdownWandler) sind die in IC1 integrierten Leistungs-FETs, die Speicherdrossel L1 und
natürlich der im Ladecontroller integrierte Pulsweitenmodulator (PWM). Die in IC1
integrierten Leistungs-FETs werden von den Ausgängen T-Gate und B-Gate
periodisch geschaltet, wobei natürlich sichergestellt ist, dass niemals beide
Transistoren gleichzeitig durchgesteuert sind. In der Phase, in der der obere (PKanal-) FET durchgeschaltet ist, fließt der Strom über die Speicherdrossel L1 und
den Shunt-Widerstand R4 zum Ausgang ST3 (+Akku). In der nächsten Phase wird
der P-Kanal-Transistor gesperrt, und der untere N-Kanal-FET steuert durch. Dadurch
kann die Speicherdrossel L1 den Stromfluss aufrecht erhalten. Das Tastverhältnis
27
8 Durchführung
des Pulsweitenmodulators, mit dem die Leistungstransistoren gesteuert werden, ist
abhängig vom Ladestrom, von der Akkuspannung und von der Eingangsspannung
des Lademoduls. Während des Ladevorgangs steuert IC2 die PWM-Endstufe so,
dass grundsätzlich am Shunt-Widerstand R4 ein Spannungsabfall von 100mV
entsteht. Der gewünschte Strom von 300mA wird durch in Reihe schalten von 100Ω
und 150Ω erreicht und wird als Shunt-Widerstand R4 eingesetzt. Der Akku bzw.
Akku-Pack wird direkt an die Platinen-Anschlusspunkte ST3 und ST4 angeschlossen.
Die Erfassung des Spannungsverlaufs am Akku erfolgt mit Hilfe eines in IC2
integrierten A/D-Wandlers, dessen Eingang (Pin 6) grundsätzlich die auf eine Zelle
bezogene Spannung zugeführt wird. Je nach Zellenanzahl des angeschlossenen
Akku-Packs ist ein entsprechender Spannungsteiler zwischen BAT und VCDIV
erforderlich, dessen Abgriff die auf eine Zelle bezogene Spannung zum A/D-Wandler
(VCELL) liefert. Die Auswahl der Zellenanzahl erfolgt dabei mit den Lötbrücken Z2
bis Z16 sowie der Lötbrücke JP5. Bei den Lötbrücken Z2 bis Z16 ist die Verbindung
direkt proportional zur Zellenzahl herzustellen. Das bedeutet, dass bei dem 6-zelligen
Akku-Pack des Modellautos die Brücke Z6 zu schließen ist. Bei allen Akku-Packs (2–
16 Zellen) sind die unteren Pins der Codierbrücke JP5 zu verbinden, d. h. VCELL
und VCDIV sind über R6 verbunden. Der Kondensator C6 dient am A/D-WandlerEingang zur Störunterdrückung. Bei VCDIV handelt es sich um einen Open-DrainAusgang, der dafür sorgt, dass bei abgeschalteter Ladeschaltung der
angeschlossene Akku nicht über den Spannungsteiler entladen wird. Mit Hilfe der
Codierbrücke JP4 wird die verwendete Akku-Technologie ausgewählt. Bei
geschlossener Codierbrücke JP4 gelten die Abschaltbedingungen (z.B. Akku
vollständig aufgeladen) für den verwendeten NiMH-Akku. Ein integrierter
Sicherheitstimer, der auf maximal 3h eingestellt ist (kein JP1, 2, 3 geschlossen) sorgt
unabhängig vom Erreichen der Abschaltkriterien für die Beendigung des
Ladevorgangs. Die maximale Ladezeit ist mit einem Widerstand, der von Pin 8 nach
Masse geschaltet wird, zu bestimmen. Die Statusanzeigen D3 (Akku wird geladen)
und D4 (Störung) sind direkt mit dem Lade-Baustein verbunden und werden über R2
und R3 mit Spannung versorgt. /BUL 2009/
Abbildung 16: Ladeschaltung LM 16
28
8 Durchführung
8.5
Versuchsaufbau
Um erste Ergebnisse bei einer kontaktlosen Energieübertragung zu gewinnen, ist ein
Versuchsaufbau zu konstruieren. Die durchgeführten Versuche sollen Aufschluss
über die maximal übertragbare Leistung, die bestmögliche Parkposition des
Modellautos sowie die Dimensionierung der Bauteile erbringen.
