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Zertifizierte Interoperabilität

Förderprojekt im Rahmen der Bekanntmachung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit über die Förderung von Vorhaben im Bereich der Elektromobilität

Abschlussbericht des Gesamtvorhabens

INTEROP

Inductive Norm Test by Exchange

in Real Operation

„Interoperables Induktives Laden“

„Wireless interoperable Power Transfer - WiPT“

Leibnitz Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften

Universitätsbibliothek Hannover (TIB), Juli 2017

INTEROP Abschlussbericht des Gesamtvorhabens Zertifizierte Interoperabilität

Seite 2 28.07.2017

Ergänzende Schlussberichte der Teilvorhaben:

Leibnitz Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften Universitätsbibliothek (TIB), Hannover, 2016/2017

[1] TIB – DOI: DB Fuhrpark Service GmbH

[2] TIB – DOI: 10.2314/GBV:874961483 E.On New Build & Technology GmbH

[3] TIB – DOI: German E-Cars GmbH

[4] TIB – DOI: 10.2314/GBV:88535785X IPT Technology GmbH

[5] TIB – DOI: 10.2314/GBV:87015625X Siemens AG

[6] TIB - DOI: 10.2314/GBV:876172370 Vahle GmbH & Co. KG

Autoren:

Dr. Olaf Simon SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG Dr. Jochen Mahlein SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG Axel Hoppe Institut f. Automation und Kommunikation e.V. Siegfried Speck EAI GmbH Patrick Schlömer StreetScooter GmbH

FuE-Programm "Erneuerbar Mobil" des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB)

Schlussbericht

Vorhabenbezeichnung:

Inductive Norm Test by Exchange in Real Operation (INTEROP)

Laufzeit des Vorhabens:

vom: 1.11.2012 .......................................................................

bis: 31.12.2016 .......................................................................

Zuwendungsempfänger: (Auflistung aller Verbundpartner) DB Fuhrpark Service GmbH EAI GmbH E.ON New Build & Technology GmbH German E-Cars GmbH Institut f. Automation und Kommunikation e.V. IPT Technology GmbH SEW Eurodrive GmbH & Co KG Siemens AG StreetScooter GmbH Vahle GmbH & Co. KG

Förderkennzeichen: (FKZ´s entsprechend der links angegebenen Verbundpartner)

16EM1069 16EM1083 16EM1068 16EM1064 16EM1082 16EM1063 16EM1065 16EM1066 16EM1070 16EM1067


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Zusammenfassung

Die induktive Ladetechnik von Elektrofahrzeugen erlaubt dem Nutzer einen wesentlich vereinfachten und bequemeren Umgang mit der Elektromobilität. Der lästige Vorgang ein, Kabel aus dem Fahrzeug holen zu müssen und dieses in Fahrzeug und Ladesäule einzustecken, entfällt bei der induktiven Ladetechnik, denn die kontaktlose Energieübertragung findet automatisch statt, sobald das Elektrofahrzeug auf einem Stellplatz mit einer installierten Ladeplatte abgestellt wird. Eine Tätigkeit des Fahrers ist nicht mehr notwendig.

Bislang haben Technologiehersteller kontaktloser Energieübertagung für die Automobilindustrie geschlossene Systeme entwickelt, bei denen die bodenseitige Ladeplatte und die Abnehmerplatte am Boden des Fahrzeugs eine Einheit bilden. Somit sind diese Produkte auf lokale private Anwendungen ausgerichtet und für eine öffentliche Ladeinfrastruktur ungeeignet.

Projektziel des Vorhabens INTEROP ist die Schaffung einer Schnittstellenbeschreibung für den Luftspalt zwischen der bodenseitigen und der fahrzeugseitigen Komponente der kontaktlosen Energieübertragung. Diese Interoperabilitätsdefinition schafft die Voraussetzung für die zwischen verschiedenen Herstellern gemischte Funktion dieser Komponenten und damit die Grundlage einer öffentlichen Infrastruktur für induktive Ladetechnik.

Basierend auf einem wissenschaftlichen Assessment verschiedener Magnetfeldgeometrien und Resonanzkreistopologien und der Spiegelung der Ergebnisse an den Anforderungen einer öffentlichen Infrastruktur ist die Interoperabilität durch das Konzept einer Quellendefinition erzielt worden. Die Interoperabilitätsdefinition dieses Vorhabens ist als IEC 61980-3, Annex AA in die internationale Normungsarbeit eingeflossen und stellt den weltweit einzigen publizierten Ansatz dieser Art dar.

Wesentliche Schlüsseleigenschaften, wie mechanische Flexibilität auf der Fahrzeugseite, Technologieunabhängigkeit, Sicherheit und unabhängige Zertifizierbarkeit, sind gegeben und über umfangreiche Feldtesteinsätze praktisch nachgewiesen. Über zehn Fahrzeuge vier unterschiedlicher Typen und bodenseitige Ladeplatten zweier Hersteller weisen die Herstellerunabhängigkeit im täglichen Betrieb nach.

Mit dem Abschluss dieses Projektes sind die wissenschaftlichen und normativen Grundlagen für die Einführung einer herstellerunabhängigen öffentlichen Infrastruktur induktiver Ladetechnik gegeben.


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Inhalt

I. Allgemeinverständliche Darstellung 7

1. WiPT, ein Standard für das induktive Laden 7

2. Das Konzept der kontaktlosen Energieübertragung 7

3. Anwendungsbeispiele 8

4. Die technischen Kennwerte 10

5. Interoperabilität 11

6. Internationale Normung 12

7. Inhärente Systemsicherheit 12

II. Einleitung des wissenschaftlichen Berichtes 17

1. Systembeschreibung 17

2. Technische Realisierung kontaktloser Energieübertragung 19

3. Vorzüge der kontaktlosen Energieübertragung 20

III. Zielsetzung 25

1. Projektkonzeption 25

2. Definition des Interoperabilitätsverständnisses 25

3. Schlüsselziele 26

IV. Konsensbildung 28

1. Schlüsselanforderungen 28

2. Konsensparameter 30

3. Konsensdilemma 32

V. Theoretische Beschreibung des Transformators 35

1. Gekoppelte elektrische Spulen 35

2. Klemmenorientiertes Ersatzschaltbild des Transformators 37

3. Messtechnische Erfassung der Parameter des klemmenorientierten Ersatzschaltbildes. 38

4. Transformator mit konzentrierten Wicklungen 40

5. Klassisches Ersatzschaltbild des Transformators 43

6. Das -Ersatzschaltbild 45

7. Leistungsbetrachtung für den Betrieb an sinusförmigen Größen 45

VI. Grundlagenuntersuchungen 47

1. Assessment des Magnetkreises 47

2. Assessment bipolarer Wicklungstypen 53


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3. Assessmentprüfung für erhöhte Luftspalte 57

4. Flussdichtenhomogenisierung 60

5. Durchflutungsdefinition 62

6. Streufeld 63

7. Feldplattenausrichtung 64

VII. Interoperabilitätsdefinition 67

1. Konzeption 67

2. Definition 69

3. Aktivierung der Leistungsübertragung 72

4. Anwendung 74

VIII. Resonante kontaktlose Energieübertragung 76

1. Theorie der resonanten kontaktlosen Energieübertragung 76

2. Berechnungen zur Auslegung sekundärer Feldplatten in Parallelkompensation 80

3. Auslegungsbeispiele für sekundäre Parallel-Kompensation 83

IX. Koexistenzstudie 89

1. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) 89

2. RFID Tags 92

X. Nahfeldkopplung 95

XI. Kommunikation 98

1. Signalisierung und Kommunikation für kabelgebundenes Laden mit Wechselstrom99

2. Signalisierung und Kommunikation für interoperable kontaktlose Energieübertragung 100

3. Nachrichtensequenz 103

XII. Gefährdungsanalyse 106

1. Körperströme (EMF) 107

2. Erwärmung metallischer Fremdkörper 113

3. Wirkung auf aktive Implantate 118

4. Aktivierung ohne Fahrzeug auf der Feldplatte 120

5. Aktivierung bei Fahrzeug ohne kontaktloser Energieübertragung 123

6. Schutzmaßnahmen 124

XIII. Feldtestsysteme 127

1. iOn-SEW (Abnehmer B2) 127

2. Cetos-SEW (Abnehmer B1) 130


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3. Cetos-Vahle und Cetos-IPT (Abnehmer C+D) 131

4. Das operative Versorgungsgerät von SEW 132

5. StreetScooter-EAI/ifak Abnehmer 133

XIV. Zertifizierungssystematik 151

1. Interoperabilitätstest 151

2. Kreuztest 154

3. Fahrzeugabnahmen 155

XV. Experimentelle Ergebnisse 163

1. Untersuchte Abnehmer 163

2. Experimentelle Ergebnisse am Abnehmer B1 (Cetos-SEW) 166

3. Wirkungsgrade und Leistungen 168

4. Nachführung der Primärdurchflutung 171

5. Versatz 172

6. Aufboden-Anordnung 175

7. Test Gesamtsystem StreetScooter/EAI/ifak 177

XVI. Literaturverzeichnis 180

XVII. Nomenklatur 183

Anhang

WiPT Technische Spezifikation Interoperable kontaktlose Energieübertragung Magnetkreis

WiPT Technische Spezifikation Interoperable kontaktlose Energieübertragung Nahfeldkopplung - Signal

WiPT Technische Spezifikation Interoperable kontaktlose Energieübertragung Kommunikation und Ablaufsteuerung


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I. Allgemeinverständliche Darstellung

1. WiPT, ein Standard für das induktive Laden

Die Abkürzung WiPT ['vai:pi:ti] steht für einen zertifizierbaren Standard für "Induktives Laden" und stammt von dem englischen Begriff "Wireless interoperable Power Transfer" ab. Übersetzt heißt dies "Kabellose interoperable Energieübertragung". Das Ziel dieses WiPT-Standards ist es, den Aufbau einer öffentlichen Infrastruktur zur kontaktlosen Energieübertragung auf Objekte wie Fahrzeuge oder Transportbehälter zu ermöglichen. Hierfür wird eine herstellerunabhängige und allgemein verfügbare Beschreibung der Technologie bereitgestellt, so dass Ladestationen und Fahrzeuge der unterschiedlichsten Hersteller jeweils wechselseitig garantiert Energie beziehen können.

2. Das Konzept der kontaktlosen Energieübertragung

Mit der kontaktlosen Energieübertragung wird der Vorgang der Aufladung der Batterie eines Elektrofahrzeuges komplett automatisiert und damit erheblich vereinfacht. Ohne das Einstecken eines Ladekabels kann die Energieübertragung allein dadurch stattfinden, dass das Fahrzeug über einer "Ladeplatte" abgestellt wird. Dieses Prinzip ist bereits von elektrischen Zahnbürsten bekannt, welche auf eine Halterung gestellt werden und ebenfalls geladen werden, ohne dass es einen metallischen Kontakt gibt. Zu diesem Zweck besitzt das Fahrzeug am Unterboden eine sehr flache Abnehmerplatte. Über das magnetische Feld, welches die Ladeplatte generiert, kann die Abnehmerplatte Energie aufnehmen und an die Batterie weiterleiten.

Abbildung 1: Parkplatz mit Ladeplatte

In den vergangenen Jahren wurde dieses Konzept von mehreren Herstellern technologisch überprüft und wie am rechten Bild zu erkennen, an für den Straßenverkehr zugelassenen Fahrzeugen umgesetzt. Damit die Fahrzeuge aller Hersteller auch auf den Ladeplatten jedes anderen Herstellers funktionieren, haben sich mehrere Wettbewerber am Markt zusammengeschlossen, um im Rahmen des hier beschriebenen Förderprojektes INTEROP des Bundesumweltministeriums eine Interoperabilitätsbeschreibung zu entwickeln. Das daraus resultierende Ergebnis bildet den WiPT-Standard, welcher in die internationale Normung eingebracht wurde (vgl. I.6).


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3. Anwendungsbeispiele

Derzeit befinden sich etwa 10 Fahrzeuge im dauerhaften Betrieb auf öffentlichen Straßen, welche mit induktiver Ladetechnik gemäß dem WiPT-Standard ausgestattet sind. Dabei stammen die Ladeplatten der Versorgungsstationen von zwei unterschiedlichen Herstellern, die Fahrzeuge wurden von vier verschiedenen Herstellern ausgestattet. Einige Anwendungen dieser Fahrzeuge sind hier kurz dargestellt.

a) Vom InnoZ betriebene Fahrzeugflotte der DB am EUREF-Campus in Berlin

In unmittelbarer Nähe zum für Fernsehübertragungen genutzten Gasometer auf dem EUREF -Campus in Berlin betreibt die InnoZ GmbH (InnoZ) im Auftrag der DB eine Flotte bestehend aus drei Fahrzeugen und drei induktiven Ladeplatten. Die drei von der German E Cars GmbH mit induktiver Ladetechnik ausgestatteten Fahrzeuge werden für tägliche Fahrten von Mitarbeitern des InnoZ im Berliner Stadtgebiet genutzt.

Abbildung 2: Fahrzeuge des InnoZ mit induktiver Ladetechnik

Die Ladeplatten stammen von den Herstellern Paul Vahle GmbH & Co. KG (Vahle) und SEW-Eurodrive GmbH & Co. KG (SEW), die induktive Ladetechnik der Fahrzeuge von IPT Technology GmbH (IPT), Vahle und SEW. Hier kann an einem öffentlich zugänglichen Ort die Interoperabilität praktisch erlebt werden.

b) Domino's Pizza Lieferservice in Berlin Hellersdorf

Bei Domino's Pizza Service (vormals Joey's) in Berlin Hellersdorf wird bestellte Ware mit einem induktiv geladenem iMiEV ausgeliefert. Bei jedem Stopp vor dem Geschäft kann der Lieferant sein Fahrzeug wieder für eine kurze Zeit nachladen. Da dies häufig am Tag vorkommt, summieren sich auch hier die Ladezeiten, so dass die vorgesehene Ladeleistung


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auch für diese gewerbliche Nutzung hinreichend ist. Bei einem kabelgebundenen Fahrzeug würde man wohl kaum diese kurzen Zeiten nutzen, da der Aufwand für das Stecken des Ladekabels als nicht lohnenswert empfunden wird. Als Stellplatz wird der Seitenstreifen einer normalen öffentlichen Straße genutzt.

Abbildung 3: Lieferfahrzeug von Domino’s (vormals Joey’s) Pizzerservice mit

Ladeplatte auf einem Parkplatz im öffentlichen Raum

Während des seit August 2015 laufenden Betriebs wurden auf dem von dem Energieversorger E.ON New Build & Technology GmbH (E.On) betriebenen Stellplatz bereits mehr als 1700 kWh Energie übertragen.

c) Verteilfahrzeuge von StreetScooter für die Deutsche Post

Einen für das StreetScooter Fahrzeug der StreetScooter GmbH (StreetScooter) angepassten induktiven Abnehmer entwickelt die Firma EAI Gmbh (EAI) aus Ilsenburg in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut Institut für Automation und Kommunikation e.V (ifak) aus Magdeburg. Das für Postverteildienste optimierte Fahrzeug kann mittels der induktiven Ladetechnik anwendungsfreundlicher gestaltet werden und wird für die Zukunft fit gemacht. Gerade beim autonomen Fahren an eine Laderampe ergänzt sich die induktive Ladetechnik, denn während der Beladung des Fahrzeugs wird auch die Batterie aufgeladen und es muss nicht mit hohem technischen Aufwand ein Stecker automatisch kontaktiert werden.

Abbildung 4: Postverteilfahrzeug von StreetScooter mit induktiver Ladetechnik

Im Rahmen des Projektes „CO2-freie Zustellung“ werden weitere Fahrzeuge mit induktiver Ladetechnik ausgestattet, um den Betrieb der Fahrzeuge für die Angestellten weiter zu vereinfachen.


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d) Betriebsfahrzeug von E.On/EDIS am Flughafen Schönefeld, Vahle in Kamen und dem Berliner Büro von SEW

Als Fahrzeug für Servicearbeiten an den Energieversorgungseinrichtungen auf dem Flughafen Schönefeld betreibt der Energieversorger EDIS ebenfalls ein induktiv geladenes Fahrzeug. Auch an diesem Standort sind seit August 2015 ebenfalls bereits 900 kWh Energie an das Fahrzeug übertragen worden.

Abbildung 5: Betriebsfahrzeuge von E.On/EDIS, Vahle und SEW-Eurodrive

Weitere Fahrzeuge nutzen die Firmen Vahle und SEW an verschiedenen Standorten als Firmenwagen, wie in den rechten beiden Abbildungen zu sehen ist.

4. Die technischen Kennwerte

Im Kern adressiert der WiPT-Standard die breitgefächerte Anwendung der induktiven Ladetechnik auf öffentlichen Parkplätzen, auf Parkstreifen neben der Fahrbahn, auf Parkflächen von Arbeitgebern oder Geschäften und auf privaten Stellflächen z.B. in der heimischen Garage. In all diesen Fällen steht das Parken des Fahrzeuges im Vordergrund, der Ladevorgang erfolgt als zusätzliche Dienstleistung quasi nebenbei. Es handelt sich daher um einen "Stromparkplatz", auf dem man während des Parkens auch laden kann. (Trotzdem ist der WiPT-Standard nicht auf diese Anwendungsfelder beschränkt und über die hier dargestellten Anwendungsfelder und technischen Kennwerte erweiterungsfähig.)

Die breitgefächerte Anwendung im öffentlichen Raum stellt die technologisch größte Herausforderung dar, da verfügbare Anschlussleistung, Robustheit, Verfügbarkeit und Wartungsfreiheit ebenso gegeben sein müssen wie ein hohes Maß an Sicherheit. Gelöst werden diese Anforderungen mit folgenden Kennwerten:

Leistung 3 kW

Arbeitsfrequenz 140 kHz

Aktive Fläche der bodenseitigen Ladeplatte 80 cm * 80 cm

Gemäß diesen konstruktiven Vorgaben konnten die folgenden Eigenschaften erreicht werden:

Wirkungsgrad: knapp 90%

Versatztoleranz: +- 10 cm


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Abbildung 6: Übertragungsleistung und Wirkungsgrad für verschiedene

Herstellerkombinationen im interoperablen Betrieb

Als Hilfsmittel beim Einparken erhält der Fahrer eine optische Anzeige, die ihm den Weg zur bestmöglichen Position zur Ladeplatte anzeigt.

Abbildung 7: Anzeige für den Fahrer zur Unterstützung der Positionierung

5. Interoperabilität

Unter Förderung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit haben sich vier namhafte Technologiehersteller mit Erfahrung in kontaktloser Energieübertragung sowie ein Forschungsinstitut zur wissenschaftlichen Begleitung zusammengefunden, um eine Interoperabilitätsdefinition zu gestalten.

Die erarbeitete Lösung basiert auf einer Quellendefinition. Die Gestaltung dieser Definition lehnt sich an der bekannten Haushaltssteckdose an. In der gesamten Versorgungsinfrastruktur findet man garantiert immer dieselbe Art von Steckdose an. Es gibt also eine eindeutige Definition für die Quellenseite der Energieversorgung. Dort kann mit den unterschiedlichsten Steckervarianten Energie bezogen werden, d.h. die Steckerart bleibt flexibel und es ist auch unerheblich, mit welcher Technologie der Strom erzeugt wird, ob nun mittels Kraftwerk oder Solarzellen.

Einzig das Wissen über die Geometrie der Steckdose, d.h. Innenmaß der Vertiefung, Lage der Buchsenkontakte und die unabhängig von der Last zur Verfügung stehende Quellenspannung erlaubt die Gestaltung von Verbrauchern.


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Abbildung 8: Quellendefinition in Anlehnung an die Haushaltssteckdose

Für die induktive Ladetechnik ist eine gleichartige, sehr knappe Quellendefinition ausschließlich für die Ladeplatte der Versorgungsseite möglich. In Analogie wird in diesem Fall die Geometrie der magnetisch wirksamen Ferritlage für den magnetischen Rückschluss festgelegt, die Lage der Wicklung und der in der Wicklung fließende Quellenstrom, aus welchem der Verbraucher Energie beziehen kann. Somit erhält man quasi eine "induktive Steckdose".

6. Internationale Normung

Es ist ausdrückliches Ziel des Bundesumweltministeriums, als Fördergeber für die Findung der Interoperabilitätsdefinition im Rahmen des Förderprojektes INTEROP ("Inductive Norm Test by Exchange in real Operation"), mit den Forschungsergebnissen der Technologieunternehmen die Formulierung internationaler Standards im Sinne der Interoperabilität zu gewährleisten. Nur mit einer Interoperabilität kann eine öffentliche Infrastruktur für die Elektromobilität erfolgreich entstehen.

Aufgrund der Prägnanz der Interoperabilitätsdefinition konnte der Verbund der Technologiehersteller das internationale Normungsgremium für die Erstellung der Norm zur kontaktlosen Energieübertragung zur Aufnahme dieser Definition in den Normungsentwurf überzeugen.

Im September 2015 wurde diese WiPT-Interoperabilitätsdefinition in den Entwurf der IEC

61980-3 für induktive Energieübertragung als Annex AA normativ aufgenommen und in den Fachkreisen veröffentlicht [9].

Dieser Annex stellt die zurzeit einzige technologie- und herstellerunabhängige Standardisierung für einen wechselseitigen Betrieb von Versorgungsstationen und Fahrzeugen dar, der interoperabel eine Energieübertragung garantieren kann. Es handelt sich zudem um den einzigen Annex, bei dem die Praxistauglichkeit durch dauerhaften täglichen Betrieb im öffentlichen Raum unter Interoperabilitätsbedingungen mit einer größeren Fahrzeugflotte nachgewiesen wurde (vgl. I.3).

7. Inhärente Systemsicherheit

Der WiPT-Standard ist derart gestaltet, dass für die oben dargestellten technischen Kennwerte eine inhärent sichere Konstruktion für die kontaktlose Energieübertragung möglich ist. Unter inhärenter Sicherheit versteht man, dass ein System aus seiner Konstruktion heraus eigensicher ist und keiner aktiven Schutzmaßnahmen wie z.B. zusätzlicher Abschalteinrichtungen bedarf.


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Nur von einem solchen System lässt sich erwarten, dass es wartungsfrei betrieben werden kann, da aktive Schutzeinrichtungen in ihrer Funktion regelmäßig überprüft werden müssten und ein potentielles Ausfallrisiko darstellen. Folgende wesentliche Aspekte wurden beim WiPT-Standard analysiert und konstruktiv berücksichtigt.

a) Elektrische Sicherheit

Bei der Verwendung der induktiven Ladung ist kein Verbindungskabel zwischen Ladesäule und Fahrzeug mehr notwendig. Das bedeutet nicht nur eine komfortablere Bedienung, sondern vermeidet auch mögliche elektrische Unfallrisiken, beispielsweise durch mechanisch geschädigte Verbindungskabel. Auch Witterungseinflüsse können keine Gefährdungen hervorrufen, da keinerlei elektrisch leitfähige Komponenten an der Oberfläche liegen.

b) Stolperfreiheit

Auf öffentlich zugänglichen Plätzen wird die Ladeplatte der Versorgungsstation in der Straßenoberfläche versenkt, so dass sich ein bodenebenes Erscheinungsbild ergibt. Dadurch ergibt sich eine, verglichen mit Ladesäulen, elegantere Optik und Integration in das Stadtbild und es wird kein für einen Passanten störendes Stadtmobiliar installiert. Eine unbenutzte Parkfläche bleibt für einen Fußgänger zum Begehen frei, ohne jegliche Gefahr des Stolperns.

c) Magnetfeldfreiheit bei Nichtbenutzung

Schon aus Gründen der elektrischen Energieeinsparung wird die Ladeplatte der Versorgungsstation abgeschaltet, sobald sich kein Fahrzeug über dieser befindet. Nur wenn das Fahrzeug ein (ebenfalls induktives) Signal an die Ladeplatte sendet und die Ladeplatte vollständig überdeckt, kann sich die Energieübertragung aktivieren. Beim Begehen der Ladeplatten ist somit keinerlei Magnetfeld vorhanden.

d) Erwärmung metallischer Körper

Während des Betriebs der Ladeplatte baut sich zwischen Boden und Fahrzeug ein magnetisches Feld auf. Dieses kann in metallische Fremdkörper eindringen, welche sich möglicherweise zwischen den Feldplatten befinden, und diese erwärmen. Für Gegenstände des täglichen Alltags, wie Geldstücke, Schlüssel, Blechdosen für Getränke, Werkzeuge, ja sogar Mobiltelefone etc., ist die Erwärmung jedoch derart gering, dass hierdurch keine Gefährdung beim Aufheben dieser Gegenstände entsteht. Trotz der hohen Übertragungsleistung ist dies möglich, da die Energieübertragung über eine relativ große Fläche stattfindet und damit die auf die Fläche der Fremdkörper bezogene Energieübertragung sehr klein bleibt. Dies setzt jedoch voraus, dass auch die unter dem Fahrzeug befindliche Abnehmerplatte eine große Fläche aufweist, was nicht notwendigerweise bei allen Herstellern der Fall ist. Hersteller von Abnehmern mit kleiner Fläche benötigen daher Detektionsmaßnahmen und eine damit verbundene Abschalteinrichtung.


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Abbildung 9: Erwärmung metallischer Fremdkörper

Für die Stärke der Erwärmung ist die Flussdichte (Stärke des magnetischen Feldes) die bedeutsame physikalische Größe. Die von einer induktiven Energieübertragung gelieferte Leistung setzt sich aus dem Produkt von Frequenz, Fläche und Flussdichte zusammen. Wählt man die Arbeitsfrequenz und die Fläche möglichst groß, so kann man die gleiche Leistung bei möglichst kleiner Flussdichte übertragen. Die oben dargestellten technischen Kennwerte sind genau an diesen Kriterien ausgerichtet. Die Fläche nutzt den unter einem Fahrzeug verfügbaren Platz möglichst aus und die Frequenz liegt möglichst hoch, nämlich gerade unterhalb der Frequenz von Langwellensendern für den Rundfunkempfang. Da beim Parken aufgrund der meistens langen, zur Verfügung stehenden Zeit auch nur eine geringe Leistung notwendig ist (und bei geringen Kosten hergestellt werden kann) erhält man eine Lösung mit einem sehr kleinen magnetischem Feld.

e) Entflammungshemmung für Fremdkörper

Bei metallisch beschichtetem Papier kann es auf der Oberfläche der Metallbeschichtung zu relativ hohen Temperaturen kommen. Die sehr geringe thermische Kapazität des Materials verhindert jedoch, dass es zu einer Verletzung beim Anfassen kommt. Vereinfacht gesagt, der Finger kühlt das Material schneller ab, als das Material den Finger erwärmt.

Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass das Trägerpapier der Metallbeschichtung sich nicht so weit erwärmt, dass es zu einer Flammenbildung kommt.

Abbildung 10: Erwärmung von metallisch beschichtetem Papier

Wie im vorausgegangenen Abschnitt bereits beschrieben, hilft auch hier die Auslegung für geringste mögliche Flussdichten (vgl. Abschnitt "Erwärmung metallischer Körper"). Mit den zur Verfügung stehenden Dimensionen lässt sich eine Entflammung von metallisch beschichtetem Papier verhindern, so dass auch für diese Fragestellung keine Sensorik und Abschaltung notwendig ist.


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f) Wirkung der magnetischen Felder auf den menschlichen Körper

Die Bewertung der magnetischen Felder auf den menschlichen Körper erfolgt anhand der ICNIRP-Richtlinie [15]/[16], welche Grenzwerte für die dauerhafte Wirkung der Felder angibt. Mit Hilfe von Simulationen des Körpergewebes können die Einflüsse von technischen Systemen ermittelt und den Grenzwerten gegenübergestellt werden. Derartige Untersuchungen wurden auch für den WiPT-Standard mit großflächiger Abnehmerplatte durchgeführt. Mit Hilfe der im Abschnitt "Erwärmung metallischer Körper" beschriebenen Maßnahmen konnte die Einhaltung der Grenzwerte gezeigt werden, selbst dann, wenn man im laufenden Ladebetrieb einen Gegenstand unter der Mitte des Fahrzeuges hervorholt. Sowohl die Fläche des Abnehmers als auch die hohe Arbeitsfrequenz stellen eine notwendige Voraussetzung für dieses Ergebnis dar.

Abbildung 11: Einhaltung der ICNIRP Grenzwerte für Körperströme

Auch die allgemein bekannte Technologie von RFID-Tags, mit deren Hilfe z.B. markierte Produkte von einer Kasse im Einkaufswagen identifiziert werden können, arbeitet mit der gleichen Frequenz wie die hier beschriebene kontaktlose Energieübertragung. Interessanter weise hält die kontaktlose Energieübertragung die für die RFID-Tags gestatteten Grenzen der magnetischen Felder ebenfalls ein. Da die RFID-Technik weltweite Akzeptanz in der Frequenznutzung genießt, kann dies auch für den WiPT-Standard erwartet werden.

g) Sicherheit für Herzschrittmacher

Aktive Körperhilfsmittel, wie z.B. Herzschrittmacher, reagieren besonders empfindlich auf äußere magnetische Felder. Auch diese dürfen selbstverständlich durch den Betrieb von induktiver Ladetechnik nicht negativ beeinflusst werden. Hersteller von Herzschrittmachern garantieren normativ hinterlegt eine unbeeinflusste Funktion bis zu Flussdichten von 6,25 µT. Auch in dieser Frage wurde der Nachweis erbracht, dass auch bei einem unter das Fahrzeug greifenden Herzschrittmacherträger die Flussdichte am Ort des Herzschrittmachers bzw. dessen Elektroden dieser Wert unterschritten bleibt.


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Abbildung 12: Unterschreitung der Störfestigkeitsgrenze von Herzschrittmachern

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der WiPT-Standard eine eigensichere Realisierung der induktiven Ladetechnik erlaubt. Empfindliche, leicht zu störende und wartungsintensive Sensoren für eine Systemabschaltung sind daher im angestrebten Kernanwendungsbereich der breit gestreuten öffentlichen Infrastruktur zum Laden beim Parken nicht notwendig. Einem Nutzer wäre auch nicht gedient, wenn er am Morgen feststellt, dass sein Fahrzeug nicht geladen ist, weil jemand am frühen Abend eine Münze unter das Fahrzeug geworfen hat, sei es nun absichtlich oder aus Versehen.

Die Eigensicherheit garantiert somit vor allem eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Energieübertragung.


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II. Einleitung des wissenschaftlichen Berichtes

Das Projekt INTEROP dient der Untersuchung und Weiterentwicklung von kontaktloser Energieübertragung für den Anwendungszweck der Batterieladung von Personenkraftwagen. Hauptzweck ist die Entwicklung einer Beschreibungsform für eine herstellerunabhängige Interoperabilität, die einen zwischen Herstellern wechselseitigen Betrieb von kontaktloser Energieübertragung, insbesondere im öffentlichen Raum, ermöglicht.

Die grundsätzliche technische Machbarkeit der kontaktlosen Energieübertragung auf Basis von magnetischer Induktion über große Luftspalte mit ausreichender Leistung und einem vernünftigem Wirkungsgrad wurde bereits in drei im Rahmen des Konjunkturpaketes II durchgeführten Forschungsprojekten nachgewiesen. Hierbei konnte je ein Fahrzeughersteller (OEM) zusammen mit je einem Technologiehersteller für die kontaktlose Energieübertragung die oben genannten grundsätzlichen Eigenschaften erfolgreich umsetzen.

Im Rahmen einer öffentlichen Ladeinfrastruktur für Elektro-PKW kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass die in der Fahrbahn befindliche Energiequelle und der im Fahrzeug befindliche Energieabnehmer von ein und demselben Technologiehersteller stammen. In diesem Fall muss eine Interoperabilität zwischen den Energiequellen aller möglichen Technologieherstellern zu allen Energieabnehmern ebenfalls aller möglicher Hersteller gegeben sein.

Um die Voraussetzungen für eine derartige Interoperabilität zu schaffen, wurde das Projekt INTEROP durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit im Programm „Erneuerbar mobil“ als Konsortialprojekt gefördert. Hierbei liegt der Forschungsschwerpunkt nicht nur bei den technologischen Voraussetzungen für die Interoperabilität, sondern auch bei der Fragestellung, in welcher Form eine interoperable Schnittstelle für kontaktlose Energieübertragung überhaupt definiert werden kann.

1. Systembeschreibung

Das Grundkonzept einer öffentlichen kontaktlosen Energieübertragung zum Zweck der Ladung der Batterie von Elektrofahrzeugen sieht vor, dass mittels eines magnetischen Feldes von einer in die Fahrbahn eingelassenen stationären Feldplatte Energie zu einer am Fahrzeugunterboden befindlichen mobilen Feldplatte übertragen wird (vgl. Abbildung 13).


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Abbildung 13: PKW mit kontaktloser Energieübertragung

Die wesentlichen für die Energieübertragung notwendigen technischen Komponenten zeigt Abbildung 14. Eine an das öffentliche elektrische Energieversorgungsnetz angeschlossene Einspeisung erzeugt einen hochfrequenten Strom, welcher in die elektrische Wicklung der stationären Feldplatte eingespeist wird. Das hieraus resultierende magnetische Feld koppelt in die Wicklung der mobilen Feldplatte ein und erzeugt dort eine elektrische Spannung, welche nach einer Gleichrichtung im fahrzeugseitigen Ladegerät Energie in die Batterie einbringen kann. Kontrolliert wird der Ladevorgang (wie beim kabelgebundenen Ladevorgang auch) durch das „battery management system“ (BMS), welches den Zustand der Fahrzeugbatterie beobachtet und für einen geeigneten Ladezustand sorgt. Im Fahrbetrieb kann diese Energie anschließend über einen Frequenzumrichter (FU) aus der Batterie an den Fahrmotor abgegeben werden.

Mobile Feldplatte

Ladegerät

Batterie Motor

BMS

Stationäre Feldplatte

FU

Einspeisung

Versorgungsnetz

FU: FrequenzumrichterBMS: Batterie-Management-System

Abbildung 14: Hauptkomponenten der kontaktlosen Energieübertragung


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2. Technische Realisierung kontaktloser Energieübertragung

Kontaktlose Übertragungssysteme bestehen im Wesentlichen aus einem transformatorischen Übertragungssystem, mit dem die Energie gegenüber einem konventionellen Transformator über einen großen Luftspalt (mehrere Dezimeter) und bei hohen Frequenzen (etwa hundert Kilohertz) übertragen wird. Komplettiert wird das Spulensystem durch leistungselektronische Energiewandlungsstufen mit schnell schaltenden Halbleiterschaltern auf der Primär- und der Sekundärseite (Abbildung 15). Wesentliche Baugruppen der Leistungselektronik in Elektromobilitätsanwendungen sind die PFC zur Leistungsfaktorkorrektur und zur Bereitstellung der Gleichspannung für den Zwischenkreis, ein Mittelfrequenzumrichter und ein Mittelfrequenzgleichrichter. Alle Elektronikbaugruppen müssen für die entsprechende Arbeitssfrequenz geeignet sein.

Abbildung 15: Grundelemente eines kontaktlosen Energieübertrgaungssystems

Neben der optimalen anwendungsorientierten Auslegung des magnetischen Übertragers stellen auch die leistungselektronischen Elemente des Systems bedeutsame Anforderungen an die Optimierung dar. Beim Design der Resonanztopologie und der Wechselrichter- bzw. Gleichrichtertopologien spielen die möglichen Verluste eine wichtige Rolle. Insbesondere bei höheren Frequenzen wächst bei herkömmlichen Leistungshalbleitern der Anteil der Schaltverluste. Im Gegensatz zu IGBT und Standard-MOSFET bieten neue Bauelemente auf SiC und GaN Technologie aufgrund ihrer deutlich reduzierten Verluste und der Fähigkeit, hohe Frequenzen zu schalten, neue Möglichkeiten bei der Realisierung von Hochleistungsübertragungssystemen.

Die für die Wechselrichter am häufigsten eingesetzten Schaltungstopologien sind die Halb- und die Vollbrückenschaltung (Abbildung 16). Möglich sind auch noch Direktumrichtertopologien, wie z.B. der Matrixumrichter, die aber nur in mehrphasig gespeisten Übertragungssystemen angewendet werden.

Net

z /

Bat

terie

50/60 Hz20..400 kHz

Netzgleichrichter Zwischenkreis MF-Inverter

Prim

ä r-

(Sen

de-)

w

ickl

ung

MF-Gleich-richter

Filterkontaktloser Resonanzübertrager

Sekundä r-

(Em

pfangs -) w

icklung

Verbraucher (Last)

Einspeisung

PF

C


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Abbildung 16: Halbbrücke und Vollbrücke

Weiterführend werden die Systeme nach der Art der Speisung des Übertragungssystems, strom- oder spannungseinprägend, unterschieden. Zur Realisierung dieser Speisungsarten werden verschiedene Kompensationsarten und Filtersysteme verwendet. Die Steuerung des Energieflusses aus dem Wechselrichter kann durch die Stellmöglichkeiten der PFC (Zwischenkreisspannung) und/oder die Pulsweitenmodulation des Wechselrichters erfolgen.

Die Umwandlung der übertragenden Energie auf der Sekundärseite in eine, für den nachfolgenden Verbraucher geeignete Gleichspannung wird im Allgemeinen durch ungesteuerte Gleichrichterschaltungen mit nachfolgenden Filterelementen umgesetzt. Für die Regelung und Steuerung der sekundärseitigen Ausgangsgrößen finden gesteuerte (aktive) Gleichrichter oder nachfolgende Energiewandlungsstufen (z.B. DC/DC-Wandler) typischerweise eine Verwendung. Aktive Gleichrichter ermöglichen aufgrund der geringen Verluste eine Steigerung der Gesamteffizienz der Gesamtanordnung.

Die Betriebseigenschaften kontaktloser Ladesysteme erfordern aufgrund möglicher unzulässig hoher Spannungen und Ströme in den verschiedenen Betriebszuständen, wie z.B. Lastabwurf oder Wegrollen des Fahrzeuges geeignete Schutzmaßnahmen zum Schutz des Leistungselektronik. Hierfür kommen typischerweise Strom- und Spannungsüberwachungen und Schutzschaltungen zum Einsatz.

3. Vorzüge der kontaktlosen Energieübertragung

Das induktive Laden liefert neben dem täglichen bequemen Umgang für den Nutzer auch weitere nicht ganz so offensichtliche Vorteile. Diese betreffen sowohl Eigenschaften, welche für den Netzbetreiber von hoher Bedeutung sind, als auch technische Eigenschaften, die zu einem schonenden Betrieb eines Elektrofahrzeuges führen. Die kabelgebundene Ladetechnik gilt in Fachkreisen als erhebliche Nutzungseinschränkung für den Anwender und Hemmnis für die allgemeine Verbreitung der Elektromobilität, welche durch die kontaktlose Energieübertragung beseitigt werden kann.

a) Komfort

Schon im normalen Alltag bietet das induktive Laden verglichen mit dem kabelgebundenem Laden einen wesentlich einfacheren Umgang mit der Elektromobilität. Da das Elektrofahrzeug alleine durch den Parkvorgang automatisch mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden wird, entfällt für den Fahrer jegliche Tätigkeit für das Aufladen des Fahrzeugs. Dies bedeutet, dass der gewohnte "Tankvorgang" eines

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Verbrennungsfahrzeugs für den Anwender komplett entfällt. Ein induktiv geladenes Fahrzeug benötigt keinen (bewussten) Tankvorgang und bietet damit eine vollkommen neue Erfahrung der Fahrzeugnutzung. Allein das Abstellen des Fahrzeugs sorgt quasi permanent für den notwendigen Energievorrat.

Noch deutlicher wird der Wert des Komfortgewinns, wenn man das Laden bei widrigen Witterungsbedingungen betrachtet. Die Abbildung 17 zeigt eine kabelgebundene Ladung im Winter.

Abbildung 17: Komforteinschränkungen beim kabelgebundenem Laden durch

manuellem Steckvorgang und Umwelteinflüssen

Da das Ladekabel in den meisten Fällen dem Fahrzeughalter gehört und er dieses nach der Nutzung im Kofferraum mitnehmen muss, ist die unangenehme Tätigkeit ein feuchtes ggf. sogar verdrecktes Kabel aufzurollen und einzupacken nicht zu vermeiden. Gerade im Winter kommt noch ein weiterer Effekt hinzu, der zu Schwierigkeiten führt. Während des Ladevorgangs erwärmt sich das Kabel und der umgebende Schnee beginnt zu schmelzen. Nach Abschluss des Ladevorgangs kühlt das Kabel wieder ab und friert in dem umgebenden Schmelzwasser ein. Das führt dazu, dass das Kabel nur mit Gewalt wieder vom Boden gelöst werden kann.

b) Städtisches Erscheinungsbild

Noch in den 70er Jahren war es üblich, dass städtische Parkstreifen mit Parkuhren an jedem Stellplatz ausgestattet wurden (vgl.Abbildung 18). Seit dieser Zeit haben Stadtplaner diese Parkuhren aus den Städten verbannt und vermeiden derartiges "Stadtmobiliar" soweit als möglich. Besonders in sehenswerten Altstadtbereichen stört allein schon das Erscheinungsbild dieser technischen Einrichtungen.

Abbildung 18: Parkuhren in den 70er Jahren


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Mit der kabelgebundenen Ladetechnik tritt solches unerwünschte Stadtmobiliar nun erneut in Erscheinung.

Anders verhält es sich bei der bodeneben installierten induktiven Ladetechnik. Sämtliche Technik befindet sich unter der Straßenoberfläche, so dass die Einrichtung optisch verschwindet.

Abbildung 19: Stadtbild konduktiver und kontaktloser Ladetechnik

Neben dem unschönen Erscheinungsbild hat Stadtmobiliar aber auch direkte praktische und finanzielle Nachteile. Da Ladesäulen wie auch Parkuhren ein Hindernis im Straßenverkehr darstellen, ist das Risiko einer Kollision und damit das Schadensrisiko recht hoch. Wartung, Reparatur und Ersatzbedarf sind direkte negative Folgen für den Betreiber dieser Einrichtungen. Die bodenebene induktive Ladetechnik erlaubt daher einen extrem wartungsarmen Betrieb der technischen Einrichtungen.

c) Stolperfreiheit

Mit der im Boden versenkten unauffälligen Unterflurinstallation ist zudem verbunden, dass der induktive Ladeplatz keinerlei Hindernisse in der Fläche um den Stellplatz herum einbringt. Ist der Stellplatz nicht von einem Fahrzeug belegt, so kann die Fläche vollkommen frei für andere Zwecke verwendet werden.

Abbildung 20: Bodenebene Installation der kontaktlosen Energieübertragung

Fußgänger können die Fläche ohne Umgehung von Hindernissen überqueren. Sowohl in diesem unbenutzten Fall als auch während eines Ladevorgangs besteht kein Risiko einer Stolperfalle, wie dies bei Ladekabeln oft gegeben ist.

d) Schutz gegen Vandalismus

Ebenfalls bedingt durch die Unterflurinstallation bietet die induktive Ladetechnik keinen Angriffspunkt für Vandalismus. Die glatte Oberfläche aus sehr stabilem Material, da auch ein


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Überfahren mit Fahrzeugen möglich sein muss, kann durch äußere Einwirkungen nur sehr schwer beschädigt werden. Auch dies verhindert Schäden an den Einrichtungen, die für den Betreiber andernfalls entstünden.

Insbesondere Ladekabel sind aufgrund des Kupferwertes auch dem Risiko von Diebstahl ausgesetzt. In der Regel werden die Kupferkabel einfach vom Stecker abgetrennt, so dass der Diebstahl mit Vandalismus einhergeht und zu hohem Schaden führt. Dieses Risiko wird mit dem induktiven Laden prinzipiell ausgeschlossen.

e) Elektrische Sicherheit

Ohne bewegliche Elemente, wozu auch Ladekabel gehören, weist die induktive Ladetechnik keine Verschleißteile auf. Verschleißteile müssen regelmäßig geprüft und ggf. ausgetauscht werden. Häufig wird dieser Aufwand von den Betreibern der Infrastruktur auf den Nutzer übertragen, welcher sein eigenes Kabel zur Nutzung der Ladesäule mitbringen muss. In diesem Fall geht Prüfung und Wartung auf den privaten Laien über und birgt das Risiko von Wartungsmängeln und Fehleinschätzungen aus deren Folge Stromunfälle entstehen können. Das eigentliche Ereignis des Stromunfalles kann auch durch die vorgeschriebenen Fehlerstromschutzschalter nicht verhindert werden, da diese erst auslösen, wenn der Kontakt zum Leiter bereits zustande gekommen ist. Der Fehlerstromschutzschalter mindert "lediglich" die aus dem Unfall resultierenden Verletzungen. Jede Auslösung, ob durch einen tatsächlichen Unfall oder andere Ursachen, führt zwangsläufig zu einem Wartungseinsatz, denn ein automatisches Wiederzuschalten ohne Ursachenanalyse dürfte von den meisten Betreibern als fragwürdig eingestuft werden, in einigen Ländern ist dies bereits grundsätzlich untersagt. In jedem Fall entsteht ein Wartungsaufwand beim Betreiber. Die induktive Ladetechnik bringt daher ein Mehr an Sicherheit sowohl beim Stolperrisiko aus auch bei potentiellen elektrischen Unfällen.

f) Fahrzeugverfügbarkeit

Aufgrund des stark erhöhten Komforts der kontaktlosen Energieübertragung und der damit verbundenen automatisierten Kopplung des Fahrzeugs mit der Energieversorgung entstehen zwei weitere nennenswerte Vorteile. Der eine betrifft die Fahrzeugverfügbarkeit für den Nutzer, der andere die Fahrzeugverfügbarkeit für den Betreiber des Versorgungsnetzes.

Beim kabelgebundenen Laden des Fahrzeugs entsteht aufgrund des Nutzerverhaltens der Effekt, dass aufgrund des damit verbundenen Aufwands eine Kontaktierung des Fahrzeuges mit dem Netz erst durchgeführt wird, wenn dies nicht mehr vermeidbar ist, sprich, wenn die Batterie bereits relativ stark entladen ist. Anders verhält es sich bei der automatischen Kopplung der kontaktlosen Technik, bei der die Batterie unabhängig vom Ladezustand grundsätzlich geladen wird sobald das Fahrzeug abgestellt ist. Damit erreicht man weniger stark ausgeprägte Zyklen, was sich auf die Lebenszeit der Batterien positiv auswirkt. Nicht zuletzt bietet dies auch einen finanziellen Vorteil für den Nutzer. Zudem befindet sich das Fahrzeug immer in einem möglichst hohen Ladezustand und ist bestmöglich verfügbar.

Netzbetreiber haben das Interesse, die Batterien von Elektrofahrzeugen als gesteuerte Lasten einzusetzen. Auf diese Weise kann Energie dann aufgenommen werden, wenn viele regenerative Energiequellen aktiv sind. Meistens entsteht dem Fahrer dadurch kein Nachteil, da die Standzeiten des Fahrzeugs häufig höher sind als die notwendigen Ladezeiten (So


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lange die Batterie nur als gesteuerte Last und nicht zur Rückspeisung genutzt wird, entstehen auch keine Lebensdauer verkürzende Effekte). Das ist natürlich nur dann möglich, wenn die Fahrzeuge während ihrer Standzeiten auch tatsächlich mit dem Versorgungsnetz verbunden sind. Kabelgebundene Elektrofahrzeuge mit relativ hohem Batterieladestand werden jedoch von den Nutzern aus Bequemlichkeit häufig nicht an das Netz gesteckt, so dass deren verbleibende Speicherkapazität nicht als Regelreserve für das Netz zur Verfügung steht. Die automatisierte Netzanbindung ist daher geradezu eine notwendige Voraussetzung zur Schaffung eines steuerbaren Netzes.


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III. Zielsetzung

Die grundsätzliche Machbarkeit einer kontaktlosen Energieübertragung über einen relativ großen Luftspalt bei akzeptablen Wirkungsgraden und Einbauvolumina wurde bereits in vorausgegangenen Forschungsprojekten wie „W-Charge“ oder „IndiOn“ nachgewiesen. Hier handelte es sich jedoch um mehrere einzelne Gesamtsystementwicklungen bei denen das Versorgungsgerät und der Abnehmer von ein und demselben Hersteller entwickelt wurden. Es entstanden Lösungen, die sich sowohl in mechanischen Parametern als auch in den elektrischen Betriebsparametern deutlich unterscheiden. Ein Einsatz ist damit auf einen lokalen Bereich z.B. der privaten Garage eingeschränkt.

Noch nicht gelöst ist daher die Frage, wie eine öffentliche kontaktlose Infrastruktur realisiert werden kann, bei der jedes für diese Technik ausgerüstete Fahrzeug auf einer von einer Kommune oder einem Parkraumbewirtschafter angebotenen Stellplatz Energie beziehen kann. Diese hier als Interoperabilität bezeichnete Eigenschaft herzustellen, ist die zentrale Fragestellung dieses Forschungsprojektes.

1. Projektkonzeption

Für diese Zielsetzung der Interoperabilität haben sich im Projekt vier Hersteller von kontaktlosen Energieübertragungssystemen (IPT Technology, Siemens, Vahle und SEW) zu einem kooperativen Entwicklungsprozess zusammengeschlossen. Zur Wahrung einer wissenschaftlichen neutralen Bewertung wird der Zusammenschluss durch das ifak als Forschungsinstitut in enger Zusammenarbeit mit der EAI komplettiert. Diese Projektpartner werden im Folgenden als „Technologiehersteller“ bezeichnet.

Für den praktikablen Nachweis der Vorgehensweise der Technologiehersteller wird im Projekt die Ausrüstung von drei verschiedenen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Bauart vorgesehen. Hierbei handelt sich es um den i-On, den Cetos von dem Projektpartner German E-Cars sowie dem StreetScooter B12, wobei German E-Cars und StreetScooter ebenfalls als Projektpartner teilnehmen.

Die Demonstration der Praktikabilität und Stabilität der Technologie sowie die Bewertung der Nutzerfreundlichkeit werden durch weitere Projektteilnehmer in der Funktion von Fahrzeugbetreibern wahrgenommen. Hierbei handelt es sich um die Unternehmen E.On und DB Rent. Mit der Zielsetzung, die Technik der kontaktlosen Energieübertragung für PKW demonstrativ im öffentlichen Raum zu erproben, betritt das Projekt ebenfalls Neuland, da dies nur mit der realen Umsetzung eines vollständigen Schutzkonzeptes möglich ist.

2. Definition des Interoperabilitätsverständnisses

Der Begriff „Interoperabilität“ als allein stehende Vokabel kann in ganz unterschiedlichen Weisen verstanden und interpretiert werden. Es ist daher wichtig, diesen wiederkehrenden und das Projekt titulierenden Begriff bezüglich des damit verbundenen Verständnisses exakt zu beschreiben.

Es gibt für den Begriff „Interoperabilität“ durchaus Interpretationen, welche auf der reinen technologischen Ebene für die Komponenten der Energieübertragung basieren. Diese


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Interpretation stellt die Frage, wie viele und welche verschiedensten Bauformen von Wicklungen und magnetischen Flussführungen untereinander zu einem technisch sinnvollen Energieübertragungssystem zusammengeführt werden können. Diese eher enge Sichtweise, unter welchen Bedingungen primäre und sekundäre Teilsysteme miteinander funktionieren, steht im Projekt INTEROP nicht im Vordergrund.

Vielmehr begreift das Projekt die „Interoperabilität“ in ihrer Interpretation auf der rein applikativen Ebene. Das bedeutet, dass die Interpretation der Anwender zum Begriff der Interoperabilität und nicht die der Hersteller im Vordergrund steht. Der Endnutzer und Fahrer eines Fahrzeuges wird fragen, ob sein Fahrzeug mit dem heimischen Versorgungsgerät operieren kann (was man voraussetzen darf) und ob es ebenfalls mit dem Versorgungsgerät im Parkhaus im nächstgelegenen Ort (inter-)operieren kann. Die Sichtweise eines Fahrzeugherstellers (OEM „original equipment manufacturer“), der ja ebenfalls als Anwender der Technologie auftritt, wird davon schon deutlich abweichen. Einem OEM ist es bei der Frage der Interoperabilität vor allen Dingen wichtig, ob er alle seine verschiedenen Fahrzeugmodelle auf einem Versorgungsgerät betreiben kann, sei es für ein dem Kunden selbst angebotenes Gerät oder noch wichtiger für ein auf einem öffentlichen Stellplatz befindliches Versorgungsgerät. Die Sicht eines Technologieherstellers lautet hingegen, ob er in der Lage ist, mit eigenen Produkten den Markt von Versorgungsgeräten und Abnehmern zu bedienen. Das bedeutet, dass die Herstellung eines öffentlich installierten Versorgungsgerätes mehreren Herstellern möglich sein muss.

Sollte es sich dabei ergeben, dass dies nur mit genau einer Flussführung und genau einer Wicklungsanordnung möglich ist, so spielte dieses im Projekt keine entscheidende Rolle. Diese Fragestellung wird als lösbar angesehen, da eine normative Begleitung dieser Technologie ohnehin unumgänglich ist und mit diesem Projekt auch im Sinne der Interoperabilität auf Applikationsebene vorangetrieben und befruchtet werden soll. Bereits hier sein angemerkt, dass es sich im Projektverlauf gezeigt hat, dass es mehr als nur eine Wicklungsanordnung gibt, die das gesteckte Interoperabilitätsverständnis erfüllt, mehr noch, sogar notwendig sind.

3. Schlüsselziele

In Anbetracht der Tatsache, dass das Projekt aus zehn Teilnehmern besteht und der technischen Grundsituation einem quasi unendlich großem Lösungsraum gegenüberzustehen, kann ein erfolgreiches Ergebnis nur durch eine Eingrenzung der Erwartungshaltung und eine Konsensfindung erlangt werden. Da für das Projektziel eines öffentlichen Demonstrationsbetriebs die Einigung auf den kleinsten Nenner nicht ausreichend ist, erfolgt eine Definition der Schlüsselziele, so dass erkennbar wird, bei welchen „Nebenzielen“ ein Kompromiss leicht erzielt werden kann, ohne das Projekt zu schädigen.


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Die folgenden fünf Ziele werden als Grundlage für die Konsensfindung verstanden:

- Definition und Präsentation einer herstellerübergreifend realisierbaren, kontaktlosen, interoperablen Ladetechnik

Dieser Satz bringt in kurzer Form das im Abschnitt III.2 beschriebene Verständnis der Interoperabilität zum Ausdruck.

- Vorkalkulatorischer Nachweis einer technologisch und wirtschaftlich führenden Lösung

Das Projekt soll mit den experimentellen Mustern ein Ergebnis zeigen, welche ein ökonomisch sinnvolles Ergebnis darstellt. Aufwendige technische Detailoptimierungen ohne entsprechend hohen wirtschaftlichen Nutzen sollen nicht zum Gegenstand des Projektes werden. Die Grundendscheidungen sollen auf dem vorhandenen Erfahrungsschatz der Technologiehersteller beruhen.

- Realisierung einer der konduktiven Ladetechnik vergleichbaren Effizienz

Dieses technologische Effizienzziel wurde bereits bei den vorausgegangenen Projekten als notwendige Anforderung an die Fragestellung der technischen Machbarkeit gestellt und erreicht. Hier wird daher betont, dass diesbezüglich keine Einschränkungen gemacht werden können, da die Kundenakzeptanz und regulatorische Umweltanforderungen dagegenstünden.

- Nachweis der Systemsicherheit und Robustheit

Da die Systemrobustheit bereits in weiten Elementen im grundlegenden Konstruktionsprinzip verankert ist (vgl.II.1) steht bei dieser Zielformulierung die Systemsicherheit im Vordergrund. Wie bereits in III.1 beschrieben, stellt diese Thematik für den Betrieb im öffentlichen Raum ein zentrales und notwendiges Thema dar. Dies gilt insbesondere, weil es mit Projektbeginn zwar viele Lösungsansätze gibt, jedoch für keinen Ansatz ein Sicherheitsnachweis oder eine praktische Umsetzbarkeit nachgewiesen ist.

- Systemakzeptanz bei Infrastruktur- und Flottenbetreibern sowie Fahrzeugherstellern

Dieses Ziel drückt aus, dass vor allen Dingen die überzeugenden Faktoren der kontaktlosen Energieübertragung zum Ausdruck gebracht werden sollen, damit das Interesse an dieser Technologie steigt. Es drückt auch die Aspekte aus, die für das Verständnis der Interoperabilität eine wichtige Rolle gespielt haben, nämlich der anwendungsorientierten Interpretation. Zentral ist hierbei die Betonung der (öffentlichen) Infrastruktur, da hier die Interoperabilitätsanforderungen aller Interessen an einem Ort zusammentreffen. Die öffentliche Infrastruktur ist somit der am schwersten zu lösende Fall, was auf der anderen Seite bedeutet, dass die Lösung dieser Anwendung alle anderen Anwendungen im Grundsatz auch löst, wenn dort auch spezifisch andere Gewichtungen der Faktoren eintreten und spezifischere Ansätze denkbar sind.


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IV. Konsensbildung

In diesem Projekt haben sich vier Technologiehersteller zusammengefunden, um gemeinsam eine Interoperabilitätsdefinition zu entwickeln. Alle Hersteller sind dem Projekt mit unterschiedlichen Vorstellungen und vorausgegangenen Erfahrungen beigetreten. Noch schwieriger gestaltet sich die Situation durch die unterschiedlichen Markteinschätzungen der Hersteller, aus deren Perspektive diese eine, aus ihrer Sicht erfolgreiche, Produktkonzeption ableiten.

Um unter diesen schwierigen, zum Teil sich widersprechenden Vorbedingungen einen Konsens zu erreichen, ist eine strikt methodische Vorgehensweise notwendig. Dazu werden in einem ersten Schritt die Schlüsselanforderungen an ein kontaktloses Energieübertragungssystem zusammengestellt. Hierbei wird eine strenge Anwendersichtweise angenommen und das Ziel einer öffentlichen Ladeinfrastruktur in den Vordergrund gestellt.

Der Projektverlauf zeigt, dass, gespiegelt an diesen Anforderungen, eine im Prinzip eindeutige technische Lösung entsteht und sich somit quasi automatisch ein Konsens einstellt.

1. Schlüsselanforderungen

Die erfolgreiche Gestaltung eines Standards setzt voraus, dass die Entscheidungskriterien zur Auswahl von Definitionen dem Einsatzzweck des Standards angepasst sind. Einsatzzweck der Interoperabilitätsdefinition (WiPT-Standard) ist die breitflächig einsetzbare, garantierte verfügbare kontaktlose Energieübertragung auf wechselnde Abnehmer im öffentlichen Verkehrsraum. Aus diesem Zweck heraus werden die im Folgenden aufgelisteten Anforderungen abgeleitet und im späteren Verlauf umgesetzt.

a) Unterflurinstallation

Der Standard basiert auf einer bodenebenen Unterflurinstallation. Diese Anforderung resultiert wesentlich aus den Aspekten der Sicherheit, die eine Installation ohne Stolperfallen erfordert, als auch aus den Anforderungen von Betreibern zu einem unauffälligen, in das Stadtbild integrierte Erscheinungsbild sowie einer problemlosen Reinigung. Insbesondere die Möglichkeit der Schneeräumung erfordert die Unterflurinstallation.

Abbildung 21: Räumung von Schnee auf öffentlichen Flächen


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Auch aus technischer Sicht ist diese Anforderung sinnvoll, da in dieser Installationsform die größten magnetisch wirksamen Luftspalte entstehen und damit die technischen Herausforderungen am größten sind. Alternative Überflurinstallationen sind technologisch weniger anspruchsvoll und lassen sich aus einer Definition von Unterflurinstallationen ableiten.

b) Keine bewegten Elemente

Wartungsfreie, langlebige und robuste Lösungen lassen sich bei Systemen ohne bewegte Elemente am leichtesten realisieren. Bewegte Elemente sind in der Regel auch anfällig gegenüber Verschmutzung oder Verklemmung. Vorausgehende Diskussionen mit Automobilherstellern und Betreibern haben ergeben, dass beide auf ihren Einrichtungen keine bewegten Elemente für akzeptabel halten.

c) Sicherheit

Die Sicherheit eines technischen Systems wird vom Anwender grundsätzlich vorausgesetzt. Es muss daher ein Nachweis erfolgen, dass aus dem Standard abgeleitete Energieübertragungssysteme allen Sicherheitsstandards genügen. Dies setzt implizit die heutige Realisierbarkeit von ggf. notwendigen Schutzmaßnahmen voraus.

d) Geometrische Flexibilität

Da die Abnahme von Energie von den unterschiedlichsten Fahrzeugen erfolgen können muss, darf die Standardisierung keine strikten Vorgaben an die Geometrie des Abnehmerkopfes vorschreiben. Fahrzeuge vom Kleinwagen bis hin zum Lieferwagen weisen die unterschiedlichsten Höhen über dem Boden auf und bieten die unterschiedlichsten Einbauräume bezüglich der Fläche, so dass Konstruktionen der sekundären Feldplatte in unterschiedlichen Fahrzeugtypen stark voneinander abweichen werden. Die Anwendungen erfordern daher vom Standard ein hohes Maß an Flexibilität in der Geometrie.

Abbildung 22: Anforderungen an ein kontaktloses Energieübertragungssystem

bezogen auf unterschiedliche Fahrzeugtypen

Zudem ist zu erwarten, dass sekundäre Feldplatten in unterschiedlichsten mechanischen Formen entwickelt werden. Von selbsttragenden, im Wesentlichen flachen Konstruktionen bis hin zu im Unterboden integrierten Wicklungen mit komplexer Formgebung können aus verschiedensten Fabrikationsmethoden die günstigsten Lösungen ausgewählt werden.


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e) Kompakte sekundäre Geometrie

Neben der bereits beschriebenen allgemeinen geometrischen Flexibilität wurde die Anforderung für eine möglichst kleine sekundäre (flächige) Geometrie gesondert als Schlüsselkriterium aufgenommen. Insbesondere die Anwendung der kontaktlosen Energieübertragung bei Plug-In Hybridfahrzeugen erfordert bei den Automobilherstellern eine extrem kleine Bauform für die sekundäre Feldplatte. In diesen Fahrzeugen, die Verbrennungsmotor und Elektroantrieb kombinieren, ist sehr wenig Bauraum vorhanden, so dass neben der grundsätzlichen Anpassbarkeit der abnehmenden Feldplatte auf Luftspalte und Fläche eine explizite Notwendigkeit zur Minimierung der sekundären Feldplatte besteht.

f) Hoher Wirkungsgrad

Die kontaktlosen Energieübertragungssysteme stehen bezüglich der Effizienz im Wettbewerb mit konduktiven Ladegeräten. Zunächst mag der Steckkontakt nahe legen, dass dort extrem hohe Wirkungsgrade umgesetzt werden können. Dem ist jedoch nicht so, da die elektrische Sicherheit eine Potentialtrennung zwischen Versorgungsnetz und Fahrzeug erfordert. Kabelgebundene Ladegeräte weisen daher einen internen Transformator auf, der mit derselben Wirkungsweise wie die induktiven Feldplatten diese Potentialtrennung realisiert. Aus diesem Grund entstehen auch beim Laden mit Steckkontakt nennenswerte Verluste. Für die kontaktlose Energieübertragung wird daher ein Wirkungsgrad über 90% angestrebt, der den Wirkungsgraden der konduktiven Technik nahe kommt. Auch gesetzliche Bestimmungen erfordern einen ausreichenden Wirkungsgrad. Es ist zu erwarten, dass der Gesetzgeber bei entsprechender Verbreitung der Technologie entsprechende Vorgaben machen wird.

Nicht zuletzt sei darauf hingewiesen, dass der Wirkungsgrad in die Ladezeit des Fahrzeuges eingeht. Da die dem Versorgungsnetz entnehmbare Leistung aufgrund der elektrischen Sicherungen fixiert ist, bleibt die Summe aus Ladeleistung und Verlustleistung konstant. Je höher die Verluste, desto geringer die Ladeleistung.

2. Konsensparameter

Welche technischen Kriterien und welche konkreten Werte für die Erreichung der Schlüsselziele heranzuziehen sind und welchen Wertebereich diese annehmen sollten wird in einem Abstimmungsprozess zur Konsensbildung erarbeitet. Die in der Konsenstabelle genannten Werte sind in das Projekt als a priori Rahmenwerte eingeflossen und basieren auf dem Erfahrungswissen der Hersteller. In Fällen, in denen keine sofortige Einigkeit bezüglicher technischer Lösungsansätze besteht, werden die hier herausgearbeiteten technischen Kriterien als Bewertungsmaßstab für verschiedenartige Ansätze herangezogen.

Diese Liste aus Kriterien ist essentiell, da sehr große Anforderungslisten von Endverbrauchern, Betreibern und OEM bei allen Technologieherstellern vorliegen und sich diese Anforderungen zum Teil einander ausschließen. Insbesondere bei der im folgenden Kapitel beschriebenen Frage der Baugröße wird diese Thematik im Detail dargestellt und erläutert.

Die folgende Tabelle listet die am Projektanfang als relevant betrachteten Kriterien und zugehörigen Zielbereiche. Es handelt sich hierbei nicht unbedingt um die tatsächlichen


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Eigenschaften des am Projektende definierten interoperablen Energieübertragungssystems, sondern um Rahmenwerte für die folgenden Untersuchungen.

Kriterien Zielwerte Erläuterungen

Effizienz >= 90% im homogenen und heterogenen Betrieb

Die Eingrenzung des Lösungsraums wird von allen Häusern als Möglichkeit angesehen. [gemäß Anwendungsregel]

Erwärmung von Fremdkörper Eigensicherheit oder

Detektion von Fremdkörpern

Große Spulensysteme werden mit dem Ziel der Eigensicherheit entwickelt, kleine Spulensysteme werden mit FOD ergänzt.

Arbeitsfrequenz 140 kHz Festfrequenz (bzw. 132,5 kHz ISM-Band für SRDs)

Vermeidung eines breiten Frequenzbandes [gemäß Anwendungsregel]

Magnetische Felder Einhaltung Basisgrenzwerte ICNRP 1998; im Außenbereich möglichst < 6,25 µT

Sicherheitsgrenzwerte nach ICNRP, marketingtechnisch günstig und für Herzschrittmacher empfehlenswert der Maximalwert von 6,25 µT

Luftspalt (mechanisch, bei Unterflur (bodengleich) - Installation)

100 bis 170 mm inkl. der Toleranzen, Nennarbeitsbereich von 115-155 mm

Ziel InterOp, muss von Primär- und Sekundärseite erfüllt werden

Erweiterte Luftspalt bis 210mm inkl. der Toleranzen erweitertes Ziel, Interoperabilität kann z.B. mit Leistungs- und Effizienzreduzierung erreicht werden

Luftspalttoleranz (während der Nutzung/Betrieb) <= +/- 15 mm Toleranz während des Betriebes

bedingt durch Ein- und Ausfedern

Spulengröße Sekundärseite ca. >30x30 cm und <80x80 cm Unterstützung von zwei prinzipiell verschiedenen Spulengrößen auf der Sekundärseite

Spulengröße Primärseite ca. 80x80 cm oder größer Orientierung Spulengröße Primärseite 60x60 cm - 80x80 cm (Untersuchungsraum wird mit entsprechenden Toleranzen versehen)

Spulenlage Parkplatz mittig

Leistungsteuerung 3kW ein/aus Tabelle 1: Konsenskriterien

Insbesondere die Trennung der Werte für den Luftspalt in einen Wertebereich möglicher Luftspalte und die Luftspalttoleranz, die die Varianz des Luftspaltes während des Betriebs eines einmal konstruierten Systems angibt, stellt eine, nicht selbstverständliche, für die Lösungsfindung jedoch wichtige Entscheidung dar.

Die Trennung in sekundäre Feldplatten zweier verschiedener Größenklassen fußt auf Erkenntnissen der Grundlagenuntersuchungen, welche in den folgenden Kapiteln dargestellt werden.


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3. Konsensdilemma

Die größte Schwierigkeit bei der Bildung des Konsenses liegt in den sich gegenseitig ausschließenden Anforderungen, welche durch die unterschiedlichen Interessengruppen Anwender, Fahrzeughersteller und Technologiehersteller gestellt werden.

Abbildung 23: Skizze primärer und sekundärer Feldplatte

Eine Skizze der Feldplatten eines induktiven kontaktlosen Energieübertragungssystems ist in Abbildung 23 dargestellt. Wie in (32) abgeleitet, ergibt sich die übertragene Leistung eines solchen Systems durch folgende Gleichung.

(1)

BAf

G

IIMP

M

~

21

21

Einflussgrößen sind hierbei die Arbeitsfrequenz f, der magnetische Kopplungsleitwert, welcher letztendlich in die Fläche A der Feldplatten eingeht und die Ströme in beiden Feldplatten, welche sich letztendlich auf die entstehenden Flussdichten B auswirken.

Betrachtet man nun die Wunschanforderungen der Interessengruppen, ist folgendes festzustellen:

Der Fahrzeughersteller wünscht sich eine möglichst kleine Baugröße, so dass die Integration in ein Fahrzeug möglichst einfach wird und möglichst eine Feldplatte für alle Fahrzeuge geeignet ist.

Der Endnutzer und die regulativen Behörden benötigt ein sicheres System mit wenig Einfluss auf die Umgebung, daher soll das System möglichst kleine Flussdichten erzeugen.

Der Technologielieferant wiederum muss ein verlustarmes und kostengünstiges System herstellen und hat daher ein Interesse die Arbeitsfrequenz niedrig zu halten, welche die Leistungshalbleiter mit Verlusten belastet.

Letztendlich führen alle diese Wunschanforderungen dazu, dass keine Leistung mehr übertragen werden kann.

Eine sinnvolle Auslegung einer kontaktlosen Energieübertragung kann sich daher nicht an diesen Wunschanforderungen orientieren, vielmehr stellt sich die Frage, wie weit die Anforderungen aller Interessengruppen abgeschwächt werden können, um dem Ziel einer sinnvollen Energieübertragung näher zu kommen, welches ja letztendlich von allen Interessengruppen gewünscht wird.


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Der Technologielieferant kann den Anforderungen an kleine Flussdichten und kleine Flächen entgegenkommen, indem er eine möglichst hohe Arbeitsfrequenz wählt. Regulative Grenzen sind durch den Bereich der Radiofrequenzen gesetzt, welche bei 150 kHz beginnen. Aus diesem Grund wurde bereits in der DKE Anwendungsregel die Arbeitsfrequenz von 140 kHz als Rahmenwert für kontaktlose Energieübertragung gewählt. Aus Vorgängerprojekten ist bereits bekannt, dass sich eine derartige Arbeitsfrequenz technologisch realisieren lässt und beherrschbare Verluste entstehen. Aus Sicht der Technologiehersteller sind somit die Möglichkeiten zur Erlangung der Wunschanforderungen der Fahrzeughersteller und Nutzer ausgeschöpft.

Schwieriger gestaltet sich die Abwägung zwischen den Faktoren Fläche und Flussdichte. Bei dieser Fragestellung haben sich zwei Lager gebildet, welche unterschiedliche Prioritäten als notwendige Voraussetzungen für eine erfolgreiche Produkteinführung in den Vordergrund stellen.

a) Kompaktfeldplatten

Insbesondere getrieben durch die Fahrzeughersteller, gilt die Größe der (sekundären) Feldplatte bei Überschreitung der Fläche von etwa einem DIN A3 Blatt als Ausschlusskriterium für eine Produkteinführung. Für den Einsatz der kontaktlosen Energieübertragung in Plug-In Hybriden ist diese Einschätzung nachvollziehbar, da derartige Fahrzeuge sowohl mit Verbrennungsmotor als auch mit elektrischer Antriebstechnik ausgestattet sind. Dennoch lässt sich ein deutliches Größenkriterium über alle Fahrzeughersteller hinweg nicht ausmachen und allein schon die aus Platzgründen z.T. vorgenommene Platzierung der Feldplatte außerhalb des Zentrums lassen ohnehin die Adressierung einer öffentlichen Infrastruktur mit diesen Fahrzeugen fraglich erscheinen. Voll elektrische Fahrzeuge besitzen in der Regel eine im Fahrzeugboden platzierte Batterie, an dessen Boden grundsätzlich eine große Fläche zur Verfügung steht.

Die Größe der Feldplatte bestimmt jedoch auch überschlagsmäßig den Materialeinsatz und stellt daher eine ökonomische Kenngröße dar. Die Wertung des Gewichts dieses Zusammenhanges ist jedoch an viele Rahmenbedingungen konkreter Umsetzungen gebunden, so dass auch aus diesem Zusammenhang keine fraglose Grenze abgeleitet werden kann.

Unumstritten erzeugen Feldplatten der genannten Zielgröße jedoch Flussdichten, welche bezügliche der Erwärmung von metallischen Fremdkörpern zwischen den Feldplatten sowie auch der zu erwartenden induzierten Körperströme Werte, welche ein Gefährdungspotential aufweisen. Das Lösungskonzept der Vertreter kompakter Feldplatten besteht in der Anwendung von Sensoren, welche Lebendobjekte und metallische Fremdkörper erkennen und die Energieübertragung abschalten bzw. reduzieren.

b) Eigensicherheit

Dem Ansatz kompakter Feldplatten steht das Konzept von eigensicheren Energieübertragungssystemen gegenüber. Dieser Ansatz verfolgt die Verwendung einer möglichst großen Fläche (ähnlich der Wahl einer möglichst großen Frequenz). Der maximalen Fläche ist über die Größe eines Fahrzeugs eine natürliche und damit allgemein anerkannte Grenze gesetzt. Dies vermeidet den Einsatz von Sensoren, deren Verfügbarkeit


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nicht gegeben ist und deren Einsatz die Systemrobustheit und -verfügbarkeit einschränken würde.

Mit diesem Ansatz reduziert sich die Flussdichte auf ein Minimum, so dass die Aussicht besteht, ein eigensicheres System herstellen zu können, welches unter allen Betriebsbedingungen ausreichend sicher ist, ohne dass durch Sensoren initiierte Abschaltungen nötig werden. Ob sich die Flussdichte für die Sicherheitsanforderungen ausreichend reduzieren lässt, ist jedoch zu Projektbeginn nicht belegt, wird jedoch von den Vertretern dieses Ansatzes vermutet.

Abbildung 24: Skizze von Kompaktfeldplatten (links) und der Eigensicherheit (rechts)

Da beide Grundansätze bezüglich der Größen der primären Feldplatten deutlich unterschiedlich sind, erscheinen beide Philosophien miteinander unvereinbar. Der Zwang, dass eine primären Feldplatte mit alle sekundären Realisierungen funktioniert und welcher für eine öffentliche Infrastruktur unumgänglich ist, führt zu einem Konsenskonflikt.

Die Auflösung dieses Konfliktes ist der Schlüssel für die Definition einer Interoperabilitätsschnittstelle, da auf diese Weise beide Philosophien und damit auch beide Markteintrittsstrategien bedient werden können. Die folgenden Grundlagenuntersuchungen geben Aufschluss darüber, wie diese sich zu widersprechen scheinenden Strategien von Kompaktfeldplatte und Eigensicherheit gemeinsam in einem Interoperabilitätsansatz berücksichtigt werden können.


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V. Theoretische Beschreibung des Transformators

1. Gekoppelte elektrische Spulen

Eine Anordnung von zwei oder mehr Spulen, deren einzelne magnetische Felder miteinander gekoppelt sind, so dass diese in die jeweils anderen Spulen hineinwirken und deren Windungen mit magnetischem Fluss durchsetzen, bezeichnet man als Transformator.

Wesentliche Einsatzfelder von Transformatoren sind die Energieübertragung, um elektrische Energie auf unterschiedliche Spannungsebenen zu transformieren, der Einsatz als Trenntransformator, um elektrische Schaltungen in der Regel aus sicherheitstechnischen Gründen galvanisch voneinander zu trennen und auch Systeme zur kontaktlosen Energieübertragung.

Die Kopplung der magnetischen Felder eines typischen Transformators mit zwei magnetisch miteinander gekoppelten Spulen zeigt Abbildung 25. Die roten Feldlinien B1 werden durch den primären Strom i1 erzeugt. Diese Feldlinien teilen sich in zwei Gruppen. Ein Teil der Feldlinien durchsetzt ausschließlich die Spule, welche diese Feldlinien generiert (linke Feldlinien), wobei ein anderer Teil (rechte Feldlinien) zudem die zweite Spule durchsetzen. Gleiches gilt für die blauen Feldlinien B2, deren Quelle der sekundäre Strom i2 ist. Der Anteil der Feldlinien, welcher beide Spulen durchsetzt wird als koppelnder Fluss bezeichnet, der Anteil welcher ausschließlich eine Spule durchsetzt wird als Streufluss bezeichnet.

Mi1

u1

i2L1 L2

u2

B1 B2

Abbildung 25: Magnetische Feldlinien zweier gekoppelter Spulen

Zur Beschreibung der Wirkung der magnetischen Flussdichte B in den Spulen wird der verkettete Fluss definiert, da dieser im Induktionsgesetz der Maxwell-Gleichungen auftritt. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei dem Fluss in einer definierten Fläche um das Produkt aus der Flussdichte B innerhalb dieser Fläche mit der Größe der Fläche.

Eine elektrische Spule definiert den Rand einer Fläche, den diese Spule aufspannt. Im Fall von Abbildung 25 handelt es sich um eine kompliziert in sich verdrehte Fläche, die sich über mehrere Windungen erstreckt. Da es sich bei der Flussberechnung hierbei nicht mehr um eine „einfache“ Fläche handelt, spricht man daher anstatt von einem Fluss von einem verketteten Fluss. Kennzeichen ist hierbei, dass eine einzelne Flusslinie die gefaltete Fläche mehrfach durchsetzen kann. Die Definition des verketteten Flusses lautet:

(2) A

AdB


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Im Falle von „einfachen“ Flächen kann zwischen dem verketteten Fluss und dem (einfachen) Fluss nicht unterschieden werden. Dies wird im Abschnitt 0 näher erläutert.

Die in dieser Gleichung auftretende Flussdichte wird in einer elektrischen Spule durch den in dieser Spule fließenden Strom generiert. Mathematisch wird dies im Durchflutungsgesetz der Maxwell-Gleichungen unter Zuhilfenahme der magnetischen Materialgleichung beschrieben. Lediglich zur prinzipiellen Verdeutlichung sei hier der Zusammenhang der einen langen und geraden Leiter im Abstand r umgebenden Flussdichte in Abhängigkeit vom Strom dargestellt.

(3) 112

ir

B

Im Ergebnis erhält man einen linearen Zusammenhang zwischen Flussdichte und dem dafür ursächlichen Strom. Dieser lineare Zusammenhang gilt damit ebenfalls für den verketteten Fluss.

Der Proportionalitätsfaktor zwischen verkettetem Fluss und dem ursächlichen Strom enthält ausschließlich geometrische Faktoren, wie der Fläche der elektrischen Wicklung und damit deren Lage sowie dem eingesetzten Material. Beides Größen, die sich beim Betrieb eines Transformators nicht mehr ändern, so dass der Proportionalitätsfaktor als Konstante betrachtet werden kann. Definiert ist dieser Proportionalitätsfaktor zwischen verkettetem Fluss und dem ursächlichen Strom als Induktivität L (bzw. M).

(4) 111 iL

Im Falle von gekoppelten Spulen gemäß Abbildung 25 ist nun zu berücksichtigen, dass die Flussdichte in der Primärspule nicht ausschließlich vom Strom in der Primärspule gebildet wird, sondern auch eine Flussdichte vorhanden ist, deren Ursache im Strom der Sekundärspule begründet ist. Beide Flussdichtenanteile bilden in der Primärspule einen verketteten Fluss, der bei linearer Überlagerung, wie folgt, als Matrixgleichung beschrieben werden kann, welche auch den verketteten Fluss der sekundären Spule enthält.

(5)

2

1

221

121

2

1

i

i

LM

ML

Mittels energetischer Betrachtung (vgl. Abschnitt V.7) kann nachgewiesen werden, dass die koppelnden Induktivitäten M12 und M21 identisch sein müssen, so dass der unterscheidende Index unnötig ist.

(6) MMM 2112


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2. Klemmenorientiertes Ersatzschaltbild des Transformators

Die Wirkung der magnetischen Felder auf die Klemmenspannung des Transformators und damit die Wirkung der Ströme auf die Klemmenspannung erhält man über das Induktionsgesetz der Maxwell-Gleichungen. Dieses besagt indirekt, dass die Spannung an den Klemmen der Spulen der zeitlichen Ableitung des verketteten Flusses entspricht.

(7)

2

1

2

1

2

1

2

1

i

i

LM

ML

u

u

Auf den Einfluss der ohmschen Spannungsabfälle an den Spulen, welche durch einen einfachen Serienwiderstand modelliert werden können wird in den mathematischen Herleitungen aus Übersichtlichkeitsgründen bewusst verzichtet. Eine graphische Umsetzung dieses Gleichungssystems in ein elektrisches Ersatzschaltbild, hier als direktes Ersatzschaltbild bezeichnet, zeigt die folgende Abbildung.

u1

i1 L1

u2

i2

121 iM 212 iM

L2M

Abbildung 26: Direktes Ersatzschaltbild des Transformators

Aufgrund der etwas künstlich wirkenden Spannungsquellen mit Bezug auf die gegenüberliegende Schaltungshälfte wirkt das direkte Ersatzschaltbild nicht sonderlich elegant. Mit Hilfe der folgenden formalen Erweiterung obiger Gleichung kann Abhilfe geschaffen werden.

(8)

2221

222212

2111

211111

iMLiiM

iLiMiMiMu

iiMiML

iMiMiMiLu

Somit entsteht das klemmenorientierte Ersatzschaltbild des Transformators.

u1i1

L1S = L1-M

Mu2

i2

L2S = L2-M

iM

Abbildung 27: Klemmenorientiertes Ersatzschaltbild des Transformators

In diesem Ersatzschaltbild treten Induktivitäten L1S und L2S in Erscheinung. Zwar liegt es nahe, in Analogie zu den folgenden weiteren Ersatzschaltbildern des Transformators, diese Induktivitäten als „Streuinduktivitäten“ zu bezeichnen, jedoch entbehrt diese Bezeichnung im


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einfachen Transformatorersatzschaltbild jedem physikalischen Fundament, da es sich um rein mathematisch formale Konstrukte handelt.