8.5.1
Konstruktion Primärschwingkreis
Um die geforderte Resonanzfrequenz zu erreichen, sind folgende Werte für den
Primärschwingkreis definiert:
Spule:
Spulendurchmesser ds = 300mm
Drahtquerschnitt Ad = 10mm²
Windungszahl N = 1
Induktivität L = 934,5nH
Kondensator:
Folienkondensator, Impulsfest, 1250V
Gesamtkapazität: 319nF
Zur Stabilität des Aufbaus ist der Schwingkreis auf einer Spanplatte aufgeschraubt.
Abbildung 17: Versuchsaufbau Primärschwingkreis
29
8 Durchführung
8.5.2
Bestimmung Resonanzfrequenz Primärschwingkreis
Die Resonanzfrequenz wird mit Hilfe eines Frequenzgenerators und einem 1kΩ
Widerstands ermittelt. Nach anlegen der Spannung UPP wird die Frequenz f so lange
variiert bis der Spannungsabfall über LC maximal ist. Dies ist der Fall, wenn der
Resonanzwiderstand (Scheinwiderstand eines Schwingkreises bei Resonanz) an LC
am größten ist (bei idealen Bauelementen ist der Widerstand unendlich groß). Das
Ergebnis der Messung hat für den Versuchsprimärschwingkreis eine
Resonanzfrequenz von 291,5kHz ergeben (siehe Abbildung 19: Resonanzfrequenz).
Abbildung 18: Resonanzfrequenzbestimmung
Abbildung 19: Resonanzfrequenz
30
8 Durchführung
8.5.3
Konstruktion Sekundärschwingkreis
Die Spule und die Kondensatoren der Sekundärseite sind so dimensioniert, dass sie
dieselbe Resonanzfrequenz (291,5kHz) wie die Primärseite haben.
Spule:
Seitenlänge der quadratischen Spule ss = 100mm
Drahtquerschnitt Ad = 0,75mm²
Windungszahl N = 10
Induktivität L = 31,1µH
Kondensator:
Folienkondensator
Gesamtkapazität: 9,58nF
Abbildung 20: Sekundärschwingkreis
8.5.4
Messungen
Im folgenden Kapitel wird eine Übersicht
durchgeführten Messungen gegeben.
8.5.4.1
über
die
am
Versuchsaufbau
Messung der übertragenen Energie
Zum Messen der übertragenen Energie sind drei Glühbirnen parallel geschaltet, die
jeweils einen Strom von 80 mA benötigen. Parallel dazu wird, mit Hilfe eines
Voltmeters, die Spannung gemessen. Durch verschieben des sekundären
Schwingkreises innerhalb des primären, wird die ideale Parkposition des Modellautos
ermittelt (Spannung maximal). Abbildung 21: Strommessung zeigt den maximal
gemessen Strom von 300mA bei einer Spannung von 20V. Daraus ergibt sich eine
übertragene Leistung von 6W. Diese Leistung ist zum Laden des Akkumulators im
Modellauto ausreichend.
31
8 Durchführung
Abbildung 21: Strommessung
8.5.4.2
Strommessung Primärschwingkreis
Bei dieser Messung wird der Strom, der durch die Primärspule fließt, mit Hilfe einer
Strommesszange (Typ: Aglilent V1212A) gemessen. Die Messung des Stromes im
Primärschwingkreis
wird
ohne
Last,
d.h.
ohne
einbringen
des
Sekundärschwingkreises,
durchgeführt.
Die
Messung
ergibt,
dass
im
Primärschwingkreis ein Strom von I = 12,8A fließt.