Dies sei an folgender Überlegung verdeutlicht. Die Größe L1S tritt lediglich auf der primären Spule des Transformators in Erscheinung. In ihr enthalten ist jedoch der Ausdruck M*i1. Die physikalische Bedeutung dieses Ausdrucks ist jedoch die Wirkung des primären Stroms auf den verketteten Fluss in der sekundären Spule und beschreibt damit keine Wirkung auf die primäre Spule. Somit beschreibt L1S keine, allein auf die Primärspule zielende Wirkung und kann keinem physikalischen Wirkungsprinzip zugeordnet werden. Insbesondere wird hier eben nicht der Streufluss der Primärspule beschrieben.

Rein praktisch wird der fehlende physikalische Zusammenhang von L1S dadurch deutlich, dass sich je nach Anordnung auch negative Werte für diese Größe ergeben können, was für die physikalische Bedeutung der Induktivität als Proportionalitätsfaktor von verkettetem Fluss und Strom nicht sinnvoll ist.

Vorgreifend beachtenswert ist auch, dass in diesem klemmenorientierten Ersatzschaltbild die für einen Transformator bedeutsame Eigenschaft des Übersetzungsverhältnisses (im Prinzip der Quotient aus Ausgangsspannung zu Eingangsspannung) nicht in Erscheinung tritt.

Da das einfache Ersatzschaltbild das Verhalten des Transformators alleine durch Betrachtung des Klemmenverhaltens (Ströme und Spannungen an den Primär- und Sekundärklemmen) abgeleitet ist, bleiben interne konstruktive Eigenschaften des Transformators im Verborgenen. Dazu zählt damit auch das Übersetzungsverhältnis, da es als Quotient von sekundärer zu primärer Windungszahl definiert ist und damit eine konstruktive Größe darstellt, welche an den Klemmen nicht explizit in Erscheinung tritt.

3. Messtechnische Erfassung der Parameter des klemmenorientierten

Ersatzschaltbildes.

Die drei Parameter des klemmenorientierten Ersatzschaltbildes L1, L2 und M können über folgende vier Induktivitätsmessungen ermittelt werden.

- Messung am offenen Ausgang

Mit jeweils offenen Klemmen an der gegenüberliegenden Spule werden die primäre und sekundäre Induktivität (Leerlaufinduktivität LxO) ermittelt. Diese entsprechen unmittelbar den zugehörigen Ersatzschaltbildparametern.

(9) 22

11

LL

LL

O

O

- Messung am kurzgeschlossenen Ausgang

Mit jeweils kurzgeschlossenen Klemmen an der gegenüberliegenden Spule werden ebenfalls die primäre und sekundäre Induktivität (Kurzschlussinduktivität LxK) ermittelt.

Die primäre Kurzschlussinduktivität erhält man über die Addition von L1S und der Parallelschaltung aus M und L2S. Indirekt ergibt sich unter Kenntnis der primären und sekundären Induktivität L1 und L2 aus beiden dieser Messungen die Kopplungsinduktivität M.


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Grundsätzlich müssen sich gleiche Werte ergeben, so dass eine Mittelung beider Messergebnisse sinnvoll ist.

(10)

21

2

22

21

2

1

2

11

1

1

11

1

LL

MLL

LL

ML

MLM

MLL

K

K

Diese Gleichungen enthalten einen Verhältnisterm zwischen Kopplungsinduktivität und den Klemmeninduktivitäten, welcher aufgrund seines häufigen Auftretens als Kennwert definiert wird und als Kopplungsfaktor k bezeichnet ist.

(11) 21

2

LL

Mk

Dieser Faktor gibt gewissermaßen das Verhältnis aus Kopplungsinduktivität und Klemmeninduktivität (Kopplungsinduktivität plus Streuinduktivität) an und gilt als Maß für die Qualität eines Transformators. Sehr gute Transformatoren sind durch wenig Streufelder gekennzeichnet und streben den Wert k=1 an. Der Extremfall eines schlechten Transformators besteht in zwei völlig voneinander getrennten Spulen, welche keine magnetische Kopplung aufweisen, so dass sich k=0 ergibt.

Somit kann aus den Kurzschlussmessungen gemäß (10) leicht der Kopplungsfaktor ermittelt werden und anschließend über die Definition des Kopplungsfaktors die Kopplungsinduktivität M.

(12)

2

2

1

1

2

22

2

11

11

1

1

L

L

L

Lk

kLL

kLL

KK

K

K

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Kurzschlussmessung durch eine Messung des Spannungsverhältnisses aus Ausgangsleerlaufspannung und Eingangsspannung ersetzt werden kann. Die dazu notwendigen Gleichungen zur Ermittlung von M lassen sich leicht ableiten. Aufgrund des hierbei von einer Induktivitätsmessung abweichenden Messprinzips, ist diese Vorgehensweise jedoch eher untypisch.

Im Falle von Feldsimulationen eines Transformatoraufbaus lassen sich aus den Finite Elemente Berechnungsprogrammen ebenfalls die Induktivitäten L1, L2 und M und damit die elektrischen Ersatzschaltbilder bestimmen.


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4. Transformator mit konzentrierten Wicklungen

Unter der zunächst theoretischen Voraussetzung, dass ein Transformator mit konzentrierten Windungen ausgestattet ist, kann eine verbesserte Beschreibung des Transformators abgeleitet werden, bei der die Ströme des Ersatzschaltbildes mit magnetischen Flüssen und deren Flussdichten korrespondieren. Damit erhält man ein Ersatzschaltbild, welches nicht nur ein Abbild der Mathematik, sondern auch der physikalischen Eigenschaften ist.

Sind die Windungen einer Spule quasi auf einen sehr engen Ring konzentriert, so erhält man die Eigenschaft, dass jede einzelne Windung denselben Fluss umfasst. Setzt man für eine konzentrierte Windung ferner voraus, dass deren Ring eine „einfache“ Fläche aufspannt, welche keine Verwindungen aufweist, d.h. jede Feldlinie diese Fläche höchstens einmal durchsetzt, so sind für diese einzelne Windung innerhalb dieses Rings der Fluss und der verkettete Fluss begrifflich identische Größen. Oder anders formuliert, ist der Fluss Φ als verketteter Fluss einer „einfachen“, nicht verwundenen (häufig auf einer Ebene befindlichen flachen) Fläche AF definiert.

(13) FA

AdB

Zudem wird jede Windung innerhalb des Rings mit dem identischen Fluss durchsetzt. Trägt die Spule nun w zueinander konzentrierte, hintereinander geschaltete Windungen, so beträgt der verkettete Fluss entlang der kompletten Spule dem w-fachen des Flusses einer Einzelspule bzw. des Ringes.

(14) w

Die Spannung einer Teilwindung ergibt sich aus

(15) v

und ist damit um den Faktor w geringer als die Gesamtspannung der Spule u.

(16) w

uv

Bestimmt man mittels des Durchflutungsgesetzes die Flussdichte innerhalb des Rings, so bildet man das Umlaufintegral entlang einer Feldlinie um den Ring herum. Durch die über die Feldlinie aufgespannten Fläche fließ nun der w-fache Strom einer Einzelwindung. Diese Stromsumme wird als Durchflutung Ɵ bezeichnet.

(17) iw

Bei der Konstruktion von großen Transformatoren kann man nicht wirklich von konzentrierten Wicklungen sprechen, dass sich diese über einen großen Raumbereich erstrecken. Da jedoch die Feldlinien in einem hochpermeablen Material geführt werden, bedeutet dies jedoch trotzdem, dass trotz der geometrisch großen Dimension der Spulen jede einzelne Teilwicklung um das gleiche Joch herumgewickelt ist und somit identische Flüsse aufweisen. Somit sind auch hier die theoretischen Rahmenbedingungen für konzentrierte Spulen gegeben. (Die in Abbildung 28 dargestellten Joche für den Streufluss sind jedoch rein idealisierter und modellhafter Natur.)


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Sogar für Konstruktionen, bei denen die Bedingung für konzentrierte Spulen nicht gegeben ist, bei denen jede Windung denselben Fluss umschließt, ist die Definition einer Windungszahl und damit der mathematischen Unterscheidung von Fluss und verkettetem Fluss sinnvoll. Der Grund besteht darin, dass über die Windungszahl eine einfache Anpassung von Konstruktionen an unterschiedliche Ausgangs- oder Eingangsspannungen vorgenommen werden kann, ohne die Konstruktionsberechnungen neu durchführen zu müssen. Es muss lediglich für eine mehr oder weniger gleichartige Verteilung der Stromdichte im Raum sorgen und die Durchflutung beibehalten.

u2

i2i1

w1 w2

Ah,lhA1s,lh A2s,lh

1s 2sH

u1

Abbildung 28: Transformator mit geführten Flüssen

Der Vorteil der Flussführung erlaubt eine einfache Berechnung der auftretenden Flüsse und Flussdichten. Bildet man über ein Joch der Länge lh und der Fläche A ein Umlaufintegral gemäß dem Durchflutungsgesetz, so ergibt sich die Flussdichte und der Fluss zu:

(18)

h

h

h

l

A

lB

iwlB

(Um in allen modellhaften Jochen eine identische Flussdichte zu erhalten, müssen alle Joche dieselbe Länge aufweisen. Nur so können die Joche entsprechend der realen Konstruktion zu einem einzelnen Joch verbunden werden.)

Der Proportionalitätsfaktor zwischen Fluss und Durchflutung wird als magnetischer Leitwert G (oder auch als AL-Wert) bezeichnet, so dass sich der Zusammenhang

(19) G

ergibt. Aus Kenntnis der Durchflutung kann über die rein geometrische Größe G unmittelbar auf den Fluss und unter Kenntnis der Spulen- oder Jochgröße auf die Flussdichte geschlossen werden. Beides Größen, die mit physikalischen Feldgrößen des Transformators in unmittelbarem Zusammenhang stehen, anders als dies bei Induktivitäten und verketteten Flüssen der Fall ist. Dies wird daran deutlich, dass der Wert einer Induktivität sich durch Änderung der Windungszahl verändert, eine doppelte Windungszahl geht mit einer vierfachen Induktivität einher. Fließt durch die Spule mit verdoppelter Windungszahl jedoch nur der halbe Strom, so bleiben die magnetisch relevanten Größen wie die Flussdichte und der Fluss jedoch identisch. Obwohl eine veränderte Windungszahl bei angepasstem Strom


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keine magnetische Änderung hervorruft, verändern sich die Kennwerte des klemmenorientierten Ersatzschaltbildes (Abbildung 27) erheblich.

Anders verhält es sich bei den magnetischen Leitwerten, welche dadurch ermittelt werden können, indem die Spulen des Transformators quasi auf eine Spule mit Windungszahl 1 konzentriert werden und den Summenstrom aller Windungen der jeweiligen Spulen iΣ tragen und damit neutral von der Wicklungszahl beschrieben werden.

Eine entsprechende Interpretation zeigt die folgende Formel, welche in der ersten Zeile das Verhältnis zwischen verkettetem Fluss und dem flusserzeugenden Strom beschreibt, welcher gemäß (4) bekanntlich als Induktivität definiert ist.

(20)

L

iL

IΣ

Da die Modellspule eine einfache Fläche aufspannt und die Windungszahl 1 aufweist, sind gemäß (14) Fluss und verketteter Fluss identisch. Weiterhin ist die Durchflutung gemäß (17) als Stromsumme definiert, so dass der zweite, in obiger Gleichung angegebene Zusammenhang angegeben werden kann. Mittels Parametervergleich mit (19) kann daher formuliert werden, dass der magnetische Leitwert G der Induktivität L der konzentrierten und auf Windungszahl 1 bezogenen Spule entspricht.

Unter Betrachtung von Abbildung 27 kann analog zu Gleichung (7) die Flussgleichung der verkoppelten, auf eine Windung konzentrierten Spulen gemäß der Beziehung aus (19) aufgestellt werden.

(21)

2

1

2

1

2

1

2

1

MSM

MMS

GGG

GGG

v

v

Dieses Gleichungssystem lässt sich, wie in Abbildung 29 dargestellt, graphisch als elektrisches Ersatzschaltbild abbilden. Hieraus ergibt sich das auf die magnetischen Leitwerte bezogene Ersatzschaltbild des Transformators.

1 G1S

GM

G2S

u2u1

i2

1:w2

i1 2

M1 2

w1:1

Abbildung 29: Auf (magnetische) Leitwerte bezogene Ersatzschaltbild des

Transformators

Analog zum klemmenbezogenen Ersatzschaltbild und der Darstellung aus Abbildung 28 ist der primäre und sekundäre Leitwert durch die Summe aus Streuleitwert und Kopplungsleitwert gegeben.

(22) MS

MS

GGG

GGG

22

11


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Um den Zusammenhang zwischen den messbaren klemmenbezogenen Induktivitätsparametern und den magnetischen Leitwerten zu erhalten, wird Gleichung (21) unter Zuhilfenahme der Windungszahlen auf Spannungen und Ströme zurückgeführt. Hieraus wird deutlich, dass die magnetischen Leitwerte nur dann bestimmt werden können, wenn die konstruktiven Merkmale der Windungszahlen des Transformators bekannt sind.

(23)

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

221

211

2

1

22

11

2

1

i

i

w

w

i

i

GGwGww

GwwGGw

w

w

u

u

MSM

MMS

Somit ergeben sich durch Parametervergleich mit (7) die Zusammenhänge:

(24)

MGwwM

GwL

GwL

21

2

2

22

1

2

11

5. Klassisches Ersatzschaltbild des Transformators

In den grundsätzlichen Eigenschaften sind das klassische Ersatzschaltbild und das auf die magnetischen Leitwerte bezogene Ersatzschaltbild zueinander identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die als konzentrierte Wicklung angenommenen Spulen nicht die Windungszahl eins tragen, sondern die primärseitige Windungszahl w1. Damit bleibt die primärseitige Spule quasi im Original erhalten, während die sekundärseitige Spule gedanklich auf die primärseitige Windungszahl umgewickelt wird. Damit kann dieses Ersatzschaltbild als das auf die Primärseite bezogene Ersatzschaltbild bezeichnet werden. Da dieses Ersatzschaltbild am weitesten verbreitet Anwendung findet, ist es hier als klassisches Ersatzschaltbild benannt.

Aufgrund des gedanklichen Umwickeln der Sekundärspule verändert sich die gedankliche Ausgangsspannung u‘2 und der gedankliche Ausgangsstrom i‘2 unter Beibehaltung der Durchflutung der Sekundärspule gemäß der Windungszahlenverhältnisse. Als Windungszahlverhältnis wird das Übersetzungsverhältnis ü definiert.

(25) 1

2

w

wü

(26)

222

1

22

222

2

12

1

iüiiw

wi

uü

uuw

wu


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Ersetzt man in Gleichung (23) die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom durch die neuen gedanklichen Größen, so ergibt sich:

(27)

2

1

2

2

1

2

1

2

11

2

1

2

1

2

1

2

2

1

2

1

2

11

2

1

2

1

2

1

22121

2

11

2

1

2

1

1

2

2

1

1

2

i

i

GGwGw

GwGGw

u

u

i

i

GGwGw

GwGGw

u

u

i

i

GGwwGww

GwGGw

u

u

MSM

MMS

w

w

MSM

MMS

w

w

w

w

MSM

MMS

Mit Einführung der folgenden vier neuen Größen

(28)

ü

M

ü

LGwL

ü

MLGwL

ü

LGwL

ü

MGwL

LGwL

S

S

MH

2

22

2

12

11

2

11

2

22

2

12

2

1

11

2

11

erhält man die Parameter des klassischen Ersatzschaltbildes.

L1

u2u1

i2

ü

i1 L’2 i’2

w1 w2

u’2LH

i

Abbildung 30: Klassisches Ersatzschaltbild des Transformators

Analog kann auch ein auf die Sekundärseite bezogenes Ersatzschaltbild hergeleitet werden. Dann müssen in den Gleichungen (22) die Indizes 1 und 2 gegeneinander ausgetauscht werden. Erhält man die Definition des Übersetzungsverhältnisses gemäß (25), muss zudem in diesen Gleichungen ü durch seinen Kehrwert 1/ü ersetzt werden. Es ist zu beachten, dass die Hauptinduktivität LH in beiden Ersatzschaltbildern verschiedene Werte annimmt und daher besser unterschiedlich zu bezeichnen ist.

Aus Abbildung 28 kann entnommen werden, dass gemäß dem Durchflutungsgesetz die Summe aus Primärstrom und Sekundärstrom für die Bildung des koppelnden Hauptflusses

relevant ist. Aus diesem Grund wird dieser Strom auch als Magnetisierungsstrom i bezeichnet.


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6. Das -Ersatzschaltbild

Die bisherigen, auf magnetische Flüsse abgestimmten Ersatzschaltbilder des Transformators besitzen aus regelungstechnischer Sicht einen entscheidenden Nachteil. Das dynamische Verhalten von Systemen kann durch Zustandsgrößen beschrieben werden, welche den energetischen Zustand darstellen. Die Zustandsgröße einer Spule ist der Strom, da dieser deren magnetische Feldenergie bestimmt. Bei der Modellierung dynamischer Systeme ist es von Vorteil, wenn alle Zustandsgrößen des Modells voneinander unabhängige energetische Zustände annehmen können. In den Transformatormodellen ist dies nicht der Fall, da aufgrund der Knotenregel nach Wahl der Energie einer Streuinduktivität und der Hauptinduktivität die Energie der zweiten Streuinduktivität zwangsläufig ebenfalls bestimmt

ist. Abhilfe schafft das (Gamma-) -Ersatzschaltbild.

Das -Ersatzschaltbild erhält man, indem man entweder eingangsseitig (wie hier dargestellt) oder ausgangsseitig, z.B. ausgehend von Abbildung 29, ohne physikalischen Bezug eine willkürliche Übersetzungszahl annimmt. Aus den Gleichungen (28) lässt sich erkennen, dass bei geeigneter Wahl eine der „Streuinduktivitäten“ zu null wird und damit wie gewünscht entfällt.

G2

1 G2

ü21

‘1=ü21

1 2

2

‘1

Abbildung 31: Linksseitiges -Ersatzschaltbild aus magnetischen Leitwerten

Die folgende Gleichung gibt die geeignete Wahl von ü für das linksseitige -Ersatzschaltbild

wieder.

(29) MM G

Gü

kG

G

GGGG 2

2222

2122 ;1

11

mit 121 ü

Analog lassen sich die Gleichungen für ein rechtsseitiges -Ersatzschaltbild aufstellen. Weiterhin können die magnetischen Leitwerte durch die Induktivitäten gemäß Abbildung 26 austauschen.

7. Leistungsbetrachtung für den Betrieb an sinusförmigen Größen

Beim Betrieb des Transformators an sinusförmigen Wechselspannungsgrößen werden die

Zeitwerte von Strömen und Spannungen durch komplexe Amplituden x ersetzt, welche die

Amplitude der zeitlichen Sinusform und deren Phasenlage beschreibt. Äquivalent kann die

Beschreibung auch über den komplexen Effektivwert x erfolgen, dessen Betrag den

Effektivwert der zeitlichen Sinusform angibt.

(30) tjeiti

ˆRe)(

Die über zwei elektrische Klemmen übertragene Leistung bestimmt sich über


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(31) *ˆˆRe2

1iuP

Wird die Leistung über Abbildung 27 an den Ein- und Ausgangsklemmen des Transformators berechnet, so erhält man folgende Zusammenhänge.

(32) *

2112

*

1212111

ˆˆIm2

1

ˆˆˆRe2

1

iiM

iiMiLP

*

2121

*

2121222

ˆˆIm2

1

ˆˆˆRe2

1

iiM

iiMiLP

Da aufgrund der Energieerhaltung

(33) 12 PP

gelten muss, beweist diese Gleichung, dass beide Koppelinduktivitäten gleich sein müssen, wodurch Gleichung (6) bewiesen ist.

Gleichung (32) kann in einer einfacheren Form dargestellt werden, indem die physikalischen Größen als Effektivwerte und nicht als Amplituden angegeben werden. Weiterhin kann der sekundäre Strom in einen zum primären Strom gleichphasigen Anteil und einen um 90°

phasenverschobenen (senkrechten) Anteil 2i unterteilt werden. Hieraus resultiert die

folgende Darstellung.

(34) 21 iiMP

Bei Verwendung der Durchflutung anstelle von Strömen ergibt sich, angelehnt an die Darstellung des Transformators gemäß Abbildung 29, die Darstellung der Leistung zu

(35) 21MGP oder 121P

Da gemäß (20) das Produkt aus magnetischer Leitfähigkeit und Durchflutung einen Fluss darstellt, bildet das Produkt aus Kopplungsleitwert und sekundärer Durchflutung den Fluss Φ12, den die Sekundärseite auf die Primärseite aufbringt (einkoppelt).


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VI. Grundlagenuntersuchungen

1. Assessment des Magnetkreises

Das in Abschnitt IV.3 beschriebene Konsensdilemma resultiert bei genauerer Betrachtung vornehmlich aus den Anforderungen, welche an die Gestaltung der sekundären Feldplatten gestellt werden. Intuitiv verbindet man, wie in Abbildung 24 dargestellt, mit einer kompakten sekundären Feldplatte auch eine dazu passende primäre Feldplatte. Erst aus dieser intuitiven Annahme heraus entsteht das Interoperabilitätsdilemma für die primäre Feldplatte.

Die erste Grundlagenuntersuchung widmet sich daher der Fragestellung, ob die intuitive Annahme, dass einer kompakten sekundären Feldplatte tatsächlich eine kompakte primäre Feldplatte gegenübergestellt werden muss, wissenschaftlich überhaupt korrekt ist. Es stellt sich somit die Frage, mit welcher Gestaltung einer primären Feldplatte eine optimale Energieübertragung erreicht werden kann.

Als Optimierungskriterium wird einerseits der Kopplungsfaktor (11) als klassischer Qualitätskennwert eines Transformators herangezogen, andererseits ergänzend auch der hier als Kopplung GM bezeichnete magnetische Leitwert des koppelnden Flusses gemäß (24). Aus (34) ist zu erkennen, dass die Kopplung der für die Übertragungsleistung entscheidende Kennwert ist. Bei gleich bleibender primärer und sekundärer Durchflutung steigt die Übertragungsleistung mit der Kopplung linear an. Zunächst wird eine Analyse einer kompakten Feldplattenanordnung durchgeführt, welche gemäß der intuitiven Annahme primär und sekundär die gleiche Fläche aufweist. Die für die Grundlagenuntersuchung gewählte Fläche wurde in etwa der Forderung von einer Fläche einer DIN A3 Seite angepasst. Der Luftspalt ist dem Abstand zwischen Bodenoberfläche und Fahrzeug angepasst, wobei mit 135 mm der mittlere Abstandswert für den erwarteten Wertebereich laut DKE-Anwendungsregel herangezogen wird.


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a) Kompakte zirkulare Wicklungsanordnung

Abbildung 32 zeigt die Geometrie der untersuchten Anordnung sowie eine Flussdichtenverteilung bei sekundärseitiger Durchflutung. Die anschließende Tabelle listet die wesentlichen geometrischen Daten, die Ersatzschaltbildparameter und die resultierenden Kennwerte auf.

Sekundäre Feldplatte Ferrit = 350mm * 350mm 5 Windungen

Primäre Feldplatte Ferrit = 350mm * 350mm 5 Windungen

Abstand (Cu-Cu) 135 mm Ferritabstand = Kupferabstand + 2*6 mm

L22 18,581 μH

M 3,837 μH

L11 18,218 μH

k 0,208

GM 153 nH

Abbildung 32: Feldsimulation der zirkularen kompakten Feldplattenanordnung

Ein Ansatz zur Optimierung der primären Feldplatte bei gegebener unveränderlicher sekundärer Feldplatte lässt sich am leichtesten anhand eines Flusslinienbildes erkennen. Da ein solches bei zweidimensionalen Feldproblemen besser angegeben werden kann, zeigt Abbildung 33 eine der obigen Geometrie ähnlich kommende rotationssymmetrische Anordnung.


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Abbildung 33: Feldlinien einer zirkularen kompakten Feldplattenanordnung

b) Optimierte primäre Feldplatte für eine kompakte zirkulare sekundäre Feldplatte

Von Prof. Meins, Universität Braunschweig, wurde zur Optimierung von Feldplatten der sogenannte „Feldfleck-Ansatz“ vorgeschlagen. Die sekundäre Feldplatte erzeugt auf der Oberfläche der primären Ferritebene einen Bereich, in dem die Feldlinien eintreten, und einen anderen Bereich, in dem die Feldlinien wieder austreten. Im Feldlinienbild (Abbildung 33) ist die Grenze nahe der Außenkante deutlich auszumachen.

Damit eine Windung auf der primären Feldplatte eine möglichst hohe Leistung in die sekundäre Feldplatte übertragen kann, sollte diese den höchst möglichen Fluss umfassen, den diese auf der primären Feldplatte erzeugt. Dieses Optimum befindet sich exakt entlang der Grenze zwischen dem Feldfleck der eintretenden und dem Feldfleck (bzw. Ring) der austretenden Feldlinien.

Ganz offenbar ist der Durchmesser einer optimal angeordneten Windung größer als der Windungsdurchmesser der sekundären Feldplatte. Diese Spreizung der Feldlinien auf der Ebene der primären Feldplatte ist umso stärker ausgeprägt, je größer die primäre Ferritebene ausgestaltet ist.

Die folgende Abbildung 34 zeigt nun eine unsymmetrische Anordnung mit erheblich vergrößerter Primärfläche und großen Windungsdurchmessern. Da das Ziel einer Interoperabilität höher wiegt als eine Optimierung eines singulären Systems, stellt die gewählte primäre Feldplatte nicht die Optimierung gemäß des Feldfleckansatzes dar,


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sondern spiegelt auch die Ansprüche der Vertreter der eigensicheren Philosophie mit maximaler Fläche wieder.




L22 19,013 μH

M 4,879 μH

L11 41,036 μH

k 0,175

GM 195 nH

Abbildung 34: Feldsimulation einer zirkularen unsymmetrischen

Feldplattenanordnung

Obwohl der Koppelfaktor für die vergrößerte primäre Feldfläche sinkt, steigt die für die Energieübertragung relevante Kopplung sogar drastisch um ein Drittel an. Für die gleiche Übertragungsleistung kann die Durchflutung durch die Flächenvergrößerung sogar herabgesetzt werden.


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Abbildung 35: Feldlinien einer zirkularen unsymmetrischen Feldplattenanordnung

Resultierend ist daher festzustellen, dass das Konsensdilemma nur scheinbar existiert. Sogar im Gegenteil, die auf die Leistungsübertragung bezogene wissenschaftliche Bewertung zeigt, dass die für eigensichere und damit großflächige primäre Feldplatte auch für kompakte sekundäre Feldplatten vorteilhaft und damit ganz und gar nicht widersprüchlich ist.

Die Wahl einer großflächigen primären Ferritebene für die Interoperabilitätsdefinition stellt somit keinen Kompromiss zwischen den verschiedenen Philosophien dar, sondern dient besonders der Verbesserung der Energieübertragung bei kompakten sekundären Feldplatten.

c) Eigensichere unipolare Feldplattenanordnung

Ausgehend von der, für die kompakte unipolare Anordnung optimierten, primären Feldplatte kann für diese auch mit einer großflächigen sekundären Feldplatte kombiniert werden, die für eine eigensichere Zielstellung benötigt wird.


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L22 50,38 μH

M 25,17 μH

L11 47,69 μH

k 0,514

GM 1000 nH

Abbildung 36: Feldsimulation einer unipolaren großflächigen Feldplattenanordnung

Verglichen mit der kompakten symmetrischen, aber auch mit der unsymmetrischen Anordnung, weist der symmetrische großflächige Aufbau eine weitaus größere Kopplung und einen höheren Kopplungsfaktor auf. Dies liegt in dem wesentlich besseren Verhältnis aus Durchmesser und Abstand begründet. Das in etwas halbierte Verhältnis geht deutlich überproportional in die Kennwerte ein, da die Randeffekte bereits eine dominierende Rolle spielen.

Anhand des folgenden Feldlinienbildes wird deutlich, dass der Feldspreizungseffekt bei dieser Relation von Durchmesser und Abstand kaum ausgeprägt ist, sondern vor allem bei kleinen sekundären Flächendurchmessern von Bedeutung ist.


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Abbildung 37: Feldlinien einer unipolaren großflächigen Feldplattenanordnung

2. Assessment bipolarer Wicklungstypen

Neben dem in VI.1.a) dargestellten im Wesentlichen zirkularen Wicklungstyp (wegen des zentralen Feldpoles in der Mitte auch als unipolare Wicklung bezeichnet) gibt es weitere Wicklungstypen, die eine magnetische Übertragung zwischen zwei flachen Feldplatten ermöglichen.

Einen wichtigen Einflussfaktor auf die Höhe der Übertragungsleistung und die Effizienz stellt das Design des Übertragungssystems dar. Typische Formen sind zirkulare Spulensysteme, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Aufgrund der Forderungen nach höheren Leistungen und auch höheren Luftspalten wurden neue Spulensysteme entwickelt, die eine höhere Leistungsdichte und auch die Forderung der Elektromobilitätsanwendungen nach Kompatibilität verschiedener Wicklungstypen erfüllen. Insbesondere die bipolaren Spulengeometrien, auch als mehrphasige Ausführung, stellen einen erfolgversprechenden Ansatz für solche Anwendungen dar.


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Abbildung 38: Spulentypen

Während zirkulare Spulendesigns im Wesentlichen nur untereinander kompatible Eigenschaften aufweisen, ermöglichen bipolare Spulen die kompatible Kombination untereinander. So können z.B. auf einer Doppelflach–Primärseite Sekundärseiten mit Doppelflach-Design und Solenoid-Design verwendet werden.

Für die geeignete Auswahl des Spulentyps für eine interoperable Energieübertragung ist ein Assessment ebenfalls bezogen auf die in IV.2 ausgewählten Kennwerte von Koppelfaktor und Kopplung notwendig. Alternativ zu dem dort untersuchten unipolaren Wicklungstyp wird hier der bipolare Wicklungstyp untersucht, welcher in unterschiedlichen Ausprägungen realisiert werden kann.

a) Kompakte Solenoid Anordnung

Für die Realisierung kompakter sekundärer Feldplatten in einer bipolaren Feldgeometrie, kann eine bodenseitige Doppelflachwicklung mit einem kompakt bauenden Solenoid als sekundäre Feldplatte Anwendung finden. Die Solenoid-Feldplatte erfordert für eine geeignete Funktion einen elektrisch leitfähigen unmagnetischen Rückwandschirm, in der Regel aus Aluminium ausgeführt, welche mittels Induktionsströmen die sich ansonsten rückwärtig ausbildenden Felder zur Primärseite spiegelt. Zusätzlich zu dieser funktionellen Wirkung erfüllt dieser Rückwandschirm eine Schirmung zum Fahrzeuginnenraum und eine Abgrenzung zu magnetisch leitfähigen Bauteilen im Fahrzeug.

Abbildung 39 stellt die Ergebnisse der Feldsimulation mit ähnlichen geometrischen Rahmenbedingungen, verglichen zu den Untersuchungen der unipolaren Anordnungen, dar.

Zirkulare

Spulen

Solenoid-

SpulenDoppelflach-

Spulen

Kombination

Solenoid-Doppelflach


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Sekundäre Feldplatte Ferrit = 330mm * 330mm 2*10 Windungen parallel, Wicklungsbreite 170 mm Alu-Schirm 1000*1000 mm mit 3 mm Abstand zum Ferrit

Primäre Feldplatte Ferrit = 800mm * 800mm 2*8 Windungen parallel Wicklungsanordnung gemäß Referenzwicklung der Interoperabilitätsdefinition


L22 45,12 μH

M 15,97 μH

L11 40,67 μH

k 0,373

GM 199 nH

Abbildung 39: Feldsimulation einer kompakten Solenoid-Anordnung

Verglichen mit der kompakten Zirkularwicklung aus VI.1.b) zeigt sich bezüglich der Kopplung ein gleich gutes Verhalten, so dass sich die beiden Topologien aus Sicht der Energieübertragung ähnlich verhalten. Bezüglich des Koppelfaktors ergibt sich jedoch ein deutlicher Vorteil. Der Koppelfaktor ist ein Maß, in wie weit die durch beide Spulen erzeugten magnetischen Felder als Kopplung genutzt werden. Er ist also ein Kennwert für die Feldeffizienz. Da bei den verglichenen Spulentypen die Kopplung ähnlich ist, bedeutet ein verbesserter Kopplungsfaktor, dass weniger Streufelder erzeugt werden. Wegen der gleichen Energieübertragungseigenschaften ist aus diesem sekundären Grund für kompakte sekundäre Feldplatten die bipolare Anordnung vorzuziehen. Bei höheren Luftspalten, wie in Abschnitt VI.3 untersucht, verstärkten sich diese Aspekte.


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b) Eigensichere Doppelflachanordnung

Zur Optimierung der sekundären Feldplatte für ein flussdichtenminimiertes Resultat ist auch für eine bipolare Anordnung eine Symmetrie von primärer und sekundärer Feldplatte vorteilhaft. Dementsprechend wird auch für die Sekundärseite eine Doppelflachwicklung als Untersuchungsgegenstand ausgewählt.

Sekundäre Feldplatte Ferrit = 750 mm * 750 mm 2*8 Windungen parallel Alu-Schirm 1000*1000 mm mit 1 mm Abstand zum Ferrit

Primäre Feldplatte

Ferrit = 800mm * 800mm 2*8 Windungen parallel Wicklungsanordnung gemäß Referenzwicklung der Interoperabilitätsdefinition


L22 55,1 μH

M 24,93 μH L11 50,1 μH

k 0,456

GM 389 nH

Abbildung 40: Feldsimulation einer eigensicheren Doppelflach Anordnung

Aufgrund der zum Solenoid deutlich größeren Fläche und damit verbessertem Verhältnis zwischen Durchmesser und Abstand verbessert sich die Kopplung auf den fast doppelten Wert. Auch die Kopplung steigt erwartungsgemäß deutlich an. Beide Vorteile werden natürlich mit einen höheren Materialeinsatz erreicht.

Für die Frage der Entscheidung zur Spulentopologie für die Interoperabilität ist jedoch für die Vertreter des eigensicheren Ansatzes der Vergleich zur unipolaren Anordnung gemäß VI.1.c) von größerer Bedeutung.

Für den Koppelfaktor ergeben sich sehr ähnliche Werte, die Kopplung fällt jedoch drastisch geringer aus. Zum Teil liegt das in der (bei diesen Untersuchungen) etwas unterschiedlichen Dimension der Ferritfläche begründet. Unter Betrachtung des Interoperabilitätsanspruches ist es jedoch durchaus als Vorteil zu sehen, dass sich bei der bipolaren Anordnung die Kopplungen weniger stark unterscheiden als dies bei den unipolaren Anordnungen der Fall


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ist. Auf diese Weise ergeben sich ähnlichere Betriebspunkte bei der Einspeiseelektronik, so dass dortige Optimierungen für beide Konstruktionsphilosophien wirken können.

Dennoch stellt die Wahl einer bipolaren Anordnung für die Eigensicherheit eine deutliche Einschränkung dar, denn die verminderte Kopplung muss durch größere Ströme und damit größere Flussdichten kompensiert werden. Dieser Kompromiss für die Interoperabilität, zugunsten der erhöhten Koppelfaktoren bei der Kompaktanordnung, wird durch den Kompromiss bei der Flussdichtenhomogenisierung (VI.4) und der Durchflutungsdefinition (VI.5) etwas ausgeglichen.

3. Assessmentprüfung für erhöhte Luftspalte

Für eine öffentliche Infrastruktur müssen die Ferritflächen in den Boden versenkt werden und es sind Tendenzen erkennbar, dass die Fahrzeughersteller den Wertebereich der Bodenfreiheiten für induktive kontaktlose Energieübertragung, z.B. für Transporter oder SUV‘s nach oben erweitern möchten. Daraus erwächst im Wesentlichen die Forderung nach höheren Luftspalten.

Diese sind aber mit einem erhöhten technologischen Anspruch verbunden, da die Abdeckung hoher Luftspalte durch eine kontaktlose Energieübertragung in der Tendenz technologisch schwieriger wird, weil Kopplung und Koppelfaktor mit steigendem Luftspalt überproportional abnehmen.

In Vergleichssimulationen zwischen den herkömmlichen zirkularen Spulensystemen und den neueren bipolaren Lösungsansätzen bei größeren Luftspalten (Abstand Cu-Cu >170 mm) zeigt sich, dass bei kleinen sekundärseitigen Bauformen bipolare Ansätze in den Kennwerten Kopplungsfaktor und magnetischer Leitwert eine bessere Performance erwarten lassen.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Aufbau und die Ergebnisse einer zirkularen Übertragungsanordnung mit einem Sekundärferrit in den Abmessungen 300 x300 mm bei einem Cu-Cu-Abstand von 150 mm.

Abbildung 41: Lagen- und Wicklungsaufbau der sekundären Ladeplatte (zirkular)

1 mm

5 mm

2 mm

10 mm

Aluplatte

Ferrit

50mm

50 mm 50 mm

50mm

300 mm

300 mm

r = 15 mm


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Abbildung 42: Lagen- und Wicklungsaufbau der primären Ladeplatte (zirkular)

Sekundäre Feldplatte Ferrit = 300 mm * 300 mm 5 Windungen Alu-Schirm 500*500 mm mit 10 mm Abstand zum Ferrit

Primäre Feldplatte Ferrit = 800mm * 800mm 9 Windungen 530 *530 mm

Abstand (Cu-Cu) 170 mm +16 mm

L22 15,75 μH

M 4,177 µH

L11 68,35 μH

k 0,127

GM 93 nH

Abbildung 43: Ergebnisse Feldsimulation einer Zirkular-Anordnung

Als Vergleichssystem dient aufgrund des größeren Abstandes eine bipolare Solenoidspule als Sekundärsystem mit einer Primärspule entsprechend dem Referenzsystem der Interoperabilitätsbeschreibung.

1 mm

3 mm

5 mm

5 mm

150 mm

150 mm

15 mm

150 mm


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Abbildung 44: Lagen- und Wicklungsaufbau der sekundären Ladeplatte (Solenoid)

Abbildung 45: Lagen- und Wicklungsaufbau der primären Ladeplatte(Doppelflach

zur Kombination mit Solenoid)

Sekundäre Feldplatte Ferrit = 300mm * 300mm 5 Windungen, Wicklungsbreite 100 mm Alu-Schirm 500*500 mm mit 2 mm Abstand zum Ferrit

Primäre Feldplatte

Ferrit = 800mm * 800mm 2*9 Windungen parallel Wicklungsanordnung gemäß Referenzwicklung der Interoperabilitätsdefinition

Abstand (Cu-Cu) 170 mm Ferritabstand = Kupferabstand + 17 mm

L22 11,96 μH

M 5,15 μH L11 45,07 μH

k 0,222

GM 114 nH

Abbildung 46: Ergebnisse Feldsimulation einer Solenoid-Anordnung

2 mm

2 mm

300 mm

2 mm

2 mm

5 mm

5 mm

5 mm

2 mm

4.5 mm 4.5 mm

319 mm

Aluplatte

Ferrit

Cu-Wicklung

100 mm

300 mm

Aluplatte

Ferrit

Cu-Wicklung

Cu-Wicklung

100 mm

500 mm 500 mm

100 mm 90.5 mm

1 mm

3 mm

5 mm

5 mm

150 mm

150 mm 150 mm

15 mm

150 mm

20 mm


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Die Auswertung zeigt einen deutlich höheren Kopplungswert bei der Solenoid-Anordnung gegenüber der zirkularen Anordnung und einen höheren Wert des magnetischen Kopplungsleitwertes. Dieser Vergleich macht mehr als deutlich, dass sich mit bipolaren Anordnungen die Forderung nach höheren Plattenabständen besser erfüllen lassen als mit zirkularen Systemen.

4. Flussdichtenhomogenisierung

Bei der Frage der Platzierung von mehreren Windungen einer Wicklung auf der Oberfläche einer magnetisch leitfähigen Fläche, legt der Feldfleckansatz (vgl. VI.1.a) )nahe, möglichst alle Windungen eng aneinander entlang der Feldfleckgrenze zu platzieren.

Abbildung 47a gibt das Feldlinienbild einer derartigen Anordnung wieder.

Obwohl diese konzentrierte Anordnung tatsächlich höhere Kopplungswerte aufweist und daher bei reiner Betrachtung der Leistungsübertragungsqualität zu bevorzugen wäre, tritt der Nachteil einer sehr starken lokalen Flussdichtenüberhöhung nahe der Wicklung auf.

Für einen eigensicheren Konstruktionsansatz ist diese Eigenschaft äußerst nachteilig, da metallische Fremdkörper an diesen Stellen sehr hohen Flussdichten ausgesetzt sind und sich stark erwärmen würden. Bei magnetischen Fremdkörpern würde sich dieser Effekt noch stark überhöhen, da diese Flusslinien anziehen und sich aufgrund der hohen lokalen Durchflutung sehr große Flussdichten ausbilden würden.

Vorteilhaft ist daher eine verteilte Windungsanordnung, da die Flussdichte sich über die Fläche homogenisiert. Der Nachteil der verringerten Kopplung wird für die erheblich besseren Eigenschaften bei der Frage der Fremdkörpererwärmung in Kauf genommen.


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a.)

b.)

Windungsverteilung a.) konzentriert b.) verteilt

k 0,398 0,498

GM 886 nH 504 nH

Abbildung 47: Feldlinien konzentrierter und verteilter Wicklungsanordnung

Auch für den Betrieb kompakter sekundärer Feldplatten hat diese verteilte Wicklungsanordnung bezüglich der außen liegenden kompakten Anordnung Vorteile, da die


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innen liegenden Windungen näher an der Feldfleckgrenze liegen und den Fluss günstiger umschließen. Bezüglich der Interoperabilitätsfrage ist daher die verteilte Windungsverteilung ebenfalls vorteilhaft einzuschätzen.

5. Durchflutungsdefinition

Für eine eigensichere Feldplattenauslegung ist nicht nur die flächige Homogenisierung (VI.4), sondern auch die vertikale Homogenisierung von Bedeutung. Aufgrund der Größensymmetrie von primärer und sekundärer Feldplatte wird eine solche Homogenisierung erreicht, wenn die primäre und sekundäre Durchflutung identisch sind.

Durch Umstellung der Leistungsgleichung (35) ergibt sich für die notwendige Durchflutung

(36) MG

P

2/1

Das in Abbildung 48 dargestellte Diagramm gibt für die in Abschnitt VI.2.b) dargestellte, eigensichere bipolare Feldplattenanordnung die Kopplung über den Plattenabstand wieder. Als Abstand ist die Bodenfreiheit eines Fahrzeugs angegeben. Der im genannten Abschnitt verwendete Abstand der Kupferwicklungen ist um ca. 45 mm größer, da die Ferritplatte für einen bodenebenen Einbau der primären Feldplatte in den Boden versenkt werden muss.

Abbildung 48: Durchflutungsauslegung

Legt man die Mitte des von der DKE-Anwendungsregel vorgegebenen Wertebereiches von 100-170 mm als Referenz zu Grunde, so ergibt diese Grundlagenrechnung aufgerundet einen Wert von 120 Aeff.

0

20

40

60

80

100

120

140

0

100

200

300

400

500

600

700

50 70 90 110 130 150 170

Sy

mm

etr

isch

e D

urc

hfl

utu

ng

/ A

eff

Ko

pp

lun

gsl

eit

we

rt /

nH

Bodenfreiheit (bei bodenebener primärer Feldplatte) / mm

Durchflutungsauslegung für 3,3 kW

G_M / nH

Durchflutung


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6. Streufeld

Die Bewertung der Streufelder unter verschiedenen geometrischen Randbedingungen mit Hilfe der Magnetfeldsimulationen erfolgt mit der Zielstellung, die verschiedenen Übertragungsanordnungen hinsichtlich möglicher Risiken durch Magnetfelder, z.B. für Lebewesen oder Implantate, zu bewerten. Der angewandte Grenzwert von 6,25 µT basiert zum einen auf den in der ICNIRP [15] genannten Referenzgrenzwert für die Arbeitsfrequenz von 140 kHz, der Produktnorm für Körperhilfsmittel [17]und zum anderen auf aktuellen Studien zur Wirkung magnetischer Felder auf Implantate [26]. Hier wird die Einhaltung dieses Grenzwertes für die Absicherung des störungsfreien Betriebs von Herzschrittmachern empfohlen.

Nachfolgende Ergebnisse zeigen deutlich, dass bei den verwendeten Spulentopologien eine Überschreitung des Grenzwertes außerhalb der Grenzen des Fahrzeuges, auch bei maximaler Verschiebung nicht zu erwarten ist.

Abbildung 49: Verlauf der 6,25 µT-Grenze bei maximaler Verschiebung

ℎ .8 Sekundär-Spule

ℎ ℎ = = . µ

Primärspule: 800 mm x 800 mm

Sekundärspule: 700 mm x 700 mm

Primärdurchflutung: ~ 120 A

Vx=V

y=10cm


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Abbildung 50: Darstellung des Flussdichteverlaufes am Fahrzeug

Abbildung 51: Flussdichtverlauf eines InterOP-Übertragungssystems

Die Untersuchungen der Magnetfeldverläufe zeigen im Vergleich zum aktiven Betrieb mit beidseitiger Durchflutung (Abbildung 51) deutlich auf, dass die relevanten Streufelder insbesondere durch die Primärseite geprägt sind. Daher der Auslegung der Wicklung und den Betriebsströmen eine besondere Bedeutung im Designprozess zu.

7. Feldplattenausrichtung

Im Vergleich zu zirkularen Übertragungssystemen werden hinsichtlich der Kopplungsänderung bei Verschiebung einige Vorteile der bipolaren Anordnung deutlich. Während zirkulare Systeme keine ausgeprägten Unterschiede bei der Kopplungsänderung bezüglich der X- und y-Achse aufweisen, zeigen sich bei bipolaren Anordnungen, hier am Beispiel einer Doppelflachanordnung (Abbildung 52), mit einer gegenüber der Primärseite (800x800 mm) verkleinerten Sekundärseite (700x500 mm), deutliche Unterschiede in den beiden Versatzachsen. Diese Ergebnisse bilden eine wichtige Entscheidungsgrundlage für


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die in INTEROP gewählte Primärspulenanordnung, bei der die rechteckförmigen Halbspulen quer zur Fahrtrichtung positioniert werden.

Abbildung 52:Feldsimulation eine Doppelflach (DF) –Anordnung

Anhand der nachfolgenden Simulationsergebnisse, die in entsprechenden Versuchen verifiziert wurden, ist erkennbar, dass bei der Verschiebung in Fahrtrichtung eine deutliche Kopplungsänderung erfolgt, die bei maximalen Versatz (hier 150 mm) bis zu 50% betragen kann. Die ursächliche Fehlpositionierung eines Fahrzeuges ist aber in Fahrtrichtung relativ einfach während eines Parkvorganges zu korrigieren.

Abbildung 53: Kopplungsfaktoren einer DF-DF-Anordnung bei Verschiebung in Fahrtrichtung

Der besondere Vorteil der bipolaren Anordnung wird bei der Betrachtung der Kopplungsänderung bei einem Versatz quer zu Fahrtrichtung erkennbar, der durch den Fahrer nur schwer zu korrigieren ist. Hier ist eine sehr geringe Änderung vorhanden, die somit bei einem Parkvorgang eine hohe Toleranz erlaubt. In der nachfolgenden Abbildung ist der Verlauf der Kopplung bei Querversatz (Y-Richtung) und verschiedenen X-Versätzen dargestellt.


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Abbildung 54: Kopplungsfaktoren einer DF-DF-Anordnung bei Verschiebung quer

zur Fahrtrichtung bei verschiedenen Versätzen in Fahrtrichtung

(Luftspalt 145 mm)

Neben den aufgeführten Eigenschaften der gewählten Ausrichtung der bipolaren Übertragungsanordnung ergeben sich für interoperable Anwendungen mit vergrößertem Funktionsbereich in Fahrtrichtung, wie z.B. an Ampelkreuzungen, Taxiständen oder auch dem Laden währen der Fahrt, neue Möglichkeiten. Die Anordnung der Halbspulen quer zur Fahrtrichtung bildet eine Kompatibilität zu dem, für das dynamische Laden favorisierte Wanderfeld.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 25 50 75 100 125 150

k

Verschiebung y, (mm)

DF-DF

0 mm

75 mm

150 mm

Verschiebung

Vx


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VII. Interoperabilitätsdefinition

1. Konzeption

Die Tatsache, dass sekundäre Feldplatten welcher Ausprägung auch immer, aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugbodenfreiheiten in der Praxis in verschiedenen Höhen betrieben werden, zeigt, dass Festlegungen zur Interoperabilität schwer an den sekundärseitigen Feldplatten orientiert werden können. Aus diesem Grund besteht das Konzept der Interoperabilitätsdefinition in einer Quellendefinition, d.h. in der Definition der primären Feldplatte, welche die Energie abgibt.

Dieses Konzept ist an das Interoperabilitätskonzept der klassischen elektrischen Hausinstallation angelehnt. Hier handelt es sich ebenfalls um eine Quellendefinition, die sich ausschließlich auf die Steckdose in der Wand bezieht und die Quelle der elektrischen Energie für elektrische Verbraucher darstellt. Es handelt sich um eine reine Schnittstellendefinition, denn aus welchen Quellen die elektrische Energie stammt und mit welcher Art von Technologie diese erzeugt wird (Kraftwerke, Solarzellen, Notstromaggregat, etc.), spielt an der Schnittstelle des Verbrauchers keine Rolle.

Abbildung 55: Quellendefinition der elektrischen Hausinstallation

Die für die Quellenseite notwendigen Festlegungen sind relativ überschaubar und übersichtlich gestaltet. Zum einen ist die Geometrie definiert, d.h. im Wesentlichen der Durchmesser der Vertiefung im Gehäuse sowie die Position der elektrischen Kontaktbuchsen. Als elektrische Quellengröße ist eine konstante Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz definiert, welche (bis hin zur Überlastung) unabhängig von der Last konstant gehalten wird.


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Die dem Versorgungsnetz entnommene Leistung wird über den (Wirk-)Strom bestimmt, welcher von der Last aufgenommen wird. Damit wird die aufgenommene Leistung über die Auslegung der Last bestimmt. Möglich wird eine solche Auslegung aufgrund der über die Schnittstelle definierten und konstanten Quellenspannung. Geometrisch sind auf Seiten der Last durchaus unterschiedliche Gestaltungen an Steckern möglich. Diese mögen mit oder ohne Erdungskontakt ausgeführt sein oder gar ein integriertes Netzteil beinhalten.

Durch Übertragung dieses Konzeptes auf die induktive kontaktlose Energieübertragung erhält man quasi eine „induktive Steckdose“.

Die geometrische Definition beinhaltet ebenfalls die Maße der schnittstellenrelevanten mechanischen Eigenschaften. Dies betrifft die Lage und Größe des magnetischen Rückschlusses, welcher durch eine Ferritfläche ausgebildet wird. Als Pendant zur Lage der elektrischen Buchsen in der Steckdose muss bei der kontaktlosen Energieübertragung die Lage der Wicklung festgelegt werden, da diese für die Ausprägung des magnetischen Feldes von maßgeblicher Relevanz ist.

Abbildung 56: Quellendefinition der kontaktlosen Energieübertragung

Als konstante elektrische Quellengröße wird der Strom in der Wicklung festgelegt, wobei für die Feldausbildung das Produkt aus Windungszahl und Strom relevant ist, welches als Durchflutung bezeichnet wird. Grundsätzlich wäre es möglich, alternativ den Fluss der primären Wicklung (d.h. die Spannung an deren Klemmen) als Quellengröße zu wählen – dies würde der Wahl eines Quellenstroms für eine Steckdose entsprechen. Gegen diese Wahl spricht die Philosophie, dass die Schnittstelle ihre Quellgröße unter allen Lastbedingungen aufrechterhalten kann und somit lastunabhängig in Funktion bleibt. Insbesondere sollte die Quellengröße im Leerlauffall zur Verfügung stehen. Da ohne Last an


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der Steckdose kein Strom fließen kann, macht diese Größe als Quellengröße folglich wenig Sinn. Für die kontaktlose Energieübertragung ist der Leerlauffall gegeben, wenn keine sekundäre Feldplatte vorhanden ist und somit der fehlende sekundärseitige magnetische Rückschluss zu einem hohen magnetischen Widerstand führt. Der gewählte primärseitige Fluss wäre unter solchen Umständen nur mit sehr hohen primären Durchflutungen aufrecht zu erhalten, so dass vermeidbare Überdimensionierungen vorgenommen werden müssten.

Bei definiertem magnetischen Rückschluss, Windungslage und primärer Durchflutung, kann die Last in ihrer Leistungsaufnahme dadurch dimensioniert werden, dass sie in ihrer jeweiligen mechanischen Ausprägung einen Fluss auf der primären Feldplatte erzeugt bzw. dort induziert, der der gewünschten Leistungsaufnahme entspricht. Damit entspricht der koppelnde sekundärseitig generierte Fluss als Lastgröße im Fall einer Steckdose dem Laststrom.

2. Definition

Die folgende Definition des interoperablen magnetischen Kreises basiert auf den in Abschnitt VI durchgeführten Analysen der grundsätzlichen Verhaltensweisen kontaktloser Energieübertragung. Die Definition beruht auf der Spiegelung der Anforderungen an ein interoperables System für den öffentlichen Raum, wie diese in IV.1 dargelegt sind. Die Abwägung der Festlegung technischer Kennwerte in Bezug auf die Konsensparameter IV.2 erfolgt nach folgenden zentralen Aspekten.

Die Interoperabilität wird durch eine Quellendefinition herbeigeführt, so dass ohne Festlegungen für die Sekundärseite eine hohe Flexibilität aufrecht erhalten wird.

Gewährleistung einer Technologieunabhängigkeit mittels einer Schnittstellendefinition, welche ausschließlich auf luftspaltbezogene magnetische Größen Bezug genommen wird. Daraus resultiert eine Definition ohne direkte Vorgaben, z.B. für dieResonanzkreiselemente.

Optimierung der Spulentopologie und Fläche auf kompakte sekundäre Feldplatten sowie hohe Luftspalte, die eine bodenebene Konstruktion ermöglichen.

Kompromissfindung bei der Detailausgestaltung zugunsten der Eigensicherheit.

Die Definition muss einen prägnanten Charakter aufweisen und mit der geringsten möglichen Anzahl von Parametern auskommen.

a) Geometrie

Der magnetische Rückschluss ist als ebene Fläche aus magnetisch sehr gut leitfähigem

Material (R>1000) definiert. Die Oberfläche des magnetischen Rückschlusses befindet sich

40 mm unterhalb der Straßenoberfläche. Die Lage der Wicklung liegt in der Mitte dieses Bereiches, d.h. 20 mm oberhalb der Rückschlussoberfläche.


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Abbildung 57: Querschnitt der geometrischen Interoperabilitätsdefinition

Der magnetische Rückschluss weist eine Fläche von 800*800 mm2 auf. Die Wicklungstopologie ist eine Doppelflachwicklung, wobei eine rechteckförmige Teilwicklung auf der vorderen und ein symmetrischer Teilwicklung auf der hinteren Halbfläche angeordnet sind. Beide Teilwicklungen besitzen ein Wicklungszentrum, welches durch den Mittelpunkt der Halbseiten der Ferritfläche bestimmt ist (Punkte A und B). Beide Teilwicklungen werden gegensinnig vom Strom durchflossen. Die Wicklungen sind in der Definition als konzentrierte Wicklungen angenommen, wobei alle Windungen auf einer gedachten Linie zusammengeführt sind. Zur Ferritaußenkante hin gerichtet, ist die Wicklung 160 mm vom Wicklungszentrum aus entfernt, zur Feldplatten Mitte hin gerichtet, ist die Wicklung 140 mm vom Zentrum entfernt. Die seitliche Anordnung wird von einem Punkt aus festgelegt, welcher das Viertel der Diagonalen markiert. Von dort ist die Wicklung entsprechend der äußeren Anordnung ebenfalls 160 mm entfernt.

Abbildung 58: Aufsicht der geometrischen Interoperabilitätsdefinition


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Da konkrete Wicklungsanordnungen nicht konzentriert ausgeführt werden können, werden diese mit identischem Wicklungsschwerpunkt in einer verteilten Form ausgeführt. Zur Definition des Wicklungsschwerpunktes sei hier auf [29] und die Spezifikation zum Magnetkreis im Anhang verwiesen.

Für Prüfzwecke wird eine Referenzwicklung herangezogen, welche eine verteilte Wicklung mit dreieckförmiger Wicklungsdichte gemäß Abbildung 59 aufweist und einen der Interoperabilitätsdefinition entsprechenden Wicklungsschwerpunkt besitzt. Die exakten Maße können ebenfalls [29] oder der Spezifikation im Anhang entnommen werden.

200400

400

200

XD

irect

ion

of tr

avel

Y

Abbildung 59: Referenzwicklung der Interoperabilitätsdefinition

b) Elektromagnetische Quellgrößen

Für den nominalen Betriebsfall sind die folgenden Eigenschaften für die primäre Durchflutung festgelegt.

Name Symbol Wert Dimension

Durchflutung (nominal) N 120 Aeff

Arbeitsfrequenz fSYS 140 kHz

Erwartete Netzleistung PGN 3,3 kW

Tabelle 2: Elektromagnetische Quellendaten der Interoperabilitätsdefinition

Die Durchflutung wird mittels einer gesteuerten Stromquelle bereitgestellt. Für Anpassungen an Auslegungstoleranzen kann die Stromquelle vom Nominalwert abweichend nachgeführt werden, um etwa die maximale Netzleistung exakt einzustellen. Im Rahmen der


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angestrebten Wirkungsgrade, kann eine elektromagnetische Luftspaltleistung von 3,15 kW für Auslegungszwecke angesetzt werden.

Die Interoperabilitätsdefinition versteht sich als Auslegungsreferenz für sekundäre Feldplatten. Konkrete Ausführungen von primären Feldplatten unterschiedlicher Hersteller können in ihren elektromagnetischen und geometrischen Eigenschaften von den definierten Werten durchaus abweichen.

Je weiter ein Hersteller jedoch von den Rahmenkennwerten abweicht, desto größere Toleranzen treten bei seinem Produkt in den magnetischen Kennwerte auf, wenn unterschiedliche am Markt befindliche sekundäre Feldplatten betrieben werden. Bis zu einem gewissen Maß können diese durch einen entsprechend vergrößerten Wertebereich der primären Durchflutung ausgeglichen werden.

3. Aktivierung der Leistungsübertragung

Um eine Durchflutung der primären Feldplatte einzuleiten, d.h. eine Leistungsübertragung anzufordern, sendet das Fahrzeug über eine Nahfeldkopplung ein Signal an die primäre Feldplatte. Die Nahfeldkopplung erfolgt über eine Rahmenspule, welche im Zentrum der Feldplatten angeordnet ist. Die Interoperabilitätsdefinition beschreibt die Empfangseigenschaften der Rahmenspule der primären Feldplatte. Die Überprüfung der Funktion der Nahfeldkopplung sekundärer Feldplatten erfolgt durch Messung der Empfangspegel an einer Referenzempfangsschaltung, welche an die primäre Rahmenspule angeschlossen ist (vgl. Kapitel X).

Eine wesentliche Eigenschaft der Nahfeldkopplung besteht in der begrenzten Reichweite des Signalempfangs welches von der sekundären Feldplatte aus gesendet wird. Somit wird sichergestellt, dass nur die primäre Feldplatte ein Aktivierungssignal erhalten kann, auf der das Fahrzeug abgestellt ist welches die Leistungsübertragung anfordert.

Aufgrund dieser Eigenschaft erfüllt die Nahfeldkopplung mehrere Funktionen gleichzeitig, die für die Gewährleistung einer sicheren Leistungsübertragung notwendig sind:

Anforderung oder Bestätigung des Leistungsflusses Diese Funktion stellt die Kernfunktion der Nahfeldkopplung dar, mit der das Fahrzeug die Übertragung von Leistung an dem Versorgungsgerät anfordert.

Überdeckungsprüfung

Aufgrund der Reichweitenbeschränkung kann das Versorgungsgerät nur dann eine Anforderung zur Energieübertragung erhalten, wenn das Fahrzeug die primäre Feldplatte ausreichend überdeckt, so dass sich z.B. keine Person auf der primären Feldplatte befinden kann und die Streufeldanforderungen nach Kapitel VI.6 erfüllt sind.

Technologieprüfung

Da nur ein mit interoperabler Technik ausgestattetes Fahrzeug in der Lage ist, das Signal der Nahfeldkopplung auszusenden, wird sichergestellt, dass die Leistungsübertragung nur bei derartig ausgestatteten Fahrzeugen aktiviert wird.

Zuordnung

Aufgrund der Reichweitenbeschränkung, die eine eindeutige Zuordnung von


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Fahrzeug und Versorgungsgerät garantiert, kann die Nahfeldkopplung den Zuordnungsprozess übernehmen, die eine Netzbetreiberkommunikation über WiFi/WLAN erfordert.

Der Aufbau der interoperablen Nahfeldkopplung ist wie folgt definiert.

a) Geometrie und elektrisches Verhalten

Die Rahmenspule der Nahfeldkopplung ist als quadratische Rahmenspule gemäß der technischen Daten aus Tabelle 3 aufgebaut.

I

RX

B

TX

U3

Abbildung 60: Anordnung der Rahmenspule zur Nahfeldkopplung

Die Rahmenspule wird zur Prüfung des Empfangspegels eines von einem Sender ausgehenden Signals mit einer Abschlussschaltung gemäß Abbildung 61 vermessen. Der eingangsseitige Resonanzkreis aus 25 µH und 220 pF bildet einen auf die Trägerfrequenz abgestimmten Resonanzkreis. Bei Toleranzen in der Herstellung der Rahmenspule wird der Kondensator auf die tatsächlichen Gegebenheiten abgestimmt.

25 µH500 Ω

220 pF10 Ω330 pF

Abbildung 61: Referenzempfangsschaltung

Ein Empfangssignal gilt logisch als empfangen, wenn die am 500 Ω Widerstand anliegende Spannung den Empfangsschwellwert laut Tabelle 3 überschreitet.

Größe Symbol Wert Dimension

Spulenmaß DN 200*200 mm2

Spulenform Quadrat Windungszahl wN 5 Lage über Ferrit hN 28 mm

Trägerfrequenz FN 2 MHz

Empfangsschwellwert USN 0,7 Veff

Tabelle 3: Technische Daten der Rahmenspule zur Nahfeldkopplung


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b) Signalverhalten

Das von der Empfangsschaltung generierte logische Empfangssignal (0 oder 1) besitzt ein im Ein- / Ausschaltverhältnis variierendes Verhalten. Das P2PS-Signal gilt als empfangen, wenn das logische Empfangssignal eine definierte Pulsdichte überschreitet. Als Pulsdichte ist das Verhältnis aus der summierten Zeit des aktiven Empfangssignals über der Mittelungszeit tSpan und der Mittelungszeit definiert.

Signal

tSig1

tSpan

tSig2 tSig3 tSig4

1

0t

tact

tSig3a

Abbildung 62: Empfangssignalsequenz

Die Schwellwerte für die zeitliche Auswertung des Empfangssignals sind derart gewählt, dass an Stelle der Mittelwertbildung auch ein Verzögerungsglied erster Ordnung für die Ermittlung der Signaldichte verwendet werden kann.

Kürzel Name Min. Typ. Max. Beschreibung

tSig Signaldauer 1 5 ms (Minimale) Signaldauer

tSpan Signal time span 100 ms Zeitspanne zur Auswertung der Signaldichte

dSigPas Signal density passive

20 % Signaldichte bei inaktiver Durchflutung

dSigAct Signal density active

33 % Signaldichte bei aktiver Durchflutung

Tabelle 4: Daten zur zeitlichen Auswertung des P2PS-Zustands

4. Anwendung

Die Interoperabilitätsdefinition ist als Quellendefinition gestaltet. In dieser Form lässt die Definition prinzipiell jede sekundäre Feldplatte zu. Andererseits kann ein Designer sekundärer Feldplatten aus Kenntnis der Quellenseite ein vollständiges Transformatormodell aufstellen und die elektromagnetischen Eigenschaften seines Designs auf die Quelle abstimmen. Nur eine Rahmenbedingung wird von der Interoperabilitätsdefinition an den sekundären Abnehmer gestellt, nämlich dass bei Nenndurchflutung der Quelle die Nennleistung übertragen wird.

Die formulierte Abstimmung von sekundären Feldplatten auf die Quellendefinition fällt derart aus, dass abhängig von der gewählten Geometrie eine zugehörige angepasste sekundäre


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Durchflutung eingestellt werden muss. Die Grundlage für diesen Abstimmungsprozess bildet wiederum die Leistungsgleichung (35).

Abbildung 63: Skizze zur Auslegung sekundärer Feldplatten

Der Ausgleich zwischen großflächigen Feldplatten (links) und kleinen Feldplatten (rechts) geschieht nach folgendem Grundprinzip. Die in diesem Abschnitt dargelegte Beschreibung geht von einer Phasenverschiebung von sekundärer zu primärer Durchflutung von 90° aus, eine Annahme, die bei den betrachteten Geometrien i.d.R. als gegeben angesehen werden kann.

Bezüglich des magnetischen Kreises legt die Interoperabilitätsdefinition mit der im Boden befindlichen Rückschlussfläche (Ferritfläche) nur den halben magnetischen Kreis fest. Der vollständige Kreis entsteht erst unter Einbeziehung der sekundären Feldplatte. Wird dieser großflächig ausgeführt (links), so liefert dieser einen relativ großen Anteil an der magnetischen Leitfähigkeit der Kopplung GM. Diese sekundäre Feldplatte muss daher nur einen relativ kleinen Betrag an Durchflutung Ɵ2 liefern, damit die nominelle Leistung übertragen werden kann.

Bei einer kleinflächigen Ausführung (rechts) ist der Beitrag an die magnetische Leitfähigkeit geringer. Die nominelle Leistung kann jedoch trotzdem erzielt werden, indem die sekundäre Durchflutung entsprechend hoch gewählt wird. Da sowohl die variable Gestaltung des Magnetkreises als auch die Wahl der passenden sekundären Durchflutung in der Hand des Designers des sekundären Abnehmers liegen, kann die Lastseite flexibel ausgelegt und gestaltet werden.

Dieser Auslegungsprozess wird im Detail in Abschnitt VIII.2 dargelegt.

21 MGP 21 MGP


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VIII. Resonante kontaktlose Energieübertragung

1. Theorie der resonanten kontaktlosen Energieübertragung

a) Grundüberlegungen

Um die Grundzüge der Ansätze für einen resonant betriebenen Transformator zu erläutern, ist zunächst eine qualitative Betrachtung der Betriebseigenschaften eines Transformators notwendig. Dazu zeigt Abbildung 64 das primärseitige Ersatzschaltbild des Transformators gemeinsam mit einer Quelle und einer komplexen (hier ohmsch-induktiven) Last.

Lh

L´2

L´LuQ

L1

R´L

Abbildung 64: Freiheitsgrade für den Betrieb eines Transformators

Es gibt drei Freiheitsgrade, welche den Betriebspunkt des Transformators bestimmen. Zunächst einmal ist dies die Amplitude der Quellenspannung. Hierbei ist es unerheblich, ob es sich um eine hier dargestellte Spannungsquelle handelt oder ob eine Stromquelle angenommen wird, wie dies bei der Interoperabilitätsdefinition der Fall ist. Der Phasenwinkel stellt keinen Freiheitsgrad dar, sondern dient als Bezugsgröße für alle anderen komplexen Wechselspannungsamplituden. Diese Quellenspannung führt zu einem Strom auf der Primärseite des Transformators, wobei dieser von der Last an der Sekundärseite abhängig ist. Da der Eingangsstrom mit Betrag und Phasenlage zwei Freiheitsgrade besitzt, kann die Last mit zwei Freiheitsgraden dieses Verhalten beschreiben. Das obige Modell nimmt dazu eine ohmsche Last an, der eine rein komplexe Last parallel geschaltet ist. Gezeigt ist eine induktive Last, allgemein soll dies aber auch eine kapazitive Last beinhalten.

Möchte man diese drei Freiheitsgrade in Form von Leistungen beschreiben, so kann man formulieren, dass durch Wahl geeigneter Lastwiderstände und Quellenspannung eine Wirkleistung und eine Blindleistung in der Last sowie eine Blindleistungsaufnahme des Transformators frei einstellbar sind.

An Stelle von Leistungen lassen sich die Freiheitsgrade auch über Ströme formulieren. Dazu betrachtet man die im Knoten an der Hauptinduktivität fließenden Ströme. Abbildung 65 verdeutlicht diese Betrachtungsweise.

Lh

L´2

L´LuQ

L1

R´Li

iwib

Abbildung 65: Stromkomponenten des Transformatorbetriebs

Der durch die Hauptinduktivität fließende Magnetisierungsstrom i erzeugt eine Magnetisierungsspannung am betrachteten Knotenpunkt (roter Kreis). Der zusätzlich zum Magnetisierungsstrom von der Primär- zur Sekundärseite fließende Strom kann in Bezug auf


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diese Magnetisierungsspannung in einen Blindstrom ib und in einen Wirkstrom iw gesplittet werden.

Bei genauer Betrachtung entsteht bei dieser Interpretation ein scheinbarer zusätzlicher Freiheitsgrad, denn es ist nicht eindeutig bestimmt, ob der Magnetisierungsstrom aus der Primärseite oder der Sekundärseite bereitgestellt wird. Es handelt sich hier jedoch um einen rein interpretatorischen Freiheitsgrad und nicht um einen physikalischen, denn wie auch immer man diese Aufteilung vornimmt, es bleiben Primärstrom und Sekundärstrom gleich. Allerdings erhält diese Interpretation in dem Moment Relevanz, wenn von der Quelle zur Last keine Blindleistung übertragen werden soll und damit die Aufteilung des Magnetisierungsstroms auf die Primär- oder Sekundärseite eindeutig wird. Dieser Fall liegt zum Beispiel dann vor, wenn die Quelle ausschließlich Wirkleistung abgibt oder die Last ausschließlich Wirkleistung aufnimmt. Dies ist bei der kontaktlosen Energieübertragung häufig der Fall, so dass der scheinbare zusätzliche Freiheitsgrad eine interpretatorische Bedeutung erlangt und die Quelle der Magnetisierungsblindleistung angibt.

Anders als bei klassischen in der Energieverteilung eingesetzten Transformatoren handelt es sich bei der kontaktlosen Energieübertragung um „schlechte“ Transformatoren. Aufgrund des großen Luftspaltes zwischen dem primären und sekundären magnetischen Kreis, welcher sich aufgrund der Anforderungen der Applikation nicht vermeiden lässt, entstehen vergleichsweise kleine Hauptinduktivitäten und große Streuinduktivitäten. Die Übertragung nennenswerter Leistungen erfordert somit hohe Magnetisierungsströme, so dass eine angemessene Magnetisierungsspannung entsteht. Dieser Magnetisierungsstrom muss entweder von der Primär- oder der Sekundärseite (oder von beiden Seiten) bereitgestellt werden und verursacht an den Streuinduktivitäten hohe Spannungsabfälle. Anders formuliert, erfordert der Betrieb des „schlechten“ Transformators erhebliche Magnetisierungsblindleistung sowie weitere Streublindleistung, um einen bestimmten Betrag von Wirkleistung zu übertragen. Bei den in diesem Projekt betrachteten Systemen ist die Blindleistung typischer Weise um ein Vielfaches höher als die Wirkleistung und somit bei der Auslegung bezüglich Stromtragfähigkeit und Verlusten der dominierende Einflussfaktor.

Da die kontaktlose Energieübertragung bei hohen Frequenzen stattfinden muss, bedeutet dies, dass die Energiequelle mit aktiver Leistungselektronik realisiert werden muss. Da die Kosten der Leistungselektronik im Wesentlichen durch die Scheinleistung bestimmt werden, welche die Leistungselektronik bereitstellen muss und diese in den Gesamtkosten ebenfalls einen dominierenden Faktor darstellt, liegt es auf der Hand, dass die Blindleistungsbelastung der Quelle klein gehalten werden muss.

Es ist daher vorteilhaft, den Blindleistungsbedarf aus passiven Bauelementen zu decken. Dies ist entweder durch eine Serienschaltung oder einer Parallelschaltung eines Kondensators zur Induktivität möglich. Im Fall der Serienschaltung liefert der Kompensationskondensator die notwendige Blindspannung und reduziert die Quellenspannung, wobei der Strom gegenüber dem nicht kompensierten Verhalten erhalten bleibt. Im Fall der Parallelschaltung liefert der Kondensator den Blindstrom und entlastet die Quelle von diesem Strom, wobei die notwendige Quellenspannung erhalten bleibt.

Bilden Induktivität und Kondensator für eine gegebene Arbeitsfrequenz einen identischen imaginären Widerstand, so spricht man von dem Resonanzfall. Die Resonanzbeschaltung


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des Transformators für die kontaktlose Energieübertragung mit Kondensatoren wird daher als resonanter Betrieb bezeichnet und dient der Entlastung der Leistungselektronik von der benötigten Blindleistung.

b) Parallelresonanz

Eine komplette Entlastung der Quelle und der Last von einer Blindleistung kann mit der Parallelresonanz oder genauer der Serien-Parallel-Resonanz erzielt werden. Grundsätzlich kann die Parallelresonanz primärseitig oder sekundärseitig angeordnet werden, dieser Bericht beschränkt sich jedoch auf den in der Interoperabilitätsdefinition relevanten Fall der sekundärseitigen Parallelresonanz.

L2uQ

L2

RLC2P

C1S

Abbildung 66: Sekundärseitige Serien-Parallel-Resonanz

Die Wirkungsweise dieser Resonanzbeschaltung lässt sich am besten am Gamma–Ersatzschaltbild (vgl. V.6) gemäß Abbildung 66 verstehen. Die Blindleistung der Sekundärinduktivität, welche die Magnetisierungsinduktivität und die sekundäre Streublindleistung umfasst, wird vollständig durch den parallel geschalteten sekundären Kondensator aufgebracht, die primäre Streublindleistung wird durch den primären Kondensator in Serienschaltung geliefert. Somit bringt die Quelle ausschließlich Wirkleistung auf, welche zur Nutzlast übertragen wird.

(Verhalten: stromgesteuerte Stromquelle)

c) Serienresonanz

Eine alternativ häufig angewandte Resonanzbeschaltung stellt die Serien-Serien-Resonanz dar (Abbildung 67).

Lh

L´2

uQ

L1

R´L

C1S C´1S

Abbildung 67: Serien-Serien-Resonanz

Ganz offensichtlich muss bei dieser Schaltung der Magnetisierungsstrom zwangsläufig entweder durch die Last oder die Quelle fließen. Bei einer ohmschen Last, wie es bei der kontaktlosen Energieübertragung der Fall ist, muss der Magnetisierungsstrom aus der Quelle bereitgestellt werden. Es ist kein passives Bauelement vorhanden, welches diese Funktion übernehmen könnte. Die Resonanzelemente können daher lediglich die Blindleistung der Streuinduktivitäten von der Quelle fernhalten.

Es ist jedoch möglich, mit Hilfe einer anderen Maßnahme den Magnetisierungsstrom zu reduzieren. Elektromagnetisch gesehen ist die Spannung am Knotenpunkt der Hauptinduktivität von der Durchflutung abhängig, d.h. von dem Produkt aus Windungszahl und dem zur Magnetisierung eingesetztem Strom. Somit kann der in der Quelle fließende


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Magnetisierungsstrom verkleinert werden, indem die Windungszahl hochgesetzt wird. Diese Maßnahme ist jedoch mit zwei entscheidenden Nachteilen verbunden. Der gewünschte Wirkstrom muss in der Quelle unverändert weiterfließen, somit fließt dieser durch alle Windungen, welche zur Magnetisierungsstromverringerung eingesetzt werden. Die durch den Wirkstrom verursachten Wicklungsverluste steigen daher linear mit der Windungszahl an. Möchte man den Blindstrom auf ein Zehntel reduzieren, was je nach Konfiguration praktisch reell ist, bedeutet das eine Verzehnfachung der genannten Verluste. Aus diesem Grund sind dieser Maßnahme Grenzen gesetzt und es ist davon auszugehen, dass man in der Quelle grob einen Blindstrom einstellen wird, der dem Wirkstrom entspricht. Damit ist man von einer kompletten Entlastung deutlich entfernt. Wesentlich entscheidender ist jedoch die Tatsache, dass mit der steigenden Windungszahl auch die Streuinduktivität (sogar quadratisch) ansteigt. Die Reduktion des Blindstroms auf ein Fünftel erhöht die Spannung an der Streuinduktivität um das Zehnfache (gegenüber der Auslegung mit Parallelresonanz). An der Sekundärwicklung sind die entstehen Spannungen durch die Batteriespannung bestimmt, d.h. an den Wicklungsklemmen entstehen bei Parallelresonanz etwa 400 V. Bei Serienresonanz bedeutet das folglich eine Spannung von 4 kV, welche nachgelagert wiederum gegenphasig an den Serienkondensatoren abfallen!

Diese negative Eigenschaft ist in so Fern besonders relevant, da man bei Spannungen von über 1 kV den Niederspannungsbereich verlässt und weitaus aufwändigere Schutzmaßnahmen sowohl in den Komponenten als auch während der Entwicklung eingehalten werden müssen. Diese Fragestellung kann gelöst werden, indem der Kompensationskondensator innerhalb der Wicklung verteilt angeordnet wird, jedoch erhöht dies den Kontaktierungsaufwand erheblich, sowohl produktionstechnisch als auch geometrisch.

d) Spannungsgesteuerte Stromquelle

Die Quellendefinition der Interoperabilität erfordert eine Stromquelle als elektrische Quellengröße zur Erzeugung der primären Durchflutung. Heutige, auf Transistoren beruhende Spannungszwischenkreisumrichter können jedoch lediglich variable Ausgangsspannungen stellen. Die Eigenschaft einer Stromquelle kann daher, wie bei Motoransteuerungen üblich, mittels einer überlagerten Stromregelschleife erreicht werden, oder es wird ein Impedanzwandler eingesetzt. Aufgrund der für die hohe Ausgangsfrequenz angewendeten Blocktaktung und aufgrund der Tatsache, dass ein Impedanzwandler für Oberschwingungen einen Tiefpass darstellt und somit Harmonische unterdrückt, ist der Impedanzwandler eine geeignete Wahl.

Da eine gesteuerte Stromquelle für die Ansteuerung der primären Feldplatte von Vorteil ist, kann ein Gyrator eingesetzt werden, welcher eine spannungsgesteuerte Stromquelle darstellt.

uQ

LS

ZC1P

i1

Abbildung 68: Schaltbild eines Gyrators


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Die Übertragungsfunktion eines solchen Gyrators lautet

(37) PSSQ CLZLju

i

1

2

1

1

1

Im Fall der Resonanzabstimmung wird der Term in der Klammer zu null. Damit entfällt in der Übertragungsfunktion die Abhängigkeit von der Lastimpedanz Z, so dass der Ausgangsstrom i1 nur noch von der Quellenspannung uQ abhängig ist.

(38) PSSQ CL

mitLju

i

1

1 11

Somit kann für heute gängige Leistungselektronik mittels eines einfachen Resonanzkreises das notwendige Stromquellenverhalten für die gewählte Arbeitsfrequenz der kontaktlosen Energieübertragung erzielt werden.

2. Berechnungen zur Auslegung sekundärer Feldplatten in

Parallelkompensation

Die Grundlage für die Auslegung sekundärer Feldplatten bildet das elektrische Ersatzschaltbild des durch die Kombination aus primärer und sekundärer Feldplatte entstehenden Transformators, der Kompensationsschaltung, hier bestehend aus einem einfachen Parallelkondensators, sowie der Modellierung von Gleichrichter und Batterie in Form einer Spannungsquelle. Da die Einspeisung ein Stromquellenverhalten aufweist, kann diese als einfache Stromquelle abgebildet werden.

Die in diesem Abschnitt betrachtete reine Parallelkompensation auf der Sekundärseite wurde gewählt, da dies die einfachste und damit leicht nachzuvollziehende Variante ist. Andere sekundäre Kompensationsschaltungen können methodisch äquivalent untersucht werden.

Die Modellierung von Gleichrichter und Batterie stellen die größte Schwierigkeit dar. Die Nichtlinearität des Gleichrichters führt dazu, dass bei exakter Modellierung keine formellen Lösungen mehr berechnet werden könnten. Um dies trotzdem zu ermöglichen, muss das Verhalten von Gleichrichter und Batterie durch lineare Elemente nachgebildet werden. In den meisten Veröffentlichungen wird für diesen Zweck ein ohmscher Widerstand benutzt. Dieser gibt korrekter Weise wieder, dass nur Wirkleistung über den Gleichrichter an die den Verbraucher darstellende Batterie übertragen werden kann. Für einen singulären Arbeitspunkt kann der Wert des Widerstandes derart gewählt werden, dass an diesem die für den Arbeitspunkt angesetzte Spannung abfällt. Damit wird eine korrekte Ermittlung der Zeigerdiagramme für die komplexen Wechselstromamplituden im Transformator und an den Resonanzelementen erreicht.

Leider versagt diese Modellierung, wenn man eine Verschiebung des Arbeitspunktes z.B. durch eine sich verändernde Batteriespannung untersuchen möchte. In diesem Fall kann die Batterie durch eine (Wechsel-)Spannungsquelle modelliert werden, bei der die Amplitude der Wechselspannung derart zu wählen ist, dass deren Gleichrichtmittelwert der tatsächlichen Gleichspannung der Batterie UB entspricht.


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(39)

BeffB

BB

BB

Uw

Uw

uU

22

1

2

1

ˆ2

2

2

Im leitwertbezogenen Ersatzschaltbild wird diese Ersatzspannungsquelle auf die Spannung einer einzelnen Windung bezogen, so dass sich die Darstellung nach Abbildung 69 ergibt.