8.5.4.3
Messung des Signalspektrums
Mit Hilfe der schnellen Fouriertransformation (FFT) wird das Spektrum des Signals
dargestellt. Dadurch wird nachgewiesen, dass der vorhanden Schwingkreis nur in der
eingestellten Frequenz (siehe Abbildung 22: Signalspektrum) schwingt. Somit wird
gewährleistet, dass keine anderen elektronischen Geräte durch Oberwellen (violette
Funktion) des Signals gestört werden.
Abbildung 22: Signalspektrum
32
8 Durchführung
8.6
Projektaufbau
Anhand der Ergebnisse aus dem Versaufbau, kann die ausgewählte Technik zur
kontaktlosen Energieübertragung auf das Modellauto übertagen werden.
8.6.1
Konstruktion Primärschwingkreis
Um die geforderte Resonanzfrequenz (
für den Primärschwingkreis definiert:
Spule:
) zu erreichen, sind folgende Werte
Spulendurchmesser ds = 250mm
Drahtquerschnitt Ad = 10mm²
Windungszahl N = 1
Induktivität L = 708,6nH
Kondensator:
Folienkondensator, Impulsfest, 1250V
Gesamtkapazität: 408nF
Zur Stabilität des Aufbaus ist der Schwingkreis auf der Unterseite einer
Kunststoffplatte montiert. In der Abbildung 23: Projektaufbau und Abbildung
24:
technische Zeichnung ist die Konstruktion abgebildet. Die technische Zeichnung ist
zum besseren Verständnis im Anhang E beigefügt.
Abbildung 23: Projektaufbau
Abbildung 24: technische Zeichnung
8.6.2
Bestimmung Resonanzfrequenz Primärschwingkreis
Die Bestimmung der Resonanzfrequenz erfolgt wie unter 8.5.2 Bestimmung
Resonanzfrequenz Primärschwingkreis beschrieben. Das Ergebnis der Messung hat
eine Resonanzfrequenz für den Primärschwingkreis von 296kHz ergeben.
33
8 Durchführung
8.6.3
Konstruktion Sekundärschwingkreis
Bei der Konstruktion der Sekundärspule muss der Platz unter dem Modellauto
beachtet werden. Die Spule wird so groß wie möglich ausgelegt, ohne das
Modellauto einzuschränken. Die Lenkfunktion sowie eine gewisse Bodenfreiheit
bleiben vorhanden. Die Spule und die Kondensatoren der Sekundärseite sind so
dimensioniert, dass sie dieselbe Resonanzfrequenz (296kHz) wie die Primärseite
hat.
Spule:
Seitenlänge der quadratischen Spule ss = 100mm
Drahtquerschnitt Ad = 0,75mm²
Windungszahl N = 10
Induktivität L = 21,9µH
Kondensator:
Folienkondensator
Gesamtkapazität: 13,2nF
In der Abbildung 25: technische Zeichnung ist der Aufbau der Sekundärspule zu
erkennen. Die technische Zeichnung ist zum besseren Verständnis im Anhang F
beigefügt.
Abbildung 25: technische Zeichnung
34
8 Durchführung
8.6.4
Einbau der Schaltungen in das Modellauto
Die Ansteuerschaltung und die Ladeschaltung sind getrennt im Modellauto
untergebracht. Die Ladeschaltung ist im hinteren linken Radkasten eingebaut. Diese
ist mit dem Akkumulator, der sich im hinteren Teil des Modellautos befindet,
verbunden. Zur Visualisierung des Zustands der Ladeschaltung sind die drei Status
LEDs der Ladeelektronik (Betrieb EIN, Laden, Störung) auf das Fahrzeugdach
verlegt. Des Weiteren sind auf dem Fahrzeugdach ein LC-Display, das die aktuelle
Akkumulatorspannung anzeigt, sowie der Stopptaster, der den Ladevorgang
unterbricht, eingebaut. Das Display wird von einer separaten Batterie (9V Block)
versorgt und kann durch einen Schalter, der auf eine freie Stelle auf der Leiterplatte
gelötet ist, manuell ein- und ausgeschaltet werden. Die Ansteuerschaltung ist in der
Mitte des Modellautos am Unterboden verschraubt und wie im Schaltplan (siehe
Anhang C) verkabelt.