1 G1S

GM

G2S 2

M1 2 C´2P

CP B

B

Abbildung 69: Ersatzschaltbild von Transformator, sekundärem Resonanzkreises und als Wechselspannung modellierter Batterie

So lange die Klemmenspannung auf der Primärseite nicht untersucht werden soll, kann das Ersatzschaltbild weiter vereinfacht werden, denn die an der primären Streuinduktivität abfallende Spannung ist allein durch die bekannte Stromquelle bestimmt.

1

GM

G2S 2

MM 2 C´2P

CP B

B

Abbildung 70: Ersatzschaltbild des sekundären Resonanzkreises

Die Übertragungsfunktion dieser Schaltung ergibt sich aus der linearen Überlagerung der Wirkung beider Quellen auf diese Schaltung, wobei die Wirkung der Stromquelle für eine kurzgeschlossene Spannungsquelle errechnet wird und die Wirkung der Spannungsquelle bei einem offenen Kreis an der Stromquelle.

Die für die Stromquelle wirksame Eingangsimpedanz dieser Schaltung ergibt sich aufgrund des Kurzschlusses der Spannungsquelle an C‘2P als Parallelschaltung aus GM und G2S:

(40) 2

2

2

111

1

G

GGj

GjGj

SM

SM

M

Der Strom in die Batterie (in dem Fall die kurzgeschlossene Spannungsquelle) entspricht dem Strom durch die Streuinduktivität und ergibt sich aus der Spannung an der Stromquelle

M zu:

(41) SM

B

Gj 2

1

Die Wirkung der Eingangsstromquelle auf den Batteriestrom lässt sich aus der Hintereinanderschaltung beider Übertragungsfunktionen (40) und (41) bestimmen:


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(42)

21

11

G

GMB

M

M

BB

Die Wirkung der Batteriespannung auf die Schaltung erhält man bei offener Stromquelle. Die Wirkung auf die Eingangsspannung ergibt sich aus dem induktiven Spannungsteiler des Transformators.

(43)

M

S

M

B

M

G

GG

G

22 1

1

Der Schaltungsleitwert für die Spannungsquelle ergibt sich aus der Parallelschaltung des Kondensators und der Sekundärinduktivität des Transformators.

(44)

P

PP

B

B

CGCj

GjCj

22

22

2

2

11

1

Wird die Wirkung beider Quellen auf den Batteriestrom zusammengefasst, so erhält man:

(45) B

P

PM

BCG

CjG

G

22

221

2

11

Mit Wahl der Resonanzabstimmung auf die sekundärseitige Transformatorinduktivität G2

(46) PCG 22

0

1

erhält man die Auslegungsformel für den sekundären Resonanzkondensator:

(47) 2

2

0

2

1

GC P

2

22

2

2

1

GwC P

Diese Auslegung besitzt die vorteilige Eigenschaft, dass der in die Batterie fließende Strom ausschließlich vom Quellenstrom abhängig ist und von der Batteriespannung nicht beeinflusst wird. Damit ist sekundärseitig ein reines Stromquellenverhalten erreicht.

Aus Gleichung (45) wird deutlich, dass im Fall der Resonanzabstimmung der Batteriestrom von der Größe der Batteriespannung unabhängig wird und in einem direkten Zusammenhang mit dem Primärstrom steht.

(48) 1

2

G

GMB

Der Grundansatz der Interoperabilitätsdefinition besteht darin, dass für verschiedenste Kopplungen GM, welche durch veränderte Luftspalte oder geometrische Variationen der

Sekundärseite entstehen, bei definierter Quellendurchflutung Q auf der Primärseite die nominelle Leistung P übertragen wird.


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1=Q

GM

G2S 2

M 2 C‘2PR

B

C

Abbildung 71: Stromquellenbetrieb

Diese Bedingung kann dadurch erreicht werden, dass die sekundäre Windungsspannung 2

der Durchflutung Q angepasst wird, welche in die Last eingespeist wird (Abbildung 71). Aus

der Leistungsgleichung für den Ausgang erhält man.

(49) rmsB

rms

P

2

Setzt man diese Bedingung zusammen mit (48) in Gleichung (39) ein, so erhält man eine Bedingung für die sekundärseitige Windungszahl.

(50) P

U

G

Gw

rmsBM 1

2

222

Wurden für eine Sekundärseite mit beliebiger Windungszahl die magnetischen Leitwerte bestimmt, so kann für eine Umsetzung die Windungszahl nach dieser Berechnung angepasst werden. Es ist lediglich darauf zu achten, dass sich durch die veränderte Windungszahl die Stromverteilung über der Fläche der sekundären Feldplatte nicht maßgeblich verändert.

3. Auslegungsbeispiele für sekundäre Parallel-Kompensation

Anhand dreier unterschiedlicher Abnehmer wird in diesem Abschnitt die Flexibilität der sekundären Feldplattenanordnungen auf den interoperabilitätsgemäßen primären Feldplatten demonstriert. Hierzu werden die drei geometrisch voneinander abweichenden sekundären Feldplatten in ihren magnetischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Plattenabständen (welche bei bodenebenem Einbau der Primärseite den Bodenfreiheiten der Fahrzeuge entsprechen) per Simulation ermittelt. Anschließend erfolgt für alle Anordnungen eine Auslegung der sekundären Windungszahl und des Resonanzkondensators für die Parallelresonanz gemäß Abschnitt VIII.2. Hieraus wiederum ergibt sich als wichtigste Kenngröße die notwendige sekundäre Durchflutung.

Operative primäre Feldplatte der SEW (PS), sekundäre Feldplatte SEW Cetos (B1)

Das erste betrachtete System besteht primärseitig aus der operativen Feldplatte von SEW, so wie diese bei den Feldtestversuchen zum Einsatz gekommen ist. Als Abnehmer wird ebenfalls die in den Feldtests verwendete sekundäre Feldplatte des von SEW ausgestatteten Cetos betrachtet. Anders als im Feldversuch, bei dem die Bodenfreiheit und damit indirekt auch der Plattenabstand durch das Fahrzeug fixiert ist, werden die hier gezeigten Untersuchungen für mehrere Abstände durchgeführt, welche den erweiterten Wertebereich der VDE Anwendungsregel von 100 mm bis 250 mm umfassen. Damit wird deutlich, wie die verwendete Sekundärseite an anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen kann. Die Ergebnisse zu dieser Anordnung sind in Abbildung 74 zusammengefasst.


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Für die Feldsimulationen wurden, dem realen Aufbau entsprechend, primärseitig 10 Windungen modelliert, wobei zwei Spulen mit je 10 Windungen parallel geschaltet sind. Sekundärseitig sind 6 Windungen modelliert, ebenfalls der Cetos-Auslegung entsprechend, wiederum mit zwei parallel geschalteten Spulen mit je 6 Windungen.

Normative Referenzfeldplatte (PR), sekundäre normative Doppelflach Feldplatte (F)

Alternativ zum operativen Energieübertragungssystem im Feldtest, werden die zwei geometrisch sehr unterschiedlichen sekundären Feldplatten analysiert, wie diese als Beispielfeldplatten aus dem InterOp-Projekt heraus in den internationalen Standard IEC 61980-3 Annex AA [9] eingebracht und übernommen wurden. Damit trägt diese Betrachtung erheblich zum Verständnis der Normung bei, da die Auslegungsberechnungen nicht Bestandteil der Normung sind und auch nicht sein sollen. Die hier untersuchte Sekundärseite ist die sekundäre Feldplatte mit einer Doppelflach-Spulenanordnung, welche dort im Abschnitt A.4.4 als „secondary device B“ aufgeführt ist (Abbildung 72).

Die Modellierung wurde mit 8 Windungen durchgeführt, wobei zwei Spulen mit je 8 Windungen parallel geschaltet sind.

275

350

375

85163

375

187

X

Y

Leiterabstand 2,5 mm

Leiterdurchmesser 3,5 mm

Plattenüberdeckung 8 mm

Primäre Feldplatte

Sekundäre Feldplatte

Plattenabstand (Bodenfreiheit)

Fe

Straßen- oberfläche

Plattenüber-deckung40 mm

Aluminium Rückwand 1000 mm * 1000 mm


Leiterabstand 20 mm

Abbildung 72: Normative sekundäre Beispiel-Feldplatte in Doppelflachausführung

Normative Referenzfeldplatte (PR), sekundäre Solenoid Feldplatte (S)

Da die zuvor beschriebene Feldplatte eine relativ große Geometrie mit großer aktiver Fläche aufweist, wird mit dieser zweiten untersuchten sekundären Feldplatte eine sehr kompakt bauende Feldplatte beschrieben und analysiert. Hierbei handelt es sich um eine Spule mit einer Solenoid-Wicklung, deren Maße in Abbildung 75 angegeben sind. Im internationalen Standard IEC 61980-3 Annex AA [9] ist im Abschnitt A.4.4 als „secondary device B“ eine ähnliche Feldplatte aufgeführt, jedoch wurde hier zur Verbesserung der Kopplung eine in Fahrtrichtung längliche Variante zur Verbesserung der Kopplung gewählt, wobei die Ferritflächen jedoch annähernd gleich sind. Das ist nur ein Sechstel der Fläche der Doppelflachspule (F) aus der Norm.

Die Modellierung wurde mit einer einfachen Spule mit 20 Windungen durchgeführt.


Seite 85 28.07.2017

225

400

X

200

Y

Leiterabstand 1,5 mm

Leiterdurchmesser 3 mm

Plattenüberdeckung 6 mm

Primäre Feldplatte

Sekundäre Feldplatte

Plattenabstand (Bodenfreiheit)

Fe

Straßen- oberfläche

Plattenüber-deckung40 mm



Leiterabstand 20 mm

Schirmabstand 6 mm

Ferritdicke 5 mm

Abbildung 73: Sekundäre Feldplatte in Solenoid-Ausführung

Bei allen Simulationen wurde die Rückseite (fahrzeugzugewandte Oberseite) der sekundären Feldplatten mit einer Aluminiumfläche abgedeckt, so dass die nach oben gerichteten Feldlinien nach unten zurückgespiegelt werden. Auf diese Weise werden Streufelder im Fahrzeuginnenraum drastisch verringert, bei bipolaren Spulenanordnungen (Doppelflach, Solenoid, Doppel-D) verbessert sich dadurch zudem die Kopplung.

Die Rahmenbedingungen für die hier durchgeführte Auslegungsberechnung lauten wie folgt:

Leistung P = 3,3 kW Arbeitsfrequenz f = 140 kHz

Primärdurchflutung 1 = 123 Aeff Batteriespannung UB = 400 V

Bezüglich der sekundären Windungszahl ist zu beachten, dass diese für die Feldsimulationen zunächst beliebig angesetzt wird, um die magnetischen (und von der Windungszahl unabhängigen) magnetischen Leitwerte zu bestimmen. Erst die Auslegungsrechnung ergibt, welche tatsächliche Windungszahl bei einer gegebenen Batteriespannung zu wählen ist.


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Platten-abstand

/ mmw1 w2 L2

/ HM

/ HL1

/ HG2

/ nHGM

/ nHG1

/ nHk C'2P

/ Fw2 wI

/ AC2P

/ nF

100 10 6 20.6 15.5 58.4 573 258 584 0.45 2.26 7 138 46.1135 10 6 20.0 11.8 56.8 554 196 568 0.35 2.33 6 158 64.7170 10 6 19.6 9.1 55.8 543 152 558 0.28 2.38 5 189 95.1210 10 6 19.4 7.0 55.5 540 116 555 0.21 2.39 4 235 149.7250 10 6 19.3 5.3 55.2 535 89 552 0.16 2.41 3 315 268.3

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

100 150 200 250

Ko

pp

lun

gsf

ak

tor

k

Ma

gn

eti

sch

er

Leit

we

rt G

/ n

H

Plattenabstand (Bodenfreiheit) / mm

Induktivitäten des

Transformators

G2 / nH GM / nH

G1 / nH k

060120180240300360420480540600

0050

100150200250300350400450500

100 200 Se

ku

nd

äre

Du

rch

flu

tun

g /

A

Ka

pa

zitä

t C

/ n

F


Resonanzkondensator und

Sekundärdurchflutung

C2P / nF wI / A

0123456789

100 150 200 250

Win

du

ng

sza

hl w


Sekundäre Windungszahl

w2

Abbildung 74: Resonanzkreisauslegung des SEW-Cetos-Abnehmers (B1)


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Platten-abstand

/ mmw1 w2 L2

/ HM

/ HL1

/ HG2

/ nHGM

/ nHG1

/ nHk C'2P

/ Fw2 wI

/ AC2P

/ nF

100 8 8 48.1 18.2 44.7 752 285 699 0.39 1.72 6 121 47.7135 8 8 47.0 14.1 43.4 734 220 678 0.31 1.76 5 142 70.4170 8 8 46.2 10.8 42.4 722 169 662 0.24 1.79 4 177 111.8210 8 8 45.9 8.2 41.8 718 128 654 0.19 1.80 3 236 200.0250 8 8 45.7 6.3 41.4 714 98 647 0.14 1.81 2 354 452.5

Abbildung 75: Resonanzkreisauslegung normative Doppelflach Sekundärseite (F)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

100 150 200 250

Ko

pp

lun

gsf

ak

tor

k

Ma

gn

eti

sch

er

Leit

we

rt G

/ n

H


Induktivitäten des

Transformators

G2 / nH GM / nH

G1 / nH k

0

60

120

180

240

300

360

420

480

540

600

00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

100 150 200 250

Se

ku

nd

äre

Du

rch

flu

tun

g /

A

Ka

pa

zitä

t C

/ n

F




C2P / nF wI / A

0123456789

100 150 200 250

Win

du

ng

sza

hl

w



w2


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Platten-abstand

/ mmw1 w2 L2

/ HM

/ HL1

/ HG2

/ nHGM

/ nHG1

/ nHk C'2P

/ Fw2 wI

/ AC2P

/ nF

100 8 20 140.4 28.0 39.8 351 175 621 0.37 3.68 8 190 57.5135 8 20 136.9 22.1 39.9 342 138 623 0.30 3.78 7 217 77.1170 8 20 133.8 17.6 40.0 335 110 625 0.24 3.86 5 305 154.5210 8 20 132.3 13.8 40.1 331 86 627 0.19 3.91 4 383 244.2250 8 20 131.5 10.9 40.2 329 68 629 0.15 3.93 3 513 436.7

Abbildung 76: Resonanzkreisauslegung für Solenoid Sekundärseite (S)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

100 150 200 250

Ko

pp

lun

gsf

ak

tor

k

Ma

gn

eti

sch

er

Leit

we

rt G

/ n

H


Induktivitäten des

Transformators

G2 / nH GM / nH

G1 / nH k

0

60

120

180

240

300

360

420

480

540

600

00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

100 150 200 250

Se

ku

nd

äre

Du

rch

flu

tun

g /

A

Ka

pa

zitä

t C

/ n

F




C2P / nF wI / A

0123456789

100 150 200 250

Win

du

ng

sza

hl

w



w2


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IX. Koexistenzstudie

1. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC)

Da das elektromagnetische Frequenzspektrum von einer Vielzahl von technischen Geräten verwendet wird, müssen diese Geräte einerseits gegenüber äußeren Einflüssen störfest gestaltet werden, andererseits müssen sie auch in Ihrer Störemission begrenzt sein, um die Funktion anderer Geräte zu gewährleisten.

Die kontaktlose Energieübertragung nutzt ein magnetisches Feld, um eine vergleichbar hohe Leistung über einen großen Luftspalt zu übertragen. Aus dieser grundsätzlichen Funktion heraus könnte die Emission magnetischer Felder für andere am Markt befindliche Technologien eine störende Wirkung aufweisen. Daher ist intensiv zu untersuchen, ob die kontaktlose Energieübertragung in der interoperablen Ausführung problemlos mit anderen technischen Geräten existieren kann.

Die Störaussendung technischer Geräte im relevanten Frequenzbereich bis 30 MHz wird durch die CISPR 11 Norm [22] geregelt. Die Störaussendung magnetischer Felder wird über eine Messung mit Hilfe einer ringförmigen Rahmenantenne in 10 m Entfernung bewertet.

Abbildung 77: Ausrichtung der Rahmenantenne zur Messung der Magnetfelder

Die Magnetfelder werden in drei orthogonalen Raumrichtungen x, y und z vermessen. Die Benennung der Ausrichtung ist in Abbildung 60 dargestellt. Der Messempfänger stellt die Ergebnisse in der leistungsbezogenen Einheit dBm dar. Diese Werte werden unter Berücksichtigung des Antennenfaktors und der Transformation der Einheiten durch Addition von 75,5 in die magnetfeldbezogene Einheit dBµA/m umgerechnet.


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Abbildung 78: Messwerte des Messempfängers in dBm (130-150 kHz)

Für den Prüfling StreetScooter (Abnehmer A) ergibt sich im Nennbetrieb bei 141 kHz eine Feldstärke von 75,7 dBµA/m. Eine vergleichbare Messung an einem iMiEV (baugleich zu iOn) bei SEW (Abnehmer B2) hat eine Feldstärke von lediglich 63,1 dBµA/m ergeben. Warum sich beide Messungen um den Faktor 4 in der Amplitude der Feldstärken unterscheiden, ist noch nicht näher untersucht. Auch wenn deutliche bauliche Unterschiede zwischen beiden Prüflingen bestehen, erscheint diese Tatsache als Ursache für einen derart großen Unterschied fraglich.

Abbildung 79: Feldstärken der 10 m Messung (140 kHz, 150 kHz-3 MHz)

63,1

75,7

44,7

42,9

33,3

30,2

24,1

10,8

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,01 0,1 1 10

H /

dB

uA

/m

Frequenz / MHz

Magnetische Feldstärke bei 10m

CISPR11, Gr. 2, Cl. A

ETSI EN 300 330

LF RFID

iMiEV

Streetscooter

Hz

Hx

Hy


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Die CISPR 11 begrenzt Emissionen magnetischer Felder erst ab einer Frequenz von 150 kHz aufwärts. Dies ist im Wesentlichen der Tatsache geschuldet, dass der Langwellenbereich der Radioübertragung ab dieser Frequenz beginnt.

Aus diesem Grund ist für die Emissionsbewertung nicht die eigentliche Arbeitsfrequenz relevant, sondern deren Harmonischen. Aus Symmetriegründen treten nur die ungeraden Harmonischen in relevanten Amplituden in Erscheinung Abbildung 79. Mit 44,7 dBµA/m wird der CISPR 11 Grenzwert der Klasse A unterschritten. Da kontaktlose Energieübertragung die magnetischen Felder zur Funktion zielgerichtet nutzt, gehören diese Geräte in die Gruppe 2. (In wie weit bezüglich magnetischer Felder die für Wohngebiete vorgesehene Klasse B sinnvoll und anwendbar ist, ist über die Normungsgremien nicht abschließend geklärt.)

Die sehr starke Dämpfung von 30 dB zwischen der Arbeitsfrequenz und der 3. Harmonischen wird dadurch erreicht, das die von der Interoperabilitätsdefinition geforderten Stromquelleneigenschaft ein Gyrator als Filter zwischen die getaktete Leistungselektronik und die Primärspule geschaltet wird. Dieser Filter sorgt für bereits gut sinusförmige Ströme in der Feldplatte und damit auch für entsprechend sinusförmige Feldstärken.

Um auch für die magnetischen Felder der Arbeitsfrequenz einen Eindruck über die Größenordnung zu vermitteln, ist im Diagramm die ETSI EN 300 330 [23] Grenzkurve ergänzend abgebildet. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Norm lediglich für Geräte der Telekommunikation zur Anwendung kommt, worum es sich bei der kontaktlosen Energieübertragung nicht handelt.

Abbildung 80: Feldstärken im Vergleich zur NF-RFID Technologie

Neben den abgebildeten Grenzwerten zur ungewollten Störaussendung lässt die EN 300 330 für sogenannte „short range devices“ ein Frequenzband für niederfrequente RFID (radio frequency identification device) zu. In Deutschland wird diese Band als freies ISM-Band für industrielle und medizinische Zwecke deklariert [24]. Beispielsweise werden diese Frequenzen auch für Diebstahlsicherungssysteme an Kassen oder in Kaufhäusern angewendet.

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

H /

dB

uA

/m

Frequenz / MHz

Magnetische Feldstärke bei 10m

CISPR11, Gr. 2, Cl. A

ETSI EN 300 330

LF RFID

iMiEV

Streetscooter


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Abbildung 80 zeigt die für RFID Technologie zugelassenen magnetischen Feldemissionen im Vergleich zu den gemessenen Feldstärken der interoperablen kontaktlosen Energieübertragung. Es ist leicht zu erkennen, dass zumindest bei Verschiebung der Arbeitsfrequenz auf 132,5 kHz die Emissionen der kontaktlosen Energieübertragung am Abnehmer B2 innerhalb der für RFID akzeptierten Grenzen bleibt.

Hieraus lassen sich zwei wesentliche Schlussfolgerungen ziehen. Erstens handelt es sich bei den RFID-Frequenzen um weltweit eingeführte und akzeptierte Frequenzbänder, so dass keine neuen Frequenzbereiche für die kontaktlose Energieübertragung eingeführt werden müssen. Zweitens kann aus der seit langem verbreiteten und akzeptierten RFID Technologie geschlossen werden, dass keine massiven negativen Auswirkungen auf andere Geräte zu erwarten sind.

2. RFID Tags

Für den Fall der Nutzung einer Arbeitsfrequenz für kontaktlose Energieübertragung, die für RFID Technologie bereits Verwendung findet oder dieser sehr ähnlich ist, stellt sich natürlich die Frage, ob diese beiden Technologien nebeneinander ohne inakzeptable gegenseitige Beeinflussungen angewendet werden können.

Zu diesem Zweck wird die Wirkung der magnetischen Feldstärke im aktiven Bereich der Energieübertragung auf verschiedene Typen von RFID Tags mit relevanter Frequenz untersucht.

Nr. Typ/ Name Frequenz Übliche Anwendung

1 Disc TAG PET 20mm read only

125 kHz Pharmazeutische, medizinische und Lebensmittelanwendungen

2 World TAG 20mm Hitag S256 125 kHz Industrielle Kennzeichnung

3 PA6-TAG-34 Hitag S2048 125 kHz Industrielle Kennzeichnung

4 ISO Card without magstripe blanco read only

125 kHz Zugangssysteme

5 Keyfob read only 125 kHz Zugangssysteme

6 Glass Tag 3.15 x 13mm Hitag S256

125 kHz Tieridentifikation

7 Mount on Metal TAG read only 125 kHz Prozesstechnik

8 Glass Tag ISO 11784785 134,2 kHz Tieridentifikation / speziell für Haustiere

Tabelle 5: Untersuchte RFID Tags


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1

2

3

4

5

6

7

8

Abbildung 81: RFID-Tags

Da in diesem Frequenzbereich die Reichweite von Auslesegeräten der Tags sehr kurz ist, steht die Frage, ob die kontaktlose Energieübertragung einen Auslesevorgang stören könnte, nicht im Vordergrund. Diese Thematik lässt sich ggf. durch ausreichend Abstand zwischen den Geräten lösen. Vielmehr stellt sich die Frage, ob RFID-Tags innerhalb des aktiven Bereichs der Feldplatten während der Energieübertragung keinen Schaden nehmen.

Abbildung 82: Versuchsanordnung zur RFID-Tag Untersuchung

Die Durchführung entsprechender Versuche zeigt, dass alle untersuchten Tag Typen keinen Schaden nehmen und auch nach Verbringung in den Luftspalt unter den in Tabelle 6 gelisteten Bedingungen weiterhin ausgelesen werden können (Tabelle 7).


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Normalbetrieb

Aufgenommene Leistung 3450W (16,7A @ 207V)

Abstand Platten 13 cm

Ausrichtung Ideale Überdeckung

Leistung Last (Abgabeleistung) 3020W (8,3A @ 360V)

Gemessene Flussdichte 420μT

Frequenz 140 kHz

Messdauer Tags liegend gem. Abbildung

Mindestens 10 min

Frequenzanpassung

ohne Abgleich des Resonanzkreises, dadurch verringerte Leistung

Ausrichtung Ideale Positionierung

Gemessene Flussdichte 350-400μT

Frequenz 134 kHz bzw. 125 kHz

Messdauer Tags in unterschiedlichen Ausrichtungen

Mindestens 5 min

Tabelle 6: Versuchsbedingungen zur RFID Tag Untersuchung

Wie Tabelle 6 zeigt, ist dies auch bei Arbeitsfrequenzen der kontaktlosen Energieübertragung der Fall, welche der jeweiligen Betriebsfrequenz der RFID-Technologie exakt angepasst sind.

Nr. Typ/ Name Normalbetrieb Frequenzanpassung 1 Disc TAG PET 20mm I.O. I.O. 2 World TAG 20mm Hitag S256 I.O. I.O. 3 PA6-TAG-34 Hitag S2048 I.O. I.O. 4 ISO Card without magstripe I.O. I.O. 5 Keyfob I.O. I.O. 6 Glass Tag 3.15 x 13mm Hitag S256 I.O. I.O. 7 Mount on Metal TAG I.O. I.O. 8 Glass Tag ISO 11784785 I.O. I.O.

Tabelle 7: Funktionsprüfung der RFID Tags nach Einbringung in das Feld

Den Autoren ist bekannt, dass es andere ähnliche Untersuchungen gibt, bei denen die Tags Schaden genommen haben. Soweit es den Autoren bekannt ist, sind diese Untersuchungen jedoch bei deutlich höheren Flussdichten innerhalb des Luftspaltes durchgeführt worden. Hiermit bestätigt sich, dass der eigensichere Konstruktionsansatz der kontaktlosen Energieübertragung auch die technologische Koexistenz mit anderen Technologien fördert.


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X. Nahfeldkopplung

Die am einfachsten ausführbare Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsgerät besteht in der Versendung eines unidirektionalen digitalen Signals über eine Nahfeldkopplung. Dabei dient eine im Zentrum der Feldplatte der sekundären Feldplatte als Sender und eine in der primären Feldplatte verbaute Rahmenspule gemäß VII.3.a) als Empfänger.

Eine technische Realisierung solcher Rahmenspulen zeigt Abbildung 83.

Abbildung 83: Typische Realisierung einer Rahmenspule für die Nahfeldkopplung

Die in Produkten eingesetzten konkreten Empfangsschaltungen weichen von der in Abbildung 61 dargestellten und für Zertifizierungszwecke vorgesehenen Referenzschaltung in der Regel ab. Dies gilt insbesondere, wenn mittels der Nahfeldkopplung über die Signalisierung hinausgehende Funktionen realisiert werden. Derartige Zusatzfunktionen bilden eine Positionierunterstützung, welche mindestens eine bidirektionale Signalisierung (Sendung eines „Funkfeuers“ von der primären Feldplatte) erfordert oder die Implementierung einer einfachen Kommunikation (P2PC vgl. Abbildung 84) zur Unterstützung des direkten Zuordnungsprozesses für die Netzbetreiberkommunikation (XI.2.b).

Abbildung 84: P2PS und P2PC Funktionen der Nahfeldkopplung


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Konkrete Empfangsschaltungen müssen jedoch bei der Empfangssignaldetektion bezüglich Schwellwert und Querversatz zu der Referenzanordnung ein identisches Verhalten aufweisen.

Abbildung 85: Relative Empfangspegel der Nahfeldkopplung

Die Abbildung 85 zeigt eine diesbezügliche Vergleichsmessung zwischen dem Produktmodem der SEW, welches bidirektional und mit phasenmodulierter Datenübertragung ausgestattet ist, im Vergleich zur Referenzempfangsschaltung der Interoperabilitätsspezifikation. Das Verhalten der relativen Empfangspegel zeigt sich als praktisch identisch. In der verwendeten Referenzanordnung weist die Rahmenspule eine Induktivität von 37,5 µH auf, die mit einem entsprechenden Kondensator von 170 pF abgeglichen ist (Anpassung der Resonanzfrequenz auf die Trägerfrequenz).

Eine Untersuchung des Verhaltens der Nachfeldkopplung bezüglich verschiedener Abstände der Feldplatten zeigt Abbildung 86.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-20 -17,5 -15 -12,5 -10 -7,5 -5 -2,5 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

no

rmie

rte

r E

mp

fan

gsp

eg

el

Position X-Richtung (cm)

Empfangsmessung

Modem

Modem-

Ersatzschaltung

Spezifikation

(170pF)


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Abbildung 86: Einfluss der Verschiebung auf Kopplung und Signalempfang

Trotz deutlicher Änderung des Plattenabstandes beträgt die Abweichung der noch akzeptierten Querverschiebung durch den P2PS-Signalempfang lediglich 2 cm. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, derartige Abweichungen durch Anpassung der Sendefeldstärke auszugleichen, d.h. in diesem Fall bei großem Abstand die Signalfeldstärke etwas zu erhöhen. Es obliegt der Spezifikation der Sekundärseite, eine den Eigenschaften angepassten akzeptierten Versatz einzustellen.


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XI. Kommunikation

Für den interoperablen Einsatz der kontaktlosen Energieübertragung muss neben dem magnetischen Kreis auch die Interoperabilität der Kommunikation zwischen dem Fahrzeug als Abnehmer und dem Versorgungsgerät gegeben sein.

Aufgrund der Zielstellung dieses Projektes zur Interoperabilität, dass jedes der Interoperabilitätsdefinition entsprechendem Fahrzeug auf jedem interoperablen Versorgungsgerät Energie beziehen können muss, verlangt die interoperable Technik wenig Kommunikation, um die Grundfunktion der Energieübertragung beim Parken zu gewährleisten. Da interoperable Produkte eine Kompatibilität der magnetischen Kreise gewährleisten sind keine Kompatibilitätsprüfungen notwendig. Die einzig notwendige Kommunikation besteht in der Signalisierung des Abnehmers zum Versorgungsgerät, die Energieübertragung zu aktivieren. Hier handelt es sich jedoch nicht um eine Kommunikation im eigentlichen Sinne, nämlich dem Austausch von Datenpakete, sondern lediglich um ein binäres Signal.

Dennoch wird zukünftig, beispielsweise für Optionen zur Energieübertragung mit höherer Leistung, eine Kommunikation zwischen den mobilen und stationären Komponenten notwendig werden. Weiterhin sind Dienste bereitzustellen, die neben der eigentlichen physikalisch stattfindenden Energieübertragung, weitere Funktionen für den Netzbetreiber bieten. Dazu gehört Lastverteilung, Laststeuerung und Abrechnung.

Aus diesen Gründen zeigt das InterOp-Projekt auch für diese Fragestellungen ein interoperables Lösungskonzept auf, ebenfalls Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition.

Um eine möglichst große Kompatibilität zur Kommunikation bei kabelgebundenen Ladesäulen zu bieten, definiert die interoperable kontaktlose Energieübertragung quasi einen kontaktlosen „control pilot“. Dieser steht in Verbindung mit einem Funknetzwerk, welches als internetbasierte Kommunikation aufgebaut ist und mittels WiFi realisiert ist (wireless local area network – WLAN – gemäß IEEE 802.11). Dieses Funknetzwerk ersetzt die „power line communication“ der kabelgebundenen internetbasierten Kommunikation. Wie auch die Definitionen zum magnetischen Kreis sind auch die Ansätze der Kommunikation aus dem InterOp-Projekt über IEC 61980-2 in die Normung eingeflossen. Dieses an die kabelgebundenen Ladetechnik angelehnte Konzept erlaubt die beinahe unveränderte Übernahme der Entwicklungen der kabelgebundenen Technik zu den Kommunikationsdiensten, so dass eine aufwandsarme Integration in die kabellose Technik möglich ist.

Die folgenden Abschnitte beschreiben das grundsätzliche Signalisierungs- und Kommunikationskonzept und zeigen in welcher Form ein konventioneller ISO 15118 Protokoll Stack für das AC Laden, welcher die Zusatzdienste für Netzbetreiber bereitstellt, an die kontaktlose Ladetechnik angepasst und eingesetzt werden kann.


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1. Signalisierung und Kommunikation für kabelgebundenes Laden mit

Wechselstrom

Um die Gemeinsamkeiten bezüglich Signalisierung und Kommunikation zwischen dem kabelgebundenen und dem kabellosen Laden beschreiben zu können, wird in diesem Abschnitt zunächst die Vorgehensweise beim kabelgebundenen Laden beschrieben. Hierbei spielen drei verschiedene Schnittstellen zwischen Ladesäule und Fahrzeug eine Rolle. Dies sind die Phasen der Stromzuführung für die Leistungsübertragung, die für Sicherheitsfunktionen vorgesehene Steuerschnittstelle (Command&Control) über den „Control Pilot (CP)“ Kontakt sowie den „Proximity (PP)“ Kontakt und die für die Netzbetreiberkommunikation („High level communication“) auf den Control Pilot auf modulierte power line communication (PLC). Diese grundsätzliche Struktur zeigt Abbildung 87.

OBC

Power electronics(supply)

Control

BMS

CAN

C&C, Safety (Signalling)

V2S

PLC

CP/PP

1~

V2G EVCC(Communication)

CP/PP

V2G

1~

PLC

CP/PP

V2GSECC(Communication)

C&C, Safety

(Signalling)

1~

Grid

OCPP

GSM / LTE

Enable

Wall box

Enable

Abbildung 87: Logische Kommunikationsstruktur für kabelgebundenes Laden

Sobald der Anwender Fahrzeug und Ladesäule mit einem Kabel verbindet, schaltet der Zustand der Ladesäule und der Zustand des Fahrzeugs vom Zustand „Unverbunden – A“ in den Zustand „Verbunden – B“. Der PP garantiert einen sicheren Betrieb der Verbindungsleitung, indem dessen Stromtragfähigkeit elektronisch gekennzeichnet ist. In der Folge meldet die Ladesäule dem Fahrzeug mittels eines pulsbreitenmodulierten Signals auf dem CP, welche maximale Ladeleistung bezogen werden kann. Der eigentliche Ladevorgang wird eingeleitet, indem das Fahrzeug und in der Folge auch die Ladesäule in den Zustand „Laden – C“ wechseln. Die Ladesäule schließt dann das Schütz, welches das Versorgungsnetz mit der Ausgangssteckdose verbindet.

Alternativ kann die Ladesäule mittels des pulsweitenmodulierten Signals auch eine Kommunikation über die Netzbetreiberdienste anfordern. Die maximale Leistungsbereitstellung wird dann über diese Dienste an das Fahrzeug übermittelt. Dies ermöglicht ergänzende Dienste wie eine Laststeuerung oder flexible Tarife.

Der Aufbau des Kommunikationskanals für die Netzbetreiberdienste erfolgt dadurch, dass sich der PLC Controller des Fahrzeugs mit dem PLC Controller der Ladesäule assoziiert. Für


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den Fall, dass sich mehrere Ladesäulen in unmittelbarer räumlicher Umgebung befinden, mag dieser Assoziierungsvorgang nicht eindeutig sein, da aufgrund von Signalübersprechen mehrere stationäre PLC Controller sichtbar sein können. Mit dem SLAC-Mechanismus wird der PLC Controller mit der höchsten Signalstärke als Kommunikationspartner ausgewählt. Da dieser Vorgang nicht unbedingt zuverlässig ist, kann ein Vorgang, welcher hier als Zuordnungsvorgang (Pairing) bezeichnet wird, eingeleitet werden. Bei diesem Vorgang fordert das Fahrzeug beim stationären Controller einen zufällig generierten Kode an und sendet diesen über den CP in einer Wechselsequenz zwischen den Zuständen B und C über die Steuerschnittstelle zurück an das Fahrzeug. Die Ladesäule prüft daraufhin den Empfang dieser Sequenz, wodurch die Korrektheit des Assoziierungsvorgangs überprüft ist. Mit diesem Zuordnungsvorgang ist sichergestellt, dass die Netzbetreiberkommunikation auch mit der Ladesäule durchgeführt wird, mit der das Fahrzeug über das Ladekabel auch tatsächlich verbunden ist.

Anschließend können alle Netzbetreiberdienste verwendet werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug ein Zertifikat an den Netzbetreiber übermitteln, welches eine automatisierte Abrechnung erlaubt. Im Rahmen des Projektes werden, wie auch sonst häufig üblich, derartige Daten mittels des „Open Charge Point Protocol – OCPP“ an die Datenverarbeitung des Netzbetreibers weitergeleitet.

Für sicherheitsrelevante Zwecke kann entweder die Ladesäule den Ladevorgang unterbrechen, indem diese den Zustand „C“ verlässt, so dass das Fahrzeug in der Folge den Ladevorgang einstellt, oder aber das Fahrzeug kann aus eigener Veranlassung den Ladevorgang einstellen. Für den Fall, dass das Fahrzeug trotz verlassenem Zustand „C“ den Ladevorgang nicht unterbrechen sollte, kann die Ladesäule notfalls das Schütz direkt öffnen. Diese Methodik bietet daher zwei voneinander unabhängige Mechanismen, den Leistungsfluss zu unterbrechen und stellt damit eine hohe Sicherheitsintegrität für diesen Vorgang zur Verfügung.

Da die Validierung und Zertifizierung von sicherheitsgerichteten Einrichtungen und Verfahren einen hohen Aufwand darstellen und ohne erneute Zertifizierung nicht verändert werden dürfen, sind diese sicherheitsrelevanten Mechanismen ausschließlich über die aus dem CP und PP bestehende Steuerschnittstelle abgedeckt. Die in ihrer Anwendung hoch flexible XML basierte Netzbetreiberkommunikation bleibt von Sicherheitsfunktionen befreit, so dass Veränderungen oder Erweiterungen keine sicherheitstechnische Neuzertifizierung erfordern.

2. Signalisierung und Kommunikation für interoperable kontaktlose

Energieübertragung

Anlehnend an die drei verschiedenen Schnittstellen zwischen Infrastruktur und Fahrzeug beim kabelgebundenen Laden, sind auch für die kontaktlose Energieübertragung drei Schnittstellen mit identischen Funktionszuordnungen definiert.

1) Die ein- oder mehrphasige Leistungsverbindung wird durch das magnetische Feld ersetzt. Die Ladesteckdose wird quasi durch eine magnetische Quelle („magnetische Steckdose“) ersetzt. Diese wird durch die Interoperabilitätsdefinition beschrieben und verwendet als Quellengröße die primäre Durchflutung an Stelle der Spannung in der


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Ladesteckdose. Die übertragene Leistung wird nicht durch den Strom des Verbrauchers bestimmt, sondern durch den auf die primäre Feldplatte koppelnden Fluss. Die mechanische Definition der Steckdose ist durch die Lage des magnetischen Rückflusses und der primären Spule ersetzt.

2) Die sicherheitsrelevanten Funktionen werden durch das „Punkt zu Punkt Signal (P2PS)“ realisiert, welches den CP ersetzt. Das P2PS ist mittels einer induktiven Nahfeldkopplung über eine zur Energieübertragung getrennten Rahmenspule realisiert. Im Wesentlichen entspricht das Signal der Kennzeichnung des Ladezustandes „C“ bei der kabelgebundenen Ladetechnik.

3) Die internetbasierte Netzbetreiberkommunikation wird im Fall der kontaktlosen Energieübertragung über eine WiFi Kommunikation (WLAN gemäß IEEE 802.11) realisiert, welche die power line communication ablöst.

OBC

Control

BMS

CAN


V2G / V2SP2PS

V2G / V2S

V2GSECC(Communication)


1~

Grid Power electronics(Supply)

Rectifyer

WLAN

EVCC(Communication)

P2PS Power

V2S

V2S

1~

Enable

OCPP

GSM / LTE

WLAN

SDCC

PDCC

P2PS

V2S

WLAN

EnableV2G

Abbildung 88: Logische Kommunikationsstruktur für kabelloses Laden

Der Prozess zum Aufbau der Netzbetreiberkommunikation ist mit dem Prozess beim kabelgebundenen Laden praktisch identisch. Es gibt lediglich leichte Abweichungen in der Reihenfolge der Prozessschritte.

Die Assoziierung zum Access-Point findet bereits statt, sobald sich das Fahrzeug in dessen Reichweite befindet. Das ist bereits der Fall, wenn sich das Fahrzeug noch bewegt und damit auch noch kein spezifischer Ladeplatz angefahren ist. Das ist beim kabelgebundenen Laden nicht der Fall, da das Stecken des Ladekabels bereits eine physikalische Korrelation zwischen Ladestelle und Fahrzeug darstellt und Voraussetzung für den Aufbau des Kommunikationskanals ist.

Unmittelbar nach dieser Assoziierung vergibt der Controller der Ladestation (SECC) eine Vorgangsnummer (session ID) gemäß des in der ISO 15118 vorgegebenen Ablaufes. Anders als beim konduktiven Laden werden daher zwischen Fahrzeug und Infrastruktur bereits internetbasierte Nachrichten ausgetauscht, bevor die Zuordnung (pairing) abgeschlossen ist.


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Für die Durchführung der Zuordnung sind daher spezielle Nachrichten im ISO 15118 Protokoll zu ergänzen. Dies ist unter anderem deswegen notwendig, da beim kabellosen Laden ein Access Point für mehrere Versorgungsgeräte und deren Feldplatten zuständig ist, wohingegen beim kabelgebundenen Laden grundsätzlich jede Ladestelle mit einem eigenen Access Point (PLC Controller) ausgestattet ist. Mit Signalstärke arbeitende Verfahren können daher keine Anwendung finden. Beim kabellosen Laden verfolgt die Zuordnungsprozedur daher den Zweck, Nachrichten des Fahrzeugs an den Access Point bzw. den damit verbundenen SECC eindeutig der Feldplatte zuordnen zu können, auf der das Fahrzeug tatsächlich abgestellt ist.

Beachtenswert ist die Tatsache, dass ein Fahrzeug durchaus eine Vorgangsnummer erhalten kann, ohne dass dieses jemals tatsächlich geladen wird. Dieser Fall tritt ein, wenn ein Fahrzeug lediglich an einer Ladestelle vorbeifährt. Es ist daher ein üblicher Betriebsfall, dass Vorgangsnummern aus der Verwendung herausfallen, ohne dass diese vom Fahrzeug explizit abgemeldet werden (können).

Nach Vergabe der Vorgangsnummer können weitere in der ISO 15118 vorgesehene Nachrichten ausgetauscht werden, die dem Verbindungsaufbau dienen. Sogar der Austausch von Zertifikaten wäre bereits denkbar, ohne den Zuordnungsvorgang abgeschlossen zu haben. Spätestens die Nachricht zur Anforderung von Energie erfordert jedoch die spezifische Zuordnung des Fahrzeugs zur Feldplatte innerhalb der SECC.

a) Zuordnung mittels unidirektionaler Signalisierung (P2PS) vom Fahrzeug

Damit das Fahrzeug der ihm durch dessen Position zugeordnetem Feldplatte informationstechnisch zugeordnet werden kann, fordert dieses über das Protokoll die Durchführung einer Zuordnungsprozedur an. Wird diese erteilt, schickt das Fahrzeug ein kurzes Signal über das P2PS. Die Infrastruktur detektiert diesen Signalpuls an einer spezifischen primären Feldplatte und kann somit das Fahrzeug, welches die Zuordnungsprozedur angefordert hat, zuordnen. Natürlich setzt dieses Verfahren voraus, dass zu einem Zeitpunkt nur ein Fahrzeug die Prozedur durchführen darf. Nach Signalempfang kann die Vorgangsnummer mit einer spezifischen Feldplatte in Verbindung gesetzt werden.

b) Direkte Zuordnung mittels Nahfeldkommunikation

Die Methodik der Zuordnung über die unidirektionale Signalisierung vom Fahrzeug weist einige Nachteile auf. Sollte sich das Fahrzeug einem Versorgungsgerät nähern, bei dem sich weitere Versorgungsgeräte mit eigenen WiFi Access Points in der Nähe befinden, so kann sich das Fahrzeug lediglich einen zufällig auswählen. Falls ein Zuordnungsprozess fehlschlägt, wäre ein Durchprobieren aller in Reichweite befindlichen Access Point notwendig.

Aufgrund dieses Nachteils wurde im InterOp-Projekt neben der reinen Signalisierung für den Aufbau der Netzbetreiberkommunikation auf der Nahfeldkopplung ergänzend eine einfache Datenübertragung (point to point communication - P2PC) realisiert. Sobald Fahrzeug und Versorgungsgerät über die Nahfeldkopplung verbunden sind, überträgt die Infrastruktur die SSID des ihr zugeordneten Access Points sowie die Kennnummer der primären Feldplatte. Daraufhin kann sich das Fahrzeug direkt mit dem korrekten Access Point assoziieren.


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Der Zuordnungsprozess schließ mit einer Bestätigungsnachricht ab, bei der das Fahrzeug sich entweder den Empfang des Signals für die Zuordnung durch die Infrastruktur bestätigen lässt, oder aber bei der direkten Zuordnung die Kennnummer der Feldplatte übermittelt, so dass eine Verbindung mit der Vorgangsnummer vorgenommen werden kann.

Während der darauffolgenden Energieübertragung muss das Fahrzeug die Aktivierung der Energieübertragung über die fortwährende Sendung des P2PS/P2PC Signals bzw. Trägerfrequenz bestätigen. Die Einspeisung durchflutet die primäre Feldplatte daher nur dann, wenn die Nachricht zur Leistungsübertragung über ISO 15118 geliefert wird und das Signal über die Nahfeldkopplung erhält.

Das Signal der Nahfeldkopplung dient somit als ergänzendes Signal für die von der Netzbetreiberkommunikation vollkommen unabhängige sicherheitsrelevante Abschaltung der Einspeisung ähnlich dem Wechsel zwischen „B“ und „C“ Zustand des CP. Mit dieser Maßnahme stehen dem Fahrzeug zwei Wege zur Abschaltung des Energieflusses zur Verfügung. Der eine Weg besteht in der Abschaltung des Signals über die Nahfeldkopplung. Sofern dieser fehlschlägt, kann das Fahrzeug die sekundäre Feldplatte kurzschließen und in Folge dessen den Energiefluss unterbrechen. Aufgrund der in der Einspeisung vorgesehenen Schutzmaßnahme (vgl. 0) eine Korrelation zwischen Durchflutung und Leistungsfluss durchzuführen, erkennt die Einspeisung im Leistungspfad den fahrzeugseitigen Kurzschluss der sekundären Feldplatte und deaktiviert die Energieübertragung.

Mit dieser der konduktiven Ladetechnik entsprechenden Methodik der Redundanz für die Unterbrechung der Energieübertragung kann auch bei der kontaktlosen Energieübertragung eine hohe Sicherheitsintegritätsstufe umgesetzt werden.

3. Nachrichtensequenz

Einen Überblick über die wichtigsten in der ISO 15118 definierten Nachrichten für einen Ladevorgang zeigen Abbildung 89 und Abbildung 90. Vom Assoziierungsvorgang bis zur Vergabe der Vorgangsnummer (session ID) gibt es zwischen dem kabelgebundenen und dem kabellosen Laden keine Unterschiede.

Lediglich die beiden Nachrichtenpaare für das Einleiten (pairing signal request / response) und das Beenden (pairing confirmation request / response) müssen spezifisch für das kabellose Laden ergänzt werden. Zweck dieser Nachrichten ist die in den vorigen Abschnitten beschriebene Zuordnungsprozedur, welche die Vorgangsnummer mit einer spezifischen primären Feldplatte in Verbindung bringt.

Falls die Zuordnungsprozedur fehlschlägt, muss die Sequenz erneut vom Anfang aus beginnen, wobei auf andere in Reichweite befindliche Access Points zugegriffen wird.

Während der Energieübertragung wird ein zyklisches Nachrichtenpaar (state request / response) ausgetauscht mit dessen Hilfe die Kommunikationsverbindung überwacht und der Leistungsfluss gesteuert wird. Diese Nachrichtensequenz wird von dem


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Informationsempfang (Signal oder Kommunikation) der Nahfeldkopplung begleitet, über die alle sicherheitsrelevanten Funktionen abgebildet werden.

Die Sequenz endet mit der Auflösung der Vorgangsnummer, identisch zur Sequenz beim kabelgebundenen Laden. Allerdings kann es, wie in den vorigen Abschnitten beschrieben ist, auch im Normalbetrieb dazu kommen, dass eine Vorgangsnummer vom Fahrzeug nicht explizit als ungültig deklariert wird, sondern situationsbedingt seine Gültigkeit verliert.

SECC PDCCP2PS Detector

EVCCSDCCP2PS Signaler2

3

1

WLAN Association

Pairing signal received

SupplyUnitID

Pairing confirmation req.

Pairing confirmation res. (SupplyUnitID)

State req.

Power Confirmation

Message relay

SECC discovery protocol req.

SECC discovery protocol res.

Session setup req.

Session setup res.

Pairing signal req.

Pairing signal res.

SupplyUnitID

Pairing signal

State res.

Session stop req.

Session stop res.

Abbildung 89: Nachrichtenfolge mit signalbasiertem Zuordnungsprozess


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SECC PDCCP2PC Modem

EVCCSDCCP2PC Modem2

3

1

WLAN Association

Pairing confirmation req. (SupplyUnitID)

Pairing confirmation res.

State req.

Power Confirmation

Message relay

SECC discovery protocol req.

SECC discovery protocol res.

Session setup req.

Session setup res.

SupplyUnitID

SSID and SupplyUnitID

State res.

Session stop req.

Session stop res.

Abbildung 90: Nachrichtenfolge mit direktem Zuordnungsprozess


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XII. Gefährdungsanalyse

Mit dem Projektziel, die technischen Realisierungen der kontaktlosen Energieübertragung gemäß der Interoperabilitätsdefinition im Rahmen von Feldtesteinsätzen über geraume Zeit unbeobachtet im öffentlichen Raum zu betreiben, ist für die Geräte aus gesetzlichen Anforderungen heraus vom Hersteller eine CE-Konformität zu erklären. Diese CE-Konformität erfordert unter anderem die Erstellung einer Gefährdungsanalyse und die Umsetzung ggf. notwendiger Schutzmaßnahmen. Die verbleibenden Restrisiken müssen hierbei auf ein gesellschaftlich akzeptiertes Maß reduziert werden.

Aufgrund des großen Umfanges der Gefährdungsanalyse, kann diese hier nicht vollständig dargestellt werden. Vielmehr konzentriert sich die Darstellung auf Gefährdungspotentiale, welche sich spezifisch durch die magnetischen Felder der induktiven Energieübertragung ergeben.

Im Rahmen der Gefährdungsanalyse werden mögliche Gefährdungspotentiale identifiziert, welche sich unter verschiedenen Szenarien der Anwendung dieser Technologie ergeben können. Jede auf ein Szenario bezogene Gefährdung wird bezüglich ihrer Schwere in verschiedene Stufen klassifiziert. Bei Verwendung elektronischer Schutzmaßnahmen bestimmen diese Klassen, welche Zuverlässigkeit die Schutzsysteme aufweisen müssen. Auch wenn die normative Verfahrensweise für die Klassifizierung den Anspruch erhebt, zu einem möglichst objektiven Ergebnis zu führen, so verbleibt doch eine gewisse subjektive Unschärfe. Letztendlich haftet der Hersteller eines technischen Systems für dessen Sicherheit. Somit ist es legitim, dass sich Einschätzungen unterschiedlicher Hersteller in gewissem Rahmen unterscheiden und abweichende Produktgestaltungen und Sicherungsmaßnahmen abgeleitet werden. Die konkrete Klassifizierung von Gefährdungsszenarien trägt damit (im Detail) keinen allgemein gültigen Charakter, so dass auch diese nicht Bestandteil des Berichtes ist.

Vielmehr werden verschiedene Gefährdungsszenarien beschrieben, technisch untersucht und an gängigen Referenzen gespiegelt. Damit wird eine informative Basis zur Verfügung gestellt, die eine vom Hersteller individuell vorgenommene Einstufung erleichtert.

Da sich magnetfeldbedingte Gefährdungen (bis auf wenige Ausnahmen) durch das Zusammenwirken sekundärer Feldplatten mit der definierten interoperablen Quelle ergeben, sind die Gefährdungsanalysen spezifisch für die sekundären Feldplattenauslegungen.

Die hier dargestellte Gefährdungsanalyse bezieht sich auf die identische eigensichere Auslegung der Abnehmer B1 und B2. Die vollständige Gefährdungsanalyse und Bewertung der eingesetzten Schutzmaßnahmen wurde im Rahmen des Projektes in Zusammenarbeit mit einem externen Zertifizierungsinstitut vorgenommen, um eine entsprechend professionelle Vorgehensweise und Verantwortungsteilung zu gewährleisten.


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1. Körperströme (EMF)

Ein zu erwartendes Szenario beim Betrieb induktiver kontaktloser Energieübertragung im öffentlichen Raum besteht darin, dass ein Passant unter das Fahrzeug und damit in den aktiven Feldbereich der Feldplatten greift, z.B. um einen unter das Fahrzeug gerollten Gegenstand wieder hervorzuholen. Im Fall der eigensicheren Auslegung gibt es keine Abschalteinrichtungen, so dass die Energieübertragung aufrecht erhalten bleibt.

Die magnetischen Felder könnten daher im Körper des Passanten (Hand und Arm) zu Gefährdungen führen, welche bewertet werden müssen.

Grundlage für die Bewertung bildet die ICNIRP-Richtlinie [15]/[16], welche Grenzwerte für den öffentlichen Raum bei Dauerexposition definiert. Für den hier betrachteten Frequenzbereich sind die Effekte von im Körper induzierten Strömen und damit verbundene Nervenreizungen sowie der Wärmeeintrag in das Gewebe relevant. Grundsätzlich liegt man bei der Arbeitsfrequenz von 140 kHz in einem Bereich, bei dem der Effekt der Nervenreizung bereits endet und der Effekt des Wärmeeintrags erst beginnt. Die Richtlinie unterscheidet hierbei zwischen Basisgrenzwerten und abgeleiteten Grenzwerten (Referenzgrenzwerten). Die eigentlichen Grenzwerte werden durch die Basisgrenzwerte beschrieben, welche als Körperstromdichte, elektrisches Feld im Körper und Wärmeleistung im Gewebe gegeben sind. Leider lassen sich diese Werte messtechnisch nicht ermitteln, sondern erfordern aufwendige Simulationen an einem Körpermodell, was ihre Anwendung oft impraktikabel macht. Aufgrund dessen gibt die Richtlinie zusätzlich abgeleitete Grenzwerte an, welche als Flussdichten gegeben sind und damit leicht messtechnisch überprüft werden können. Bei Unterschreitung des abgeleiteten Grenzwertes wird die Einhaltung der Basisgrenzwerte als gegeben angenommen und es ist kein weiterer Nachweis bezüglich der Basisgrenzwerte notwendig. Für die Absicherung dieser Erfüllungsvermutung sind die Basisgrenzwerte mit entsprechenden Reserven definiert. Bei Überschreitung der Basisgrenzwerte muss dann auf die aufwendige Verfahrensweise über Körperstromsimulationen zurückgegriffen werden, um die Einhaltung der Grenzwerte der ICNIRP von einem technischen System nachzuweisen.

Bei der kontaktlosen Energieübertragung werden die abgeleiteten Grenzwerte im aktiven Feldbereich deutlich überschritten, so dass eine Körperstromsimulation an das Prüfinstitut IMST beauftragt worden ist.

a) Simulationsmodell zur Körperstromanalyse

Um sinnvolle Positionen der Körperphantome ansetzen zu können, wurde eine Referenzkontur für das Fahrzeug angenommen (Abbildung 91). An diese Referenzkontur werden zwei Positionsszenarien angepasst. Das Szenario A beschreibt eine Situation, bei der ein Passant einen Gegenstand am Rand des Fahrzeugs aufhebt und dabei eine hockende Position einnimmt. Szenario B beschreibt eine Situation, bei welcher ein Gegenstand unter dem Zentrum des Fahrzeugs hervorgeholt wird und der Passant eine liegende Position neben dem Fahrzeug einnimmt. Die Lage des Arms wurde an die Stelle der höchsten lokalen Flussdichte platziert. Dies stellt damit ein recht extremes Szenario dar.

Der simulierte Betriebspunkt der Feldplatten ist in Tabelle 8 benannt.


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1 m

Messbereich: 2 m

stationäre Ladematte

mobile Ladematte

Abdeckung

Messebene

0.25 m

0.15 m0.025 m

Fahrzeugkontur

0.05 m

Abbildung 91: Referenzaufbau für die Fahrzeugkontur

Abbildung 92: Körperphantom im Scenario A

Abbildung 93: Körperphantom im Scenario A


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Name Wert Dimension

Arbeitsfrequenz 140 kHz

Leistung (DC-Ausgang) 3,23 kW

Plattenabstand 150 mm

Primärstrom 111,4 Aeff

Primäre Windungszahl 10

Sekundärstrom 22,7 Aeff

Sekundäre Windungszahl 6

Phasenwinkel zwischen den Strömen -112 °

Sekundäre Ferritgröße 575*575 mm2

Ferritmaterial (3F3 Ferroxcube) R 2000

Aluminiumschirm (AlMg3) Leitfähigkeit 38*106 S/m

Erwartete Netzleistung 3,3 kW

Tabelle 8: Betriebspunkt der Körpermodellsimulation

b) Magnetfeldsimulation

Nach Durchführung der Simulation wird zunächst das Ergebnis der im Luftspalt ermittelten Flussdichten analysiert. Dieses Ergebnis wird mit einer experimentellen Messung verifiziert, um die Qualität des Modells und Einstellungen des Betriebspunktes zu überprüfen.

Abbildung 94 zeigt das Ergebnis der Feldsimulation. Der Effektivwert der Flussdichte im aktiven Bereich liegt bei 430 µT und besitzt innerhalb des aktiven Bereiches aufgrund der gewählten Wicklungsverteilung der primären und sekundären Feldplatte einen recht homogenen Verlauf über eine Breite von etwa 50 cm, d.h. der Dimension des sekundären Ferrits. In einer Entfernung von 77 cm vom Zentrum wird der Referenzgrenzwert der ICNIRP 1998 erreicht. Bei der im Referenzaufbau angenommenen Fahrzeugbreite von 1,5 m liegt der Feldbereich, welcher den Referenzgrenzwert überschreitet, mit 1,54 m praktisch vollständig unterhalb der Fahrzeugkontur.

Der Messaufbau zur Validierung (Abbildung 96) der Simulationsergebnisse ergab Flussdichten (Abbildung 95), die im relevanten Randbereich der Fahrzeugkontur in guter Übereinstimmung mit den Messwerten liegen. Im Zentrum zeigt die Simulation eher zu hohe Werte (Abbildung 96), so dass eine gegenüber der Realität verschärfte Situation in der Betrachtung der Körperströme zu Grunde gelegt wird. Aufgrund des begrenzten Messbereiches der Magnetfeldsonde konnten die Flussdichten im Zentrum der Feldplatten nicht vermessen werden.


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Abbildung 94: Simulierte effektive Flussdichte quer zur Fahrtrichtung durch das

Zentrum einer Teilwicklung (Lage des Arms)

Abbildung 95: Messwerte der Flussdichten mit Magnetfeldsonde

Abbildung 96: Abweichungsbetrachtung und Messaufbau


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c) Körperströme

Die Auswirkungen der magnetischen Felder auf das Körperphantom lassen sich durch Schnittbilder sichtbar machen. Hier dargestellt sind Schnittbilder der Größen Stromdichte und in situ elektrisches Feld aus dem Szenario B, welches die höchsten Expositionswerte ergibt.

Das Ergebnis für die Stromdichte im zentralen Nervensystem gibt Abbildung 97 wieder. Dargestellt ist die sagittale Schnittebene entlang der Wirbelsäule. Abgebildet ist die über 1 cm2 gemittelten Stromdichte im Körper in dB, bezogen auf den globalen Maximalwert von 1,85 A/m2. Das lokale Maximum der über 1 cm2 gemittelten Stromdichte in der dargestellten sagittalen Schnittebene liegt bei 0,15 A/m2 in der Wirbelsäule.

Abbildung 97: Stromdichte im zentralen Nervensystem (Szenario B)

Der für den gesamten Körper geltende Grenzwert für das in situ elektrische Feld kann durch einen Schnitt durch den zwischen den Feldplatten liegenden Arm gemäß Abbildung 98 bewertet werden. Dieses zeigt die transversale Schnittebene durch den Hals und den linken Arm im Expositions-Szenario B. Dargestellt ist das in situ elektrische Feld im Körper in dB, bezogen auf den im gesamten Simulationsbereich auftretenden globalen Maximalwert von 29,2 V/m. Im Körperbereich ergibt sich ein Maximalwert von 6,97 V/m.


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Abbildung 98: In situ elektrisches Feld im gesamten Körper (Szenario B)

Die komplette Auflistung der sich in den beiden Szenarien ergebenden Kennwerte in Bezug auf die Grenzwerte der ICNIRP zeigt Tabelle 9.

Die Bewertung zeigt, dass die für den öffentlichen Raum als Dauerexposition geltenden Basisgrenzwerte der ICNIRP-Richtlinie während des Betriebs der induktiven kontaktlosen Energieübertragung auch im aktiven Bereich zwischen den Feldplatten eingehalten werden.

Damit ist ein Design sekundärer Feldplatten möglich, bei dem eine Abschaltung der Energieübertragung nicht notwendig ist, wenn eine Person unter das Fahrzeug zwischen die Feldplatten greift. Voraussetzung ist das betrachtete Design der sekundären Feldplatte, sowie eine der Interoperabilitätsdefinition entsprechenden Versorgungsstation, welche mit der Referenzwicklungsanordnung ausgestattet ist.

Name Grenzwert Szenario A Szenario B

Elektrische Stromdichte (ZNS) / J1cm² 0,28 A/m2 0,041 A/ m2

0,15 A/ m2

In situ elektrisches Feld / Einsitu 18,9 V/m 0,32 V/m 6,97 V/m

SAR (Kopf, Rumpf) / SAR10g 2 W/kg 3,6 µW/kg 0,32 mW/kg

SAR (Arme, Beine) / SAR10g 4 W/kg 72 µW/kg 6,3 mW/kg

SAR (Ganzkörper) / SARwb 0,08 W/kg 0,47 µW/kg 30,1 µW/kg

ZNS Zentrales Nervensystem SAR Spezifische Absorptionsrate

Tabelle 9: Ergebnis der Körpermodell Simulation


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2. Erwärmung metallischer Fremdkörper

Sobald sich metallische Fremdkörper im Luftspalt im aktiven Bereich zwischen den Feldplatten befinden, können sich diese ähnlich wie bei einem induktiven Kochfeld erwärmen. Es gibt grundsätzlich zwei Vorgehensweisen, mit dieser Thematik umzugehen.

Die eine besteht in der Detektion von metallischen Fremdkörpern oder aber der Detektion von heißen Gegenständen zwischen den Feldplatten und einer Abschaltung der Energieübertragung, wenn derartige Fremdkörper festgestellt werden. Diese Methodik birgt jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass bei einem zu erwartendem Verbleib des metallischen Fremdkörpers zwischen den Feldplatten die vom Nutzer erwartete Energieübertragung nicht stattfindet und die Technologie somit als unzuverlässig, bzw. korrekter als nicht ausreichend verfügbar, in Erscheinung tritt.

Die Alternative besteht in der Auslegung der Feldplatten als inhärent sichere Technik. Da die Erwärmung metallischer Fremdkörper erheblich von der Flussdichte abhängt, kann diese soweit herabgesenkt werden, dass die verbleibende Erwärmung ungefährlich bleibt und akzeptiert werden kann. Folgende, zum Teil in der Interoperabilitätsdefinition enthaltene konstruktive, Merkmale werden zur Verminderung der Fremdkörpererwärmung berücksichtigt.

Die Übertragungsleistung wird durch den magnetischen Fluss zwischen primärer und sekundärer Feldplatte bestimmt. Die Erwärmung von Fremdkörpern ist jedoch aufgrund deren kleineren Dimensionen von der Flussdichte abhängig. Eine großflächige Feldplatte liefert daher bei hoher Übertragungsleistung eine geringe Flussdichte und damit lokal einen geringen Leistungseintrag in einen Fremdkörper.

Permeable metallische Fremdkörper (Eisen oder Stahl) bilden auf der primären Feldplatte liegend einen lokalen magnetischen Rückschluss, ähnlich wie die sekundäre Feldplatte. Dadurch entsteht durch permeable Fremdkörper lokal eine erhebliche Erhöhung der magnetischen Flussdichte und ein damit erhöhter Wärmeeintrag. Die Höhe der Flussdichte wird durch den magnetischen Widerstand bestimmt, welcher sich zwischen dem Fremdköper und dem magnetischen Rückschluss der primären Feldplatte einstellt. Da schon aus mechanischen Erwägungen für die bodenebene Installation der primären Feldplatte eine Tiefe des magnetischen Rückschlusses bei 40 mm liegt, nützt diese Konstruktionsbedingung auch bei der Fremdkörpererwärmung, denn dieser Abstand bleibt als magnetischer Widerstand auf jeden Fall erhalten und limitiert die in permeablen Fremdkörpern auftretende Flussdichte erheblich.

Die in permeablen Fremdkörpern lokal entstehenden Flussdichten hängen weiterhin davon ab, wie hoch die Durchflutung im lokalen Magnetkreis ist. Je mehr Leiterbahnen unterhalb eines permeablen Fremdkörpers angeordnet sind, desto höher stellt sich die lokale Flussdichte ein. Eine verteilte Wicklungsanordnung, wie diese durch die Referenzwicklung bereitgestellt wird, verringert die lokale Durchflutung gegenüber einer konzentrierten Wicklung sehr stark und verringert ebenfalls die Fremdkörpererwärmung

Die Wirkung, die diese Maßnahmen erreichen, zeigen die folgenden experimentellen Ergebnisse. Hierbei wurden eine Reihe von Gegenständen des alltäglichen Gebrauchs auf


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ihre Erwärmungsneigung hin untersuchst. Die Experimente wurden an dem eigensicheren Entwurf des sekundären Abnehmers B2 durchgeführt.

A

B

200

200

Abbildung 99: Lage der Fremdkörper zur Erwärmungsbestimmung

Bei der Frage der Erwärmung von Fremdkörpern auf der Feldplatte muss berücksichtigt werden, dass an verschieden Stellen lokale Unterschiede in den Flussdichten bestehen. Daher wurden zwei repräsentative Positionen gemäß Abbildung 99 für die Untersuchung ausgewählt. Die mit „A“ gekennzeichnete Stelle an der Oberfläche der Feldplatte repräsentiert einen Punkt, bei dem die Streufelder der Feldplatte, welche nicht die sekundäre Feldplatte erreichen, maßgeblich sind. Dort ist auch die lokale Dichte der primären Leiter am höchsten. Der mit „B“ bezeichnete Ort im Zentrum des Auges einer der Halbwicklungen repräsentiert eine Stelle, an der die Flussdichte durch das Hauptfeld dominiert wird, welches in die sekundäre Feldplatte koppelt und das Maß der übertragenen Energie bestimmt. Die Messungen wurden unter praxisrelevanten Bedingungen im Freifeld durchgeführt.

Die folgende Tabelle gibt die magnetfeldbedingten Erwärmungen verschiedener Alltagsgegenstände gemeinsam mit einem Bild aus einer Thermographie-Messung wieder.

Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass alle sich einstellenden Temperaturen der Fremdkörper zu keinen Verletzungen führen, falls diese Körper von einer Person gegriffen werden. Trotz der großen Auswahl repräsentativer Fremdkörper, bei welchen eine hohe Temperaturerhöhung erwartet wurde, kann diese Untersuchung nicht ausschließen, dass andere Körper existieren, die ungünstigere Eigenschaften aufweisen. Dennoch kann die Wahrscheinlichkeit der Interaktion der Ladetechnik mit anderen Fremdkörpern als gering eingeschätzt werden.

Die größten Temperaturerhöhungen bei massiven Körpern stellen sich erwartungsgemäß bei permeablen metallischen Körpern ein. Dazu gehören die Blechdeckel, z.B. als Verschluss von Gläsern oder aus Blech bestehende Konservendosen. Beim Greifen dieser Gegenstände würde der Körper als heiß empfunden werden und ggf. losgelassen werden. Dass das Greifen ungefährdet möglich ist, zeigt Abbildung 11 am Beispiel einer Getränkedose.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass nach Verbringung des Smartphones in den aktiven Luftspalt dieses nicht geschädigt wird und weiterhin vollständig funktionsfähig bleibt.


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Fremdkörper Position A Position B

Münze (2 €)

Δt = 4 °C

Δt = 6,1 °C

Münze (5 €-Cent)

Δt = 4 °C

Δt = 3 °C

Aluminiumdose

Δt = 15,1 °C

Δt = 13 °C

Blechdose

Δt = 49,5 °C

Δt = 31,5 °C

Feuerzeug

Δt = 18,6 °C

Δt = 9 °C


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Glas mit Deckel (liegend)

Δt = 31,7 °C

Δt = 26,4 °C

Glas mit Deckel (stehend)

Δt = 31,2 °C

Δt = 40,2 °C

Büroklammer

Δt = 9,8 °C

Δt = 7,5 °C

Nagel

Δt = 3 °C

Δt = 6,9 °C

Unterlegscheibe

Δt = 11,2 °C

Δt = 14,9 °C


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Hammer

Δt = 21,7 °C

Δt = 16,8 °C

Gabelschlüssel

Δt = 13,6 °C

Δt = 11 °C

Kronkorken

Δt = 19,4 °C

Δt = 13,6 °C

Smartphone

Δt = 16,1 °C

Δt = 20,3 °C

Tabelle 10: Erwärmungsmessung massiver Prüfkörper

Sehr hohe Temperaturerhöhungen entstehen bei metallisch beschichteten Papieren. Hier ist die Verbrennungsgefahr an der Haut jedoch nicht gegeben, da die thermische Kapazität der Metallbeschichtung im Vergleich zur Kapazität des menschlichen Gewebes sehr gering ist. Damit kühlt sich die Metallbeschichtung nahezu schlagartig ab, so dass keine Wirkung auf das Gewebe stattfindet. Bei diesen Gegenständen ist vielmehr zu beachten, dass die Zündtemperatur des Papiers nicht überschritten wird. Diese Bedingung wird bei den Messungen erfüllt.


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Tetra-Pack (Metall beschichtetes Papier)

Δt = 75,4 °C

Δt = 83,2 °C

Zigarettenschachtel

Δt = 11,3 °C

Δt = 9,1 °C

Aluminiumfolie

Δt = 14,1 °C

Δt = 14 °C

Joghurtbecher

Δt = 17,4 °C

Δt = 14,1 °C

Tabelle 11: Erwärmungsmessung dünnschichtiger Prüfkörper

3. Wirkung auf aktive Implantate

Die Gewährleistung der erforderlichen Grenzen für Magnetfelder zum Schutz von Lebewesen und aktiven Implantaten wird durch entsprechende Simulationsuntersuchungen und durch den messtechnischen Nachweis an den Versuchsfahrzeugen unter realen Bedingungen realisiert.

a) Vorbereitende Magnetfeldmessung an der Komponente Sekundärsystem

Die Magnetfeldmessung erfolgt zur Vorbereitung der Zertifizierung zum Zweck der Gegenprüfung.


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Der Messaufbau ist in Abbildung 100 zu sehen.

Abbildung 100: Magnetfeldmessung Gegenprüfung

Die Messwerte werden in den 3 Positionen 0 mm, 200 mm und 300 mm aufgenommen und mit den Grenzwerten in Anlehnung der ICNIRP 1998 verglichen. Im Ergebnis liegen alle Messwerte nach Abzug des Grundrauschens unter 2 µT. Damit wird die Einhaltung der Grenzwerte gemäß ICNÌRP von kleiner als 6,25 µT auf Komponentenebene bestätigt.

b) Fahrzeugmessungen

Die Durchführung erfolgt in Anlehnung an den zum Zeitpunkt der Messungen verfügbaren Normenentwurf der IEC 61980-1.

Diesem entsprechend erfolgt ein umlaufendes Abscannen des Fahrzeuges zwecks Auffindens von Punkten maximaler Flussdichte bei einem Messabstand von 20 cm (vertikale „Hülle“ des Fahrzeuges – Mitte Messsonde) und bei einer Messhöhe von maximal 50 cm. Die Messungen werden bei Nennposition des Fahrzeuges (Nennluftspalt, Nennleistung) und bei maximaler Verschiebung und maximalem Luftspalt durchgeführt. In den ermittelten Punkten maximaler Flussdichte ist dann eine genauere Messung mit einer Messdauer von mindestens 10 s erforderlich. Vor Beginn der Messung wird das Grundrauschen des Messgerätes aufgenommen und protokolliert.

Abbildung 101: Messpositionen und typische Magnetfeldmesssonde

Im Rahmen der Kreuztests werden alle verfügbaren Fahrzeuge vermessen. Typische Punkte der maximalen Flussdichte sind im Bereich der Türen zu finden (Abbildung 102)


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Abbildung 102: Typische Stellen für Magnetfeldmaxima in den Türbereichen

Im Ergebnis der Vielzahl von Messungen kann eine deutliche Unterschreitung der Grenze von 6,25 µT bei allen Systemen, auch in den interoperablen Kombinationen, festgestellt werden.

Abbildung 103: Feldmessungen im Hersteller gemischten Betrieb

4. Aktivierung ohne Fahrzeug auf der Feldplatte

Im normalen Betrieb der kontaktlosen Energieübertragung werden die primäre Feldplatte und damit auch die von dieser Feldplatte ausgehenden magnetischen Felder durch das über dieser Feldplatte stehende Fahrzeug abgedeckt. Eine Interaktion von Menschen mit dem magnetischen Feld findet daher nur nach den in Abschnitt 0 analysierten Szenarien statt.

Ein davon abweichendes Szenario ergibt sich unter der Annahme einer Fehlfunktion der Technik, bei der eine Aktivierung der primären Feldplatte ohne das Vorhandensein eines

Referenzsystem

Primär SEW

Primär Vahle

0

1

2

3

4

5

6

Fahrzeug

A:

EAI/ifak

Fahrzeug

B1: SEWFahrzeug

C: VahleFahrzeug

D: IPT

2,3 2,8

2,2 2,4

2 2,9

2,2 2

2,2

3,5 3,2 3,4

Flu

ssd

ich

te B

/ T e

ff

EMF Streufeld

Referenzsystem Primär SEW Primär Vahle

f=140 kHz


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Fahrzeugs stattfindet. Bei einer solchen Situation könnte ein Passant die Feldplatte überschreiten und wäre den magnetischen Feldern ausgesetzt.

Abbildung 104: Flussdichten einer primären Feldplatte ohne Sekundärseite

Feldbilder der mit nominalem Strom durchfluteten primären Feldplatte zeigen Abbildung 104 in Aufsicht auf die Oberfläche und im Querschnitt.

Abbildung 105: Vermessung der durchfluteten Feldplatte ohne Abnehmer

Das Diagramm der anhand des Aufbaus aus Abbildung 106 gemessenen primären effektiven Flussdichte über der Höhe zeigt der Abbildung 106.


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Abbildung 106: Flussdichte einer primären Feldplatte über der Höhe

Da wie in Abschnitt 0 dargestellt bezüglich der Körperströme auch in dieser Anordnung keine Grenzwertüberschreitungen zu erwarten sind, sind diese Ergebnisse eher bezüglich der Einflüsse auf aktive Körperimplantate (z.B. Herzschrittmacher) zu interpretieren.

Hersteller von Herzschrittmachern testen die Funktion dieser Geräte bis zu einer Flussdichte von 6,25 µT, ohne dass eine Beeinflussung auf die Funktion stattfindet. Dieser Wert ist ab 75 cm Höhe bereits unterschritten. Laufende oder im Rollstuhl sitzende Passanten blieben in einer solchen Situation ungefährdet.

Hockende Personen mit Herzschrittmacher wären im Brustbereich höheren Flussdichten ausgesetzt. Bis etwa 100 µT garantieren Hersteller von Herzschrittmachern, dass an den Geräten kein dauerhafter Schaden entsteht. Jedoch kann während der Zeit, in der das Gerät diesen Flussdichten ausgesetzt ist, eine Funktionsstörung eintreten. Bis 20 cm Höhe bleibt diese sogenannte „Zerstörungsgrenze“ unterschritten, so dass hockende Personen mit Herzschrittmacher auch unter der Situation des Fehlverhaltens der primären Feldplatte nur einer begrenzten Gefährdung ausgesetzt sind.

Erst eine mit der Brust auf der Feldplatte liegende Person mit Herzschrittmacher könnte einem dauerhaften Ausfall des aktiven Implantats ausgesetzt sein. Trotz der sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeit einer Gerätestörung in Verbindung mit diesem Verhaltensszenario wird für die Vermeidung eines unbeabsichtigten Einschaltens der primären Feldplatte im InterOp-Projekt eine Schutzmaßnahme vorgesehen, die eine sehr hohe Sicherheits-integritätsstufe möglich macht.


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5. Aktivierung bei Fahrzeug ohne kontaktloser Energieübertragung

Eines der im Rahmen der Identifizierung und Bewertung von Risiken und Gefahren betrachteten Szenarios, ist die fehlerhafte Aktivierung einer Primärseite unter einem inkompatiblen Fahrzeug ohne kontaktlose Energieübertragung. Mit Hilfe von geeigneten Simulationsmodellen kann der Energieeintrag verschiedene Teile des Unterbodens unter Magnetfeldeinfluss untersucht und ein mögliches Erwärmungsrisiko bewertet werden.

Als Ausgangsbasis dienen dabei die CAD-Daten eines metallischen Unterbodens der Versuchsfahrzeuge. Dieser Unterboden wird für die Magnetfeldsimulation vereinfacht und in der Simulation über einem bestromten Primärübertragungssystem positioniert (Abbildung 107).

Abbildung 107: Modell und Feldverteilung an einem typischen Unterboden

Die Simulation enthält gewisse Unsicherheiten hinsichtlich der zu verwendenden magnetischen Permeabilität. In Worst case Szenarien zeigen sich Verlustleistungen von max. 130 W über die gesamte Fläche. Infolge der konvektiven Kühlung über die Fläche ist davon auszugehen, dass keine signifikanten Temperaturerhöhungen zu beobachten sein werden.

Das Unterbodenmodell enthält auch Vertiefungen und kleinräumig erhöhte Strukturen, so dass der Energieeintrag in derartige Strukturen überprüft werden kann. Auch in diesen Bereichen wurden keine Überhöhungen der Verlustleistung beobachtet.

Zur Reduzierung des Aufwandes für die Simulationen kann eine Vereinfachung des Unterbodenmodells durch eine Stahlplatte mit gleicher Abmessung erfolgen. Dabei sind verschiedene Permeabilitätswerte (1, 100, 1000) von Stahl und Aluminum zu betrachten.

Die Auswertung der detaillierteren Simulation des Unterbodens im Vergleich mit einer einfachen Stahlplatte zeigen deutlich, dass bei typischen Permeabilitätswerten von Stahl und bei Aluminium die ermittelten Verlustleistungen vergleichbar sind (Abbildung 108). Eine vereinfachte Simulation ist somit für die Bewertung des Gefahrenszenarios möglich.


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Abbildung 108: Simulierte Verlustleistungen

Insgesamt zeigen die Simulationen, dass der Energieeintrag zu klein ist, als das ein relevantes Risiko aus der Situation entstehen kann.

6. Schutzmaßnahmen

Die weitaus wesentlichste Schutzmaßnahme, die Gefährdungspotentiale der kontaktlosen Energieübertragung grundsätzlich vermeidet, anstatt ergänzende Schutzeinrichtungen zu bedürfen, ist das eigensichere Design. Die Normen zur Gefährdungsanalyse empfehlen diese Vorgehensweise grundsätzlich. Wenn eine technische Aufgabe derart gelöst werden kann, dass erst gar keine Gefährdungen entstehen, so ist dies gegenüber anderen Lösungen mit Gefährdungspotentialen zu bevorzugen.

Trotz des eigensicheren Designs wurden im InterOp-Projekt ergänzende Schutzmaßnahmen vorgesehen, die die bestehenden Restrisiken weiter reduzieren. Diese sind im Einzelnen:

Kennzeichnung der Technologie

Eine wesentliche Schutzmaßnahme besteht in der Kennzeichnung der technischen Einrichtung. Erst die Kennzeichnung ermöglicht Passanten, zum Beispiel Trägern von aktiven Implantaten, sich gegebenenfalls selber zu schützen. Im einfachsten Fall bedeutet dies, eine ausreichende Entfernung zu den technischen Komponenten einzuhalten und sich beispielsweise nicht neben ein Fahrzeug zu hocken oder zu legen.

Abbildung 109: Kennzeichnungssymbol der interoperablen kontaktlosen

Energieübertragung


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Das unter anderem für diesen Zweck entwickelten Symbol zeigt Abbildung 109. Das links abgebildete zentrale Symbol kann mit der schematischen Abbildung eines Fahrzeugs ergänzt werden. Die gestalterischen Elemente enthalten die primäre Feldplatte, die Batterie als Symbol für eine elektrotechnische Einrichtung sowie eine Energiespeicherung. Die Energieübertragung wird durch die Pfeile angedeutet. Ein Hinweis auf die Technologie der kontaktlosen Energieübertragung und die damit verbundenen magnetischen Felder wird durch die elektrische Spule in der Mitte des Symbols angedeutet. Dieses wurde speziell deshalb ausgewählt, da es im Zusammenhang mit induktiven Kochfeldern, einer Technologie die der Allgemeinheit bereits weitläufig gekannt ist, bereits eingeführt ist.

Die Wirkung des Symbols wurde mittels Befragung unbeteiligter Personen auf ihre Wirkung hin positiv getestet.

Abbildung 110: Warnsymbol, nicht anfassen

Die Erwärmung von Fremdkörpern kann aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Gegenständen als eine größere Unbekannte verstanden werden. Daher wird neben der Technologiekennzeichnung ein Warnsymbol ergänzt, welches den Hinweis gibt, keine Objekte von der Feldplatte aufzuheben.

Materialauswahl

Bei der Materialauswahl der primären, aber auch der sekundären, Feldplatte wurde auf eine Hitzebeständigkeit und Nichtbrennbarkeit geachtet. Dies ist mit dem gewählten Polymerbeton der primären Feldplatte gegeben.