Abbildung 26: Fahrzeugdach
Abbildung 27: eingebaute Ansteuerschaltung
35
8 Durchführung
8.6.5
Einbau Sekundärspule in das Modellauto
Die Sekundärspule ist in der Mitte des Modellautos am Unterboden verschraubt
(siehe Abbildung 28: eingebaute Sekundärspule). Sie befindet sich direkt über der
Ansteuerschaltung und ist mit dieser verbunden.
Abbildung 28: eingebaute Sekundärspule
36
8 Durchführung
8.7
Technische Probleme
Im folgenden Kapitel werden technische Probleme und deren Lösungen aufgezeigt,
die während der Durchführung des Projekts aufgetreten sind.
8.7.1
Abstimmung Resonanzfrequenz
Um die größtmögliche Energie zu übertragen müssen beide Schwingkreise (primär
und sekundär) mit der gleichen Resonanzfrequenz schwingen. Die
Resonanzfrequenz wird diesem Fall durch den Primärschwingkreis vorgegeben
(siehe Kapitel 8.5.1). Schwierigkeiten sind bei der Abstimmung der Sekundärspule
aufgetreten. Durch die vorgegebene Induktivität L wird die Resonanzfrequenz mittels
des Kondensators C eingestellt. Da die Berechnung der Frequenz nur eine Näherung
ist und die angegebenen Nennwerte auf den Bauteilen aufgrund der
Bauteiltoleranzen große Abweichung haben, müssen die Kondensatoren von Hand
ausgemessen werden. Anschließend wird der ausgemessene Kondensator an die
Sekundärspule angelötet und die Resonanzfrequenz ermittelt. Stimmen beide
Frequenzen nicht überein muss der Vorgang wiederholt werden. Dies geschieht
solange, bis die Resonanzfrequenzen identisch sind.
Möglichkeiten, wie diese langwierige Abstimmung zu umgehen ist, werden im Kapitel
Ausblick genannt.
8.7.2
Lichtschranke
Der Ladevorgang soll erst gestartet werden, wenn das Modellauto seine endgültige
Parkposition erreicht hat. Dies soll mittels einer Lichtschranke realisiert werden. Die
Sendediode pulst ein Rechtecksignal. Wird dieses Signal auf der Empfängerseite von
einem Fototransistor detektiert, wird ein Relais angezogen. Sobald das Modellauto
die Lichtschranke unterbricht, wird die Einschaltverzögerung gestartet. Ist die
eingestellte Zeit abgelaufen, wird die Primärspule eingeschaltet. In diesem Moment
treten auch die Probleme auf. Durch das Schwingen des Primärschwingkreises
empfängt der Fototransistor des Empfängers der Lichtschranke einen Impuls und
zieht das Relais kurzzeitig an. Dies hat zur Folge, dass der Primärschwingkreis sofort
abgeschaltet wird. Da das Auto immer noch die Lichtschranke unterbricht, wird die
Einschaltverzögerung wieder gestartet, und der Vorgang beginnt von vorne.
Da es nicht möglich ist dieses Problem zu unterbinden, ist die Lichtschranke durch
einen mechanischen Endschalter ersetzt worden, der nach Betätigung durch das
Fahrzeug den Timerbaustein startet.
37
9 Betriebsanleitung
9
Betriebsanleitung
Um das System zu betreiben, muss eine Versorgungsspannung von 12V DC
(Gleichspannung) an den Oszillator angeschlossen werden. Des Weiteren ist ein
Strom > 2A notwendig. Beim Anschließen ist auf die Polarität (rot +, schwarz -) zu
achten, da ansonsten Bauteile beschädigt werden können!
Zum Aufladen des Akkumulators muss das Modellauto den Endschalter, der sich auf
der Parkfläche befindet, auslösen. Ist dies der Fall leuchtet die LED „Parkposition“
auf. Nach Ablauf einer Einschaltverzögerung beginnt der Ladevorgang. Anhand der
drei Status-LEDs auf dem Fahrzeugdach kann der Betriebszustand der
Ladeschaltung festgestellt werden.