Hinweisende Maßnahmen

Mittels Betriebsanleitung wird der Nutzer der kontaktlosen Energieübertragung darauf hingewiesen, dass er vor der Aktivierung der Feldplatte ggf. dort liegende metallische Fremdkörper entfernen muss. Diese Maßnahme reduziert die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fremdkörpern zwischen den Feldplatten.

Plattenüberdeckungsprüfung

Das einzige sicherheitsrelevante elektronische Steuerungssystem ist die Überwachungseinrichtung zur Feldplattenüberdeckung. Dieses Steuerungssystem prüft, ob die primäre und sekundäre Feldplatte in Überdeckung sind und somit vor und während der Aktivierung der primären Feldplatte kein ungehinderter Zugang der Feldplatten möglich ist. Die Basis dieser Überwachung ist das P2PS, mit dessen Hilfe das Fahrzeug ein Signal zur Aktivierung der primären Feldplatte an das Versorgungsgerät sendet. Aufgrund der Reichweitenbeschränkung bei der Signalübertragung ist somit eine Aktivierung nur dann möglich, wenn sich das Fahrzeug in ausreichender Überdeckung mit der primären Feldplatte befindet. Diese Signalisierungstechnik wird von einer zweiten Maßnahme flankiert. Diese besteht darin, dass das Versorgungsgerät den Leistungsfluss zur sekundären Feldplatte überwacht. Aufgrund der interoperablen Systemauslegung stehen primäre Durchflutung und Übertragungsleistung in einem relativ engen linearen Zusammenhang. Bei Fehlen einer


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sekundären Feldplatte findet jedoch trotz primärer Durchflutung keine Leistungsübertragung statt, was durch das Versorgungsgerät festgestellt werden kann. Damit kann dieses die Durchflutung abbrechen, wenn keine Übertagungsleistung eintritt. Beide Maßnahmen sind für die interoperable Umsetzung vorgesehen, so dass die Plattenüberdeckung von zwei technischen Maßnahmen unabhängig voneinander überwacht wird. Mit einer derartigen Redundanz lassen sich hohe Integritätsstufen erreichen. Der technische Aufwand für diese Maßnahmen ist vergleichsweise gering.

Bestätigung der Leistungsübertragung

Wie im Kapitel XI.2 beschrieben, übernimmt die Funktion der Überprüfung der Plattenüberdeckung auch eine Bestätigungs- oder Anforderungsfunktion für die Leistungsübertragung. Gemeinsam mit der Möglichkeit der sekundären Feldplatte mittels Kurzschluss die Energieübertragung zu unterbinden, wird im Zusammenwirken mit der Plattenüberdeckungsprüfung eine hohe Zuverlässigkeit für die Unterbrechung des Leistungsflusses hergestellt.


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XIII. Feldtestsysteme

Für die Durchführung der Feldtestversuche wurden von den Technologieherstellern mehrere Fahrzeuge mit kontaktloser Energieübertragung ausgestattet. Hierbei sind sowohl unterschiedliche Fahrzeugtypen ausgewählt worden, damit die Flexibilität der Interoperabilitätsdefinition nachgewiesen werden kann, als auch gleichartige Fahrzeugtypen von verschiedenen Technologieherstellern ausgestattet worden, um eine direkte Vergleichbarkeit, der zum Teil unterschiedlichen Lösungsansätze zur Gestaltung der sekundären Feldplatten vergleichen zu können.

1. iOn-SEW (Abnehmer B2)

Von SEW sind zwei unterschiedliche Fahrzeugtypen ausgestattet worden. Zum einen ist dies ein iOn des Herstellers Peugeot.

Abbildung 111: Mit kontaktloser Energieübertragung ausgestatteter iOn

Fahrzeugseitig sind drei Hauptkomponenten der kontaktlosen Ladetechnik verbaut. Das fahrzeugseitige Ladegerät verbindet die Abnehmerspule über einen Gleichrichter mit den Klemmen der Batterie. Von der leistungselektronischen Grundfunktion verhält sich die kontaktlose Ladetechnik daher wie ein DC-Ladegerät.

Weiterhin umfasst diese Ladegerät die Ablaufsteuerung, welche basierend auf den Informationen des Batteriemanagementsystems über die Nahfeldkopplung den Ladevorgang aktiviert, sobald das Fahrzeug auf dem stationären Versorgungsgerät, d.h. dessen Feldplatte, abgestellt worden ist.


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Maße ohne Kühlkörper

Abbildung 112: Fahrzeugseitiges Ladegerät (Gleichrichter), Typ iOn

Die fahrzeugseitige Feldplatte zeigt Abbildung 113. Gut erkennbar sind die Kabelabgänge für den Leistungskreis der Energiespule, sowie der Anschluss für die Nahfeldkoppelspule zur Erzeugung der Signalisierung zwischen Fahrzeug und Versorgungsstation.

Abbildung 113: Fahrzeugseitige Feldplatte

Die Nahfeldkoppelspule im Zentrum der Feldplatte wird über ein Modem betrieben, welches den über einen CAN-Bus an das Modem geleiteten Datenstrom über die Koppelspule moduliert zur primären Feldplatte überträgt.


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Abbildung 114: Modem zur Signalisierung und Kommunikation per

Nahfeldkopplung

Aufgrund des prototypischen Einbaus der Komponenten in die Fahrzeuge sind Feldplatte und Modem über ein Trägerblech unter dem Fahrzeugboden montiert.

Abbildung 115: Am Fahrzeug montierte Feldplatte

Für den Fahrer steht ein Display zur Verfügung, welches die Betriebszustände der Ladetechnik anzeigt und zur Unterstützung des Einparkvorgangs dient, indem es die relative Position der primären Feldplatte zum Fahrzeug anzeigt.

Abbildung 116: Anzeige zur Unterstützung des Fahrers, Datenerfassung

Zudem befindet sich ein Datenlogger an Bord des Fahrzeugs, mit dessen Hilfe über eine ISO 15118 Kommunikation eine Identifizierung des Fahrzeugs auf der Feldplatte erfolgen kann und Daten zu den Ladevorgängen erfasst werden.


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2. Cetos-SEW (Abnehmer B1)

Der zweite von SEW ausgestattete Fahrzeugtyp ist ein Cetos der Herstellerfirma German-E-Cars, ein umgerüstetes Fahrzeug auf Basis eines Opel Corsa.

Mit Ausnahme des fahrzeugseitigen Ladegerätes, welches beim Corsa zwecks Integration in den Fahrzeugboden wassergekühlt ausgeführt worden ist, sind alle Komponenten zum Fahrzeugtyp iOn identisch.

Abbildung 117: Fahrzeugseitiges Ladegerät (Gleichrichter), Typ Cetos

Fahrzeugumrüstungen finden in aller Regel nach einem Vorversuch statt, bei dem die Komponenten der kontaktlosen Ladetechnik zunächst außerhalb des Fahrzeugs betreiben werden und mittels eines DC-Kabels zur Batterie und mit einem CAN-Kabel für die Steuerungstechnik an das Fahrzeug angebunden werden. Die steuerungstechnischen Abläufe können auf diese Weise vollständig abgeprüft werden und Korrekturen an den Komponenten nach der Fahrzeugmontage können vermieden werden.

Abbildung 118: Vorversuch der Übertragungskomponenten am Fahrzeug


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Im folgenden Bild ist das Fahrzeug nach vollständiger Integration der kontaktlosen Ladetechnik zu sehen.

Abbildung 119: Ausgerüstetes Fahrzeug vom Typ Cetos

3. Cetos-Vahle und Cetos-IPT (Abnehmer C+D)

Von den Projektpartnern Vahle und IPT wurden Fahrzeuge des Typs Cetos mit kontaktloser Energieübertragung ausgestattet. Die folgende Abbildung zeigt beide Abnehmer und die zugehörigen Fahrzeuge während einer Komponentenprüfung am Fahrzeug vor der Montage am Fahrzeug. Sichtbar sind die Schirmbleche.

Abnehmer für den Cetos von IPT und von Vahle

Abbildung 120: Ausgerüstete Fahrzeuge vom Typ Cetos

Die Spulengeometrie wurde von beiden Projektpartnern sehr ähnlich gewählt, so dass in den später aufgeführten Ergebnissen beide Abnehmer gemeinsam als Abnehmer C+D zusammen dargestellt werden. Informationen zur genauen Ausgestaltung können den Teilprojektberichten [1]-[6] entnommen werden.


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4. Das operative Versorgungsgerät von SEW

Das operative Versorgungsgerät der SEW besteht in den wesentlichen Komponenten aus der primären Feldplatte und der die Leistungselektronik enthaltenden Einspeisung. Im Fall der Anbindung des Versorgungsgerätes an die Datenverarbeitung eines Energieversorgers kann ein Kommunikationsgerät ergänzt werden.

Maße des Montagerahmens

Abbildung 121: Primäre Feldplatte des operativen Versorgungsgerätes der SEW

Die in Abbildung 121 dargestellte primäre Feldplatte besteht aus einem der Stabilität dienenden Fundament, welches den Installationsschacht (Abbildung 122) abdeckt und die Gewichtsbelastungsklasse B125 erfüllt, welche für öffentliche Parkplätze erforderlich ist. Oberhalb dieser Abdeckplatte befindet sich der elektromagnetisch aktive Teil, welcher eine Höhe von etwa 50 mm aufweist. Die Feldplatte besteht aus Polymerbeton und weist damit eine hohe mechanische Widerstandskraft auf.

Der Installationsschacht ist ein Standardschacht für den Straßenbau. An der Oberkante ist ein auf die primäre Feldplatte abgestimmter Montagerahmen aufgesetzt, welcher mit der Straßenoberfläche bündig abschließt.

Abbildung 122: Installationsschacht

Abbildung 123 zeigt die leistungselektronische Einspeisung, welche in hoher Schutzart ausgeführt ist und direkt im Installationsschacht verbaut werden kann.


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Abbildung 123: Einspeisung der SEW

Für Zwecke der Datenerfassung und Freigabe der Energieabgabe können ggf. mehrere Einspeisungen an ein Kommunikationsgerät (Abbildung 124) angeschlossen werden. Dieses enthält einen WiFi Access Point für den Aufbau einer ISO 15118 Kommunikation zum Fahrzeug und ein GSM-Modem zur Verbindung an das Back End des Netzbetreibers.

Abbildung 124: Kommunikationsgerät zur Anbindung des Energieversorgers

5. StreetScooter-EAI/ifak Abnehmer

Durch die Projektpartner StreetScooter, EAI und ifak ist ein StreetScooter B14 (Transportfahrzeug) mit einer induktiven Ladeeinrichtung ausgestattet worden (Abbildung 125). Aufgrund der hohen Bodenfreiheit und der niedrigen Batteriespannung bestehen bei der Auslegung des Übertragungssystems besondere Herausforderungen. Die Batteriespannung beträgt nominal 140 V und der Plattenabstand bewegt sich zwischen 135 mm und 165 mm. In einer späteren Version ergibt sich aufgrund der verbesserten Integration ein Plattenabstand von 205 mm bis 235 mm.

Abbildung 125: Testfahrzeug StreetScooter B14


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a) Integrationskonzept

Um ein tiefgründiges Verständnis der Anforderungen des kabellosen Ladens zu erlangen, erfolgt im ersten Schritt die Erstellung eines Grobkonzeptes zur Umsetzung des induktiven Ladens. Darauf aufbauend leiten sich Lösungswege für die korrekte Positionierung von Primär- und Sekundärspule, die Kommunikation Fahrzeug – Ladevorrichtung sowie die Systemverantwortung ab. Für eine verbindliche Basis für die kooperative Zusammenarbeit werden die abgeleiteten Grobkonzepte und Anforderungen aller Teilsysteme in ein Gesamtsystemrahmenheft zusammengeführt.

Für das Gesamtfahrzeug ergibt sich die gleiche Herangehensweise wie für das Gesamtsystems. Initial werden im Dialog mit den entsprechenden Partnern die Schnittstellen zwischen Fahrzeug und den Komponenten des kabellosen Ladens aufgenommen. Dieses Vorgehen ist nötig, um alle betroffenen Komponenten- und Systemlastenhefte des Fahrzeuges zu identifizieren. Nachfolgend werden diese Lastenhefte hinsichtlich des kabellosen Ladens bewertet und angepasst, um ein aktualisiertes Gesamtfahrzeuglastenheft (Abbildung 126) zu erhalten.

Anforderung an das Ladesystem (privater, halb-öffentlicher, öffentlicher Bereich)

Anforderung/ Priorisierung

Minimale Ladeleistung 3kW Must have

Es müssen unterschiedliche induktive Ladehersteller benutzt werden können

Must have

EMV Richtlinien müssen erfüllt werden Must have

Schnell-Laden Nice to have

Hoch Volt Sicherheit muss gewährleistet werden (doppelte Isolierung, Fehlstromerkennung

Must have

Das induktive Ladesystem muss eigensicher sein Must have

Die fahrzeugseitigen Elektronikkomponenten, sollten nach Fahrzeugrichtlinien entwickelt und geprüft sein (z. B. ISO 16750, ISO 26262)

Must have

Positioniertoleranzen müssen gegeben sein Must have

Kommunikation mit Infrastruktur über Powerline, Control Pilot / PWM, CAN Bus, Wireless sollte dem Standard entsprechen

Must have

Abbildung 126: Auszug Lastenheft

Basierend auf dem entwickelten Gesamtsystemrahmenheft und des erweiterten Gesamtfahrzeuglastenheft ergeben sich detailliertere Konzepte zur Umsetzung im Sinne eines Pflichtenheftes. Gleichermaßen erfolgt die Detailplanung, welche als Basis für einen aufeinander abgestimmten Entwicklungsplan dient. Die Meilensteine des Projektplanes dienen als richtungsweisende Eckpfeiler entlang des Entwicklungsplanes (vgl. Tabelle 12).


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MS 1: Anforderungen und Schnittstellen sind definiert, offene Fragen zur Interoperabilität können bearbeitet werden

MS 2: Konsens zu Parameter Set Up besteht, Interoperabilität ist theoretisch nachgewiesen, FMEA u. 26262 definiert

MS 3: Prototypenbau Spule-Spule abgeschlossen, Interoperabilität ist durch Hardwareaustausch nachgewiesen

MS 4: Patentrecherche abgeschlossen, Lösungswege stehen fest, Prüfverfahren für Interoperabilität ist definiert

MS 5: Integrationstests an Fahrzeugen und Parkplätzen abgeschlossen, Zulassung für Prototypentest erteilt, Freeze

MS 6: Einzelzulassungen erteilt, Kleinserien fertig aufgebaut, Fahrtests und Dauertests beim OEM abgeschlossen

Tabelle 12: Meilensteine

Der erste Punkt des Entwicklungsplanes beinhaltet die Konzepterstellung für die mechanische Integration aller für das induktive Laden relevanten Bauteile. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen (Gewicht, Bauraum, etc.) werden in Zusammenarbeit mit den Technologiepartnern detaillierte Konzepte für die mechanische Integration in das bestehende Fahrzeug erstellt.

Gleichermaßen werden detaillierte Konzepte für die elektrische Integration der Komponenten für das kabellose Laden erstellt. Neben den Komponenten werden insbesondere auch die elektrischen Anforderungen im Fahrzeug beschrieben (Abbildung 127). Um auf die von der Fahrzeugbatterie benötigte Spannungslage zu kommen, kann in einem ersten Schritt, das bereits im vorhandenen Fahrzeugdesign eingesetzte Ladegerät der Firma Eltek verwendet werden. Dieses sollte während der induktiven Ladung (im Gegensatz zur herkömmlichen Ladung mit Kabel) mit gleicher Spannung betrieben werden.

Abbildung 127: Eckdaten der Fahrzeugbatterie

b) Risikominimierung, Funktionale Sicherheit, Sicherheitskonzept

Ausgehend vom Basisfahrzeug wird das System nach der ASIL-Methode bewertet, um das Sicherheitskonzept nach den daraus hervorgehenden Anforderungen zu entwickeln. In einem ersten Schritt wird das Gesamtsystem in einzelne Systemkomponenten/-szenarien (Abbildung 128) unterteilt, um eine einfachere Beschreibung und Abgrenzung der Schnittstellen (Abbildung 129) zu ermöglichen. Nachfolgend werden alle möglichen Gefährdungen identifiziert. Zu jeder Gefährdung wird – ggf. unterschieden in den unterschiedlichen Teilszenarien – beschrieben, welcher ASIL nach ISO 26262 zuzuweisen wäre.

Ladeschlussspannung 132V

Endladeschlussspannung 108V

Ladeschlussspannung 142V

Kapazität 120Ah

Technologie Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid

Zellen in Serie 36


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Abbildung 128: Systemkomponenten ASIL

Nr. von zu Typ Spezifikation 1 BMS/

FahrzeugsteuerunMobile Ladesteuerung I via CAN; Anforderungen BMS an

Ladeeinheit (U,I,P…) 2 Ladegerät Batterie E Ladestrom und Spannung 3 Grid Power Supply Unit

(Infrastruktur) E 230V; 16A

4 Fzg.- Chassis Energy Receiveing P/ E mechanische Anbindung und 5 Nutzer HMI (im Fahrzeug) I Initiierung Laden und Ladeabbruch HMI (im Nutzer I Ladestatus 6 Bodenintegration Wireless Power P/ E mechanische Anbindung und

Schnittstellenklassifizierung

P Physically touching/ spatial interface

E Energy transfer I Information exchange M Material exchange

Abbildung 129: Auszug Schnittstellenklassifizierung

In Hinsicht auf die folgenden Herausforderungen werden Konzepte sowohl für einen automatischen als auch für einen manuellen Ladevorgang untersucht. Nachfolgend wird die Gefährdungsermittlung mit Hilfe einer Fehlermöglichkeits- und –einflussanalyse (FMEA) durchgeführt, bei der denkbare Fehlerursachen, die Möglichkeit zur Erfassung der Fehler sowie geeignete Gegenmaßnahmen identifiziert werden. Zu diesen Maßnahmen zählen z.B. Eingriffe in das elektrische Verhalten des Systems, aber auch Warnungen bzw. Bedienhinweise an den Nutzer.

c) Konzept für die Integration in den Bauraum

Anhand von CAD Modellen des Fahrzeuges sowie dem CAD Modell der von der Firma EAI konzeptionierten metallischen Bodenplatte für induktives Laden wird die mechanische Integrierbarkeit des Systems in die Technologieplattform „StreetScooter Work“ überprüft und nachgewiesen (Abbildung 130). Um den geforderten Wirkungsgrad von 90% gewährleisten


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zu können, wird ein Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule bei verschiedenen Beladungszuständen des Fahrzeuges von maximal 170 mm gewählt. Es ergeben sich eine Vielzahl von Möglichkeiten im Bereich des Packing (Abbildung 131). Eine mögliche Version, ist es, die Sekundärspule unterhalb der HV Batterie anzubringen, um eine geschlossene Einheit zu bilden.

Abbildung 130: Zur Verfügung stehender Bauraum unterhalb der Batterie

Abbildung 131: Zur Verfügung stehender Bauraum innerhalb der Batterie

d) Schnittstellenkonzept

Das ursprüngliche Konzept für die Schnittstellen des Bordnetzes zum induktiven Ladesystem ist in Abbildung 132 definiert. Für die Integration des induktiven Ladesystems in das Fahrzeug ist neben einer HV-Verbindungsleitung ein Laderegler vorgesehen, welcher Strom und Spannung an den aktuellen Ladezustand der Batterie anpassen soll. Eine weitere Möglichkeit ist der direkte Anschluss der Sekundärseite (mit Stromausgang) an die Batterie, wodurch ein zusätzliches Ladegerät eingespart wird.

Bezogen auf die Integration in das Bordnetz ergibt sich im Hinblick auf die EMV-Sensibilität eine komplizierte Sachlage. Die Sekundärspule befindet sich bei Einbau im Fahrzeugboden unmittelbar unterhalb der stählernen Bodenplatte der HV-Batterie. Zudem befinden sich in unmittelbarer Nähe zur Batterie elektronische Komponenten, die durch die Felder der Spule gestört werden könnten. Das Batterie-Managementsystem (BMS) incl. FuseBox, sowie die beiden Technikräume (HV & LV) könnten beeinträchtigt werden.

Um die entworfenen und freigegebenen Konzepte nicht erst an einem fertigen Fahrzeug, sondern möglichst frühzeitig zu verifizieren, erfolgt parallel zur Fahrzeugintegration der Aufbau eines LabCar als EE-Versuchsträger. Hiermit ist es möglich, die EMV-


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Untersuchungen hinsichtlich leistungsgebundener Störungen vorzunehmen und die sichere Kommunikation der neuen Komponenten im Gesamtbordnetz zu überprüfen

Zur Verifikation der erforderlichen Anpassungsumfänge werden mit Hilfe eines MATLAB-Simulationsmodells, welches den Antriebsstrang und die Batterie enthält, auftretende Verluste in den berücksichtigten Komponenten annähernd bestimmt.

Abbildung 132: Topologie

Der vorgesehene Onboard-Lader erfordert keine Änderungen, da dieser sich auch mit Gleichspannung speisen lässt. Zu den neuen Komponenten zählen also die Sekundärspule (inkl. Kompensationseinrichtung der Blindleistung) auf der Fahrzeugseite und einen Gleichrichter, der die hochfrequenten Ströme als Gleichspannungen an den U/I Steller weiterreicht. Für diesen Gleichsteller wird ein Steuergerät benötigt (GCU), das die Energieübertragung regelt. Dieses wurde per CAN BUS in das bestehende Kommunikationsnetz des Fahrzeugs integriert. Die Anpassung der Steuerung erfolgt auf Basis der bestehenden Lösung. Die Kommunikation wird wie bisher zwischen BMS und PCU stattfinden, sodass durch die Sekundärspule kein Eingriff in die PCU erfolgt. Das Ladesystem bleibt bestehen und wird durch die Sekundärspule inkl. Leistungselektronik ergänzt. Das Konzept der Kommunikation während des Ladevorgangs ist in Abbildung 147 und Abbildung 148 beschrieben. Das Gesamtsystem Kabelloses Laden wird in die Elektrik und Elektronik sowie CAN-Schnittstelle des Fahrzeugs integriert und die Modifikation an Verkabelung, Hochvoltsystem und Vernetzung durchgeführt.

e) Integration und Gehäuse

Aufgrund der Ergebnisse der Konsensfindung der Technologiepartner ergeben sich grundlegende konstruktive Änderungen hinsichtlich der Position der Sekundärspule gegenüber dem Ursprungskonzept. Die Position der Sekundärspule wird in die Mitte des Fahrzeugunterbodens verschoben (Abbildung 133). Wesentliche Begründung hierzu sind zum einen im steigenden Komfort für die Parkpositionierung sowie die Kommunität für


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andere Baureihen des StreetScooter zu finden, zum anderen auch an der Funktionalität und EMV-Empfindlichkeit der sich im Batterieraum befindlichen Elektronik begründet. Die Spaltmaße zwischen Primär- und Sekundärspule konnten aufgrund der angeschweißten Gewindestangen (Abbildung 134) beibehalten werden und sogar beliebig verändert werden.

Abbildung 133: Integration Spulen

Abbildung 134: Gestell für Sekundärspulensystemaufnahme

Das Spulengehäuse besteht aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK). Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit mit bis zu 90°C aus, es ist feuchtigkeitsresistent, korrosionsbeständig, besitzt werkstoffbedingt eine hohe Festigkeit und hat dabei dennoch die geforderte notwendige Leichtigkeit zur sicheren Unterbodenbefestigung an das Fahrzeug. Die Wandstärke konnte um 1 mm auf nun nur noch ca. 4 mm reduziert werden. Statt die Aufnahme für die Befestigung am Fahrzeugunterboden aufwändig wie zuvor aus Hartholz zu fertigen, wurde nun lediglich eine Hutform mit einer „Krempe“ gewählt. (Abbildung 135; Abbildung 136)


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Abbildung 135: Gehäuse zur Fahrzeugseite

Abbildung 136: Gehäuse Straßenseite

Das Gehäuse der Sekundärspule besitzt an dieser Krempe Durchgangsbohrungen, die zur Aufnahme von Bolzen zur Befestigung an das Unterbodengestell des Fahrzeugs verwendet werden. Die mechanische Festigkeit (Rütteltest) sowie die elektrische Störfestigkeit ist nachgewiesen. Das Bauteil ist mittlerweile auch vom TÜV Süd erfolgreich abgenommen und somit für den Verkehr im Bereich der Straßenverkehrsordnung zugelassen.

Durch die neue Konstruktion und ein optimiertes Kühlungskonzept für die Elektronik sind zudem die zuvor benötigten zwei schmalen Leisten aus Aluminium entbehrlich geworden. Nach Einbau der weiteren Sekundärspulenkomponenten wird der verbliebene Hohlraum bis zur Leistungselektronik mit einer speziellen gummiartigen Vergussmasse aus Polyurethan vergossen und somit abschließend fixiert. (Abbildung 137) Das Gehäuse wird an den jeweiligen Durchgangsbohrungen am Fahrzeugunterboden montiert. Verschlossen wird das Gehäuse zur Fahrzeugseite mit einer Aluminiumplatte, die, wie bereits erwähnt, auch zur Kühlung genutzt wird. Auch die Aluminiumplatte besitzt die jeweiligen Durchgangsbohrungen des Gehäuses. Zur optimalen Abdichtung zwischen der Aluminiumplatte und dem Gehäuse hat sich ein umlaufendes Abdichtband im Bereich der Krempe bewährt.

Abbildung 137: Hohlraum vor dem Verguss


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f) Anpassung an das Bordnetz (HV/LV)

Auf Basis verschiedener Abstimmungen mit den technischen Partnern aus dem Konsortium und einigen Iterationsschleifen mit Hilfe des LabCars wird das Konzept mit einem Ladegerät nicht weiter verfolgt. In der verbesserten Lösung soll der von der Fahrzeugbatterie geforderte Strom direkt von der Sekundärspule zur Verfügung gestellt werden. Die Leistungselektronik ist nunmehr ein entsprechender Bestandteil der Sekundärspule, welche den Strom in DC-Strom wandelt. Es findet keine Leistungsanpassung statt. Aufgrund der besonderen elektromagnetischen Belastung, die von einem induktiven Ladesystem hervorgeht, ist die Überarbeitung der Positionierung und Struktur des Kabelbaums erforderlich. Hierbei kann die Schnittstelle in zwei Subsystem unterteilt werden: LV/Signal-Übertragung und HV/Energieübertragung (Abbildung 138).

Abbildung 138: Schnittstellen HV/LV

Um die leitungsgebundene Rückwirkung des Induktiven Ladesystems (ILS) seitens der LV-Seite auf das Fahrzeug zu reduzieren, wird eine aktive Schnittstelle (Charge Control Unit) zum System geschaffen. Diese entkoppelt das ILS von den im Fahrzeug verbauten Komponenten. Somit ist das Risiko, durch eine Störung im ILS eine Fehlfunktion im Fahrzeug zu verursachen, minimiert. Es wurde eine zusätzliche CAN-Struktur im Fahrzeug erstellt, welche eine zusätzliche Sicherheitsbarriere darstellt.

Auf der Seite der HV/Energieübertragung erhöhen zusätzliche Schalt und Steuerelemente die Sicherheit bei möglichen Fehlfunktionen seitens der ILS. Hierbei handelt es sich um einen elektrischen Kreis, welcher entsprechend dem Sicherheitskonzept von den StS-Fahrzeugen primär von der Fahrzeugbatterie gesteuert wird.

Um umfangreiche Anpassungsarbeiten und eine leichte Zugänglichkeit zu den Schnittstellen zu ermöglichen, wird für erste Versuche die Batterie auf der Ladefläche des B14 – 1 befestigt und provisorisch an das elektrische System des Fahrzeuges angeschlossen.


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Abbildung 139: Batterie auf Ladefläche des B14 - 1

Abbildung 140: ICCU

Die ICCU-Box (InductiveChargeControlUnit) des Fahrzeuges B14 – 1 stellt die Schnittstelle zwischen dem Fahrzeugbordnetz und der Kommunikationselektronik des Abnehmers dar. Im Falle des Prototypenfahrzeuges „B14 – 1“ handelt es sich bei der ICCU-Box um eine Sonderlösung mit erweiterten Entwicklerfunktionen zur Systemanalyse und Fehlerbehebung. Prototypisch erfolgt deren Montage auf der Batterie (Abbildung 139) und im späteren Verlauf – mit der Montage der Batterie im originalen Batterieschacht – im Fahrgastraum hinter dem Fahrersitz an der Bordwand.

Abbildung 141: Topologie mit ICCU

Die ICCU-Box des B14 – 1 unterscheidet sich funktional allerdings nicht von der im weiteren Projektverlauf komplett von StreetScooter ins Fahrzeug integrierten Lösung.


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Sie beinhaltet ein CAN-Gateway sowie mehrere Relais um die Integration in das Fahrzeugbordnetz zu ermöglichen. Des Weiteren laufen hier alle auf der folgenden Übersicht aufgeführten Informationsleitungen zusammen.

Abbildung 142: Steuergeräte Topologie

Abbildung 143: Steuergeräte Topologie mit ICCU

ICCU: Ist die zentrale Intelligenz für die Funktion des induktiven Ladens. Es steuert die fahrzeugseitige Beschaltung für die Energieübertragung aus dem Sekundär-System. Ebenso erteilt es anhand der Fahrzeugdaten eine Freigabe für die Energieübertragung an das Sekundär-System.

ICCU-Gateway: Generiert die vom CDIS notwendigen Daten. Damit ist es möglich, das Display während des induktiven Ladevorgangs anzusteuern. Damit wird ein Ladevorgang signalisiert.

HV-Box: Besteht aus Relais und Sicherungen, die einen sicheren und steuerbaren Energietransport vom Sekundär-System in die Batterie ermöglichen. Ebenso steuert es den 2. DC/DC Converter.

Sekundär-System: Beinhaltet die Leistungselektronik für den Empfänger bei der drahtlosen Energieübertragung.

2. DC/DC Converter: Versorgt das LV-System des Fahrzeuges mit Energie und zusätzlich kann es die 12 V Pufferbatterie aufladen.

Das in der ICCU-Box implementierte CAN-Gateway dient als Schnittstelle der CAN-Kommunikation zwischen Fahrzeug und Abnehmer (Sekundärsystem). Es filtert die CAN-Nachrichten des Bordnetzes und stellt nur die notwendigen Informationen bereit bzw. führt ebenso die Informationen des Sekundärsystems zurück. Das in der ICCU-Box eingebaute Relais dient zur induktiven Ladeanforderung und durch die Einbindung in das bestehende Bordnetz gleichzeitig als Verriegelung. Die in der ICCU verbauten Relais dienen dazu, die zusätzliche Steuereinrichtung für das HV/Energiesystem zu bedienen. Ein Relais wird dazu benutzt, die vorhandenen Signalwege umzuleiten, so dass das induktive System bedient werden kann. Dazu ist es notwendig, zur bestehenden Switch & Fuse – Box eine weitere Leistungsanbindung (HV-Box) für das Sekundärsystem im rechten Technikraum (Beifahrerseite) zu realisieren.


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g) Kommunikationskomponenten

Ein wichtiger Schwerpunkt ist auch die Optimierung der Elektronikkomponenten für die Schnittstelle Fahrzeug-Spule. Die Kommunikationsplatine (Abbildung 144) beinhaltet alle Systeme für Kommunikation, Positionierung und Nahfeldkommunikation und ist in einem separaten Gehäuse untergebracht.

Abbildung 144: Kommunikationsplatine

Die Kommunikationsplatine besteht aus folgenden Komponenten: einem Mikrocontroller für die Ablaufsteuerung, einem FPGA und der Treiberschaltung für die induktive Datenübertragung, einer Schaltung für die Positionierhilfe und einem weiteren Mikrocontroller für die Auswertung der Positionswerte. Folgende Anschlüsse sind an der Kommunikationsplatine vorhanden: Die Kommunikationsplatine wird von der 12 V-Batterie des Fahrzeugs versorgt. Aus diesen 12 V werden alle benötigten Hilfsspannungen für die Kommunikationselektronik und der Energieelektronik generiert. Eine CAN-Schnittstelle dient der Anbindung an das BMS des Fahrzeugs und an eine zweite CAN-Schnittstelle wird das CAN-Display für die Positionierhilfe angeschlossen. Alle weiteren Anschlüsse dienen der Übertragung der Temperatur-, Überspannung-, Batterieschütz-Information von der Energieelektronik und der Anbindung der Datenspule und der Positionierspulen. Diese Komponenten befinden sich in dem Gehäuse der Sekundärspule.

Abbildung 145: Aufbau Kommunikationsplatine

Anschluss

Positionierspulen S1 - S4

Anschluss

Datenspule

Spannungs-

versorgung

12V

CAN -

Anschluss

BMS

Temperatur

Überspannung

Batterieschütz

Anschluss

Energieplatine

CAN -

Anschluss

Display

Mikrocontroller /

Raspberry Pi

(Ablaufsteuerung)

Mikrocontroller /

Arduino

(Postionsauswertung)

Postionierhilfe FPGA + Treiber

(induktive

Datenübertragung)


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Für erste Untersuchungen ist aus Sicherheitsgründen die Ablaufsteuerung im ersten Fahrzeug über zusätzliche Schalter und Taster möglich, die vorn im Fahrzeug in der Säule integriert wurden (siehe Abbildung 146). Auch die Spannungsversorgung (die 12 V aus der Fahrzeugbatterie) kann hier über einen Schalter zu- und weggeschalten werden. In allen weiteren Fahrzeugen und dementsprechend auch auf den Kommunikationsplatinen wird auf sämtliche Schalter und Taster verzichtet.

Abbildung 146: Manuelle Ladesteuerung

Abbildung 147: Manueller Start Ladevorgang

Abbildung 148: Manuelles Beenden Ladevorgang

In den finalen Varianten der Kommunikationsbaugruppe sind zusätzliche EMV- und Filtermaßnahmen integriert. Es werden sämtliche Baugruppen von der 12V-Batterie durch Verwendung von DC/DC-Wandlern und Optokopplern entkoppelt. Auch die CAN-Schnittstellen zum Fahrzeug werden entkoppelt bereit gestellt.


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h) Aufbau Prototypenfahrzeuge

Die für die Test und Versuche erforderlichen 5 Prototypenfahrzeuge (Abbildung 149) werden jeweils unter Begleitung multidisziplinärer Teams, im Austausch mit den Partnern der Ladetechnik und in sequentieller Abfolge aufgebaut. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, durch den Aufbau jedes Fahrzeuges zu lernen, sofort auf Verbesserungen oder Komplikationen reagieren zu können.

Abbildung 149: StreetScooter-Prototypenfahrzeuge mit induktiver Ladetechnik

i) Hardware für Ablaufsteuerung und Kommunikation

Die Hardware für die Ablaufsteuerung und Realisierung der Schnittstelle zum Batterie-Management-System (BMS) des Fahrzeugs basiert im ersten Schritt auf einem der Raspberry Pi. Es handelt sich dabei um einen Einplatinencomputer mit Linux als Betriebssystem, ein Miniatur-PC auf ARM-Basis, der für viele Applikationen verwendet werden kann. Dieses Open-Source-Projekt ist die ideale Plattform für weitere Entwicklungen und besonders zur Integration in bestehende Anwendungen geeignet. Bei der Anwendung des Raspberry Pi besteht die Möglichkeit, über Zusatzmodule die verschiedensten Schnittstellen zu generieren. Diese Zusatzmodule werden über Treiber in das Betriebssystem eingebunden. Somit entfällt der softwaretechnische Aufwand, die Hardwareschnittstellen zu programmieren. Aufgrund der geringeren Kosten und einer nicht ausreichenden Festigkeit gegenüber EMV-Störungen ist die CAN-Schnittstelle über SPI anstelle USB ausgeführt.


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Abbildung 150: Ablaufsteuerung aus Sicht Sekundärseite

Die Ablaufsteuerung im Raspberry Pi entspricht der InterOp-Spezifikation. Die Ein- und Ausgangsdaten für die Ablaufsteuerung sind für den B14 wie folgt angepasst.

Das BMS des Fahrzeugs sendet über CAN folgende Daten an den Mikrocontroller (Raspberry Pi):

Zündschlüssel ein / aus (Klemme 15)

Handbremse gezogen / gelöst

Batterie-State (Ist die Batterie in einem State, in der sie geladen werden darf?)

Enable-Bit (Ladung möglich ja / nein)

Batterieschütz angezogen / gelöst

Batteriestrom

Der Mikrocontroller (Raspberry Pi) sendet über CAN folgende Daten ans BMS des Fahrzeugs:

Ladestatus (Freigabe zum Losfahren, Ladeanforderung, Ladung aktiv)

State der Sekundärablaufsteuerung (beim State „Fehler“ wird aus Sicherheitsgründen das Batterieschütz vom BMS geöffnet)

Des Weiteren erhält der Raspberry Pi für die Ablaufsteuerung noch folgende Eingangsdaten über digitale Eingänge von der Energieelektronik:

Batterieschütz angezogen / gelöst (zusätzliche Messung zum bereits vom Fahrzeug übermittelter Info über das Batterieschütz)

Temperatur der Energieelektronik

Überspannung aufgetreten / nicht aufgetreten

Der implementierte Ablauf ist in Abbildung 151 stark vereinfacht dargestellt.


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Abbildung 151: Ablauf Ladesteuerung

Entsprechend der Auswertung der Funktionstest mit dem Raspberry Pi, insbesondere EMV-Aspekte und die Ergebnisse des Dauertests erfordern für eine seriennahe Lösung die Verwendung eines Mikrocontrollers. Der Raspberry Pi weist aufgrund des Betriebssystems eine zu geringe Performance auf. Bis die Applikation auf dem Raspberry Pi nach dem Zuschalten der Spannungsversorgung läuft, vergehen einige Sekunden. Das Betriebssystem des Raspberry Pi läuft außerdem auf einer SD-Karte. Diese ist nur für eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen ausgelegt, so dass sie im Dauerbetrieb früher oder später Probleme entstehen werden. Außerdem besitzt der Raspberry bereits viele ungenutzte Schnittstellen. Einige Schnittstellen, wie z.B. die Netzwerkschnittstelle, verursachen hinsichtlich der EMV-Störfestigkeit Probleme. Der Raspberry Pi ist auch nicht Automotive-tauglich. Die Anforderungen an eine Mikrocontrollerlösung sind daher:

CAN-Schnittstelle für die Anbindung an das BMS des Fahrzeugs,

einer UART für die Kommunikation mit dem FPGA (induktive Datenübertragung),

ausreichende Anzahl digitaler Ein- und Ausgänge und

Automotive-geeignet.

Der Mikrocontroller AT90CAN128 von Atmel erfüllt diese Anforderungen. Auf dem AT90CAN128 läuft kein Betriebssystem, der Mikrocontroller ist echtzeitfähig. Der AT90CAN128 ist die Basis für die Weiterentwicklung des Ladesystems für das neue StreetScooter-Modell B16 und ist erfolgreich getestet.

Entwicklung eines Bird View-Systems als Positionierhilfe

Zur Visualisierung des automatischen Beladens der Projektfahrzeuge ist eine komfortable Positionierung über ein sogenanntes „Birdview System“ im Fahrzeug verfügbar. Dieses System unterstützt den Einparkvorgang und zeigt diesen in einem Display im Fahrzeug an. Das System besteht aus drei außen am Fahrzeug angebrachten Mikro-Kameras, die mit einer Weitwinkeloptik und hoher Auflösung die Flanken, das Heck und die Front der Fahrzeuge vollständig erfassen können. Eine elektronische Steuereinheit fügt diese digitalen,


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hoch auflösenden und automatisch in Kontrast und Helligkeit optimierten Kamerabilder so auf einem Display im Cockpit zusammen, dass der Fahrer seinen Wagen dort wie aus der Vogelperspektive sieht. Live, in Echtzeit und auf Knopfdruck sogar in verschiedenen Perspektiven verschafft Birdview ihm damit den perfekten Überblick: Auf einen Blick sieht man dank Birdview auch Objekte im so genannten „toten Winkel“. Um das Fahrzeug ideal positionieren zu können, besitzen die Fahrzeuge eine HMI als Positionierhilfe (Abbildung 152). Das Fahrzeug muss so geparkt werden, dass das im Display eingeblendete rote Overlay die Positionierhilfen (schwarz-gelbe Streifen) überdeckt.

Abbildung 152: Birdview mit Overlays

Das angesprochene System kann in Verbindung mit verschiedenen anderen Systemen gekoppelt werden und dadurch einen noch feineren Positionierungsvorgang über der Primärspule ermöglichen. Hierzu beinhaltet das sekundärseitige Spulensystem eine integrierte induktive Positionierhilfe. Diese besteht aus vier quadratischen Flachspulen, die an den Mitten entlang der Außenkante der Sekundärseite angeordnet sind (Abbildung 153).