Grün  Betrieb ein

Rot

Geld  Störung
 Akku laden
Störung kann eintreten, wenn die Parkposition nicht korrekt angefahren ist.
Um das Modelauto wieder benutzen zu können, muss der Taster S2 auf dem
Fahrzeugdach betätigt werden.
Des Weiteren ist die aktuelle Akkuspannung über das auf dem Fahrzeugdach
verbaute Voltmeter ablesbar.
38
10 Resultat
10
Resultat
Mit Hilfe der entwickelten Parallelschwingkreise ist es gelungen eine maximale
Leistung von 6 Watt kontaktlos zu übertragen. Diese Energie reicht aus, den im
Modellauto befindlichen Akkumulator aufzuladen.
Im Vergleich zur konventionellen Energieübertragung per Kabel, hat sich die
Ladezeit des Akkus nicht verändert.
Mit der verwendeten Technologie sind weitere Anwendungsgebiete denkbar. Zum
Beispiel könnten mobile Elektrokleingeräte wie Handy, MP3-Player, Notebook, etc.
mit solch einer Ladetechnik ausgestattet werden. Das bedeutet, in den Geräten
befindet sich ein abgestimmter Sekundärschwingkreis mit entsprechender
Ansteuerschaltung. Somit ist es ausreichend, wenn sich in einem Haushalt eine
bestimmte „Ladeplatte“ befindet, in der ein Primärschwingkreis eingebaut ist. Durch
auflegen der mobilen Geräte auf die Platte, werden diese automatisch und kontaktlos
aufgeladen. Dadurch würden die vielen unterschiedlichen Ladeadapter, die zurzeit
auf dem Markt sind, entfallen. Des Weiteren ist das lästige an- und abstecken der
Kabel nicht mehr nötig.
Die ausgewählte Technologie ist jedoch ohne Verbesserung des Wirkungsgrades für
den Einsatz in PKWs nicht geeignet, da der erreichte Wirkungsgrad zu niedrig ist.
Dieser liegt bei 25% und ist somit nicht rentabel. Im Kapitel 9 Ausblick werden Ideen
aufgezeigt, wie diese Verbesserung aussehen könnte.
In den nachfolgenden 3 Abbildungen ist die Lösung des Projektes, mit der
beschriebenen Technik, für das kontaktlose Laden eines Modellautos abgebildet.
Abbildung 29: Präsentationsaufbau
39
10 Resultat
Abbildung 30: Unterseite Modellauto mit Schaltung und Sekundärspule
In der Abbildung 31: Schaltung und Primärschwingkreis ist links der Oszillator, rechts
die Einschaltverzögerungsschaltung sowie in der Mitte die Kondensatoren vom
Primärschwingkreis zusehen. Des Weiteren sind auf der rechten Seite die
Anschlüsse für die 12V DC Versorgungsspannung zu erkennen
Abbildung 31: Schaltung und Primärschwingkreis
40
11 Ausblick
11
Ausblick
Im folgenden Kapitel werden Ideen aufgezeigt, wie das bestehende Projekt noch
verbessert und erweitert werden kann.
11.1
Verbesserung Wirkungsgrad
Durch die durchgeführten Versuche wird festgestellt, dass die übertragene Leistung
und damit der Wirkungsgrad des Systems stark von der Abstimmung der
Resonanzfrequenzen von Primär- und Sekundärseite abhängig sind. Des Weiteren
besteht eine Abhängigkeit des Systems von der Positionierung der Sekundärspule im
Verhältnis zur Primärspule. Daher gibt es im Wesentlichen drei Ideen, wie der
Wirkungsgrad des Projekts verbessert werden kann. Diese Ideen werden
nachfolgend genauer vorgestellt.
11.1.1
Anpassung der Resonanzfrequenz
Die Kombination aus der Induktivität einer Spule mit der Kapazität diverser
Kondensatoren liefert einen Schwingkreis, der eine Eigenfrequenz, die sogenannte
Resonanzfrequenz besitzt. Da das vorliegende Projekt in Resonanzfrequenz
betrieben wird ist es wichtig, dass sowohl der Primärschwingkreis, als auch der
Sekundärschwingkreis mit exakt der gleichen Resonanzfrequenz betrieben werden.
Im Aufbau des Projekts „kontaktloses Laden eines Modellautos“ ist diese Anpassung
durch Einstellen der Kapazität bewerkstelligt. Dies geschieht durch Ausmessen der
Kondensatoren und schrittweise Annäherung an die richtige Frequenz durch
kombinieren der einzelnen Kondensatoren.
Eine Weitere Möglichkeit zur Einstellung der Resonanzfrequenz ist eine Änderung
der Induktivität der Spule. Dies kann z.B. durch Verbiegen der Spule bewerkstelligt
werden. Diese Möglichkeit ist jedoch sehr unsicher, da das Risiko besteht, dass die
Spule beim Einbau wieder eine leichte Biegung erfährt, wodurch die
Resonanzfrequenz wiederum geändert wird. Daher ist die bessere Möglichkeit, die
Spule in ihrer Form zu fixieren und die Anpassung durch Einstellen der Kapazität
vorzunehmen.
Hierzu wäre eine bessere und genauere Möglichkeit zur Einstellung die Verwendung
eines einstellbaren Kondensators, Drehkondensator oder kurz Drehko genannt. Da
solche Drehkos jedoch nicht in jeder beliebigen Größe erhältlich sind, würde man
vermutlich eine Kombination aus einem Festkondensator und einem einstellbarem
Kondensator benötigen.
Die beste Möglichkeit zur Einstellung der Resonanzfrequenz wäre eine automatische
Einstellung über eine Kapazitätsänderung. Hierzu müsste eine Software zum
Ausmessen der Resonanzfrequenz und anschließenden Einstellen der Kapazität
entwickelt werden.
41
11 Ausblick
11.1.2
Automatische Positionierung der Sekundärspule
Das Magnetfeld, das innerhalb der Primärspule vorherrscht, ist nicht an jedem Punkt
gleich stark. Daher wird die Sekundärspule je nach Position besser oder schlechter
mit den Magnetfeldlinien durchflossen und die Energie unterschiedlich gut
übertragen. Durch die durchgeführten Versuche wird festgestellt, dass der
Energieübertrag am höchsten ist, wenn sich die Sekundärspule auf der Primärspule
befindet und der Teil der Sekundärspule, der aus geometriegründen nicht auf der
Spule positioniert werden kann, Richtung Mittelpunkt zeigt (siehe Abbildung 32:
optimale Position der Sekundärspule).
Abbildung 32: optimale Position der Sekundärspule
Da der Wirkungsgrad stark von der Positionierung der beiden Spulen zu einander
abhängt, wird eine Möglichkeit benötigt, die Spulen exakt zu positionieren. Hierzu
wäre eine Automatisierung vorstellbar. Durch verfahren der Primär- oder der
Sekundärspule soll die Position ermittelt werden, an der die Energieübertragung
maximal ist.
Des Weiteren ist der Wirkungsgrad besser, je näher die Spulen beieinander sind.
Aus diesem Grund wäre es vorstellbar, dass nach Ausrichtung der Spulen in
horizontaler Richtung, zusätzlich ein Verfahren in vertikaler Richtung durchgeführt
wird. Somit bleibt die Bodenfreiheit des Fahrzeugs für den Fahrbetrieb erhalten und
trotzdem kann der Abstand zwischen den Spulen für die Energieübertragung
möglichst klein gemacht werden.
42
11 Ausblick
11.1.3
Änderung Geometrie der Spule
Da die Form und Größe der Sekundärspule innerhalb des Projekts durch die Maße
des Modellautos vorgegeben waren, sind keine Versuche mit einer alternativen
Geometrie der Spule durchgeführt wurden. Daher kann nicht ausgeschlossen
werden, dass auch die Geometrie der Spulen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad
des Systems haben. Aus diesem Grund sollten bei einer Erweiterung des Projekts
Versuche mit alternativen Spulengeometrien durchgeführt werden. Diese
Änderungen können wie folgt aussehen.
Zum einen kann versucht werden, die Sekundärspule statt quadratisch, wie sie im
Modellauto eingebaut ist, in runder Ausführung anzufertigen. Des Weiteren kann
getestet werden, wie sich das System verhält, wenn sowohl Primärspule als auch
Sekundärspule die gleichen Abmaße haben und diese exakt übereinander
positioniert werden. Außerdem kann mit dem Drahtdurchmesser und den
Windungszahlen beider Spulen experimentiert werden.
11.1.4
Änderung der Resonanzfrequenz
Das laufende System wird mit einer Frequenz von 296kHz betrieben. Mit dieser
Frequenz ist möglich die benötigte Energie, zum laden eines Modellautos, kontaktlos
zu übertragen.
Da während des Projekts keine weiteren Frequenzen erprobt sind, kann nicht
ausgeschlossen werden, dass sich durch eine Änderung der Resonanzfrequenz ein
besserer Wirkungsgrad erzielen lässt.
43
Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis
/ATX/
atx-netzteil.de (n.A.), http://www.atx-netzteil.de/schaltungenelektronikseite/relais_einschverz_ne555_verz_einstellb_schaltpl.GIF
(9. Juni 2010)
/BCS 2007/
Webseite des Bundesverbands CarSharing e.V. (bcs) (23. Januar
2007), http://www.carsharing.de. (3. Juni 2010)
/BUL 2009/
ELV Elektronik AG: Betriebsanleitung Universal-Lademodul – Version
1.2, Leer, Februar 2009
/GOL 2010/
golem.de. (25. Februar 2010), http://www.golem.de/1002/73392.html
(3. Juni 2010)
/KUCH 2007/ Kuchling, Horst: Taschenbuch der Physik, 19. Auflage Ausg.,
München, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007
/POW 2010/
POWERMAT (2010), http://powermat.com (3. Juni 2010)
/REH 2010/
Rehrmann, Jörg (2010), http://www.joretronik.de/Oszillatore
/Oszillatoren.html (28. Juni 2010)
/SCH 2000/
Scharer, Michael Dipl. - Wi. - Ing. (19. Januar 2000),
http://imihome.imi.uni-karlsruhe.de/nanforderungsliste_b.html (28. Juni
2010)
/SEW 2001/
SEW EURODRIVE (Oktober 2007), http://www.seweurodrive.de/produkt/movitrans.htm (3. Juni 2010)
I
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Gantt - Diagramm .................................................................................... 17
Tabelle 2: Anforderungsliste 1/2 ............................................................................... 18
Tabelle 3: Anforderungsliste 2/2 ............................................................................... 19
Tabelle 4: Allgemeine Funktionen nach Roth ........................................................... 22
II
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: MOVITRANS® /SEW 2007/ ................................................................... 7
Abbildung 2: Powermat™ /POW 2010/....................................................................... 8
Abbildung 3: Außenhülle mit Ladetechnik für iPhone /POW 2010/ ............................. 8
Abbildung 4: Feldlinienverteilung /KUCH 2007/, [S. 449] ........................................... 9
Abbildung 5: magnetische Feldstärke /Kuch 2007/, [S. 451] .................................... 10
Abbildung 6: magnetische Flussdichte /KUCH 2007/, [S. 454] ................................. 11
Abbildung 7: LC-Schwingkreis .................................................................................. 14
Abbildung 8: Blockschaltbild Funktionsprinzip .......................................................... 16
Abbildung 9: Black Box ............................................................................................. 20
Abbildung 10: Funktionsstruktur nach Roth .............................................................. 21
Abbildung 11: Schaltung Einschaltverzögerung ....................................................... 23
Abbildung 12: Oszillator und Primärschwingkreis ..................................................... 25
Abbildung 13: PSpice Simulationsaufbau ................................................................. 25
Abbildung 14: PSpice Ergebnis ................................................................................ 26
Abbildung 15: Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung ................................. 27
Abbildung 16: Ladeschaltung LM 16 ........................................................................ 28
Abbildung 17: Versuchsaufbau Primärschwingkreis ................................................. 29
Abbildung 18: Resonanzfrequenzbestimmung ......................................................... 30
Abbildung 19: Resonanzfrequenz ............................................................................. 30
Abbildung 20: Sekundärschwingkreis ....................................................................... 31
Abbildung 21: Strommessung................................................................................... 32
Abbildung 22: Signalspektrum .................................................................................. 32
Abbildung 23: Projektaufbau..................................................................................... 33
Abbildung 24: technische Zeichnung ........................................................................ 33
Abbildung 25: technische Zeichnung ........................................................................ 34
Abbildung 26: Fahrzeugdach .................................................................................... 35
Abbildung 27: eingebaute Ansteuerschaltung .......................................................... 35
Abbildung 28: eingebaute Sekundärspule ................................................................ 36
Abbildung 29: Präsentationsaufbau .......................................................................... 39
Abbildung 30: Unterseite Modellauto mit Schaltung und Sekundärspule ................. 40
Abbildung 31: Schaltung und Primärschwingkreis .................................................... 40
Abbildung 32: optimale Position der Sekundärspule ................................................ 42
III
Formelverzeichnis
Formelverzeichnis
Formel 5.1: Durchflutungsgesetz ............................................................................ 10
Formel 5.2: magnetische Feldstärke ...................................................................... 10
Formel 5.3: magnetische Flussdichte ..................................................................... 11
Formel 5.4: induzierte Spannung nach Flussänderung .......................................... 12
Formel 5.5: Induktionsgesetz.................................................................................. 12
Formel 5.6: induzierte Momentanspannung ........................................................... 13
Formel 5.7: induzierte Spannung nach Stromänderung ......................................... 13
Formel 5.8: induzierte Spannung kurze Zylinderspule ............................................ 13
Formel 5.9: Induktivität kurze Zylinderspule ........................................................... 13
Formel 5.10: Resonanzbedingungen ........................................................................ 14
Formel 5.11: Kreisfrequenz ...................................................................................... 14
Formel 5.12: Frequenz ............................................................................................. 14
Formel 5.13: Periodendauer ..................................................................................... 14
IV
Anhang
Anhang
Anhang A1
Entwurf Einschaltverzögerung ............................................................ VI
Anhang A2
Leiterplattenlayout Einschaltverzögerung .......................................... VII
Anhang B1
Entwurf Oszillator und Primärschwingkreis ....................................... VIII
Anhang B2
Leiterplattenlayout Oszillatorschaltung ............................................... IX
Anhang B3
PSpice Simulationsaufbau ................................................................... X
Anhang B4
Ergebnis PSpice Simulation ............................................................... XI
Anhang C1
Entwurf Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung .................... XII
Anhang C1
Leiterplattenlayout Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung .. XIII
Anhang D1
Ladeschaltung .................................................................................. XIV
Anhang D2
Leiterplattenlayout Ladeschaltung ..................................................... XV
Anhang E
technische Zeichnung Primärseite .................................................... XVI
Anhang F
technische Zeichnung Sekundärseite .............................................. XVII
V
Anhang
Anhang A1
Entwurf Einschaltverzögerung
VI
Anhang
Anhang A2
Leiterplattenlayout Einschaltverzögerung
VII
Anhang
Anhang B1
Entwurf Oszillator und Primärschwingkreis
VIII
Anhang
Anhang B2
Leiterplattenlayout Oszillatorschaltung
IX
Anhang
Anhang B3
PSpice Simulationsaufbau
X
Anhang
Anhang B4
Ergebnis PSpice Simulation
XI
Anhang
Anhang C1
Entwurf Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung
XII
Anhang
Anhang C1
Leiterplattenlayout Sekundärschwingkreis und Ansteuerschaltung
XIII
Anhang
Anhang D1
Ladeschaltung
XIV
Anhang
Anhang D2
Leiterplattenlayout Ladeschaltung
XV
Anhang
Anhang E
technische Zeichnung Primärseite
XVI
Anhang
Anhang F
technische Zeichnung Sekundärseite
XVII