Primärseitig wird die Datenspule des Kommunikationssystems als Signalgeber genutzt. Die sekundärseitigen Spulen sind nicht mit Resonanzkondensatoren bestückt. Betrieben wird das Positioniersystem mit einer Frequenz von 2,0 MHz, welches der Frequenz der Datenübertragung (Kommunikation) entspricht. Zur Bestimmung der Position werden die eingekoppelten Spannungen in den jeweils gegenüberliegenden Spulen genutzt (links – rechts, vorn - hinten). Die induzierten Spannungen werden gleichgerichtet und verstärkt. Die Position kann über Auswerten der Absolutwerte und der Differenz dieser Spannungen erfolgen und z.B. mit einer LED-Balkenanzeige oder auf einem Display, welches über die CAN-Schnittstelle angeschlossen ist (Abbildung 154), visualisiert werden. Die LED-Balkenanzeige ist für die Entwicklungsphase, während das Display von SEW für die Fahrversuche im ersten Versuchsfahrzeug integriert ist. StreetScooter wird die CAN-Nachrichten in ein eigenes Display integrieren.


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Abbildung 153: Anordnung der Spulen

Abbildung 154: SEW Display

Empfangsspulen

Primäre Datenspule

Primäre Energiespule


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XIV. Zertifizierungssystematik

Neben den technischen Aspekten der Interoperabilitätsdefinition müssen auch organisatorische Rahmenbedingungen gegeben sei, damit diese in der Realität erfolgreich eingesetzt werden kann. Hierzu gehört, dass Produktrealisierungen, die eine Interoperabilität beanspruchen, in ihren Eigenschaften überprüft werden können. Nur über neutrale Prüfinstitute lässt sich die interoperable Funktionalität über eine große Anzahl von Herstellern und große geographische Gebiete praktisch umsetzten und garantieren.

Darüber hinausgehend müssen auch die notwendigen Prüfeinrichtungen an verschiedenen Institutionen und Orten unabhängig voneinander reproduzierbar hergestellt werden können. Dies vermeidet zentrale Strukturen, welche einer Akzeptanz in aller Regel eher entgegenstehen.

Die Anforderungen an eine Zertifizierungsprozedur und die dafür notwendigen Einrichtungen sind durchaus vielfältiger Natur.

Prüflinge müssen als geschlossene Einheiten nur durch Zugang an die äußeren Schnittstellen prüfbar sein.

Prüfeinrichtungen müssen reproduzierbar hergestellt werden können.

Prüfergebnisse müssen von den Einflüssen der Prüfeinrichtungen unabhängig sein.

Die Prüfeinrichtungen sollten weitestgehend aus gängigen Prüfgeräten bestehen.

Prüfeinrichtungen sollten für mehrere Prüfzwecke geeignet sein, wenig Raum einnehmen und möglichst mobil sein.

Der für die Interoperabilitätsdefinition gewählte Ansatz einer Quellendefinition kommt auch diesen Anforderungen an die Zertifizierbarkeit entgegen. Da die Interoperabilität bezüglich einer spezifizierten Referenzquelle hergestellt wird, kann eben diese Referenzquelle als grundlegende Prüfeinrichtung verwendet werden.

Da die strikte Interoperabilitätsdefinition bewusst Freiheiten für die Hersteller bei der Umsetzung von Geräten frei hält und nur wesentliche Kennwerte formuliert, muss für eine Referenzquelle auf deren Basis Zertifizierungen durchgeführt werden sollen, eine exaktere Definition vorgenommen werden. Dies betrifft insbesondere die Wicklungsverteilung auf der Ferritoberfläche, da diese einen starken Einfluss auf die Induktivitäten hat. Ausreichende Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse wird daher mittels einer als Referenzsystem bezeichneten Wicklungsverteilung, bei der die Lage jeder einzelnen Windung mechanisch vorgegeben ist, hergestellt (vgl. Abbildung 59).

1. Interoperabilitätstest

Um eben diese Zertifizierungssystematik zu validieren, durchlaufen alle sekundären Abnehmer vor deren Einsatz im Feld eine Interoperabilitätsprüfung. Das Aufbauprinzip dieser Interoperabilitätsprüfungen gibt Abbildung 155 wieder.


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~

PU

NetzleistungGrid Power

ReferenzfeldplatteReference Device

LuftspaltleistungAirgap Power

PAPS

QuellenleistungSource Power

EUT

PrüflingEquipment under Test

PrüfquelleTesting source

TesteinspeisungTest Supply Unit

PL Ref

NutzleistungUsed Power

PlattenverlusteLosses of Device

Abbildung 155: Strukturbild der Interoperabilitätsprüfung

Der Prüfling (equipment under test EUT) wird hierbei auf der spezifizierten Referenzfeldplatte betrieben. Die Übertragungsleistung wird von einer Einspeisung (Prüfquelle) bereitgestellt, welche in der Lage ist, definierte Ströme in die primäre Referenzfeldplatte einzuprägen. Messungen am Prüfling, die an der Schnittstelle „Quellenleistung (PS)“ durchgeführt werden, enthalten lediglich die strikt definierte Referenzfeldpatte in der Messkette und sind damit von den Einflüssen der Prüfquelle unabhängig. Somit sind beliebige Prüfquellen mit verschiedenartigen Eigenschaften z.B. des Wirkungsgraden verwendbar, ohne dass ein Einfluss auf die Messergebnisse stattfindet.

Die im InterOp-Projekt eingesetzten Referenzfeldplatten zeigt Abbildung 156. Die linke Variante dient dem Einsatz bei Freifeldmessungen, die rechte Laborversuchen. Ein Vergleich der Eigenschaften ist mittels Vergleichsmessungen von Betriebskennwerten von sekundären Feldplatten positiv erfolgt. Damit ist eine unabhängige Reproduzierbarkeit gegeben. Diese Referenzfeldplatte ist das einzig spezifische Prüfmittel, welches nach Spezifikation herzustellen ist. Ergänzende Gerätschaften sind die Einspeisung und im Falle des Tests von Komponenten eine elektronische Last oder Widerstände. Neben der Leistungswicklung enthält die Referenzfeldplatte ebenfalls die Rahmenspule, welche für die P2PS/P2PC Signalisierung über die Nahfeldkopplung benötigt und ebenfalls zertifiziert wird.

Abbildung 156: Ausführungen der Referenzfeldplatte


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Die Durchführung von Interoperabilitätstests obliegt Prüfinstituten. Im Projekt trägt der Projektpartner ifak diese Funktion unter Nutzung von Einrichtungen am EAI (Abbildung 124). Die hier vorgenommene bodenebene Montage der Referenzfeldplatte lässt beispielsweise die Vermessung großer Querversätze an Fahrzeugen ohne nennenswerten Aufwand zu.

Abbildung 157: Stationäre Prüfeinrichtung zur Interoperabilitätsprüfung

Neben dieser ortsfesten Anordnungen können Interoperabilitätsprüfungen auch ortsunabhängig (Abbildung 158) vorgenommen werden, da die eigentlichen Prüfmittel transportabel sind. Aufgrund der auf bodenebene Konstruktionen bezogenen Interoperabilitätsdefinition muss ein Fahrzeug bei diesen Messungen über Unterlagen (hier Holzlatten) auf entsprechende Höhe gebracht werden.

Die Durchführung der Interoperabilitätstests erfolgt in der Regel über zwei Stufen. Die erste Stufe umfasst die Prüfung der sekundären Komponenten (Abbildung 159), welche an einer passiven oder elektronischen Last oder an einer externen Batterie betrieben werden. Bei diesen Prüfungen kann der Hersteller eine Feinabstimmung des Resonanzkreises vornehmen, sofern dieser keine eigene oder keine exakte Referenzfeldplatte für seine Entwicklungen zur Verfügung hat. Bei zwei Technologiepartnern ist dies im Projektverlauf der Fall gewesen.

Die zweite Stufe besteht in der Überprüfung der mit den Komponenten ausgestatteten kompletten Fahrzeuge. Die Erfahrung zeigt, dass bei geprüften Komponenten unter Einbeziehung der vorgesehenen Schirmbleche hinterher am Fahrzeug kein abweichendes Verhalten festgestellt wird. Bei den Fahrzeugtests steht daher häufig vielmehr die Ablaufsteuerung im Vordergrund.


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Abbildung 158: Vorbereitung eines Interoperabilitätstests mit mobilen

Einrichtungen

Abnehmer B Abnehmer A Abnehmer D

Abbildung 159: Komponentenprüfungen

Aufgrund der Zertifizierungsfähigkeit der Interoperabilitätsdefinition bekommt das in Abbildung 109 eingeführte Symbol zur Kennzeichnung der Technologie die zusätzliche Bedeutung, die zertifizierte Interoperabilität kenntlich zu machen. Es weist speziell auf eine interoperable Versorgungsstation hin, so dass einem Nutzer eines interoperablen Fahrzeugs die Fähigkeit der Energieübertragung sichtbar wird.

2. Kreuztest

Als Beleg der Tragfähigkeit der Interoperabilitätsprüfungen dient ein Kreuztest. Bei diesem werden alle mit kontaktloser Energieübertragung ausgestatteten und als interoperabel zertifizierten Fahrzeuge auf den operativen primären Feldplatten der Projektpartner SEW und Vahle betrieben.

Abbildung 160 zeigt repräsentativ zwei Hersteller gemischte Paarungen. Die Kreuztests umfassen fünf Fahrzeuge, dabei drei unterschiedliche Fahrzeugtypen, zwei operative Versorgungsgeräte und als Vergleich die Referenzfeldplatte. Es ergeben sich daraus 15 unterschiedliche Paarungen. Das Resultat (vgl. Abbildung 180) zeigt, dass sich bei allen


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Kombinationen der gewünschte Betriebspunkt eingestellt hat. Dabei garantiert die Interoperabilitätsprüfung, dass kein Justieren der Abnehmer auf die operativen Feldplatten notwendig ist, was den Zertifizierungsprozess bestätigt.

Dies trifft auch oder vor allem auf die primäre Feldplatte von Vahle zu, deren innerer Aufbau zwar der Interoperabilitätsdefinition entspricht, jedoch vom Aufbau der Referenzfeldplatte durchaus erheblich abweicht.

Abbildung 160: Kreuztests

3. Fahrzeugabnahmen

a) Vorbereitende Untersuchungen zur EMV

In Vorbereitung der Zulassungsprüfungen ist eine Untersuchung der verschiedenen EMV-Aspekte auf der Komponentenebene vorteilhaft. Die daraus sich ergebende Messaufgabe beinhaltet die EMV Prüfungen nach UN ECE R-10 an der Sekundärseite (12V Bordnetz und CAN-Bus) Pulse 1-4, Pulse a und b und impulsförmige Störaussendung. Informativ sind Messungen der Störaussendungen, Funkstörfeldstärke am Komplettaufbau und Prüfung der Störfestigkeit gegen eingeströmte HF auf der Primär-AC Versorgungsleitung empfehlenswert. Der Messgegenstand ist der Laboraufbau einer Anordnung von Primär- und Sekundärseite des Systems Typ BEDÜSI von EAI/ifak. Die Abbildung 161 zeigt den prinzipiellen Aufbau in angenommener Fahrtrichtung.


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Abbildung 161: Messaufbau EMV-Messung UN ECE R10

Beim Test wird die Sekundärseite mittig über der Primärspule platziert, um eine möglichst hohe Leistungsübertragung zu erzielen. Die Abbildung 162 zeigt den Prüfaufbau mit der Kommunikationselektronik der Sekundärseite nach ECE R10 (Puls a und b auf CAN-Bus).

Abbildung 162: Prüfaufbau Puls a und b auf CAN-Bus

Primärseite:Referenzsystem

158 mm

Sekundärseite:Typ BEDÜSI C1

KommunikationselektronikBEDÜSI C1


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Nachfolgend sind die Messergebnisse dargestellt:

Störfestigkeit 12V-Bordnetz: Prüfung mit allen erforderlichen Impuls-Messreihen bestanden.

Störfestigkeit CAN-Bus: Prüfung für beide Normvorgaben der Impulse a und b bestanden.

Impulsförmige Störaussendung 12V-Bordnetz: Messungen zu den Schaltvorgängen erfüllen die Norm.

Störfestigkeit gegen eingeströmte Hochfrequenz 230 V AC primär: nach der Grundnorm EN61000-4-6 (Frequenzbereich 0,15 bis 20 MHz, Bewertungskriterium A)

Es gibt keine Beeinträchtigungen. Das Bewertungskriterium A ist erfüllt. Diese Messung dient der Kontrolle, ob Einkopplungen über die Netzleitung von der Primärseite zu Störungen der Sekundärseite führen, was aber unter den gegebenen Bedingungen nicht der Fall ist.

In der Abbildung 163 ist der Prüfaufbau zur Feldstärkemessung der Störaussendung zu sehen.

Abbildung 163: Prüfaufbau Störaussendung Feldstärke


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Die folgenden Frequenzverläufe zeigen die Funkstörfeldstärke im Bereich von 30 MHz bis 1 GHz bei horizontaler Polarisation (Abbildung 164, Abbildung 165, Abbildung 166).

Abbildung 164: Funkstörfeldstärke, Umgebungsverhältnisse

Abbildung 165: Funkstörfeldstärke, Kommunikation und Leistungsübertragung

Abbildung 166: Funkstörfeldstärke, nur Kommunikation, ohne

Leistungsübertragung

Zusammenfassend werden die EMV-Messergebnisse wie folgt interpretiert:

Die Sekundärelektronik erfüllt die Störfestigkeitsanforderungen gegen Störimpulse nach ECE-R10 (ISO 7637-2/3) auf dem 12V Kfz.-Bordnetz sowie auf Daten- und Signalleitungen (hier: CAN-Bus). Die informative Messung der Störaussendung Funkstörfeldstärke zeigt beim vorliegenden, provisorischen und offenen Aufbau über den angenommenen Grenzwerten von Klasse B Geräten liegende Grenzwertüberschreitungen in einem Bereich von 30 MHz bis ca. 100 MHz. Bei einem Betrieb nur mit Kommunikation, ohne Leistungsübertragung, sind die Aussendungen deutlich niedriger. Die Höhe der Aussendungen macht deutlich, dass für den Praxiseinsatz eine sehr gute Schirmung konzipiert werden muss. Eine Kopplung von HF-Störungen auf die Stromversorgung der Primärseite wird nicht zur Sekundärseite übertragen und führt nicht zu Funktionsstörungen.

b) Vorbreitende Maßnahmen Komponententest

Hinsichtlich der mechanischen Integration wird in erster Linie die Festigkeit der verwendeten Materialien, insbesondere der für die Spule eingesetzten, brüchigen Ferrite ist auf ihre


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Beständigkeit gegenüber Schock und Vibration, welche im Fahrzeug auftreten, können überprüft. Für die Prüfung werden Normbelastungsprofile gemäß ISO 16750-3 herangezogen. Die Prüfungen werden mit Messeinrichtungen durchgeführt, die regelmäßig gemäß DIN EN/ISO IEC 17025 überwacht werden. Zur Vorbereitung der Belastungstests wird das Spulensystem des sekundären Musters Typ BEDÜSI C2 vollständig vergossen. Anschließend werden die folgenden Prüfungen durchgeführt:

Vibrationsprüfung (Sinus / Langzeit) nach DIN EN60068-2-6 Vibrationsprüfung (Sinus) nach DIN EN60068-2-6 Schockprüfung (Langzeit) nach DIN EN60068-2-27 Vibrationsprüfung (Transport / Breitbandrauschen) DIN EN60068-2-64

In den nachfolgenden Abbildungen ist der jeweilige Prüfaufbau im Umweltlabor der IMG für Vibrationsprüfung Sinus Langzeittest z-Achse, y-Achse und x-Achse dargestellt.

Abbildung 167: Prüfaufbau Sinus z-Achse

Abbildung 168: Prüfaufbau Sinus y-Achse

Abbildung 169: Prüfaufbau Sinus x-Achse


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Die Sichtprüfung nach den Tests im Labor ergibt keine Beanstandungen, ebenso wie ein Funktionstest im Labor. Die Sekundärseite erfüllt sämtliche Funktionen (Energieübertragung und Kommunikation) ohne Beanstandungen. Nachfolgend wird die Sekundärseite bei EAI in das Demonstrator-Fahrzeug B14-1 eingebaut und getestet. Sämtliche Funktionen werden erfüllt.

Darüber hinaus ergeben sich bei Einbau im Fahrzeugboden anspruchsvolle Temperaturbedingungen von -25 bis 80°C, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Konstruktionsbedingt beträgt das zulässige Maximalgewicht der Sekundärspule zzgl. Anschlusskabel und Elektronik 30 kg. In Folge der Simulation der Schwingungseinflüsse auf die Befestigungspunkte finden entsprechende Änderungen in der finalen Konstruktion der Sekundärspule sowie des Anbindungskonzeptes statt.

c) Vorbereitende Maßnahmen

Um eine reibungslose Prüfungsvorbereitung und eine verzögerungsfreie Zulassung eines Fahrzeuges mit Ladetechnik für induktives Laden sowie Positionierung und Kommunikation zu gewährleisten, wird das Prüfinstitut und die entsprechenden technischen Partner bereits bei dem Aufbau der 5 Fahrzeuge stark mit einbezogen. Für die Vorbereitung der Einzelabnahmen der Fahrzeuge werden dem Prüfinstitut die technischen Unterlagen (Fahrzeugumbau- und Funktionsbeschreibung, Bedienkonzept / Ladeablauf, Elektrodokumentation / Stromlaufpläne / Anschlusspläne sowie die Gefahrenidentifikation und Risikobewertung) und die aktuellen Zulassungsunterlagen (Fahrzeugpapiere/COC ..) zur Sichtung offen gelegt. Auf dieser Grundlage werden die erforderlichen Prüfumfänge festgelegt. Weiterhin werden die bereits vorhandenen Messergebnisse hinsichtlich der Magnetfelder sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit bewertet und die Messtechnik für erneute, gemeinsame Versuche in Verbindung mit den dazugehörigen Messprotokollen vor Ort vorbereitet.

Im Speziellen ist das die Herstellererklärung für das interoperable Sekundärsystem Typ BEDÜSI C auf der Grundlage der bestandenen EMV-Prüfungen durch EAI. Die spezielle Dokumentation beinhaltet u. a. einen elektrischen Anschlussplan der neu integrierten Technik für das Fahrzeug B14-1 („INTEROP 5“). In der Abbildung 170 ist der entsprechende Übersichtsplan dargestellt.


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Abbildung 170 Übersichtsplan Sekundärseite im B14-1 (INTEROP 5)

d) Zulassungsdurchführung

Die Zulassungsdurchführung beinhaltet vor allem Tests zur elektrischen und funktionalen Sicherheit in Anlehnung an die ECE-R 100.01 (Spannungsklasse B) sowie in Anlehnung an die ISO 26262. Dazu werden unter anderem jeweils an den betreffenden Fahrzeugen die Hochvoltanbindung der Onboard-Ladekomponenten (Verteilerbox etc.) auf entsprechende Übertragungswiederstände bzw. Isolationswiderstände messtechnisch mit dem Equipment des Sachverständigen überprüft.

Abbildung 171: Überprüfung durch Sachverständigen



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Weiterhin wird das Fehlermanagement beim Laden hinsichtlich der funktionalen Sicherheit überprüft. Ebenfalls werden alle bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Tests – auch die der Technikpartner – zur Erfüllung der Anforderungen an die EMV-Verträglichkeit einer Sicht und Dokumentenprüfung unterzogen. Weiterhin werden erneute, vereinzelte Messungen der Feldstärke zur Validierung der bisher erfolgten Messungen im Beisein des Sachverständigen erneut durchgeführt.



Die Ergebnisse der Messungen zu den magnetischen Feldstärken sind in IX.1 dargestellt.

Im Anschluss wird das gesamte Verfahren durch den Sachverständigen nachgearbeitet, ausgewertet und schlussendlich zu einem technischen Bericht, gemäß § 19(2) StVZO sowie ECE-R 100.01 zur Erlangung einer Betriebserlaubnis bei der Zulassungsbehörde, verfasst.


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XV. Experimentelle Ergebnisse

Die im Folgenden dargestellten experimentell ermittelten Ergebnisse und Eigenschaften der realisierten Feldtestsysteme zur kontaktlosen Energieübertragung sind im Rahmen der Interoperabilitätstests (XIV.1) und der Kreuztests (XIV.2) erfasst worden.

1. Untersuchte Abnehmer

Die beiden folgenden Tabellen listen die wichtigsten Eigenschaften der im Projekt entstandenen sekundären Feldplatten bzw. Abnehmer als Übersicht auf. Die erste Tabelle bezieht sich auf die in den Feldtests eingesetzten Abnehmer. Die zweite Tabelle zeigt per Simulation ermittelte Eigenschaften beispielhafter sekundärer Feldplatten auf. Diese Beispiel-Feldplatten dienen als Referenz für Überprüfungen des Interoperabilitätskonzeptes und spiegeln gewissermaßen die extremen geometrischen Rahmenbedingungen dar, welche über die Interoperabilitätsdefinition abgedeckt werden.

Aus diesem Grund stellen diese Beispiel-Feldplatten auch Referenzsysteme dar, mit dessen Hilfe ein Hersteller primärer Feldplatten bei konstruktiven Abweichungen von der Interoperabilitätsdefinition sein System auf eine ausreichende Arbeitsraumabdeckung hin überprüfen kann.


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Bezeichnung des

Abnehmers B1 A C+D E

Arbeits-frequenz 140 kHz

Realisation

Messwerte Cetos StreetScooter

Cetos

Streetscooter

Anwendung Fahrzeug B1 Fahrzeug A Fahrzeug C+D Fahrzeug A

Spulentyp Doppelflach Doppelflach Solenoid Solenoid

Ferritform Rechteck Rechteck Quadrat Rechteck

Größe 750 x 750 mm 700 x 500 mm 400 x 400 mm 600 x 400mm

Bodenfreiheit 150 mm 156 mm 146 mm 220 mm

Ferritabstand

L22 (w2) 23,46 µH (6) 13,05 µH (4) a 79,8 µH (12) 11,23 µH (4)

M 12,64 µH 6,57 µH 31,9 µH 5,05 µH

L11 (w1) 58,68 µH (10) 44,16 µH (8) a 200 µH (16) d 42,54 µH (8) a

k 0,34 0,27 0,25 0,22

G2 651 nH 815 nH 554 nH 702 nH

GM 210 nH 205 nH 166 nH 157 nH

G1 586 nH 690 nH 780 nH 664 nH

C2P 60,7 nF 319 nF 34 nF 214 nF

C2S 433 nF 143 nF 25,6 nF 251 nF

Ɵ2 136 Aeff 239 Aeff 318 Aeff 228 Aeff

Ɵ1,2 112°

P 3,3 kW 3,3 kW 3,3 kW 3,3 kW a. ( 2 mal w Windungen parallel ) b. [ Werte gemäß der über w2 an die reale Batteriespannung angepasste Windungszahl ] c. C2P gemäß Parallelresonanz mit L22 d. Primäre Feldplatte gemäß Interoperabilitätsdefinition, jedoch abweichend von der

Referenzanordnung.

Tabelle 13: Kennwerte der experimentellen Abnehmer


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Abnehmer F S

Arbeits-frequenz 140 kHz

Realisation Simulation Simulation

Anwendung Norm Berechnung

Spulentyp Doppelflach Solenoid

Ferritform Quadrat Quadrat

Größe 750 x 750 mm 400 x 225 mm

Bodenfreiheit 150 mm 135 mm

Ferritabstand ca. 180 mm

L22 (w2) 47 µH (8) a [ 11,8 µH (4) a ]

b 136 µH (20)

M 13 µH [ 6,5 µH ]b 22,1 µH

L11 (w1) 45 µH (8) a 39,8 µH

k 0,28 0,3

G2 734 nH 342 nH

GM 203 nH 138 nH

G1 703 nH 623 nH

C2P 27,5 nF c [ 110 nF ] b 77,1 nF

C2S - -

Ɵ2 154 A 217 A

Ɵ1,2 90°

P 3,3 kW 3,3 kW

Tabelle 14: Kennwerte sekundärer Beispielabnehmer


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2. Experimentelle Ergebnisse am Abnehmer B1 (Cetos-SEW)

Das im Abbildung 14 dargestellte Blockschaltbild der kontaktlosen Energieübertragung ist für die Feldtestgeräte gemäß Abbildung 176 schaltungstechnisch realisiert. Ausgehend von einer Gleichspannung, die über eine hier nicht dargestellte „power factor correction (PFC)“ Stufe bereitgestellt wird, wird mittels einer Vierquadranten Brückenschaltung eine Ausgangspannung uQ mit der Arbeitsfrequenz von 140 kHz erzeugt. Die Ausgangsspannung wird in Blocktaktung gestellt, wobei über die Blockweite die Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung variiert werden kann.

uQ

C1

C1P

LS

C2P

C2S

Gyrator Feld-platten Gleich-

richterWechselrichter

LG

Batterie

i1 u2uC1P

i2

Abbildung 176: Schaltungsanordnung der kontaktlosen Energieübertragung

Ein anschließender Gyrator erzeugt einen Ausgangsstrom i1, welcher der Eingangsspannung uQ proportional ist, da der Gyrator bei Resonanzfrequenz eine spannungsgesteuerte Stromquelle darstellt (VIII.1.d)). Die Ausgangsspannung des Gyrators stellt sich je nach Lastsituation auf den Wert uC1P ein. An der Wicklung der sekundären Feldplatte liegt die Spannung u2 an und es fließt der Strom i2.

Für den Betriebspunkt von 3.330 W Ausgangsleistung ergeben sich unter Verwendung des Abnehmers B1 die in Abbildung 177 abgebildeten Ströme und Spannungen.

Der Strom in die primäre Referenzfeldplatte hat eine Amplitude von 20,5 A und führt mit der Windungszahl 8 des Referenzsystems zu einer Durchflutung von 116 Aeff. Ausgangsseitig fließt ein Strom von 32,1 A Amplitude, welcher bei Windungszahl 6 zu einer sekundären Durchflutung von 136 Aeff führt.

Ein entsprechendes Simulationsmodell zeigt Abbildung 178. Hierbei sind alle sekundären Bauelemente und Quellen auf eine sekundäre Windungszahl von 1 umgerechnet. Bei Speisung mit einer primären Durchflutung von 123 Aeff ergibt diese Simulation eine sekundäre Durchflutung von 144 Aeff bei einem Winkel von 89°. Die Abweichungen zur Messung können im Wesentlichen durch die nur begrenzt genaue Messung des Kopplungsleitwertes begründet werden, welcher gegenüber dem realen Wert zu niedrig liegt. Weiterhin werden in der Simulation keine Verluste berücksichtigt.


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Abbildung 177: Spannungen und Ströme an den Feldplatten

Abbildung 178: Simulationsmodell

-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-10 -5 0 5 10

Sp

an

nu

ng

/ V

Str

om

/ A

Zeit / µs

i1

i2

uC1p

u2


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Abbildung 179: Gemessene Flussdichte

Die sich in diesem Betriebspunkt zwischen den Feldplatten ergebene Flussdichte zeigt Abbildung 179 als gemessene Werte. Gemessen ist die z-Richtung der Flussdichte (in Richtung der Flächennormalen) längs der Mittellinie in Fahrtrichtung und quer zur Fahrtrichtung in etwa durch das Zentrum einer Teilspule. Die Höhe der Messung liegt bei 85 mm über der Oberfläche der primären Feldplatte.

Als Vergleich ist die Flussdichte der Querrichtung aus einer Simulation abgebildet. In dieser Simulation sind deutlich die lokalen Überhöhungen der Flussdichte in der Nähe der Wicklungen zu erkennen. Nach außen hin erfolgt ein Sattel in der Nähe der Ferritkante und eine Flussdichtenspitze außen, welche durch den hierbei simulierten Stahlrahmen des Schachtes begründet ist.

3. Wirkungsgrade und Leistungen

Die im Projekt durchgeführten Kreuztests (XIV.2), bei denen alle wechselseitigen Kombinationen der Versorgungsgeräte und Abnehmer aller Hersteller kombiniert werden, stellen den letztendlichen experimentellen Nachweis der Funktionsfähigkeit und Praxistauglichkeit der Interoperabilitätsdefinition dar. Zugleich bieten diese den Nachweis zur Anwendbarkeit des Zertifizierungsverfahrens.

Im Endeffekt erwartet der Nutzer der kontaktlosen Energieübertragung auf jeder Versorgungsstation irgendeines Herstellers die erwartete Leistung mit einem guten Wirkungsgrad zu beziehen.

Daher zeigt Abbildung 180 die messtechnisch ermittelte Ausgangsleistung der Abnehmer an die Batterie und den vom Netzanschluss bis zur Ausgangsleistung des Abnehmers (DC-Anschluss) daraus errechneten Wirkungsgrad.

Die ermittelten Ausgangsleistungen befinden sich erwartungsgemäß in einem Band von 2,9 kW bis 3,3 kW. Da die Hersteller mittels der in XV.4 behandelten Nachführung der

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-1000 -500 0 500 1000

Flu

ssd

ich

te /

µT

eff

Abstand von der Mittellinie / mm

Flussdichte in z-Richtung (gemessen)

längs

quer

Simulation(quer)


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Primärdurchflutung auf die Übertragungsleistung Einfluss nehmen können, steckt in diesem Band bereits eine gewisse Willkür, in wie weit eine Einspeisung die meist mit 16 A abgesicherte Zuleitung auch ausnutzt oder eine Reserve für andere Verbraucher (z.B. Garagenlicht) belässt.

Der beste erreichte Wirkungsgrad liegt bei 87,7 %. Verglichen mit Veröffentlichungen und vertraulichen Informationen aus Gremien ist dies ein sehr hoher Wert. Dieser Wert wurde sogar erreicht, obwohl zur Realisierung öffentlicher Infrastruktur ein bodenebener Einbau mit extrem großen Luftspalten untersucht ist. Für die Technologiepartner besonders überraschend ist das extrem enge Band von 1,7 % in dem sich die Wirkungsgrade aller, eben auch herstellergemischten, Kombinationen bewegt. Trotz extrem unterschiedlicher Geometrie der sekundären Feldplatten und verschiedenartigen und nicht abgestimmt entwickelten Einspeisungen gibt es beim Wirkungsgrad kaum Unterschiede.

Offenbar sind die grundsätzlichen Einflüsse der gewählten Interoperabilitätsparameter wie z.B. Spulentyp und Arbeitsfrequenz von größerer Bedeutung für den Wirkungsgrad als die Geometrien der sekundären Feldplatten.


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Abbildung 180: Leistung und Wirkungsgrad im Hersteller gemischten Betrieb

Referenzsystem

Primär SEW

Primär Vahle

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Fahrzeug

A: EAI/ifakFahrzeug

B1: SEWFahrzeug

C: VahleFahrzeug

D: IPT

3,08 3,10

2,97 3,06

3,25 3,21 3,18 3,23 2,93 2,92 2,93 2,93

P /

kW

Leistung (Batterie)


f=140 kHz

Fahrzeug ifak, SEW großflächige Doppel-Flach-Spule

Fahrzeug Vahle, IPT kompakte Solenoid-Spule

Referenzsystem

Primär SEW

Primär Vahle

70

75

80

85

90

95

Fahrzeug

A: EAI/ifakFahrzeug

B1: SEWFahrzeug

C: VahleFahrzeug

D: IPT

86,4 86,0

86,8 86,2

87,0 86,0 86,4 86,1

87,7 87,6 87,6 87,6

Wir

ku

ng

sgra

d /

%

Wirkungsgrad (Netz-Batterie)


Messwerte unter Einbeziehung der Verluste durch Zuleitungen und Steckkontakte des Messaufbaus

f=140 kHz


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4. Nachführung der Primärdurchflutung

Abbildung 181: Einfluss der Nachführung der Primärdurchflutung

10

11

12

13

14

15

16

Referenz SEW Vahle

Infrastruktur

Erregung / Aeff @ 8 Wdg.

SEW

Vahle

IPT

ifak/EAI

SEW iMiEV

Fahrzeug

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

Referenz SEW Vahle

Infrastruktur

Netzleistung / W

SEW

Vahle

IPT

ifak/EAI

SEW iMiEV

Fahrzeug

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

Referenz SEW Vahle

Infrastruktur

Batterieleistung / W

SEW

Vahle

IPT

ifak/EAI

SEW iMiEV

Fahrzeug


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Betrachtet man das Band der Ausgangsleistung einer bestimmten operativen primären Feldplatte in Abbildung 180 oder Abbildung 181, so ist festzustellen, dass sich die Ausgangsleistung bei allen verschiedenen Fahrzeugen in einem sehr engen Rahmen hält.

Anders verhält es sich bei der Referenzfeldplatte, bei der sich in der Ausgangsleistung deutliche Unterschiede von etwa 250 W zeigen. Dieses abweichende Verhalten erklärt sich über die Primärdurchflutung. Die Interoperabilitätsprüfung sekundärer Abnehmer erfolgt bei der über die Interoperabilitätsdefinition festgelegten Nenndurchflutung. Auslegungstoleranzen sekundärer Abnehmer gegenüber dem gewünschten Nennpunkt wirken sich somit auf die erreichte Ausgangsleistung aus. Dennoch liegen auch diese Unterschiede unter 10 % der erwarteten Ausgangsleistung und zeigen, dass eine genaue Nennpunktauslegung erreichbar ist.

Um einen Ausgleich der Fertigungs- aber auch der im Betrieb durch Querversatz und Höhenunterschiede entstehenden Toleranzen zu erreichen, lässt die Interoperabilitätsdefinition eine Nachführung der primären Durchflutung um den Nennpunkt herum zu. Diese Eigenschaft wird von den operativen Versorgungsgeräten genutzt.

Am Beispiel des operativen Versorgungsgeräts der SEW ist in der obersten Grafik von Abbildung 181 deutlich die auf jedes Fahrzeug automatisch abgestimmte Primärdurchflutung zu erkennen. Faktisch besteht das Ziel der Primärdurchflutung darin, die Netzleistung auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Aufgrund der begrenzten Maximalleistung des Netzes, aber des Wunsches einer möglichst schnellen Ladung, soll die Netzleistung bestmöglich ausgenutzt werden. In Folge wird auch die Ausgangsleistung zwischen verschiedenen Abnehmern vergleichmäßigt.

Das Optimierungsziel der Hersteller kann an dieser Stelle unterschiedlich ausfallen. Die Werte zeigen, dass das operative Versorgungsgerät von SEW die Auslastung des Netzes maximiert, das Versorgungsgerät von Vahle eine bewusste Reserve für gegebenenfalls andere am Netzanschlusspunkt betriebene Verbraucher belässt.

5. Versatz

Der alltägliche Einsatz der kontaktlosen Energieübertragung erfordert insbesondere bei der Positionierung des Fahrzeugs auf der Feldplatte eine dem Nutzer zumutbare Toleranz, ohne die Qualität der Energieübertragung bezüglich Ausgangsleistung und Wirkungsgrad spürbar einzuschränken (vgl. VI.7).

In den normativen Gremien wird davon ausgegangen, dass ein Nutzer eine Positioniertoleranz von ±100 mm erreichen kann. Mit optischer Unterstützung des Positioniervorgangs ist das ein plausibler Wert.

Die folgenden Messungen zeigen, welchen Einfluss die gewählten Designs der realisierten Feldplatten auf Ausgangsleistung und Wirkungsgrad nehmen. Dabei ist mit konstanter Nenndurchflutung gemessen worden. Mittels Nachführung der Erregung kann der Hersteller die Versatztoleranz in einem weiten Rahmen verbessern, nimmt dann jedoch eine entsprechende Überdimensionierung der Einspeisung in Kauf.


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Abbildung 182: Versatztoleranz der Leistung

Bei einem Längsversatz entstehen im betrachteten Bereich 600 W bis 800 W Leistungseinbuße. Erwartungsgemäß (vgl. VI.7) ist diese Richtung empfindlicher als die Querrichtung, bei der lediglich 200 W Einbuße entstehen. Allerdings kann die Längsrichtung auch leichter vom Fahrer korrigiert werden, als dies bei der Querrichtung der Fall ist.

Der Einfluss des z.B. durch Fahrzeugbeladung entstehenden Höhenversatzes ist bei dem großflächigen Abnehmer von SEW stärker ausgeprägt, als dies bei dem kleinflächigen

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

0 50 100 150

Leis

tun

g /

W

Entfernung vom Zentrum / mm

Leistung bei konstanter Durchflutung

SEW (B1) auf Referenzsystem

z-15 Querversatz

z-15 Längsversatz

z-15 Diagonalversatz

Querversatz

Längsversatz

Diagonalversatz

z+15 Querversatz

z+15 Längsversatz

z+15 Diagonalversatz

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

0 50 100 150

Leis

tun

g /

W


Leistung bei konstanter Durchflutung

IPT (D) auf Referenzsystem

z-15 Querversatz

z-15 Längsversatz


Querversatz

Längsversatz

Diagonalversatz

z+15 Querversatz

z+15 Längsversatz



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Abnehmer von IPT der Fall ist. Das liegt in der höheren Kopplung großflächiger Feldplatten begründet, bei denen der Abstand in die relative Änderung stärker eingeht und somit eine größere Verstimmung des Resonanzkreises entsteht.

Abbildung 183: Versatztoleranz des Wirkungsgrads

Die Toleranz des Wirkungsgrades bei Versatz liegt bei beiden Systemen unter einem Prozent und ist damit gegenüber dem Einfluss auf die Leistung unbedeutend.

80%

81%

82%

83%

84%

85%

86%

87%

88%

89%

90%

0 50 100 150

Wir

ku

ng

sgra

d


Wirkungsgrad bei konstanter Durchflutung

SEW (B1) auf Referenzsystem

z-15 Querversatz

z-15 Längsversatz


Querversatz

Längsversatz

Diagonalversatz

z+15 Querversatz

z+15 Längsversatz


80%

81%

82%

83%

84%

85%

86%

87%

88%

89%

90%

0 50 100 150

Wir

ku

ng

sgra

d


Wirkungsgrad bei konstanter Erregung

IPT (D) auf Referenzsystem

z-15 Querversatz

z-15 Längsversatz


Querversatz

Längsversatz

Diagonalversatz

z+15 Querversatz

z+15 Längsversatz



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6. Aufboden-Anordnung

Die Interoperabilitätsdefinition ist an den bodenebenen Einbau der primären Feldplatte orientiert. Hintergrund dafür ist, dass die sekundären Abnehmer somit auf die elektromagnetisch anspruchsvollste Anordnung dimensioniert sind.

Dennoch gibt es eine große Anzahl von Anwendungen, bei denen eine bodenebene Montage notwendig ist. Hierzu gehören z.B. Parkhäuser oder auch private Garagen, wo zumindest nachträglich kein Versenken der Feldplatte in den Betonboden erfolgen kann.

Ohne die Möglichkeit, Feldplatten auch als Aufboden-Anordnung interoperabel zu betreiben, hat die Verbreitung der Interoperabilitätsdefinition in der Praxis daher keine Chance. Insofern demonstriert dieser Abschnitt, dass eine derartige Montage möglich ist. Es geht hierbei lediglich um die grundsätzliche Machbarkeit. Mögliche Optimierungen für derartige Anwendungen, wie die Verringerung von Fläche und Gewicht sind nicht Bestandteil dieser Untersuchung.

Abbildung 184: Alltagseinsatz in Aufboden-Anordnung

Da der eigentlich elektromagnetische Teil der primären Feldplatte lediglich eine Höhe von 50 mm aufweist, besteht die eine direkte Möglichkeit für die Aufbodeninstallation darin, diese Feldplatte ohne Änderung einfach auf den Boden zu platzieren. Die Anwendung dieser Option innerhalb einer privaten Garage zeigt Abbildung 184.

Technologisch problematisch ist bei dieser Lösung, dass sich die magnetischen Verhältnisse, insbesondere der Kopplung, deutlich gegenüber der bodenebenen Installation verändern. Fahrzeugseitig können jedoch keine Anpassungen vorgenommen werden, da dieses sowohl auf bodenebenen als auch auf Aufboden-Anordnungen betreibbar sein muss. (Zwar wären Anpassungen denkbar, wenn eine Kommunikation zwischen primärer und sekundärer Feldplatte installiert und z.B. geschaltete Anpassungen im Fahrzeug


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vorgenommen werden, jedoch ist eine derartige Lösung technisch aufwendig und teuer und zu vermeiden.)

Größe Auf-boden

bodeneben Interoperabilitäts-

definition Einheit

Plattenabstand 105 150 mm Ferritabstand (ca.) 150

(-23%) 195 mm

Leistung (Netz) 3,64 3,66 kW Leistung (Batterie) 3,16 3,18 kW Wirkungsgrad 86,8 86,8 % Primäre Durchflutung 97

(-20%) 121 Aeff

Sekundärer magnetischer Leitwert G2 (Simulation) 573 (+4%)

549 nH

Kopplungsleitwert GM (Simulation) 258 (+48%)

174 nH

Tabelle 15: Aufboden-Betrieb der Referenzfeldplatte

Wie stark sich die magnetischen Verhältnisse ändern, zeigt Tabelle 15. Der sichtbare Plattenabstand sinkt auf zwei Drittel, der magnetisch wirksame Ferritabstand um ein Viertel. Trotz dieser extrem großen Toleranz gegenüber dem Auslegungspunkt lässt sich die erwartete Leistung bei weiterhin sehr gutem Wirkungsgrad übertragen.

Der Grund für dieses, dem Luftspalt gegenüber äußerst tolerable Verhaltens der nach Interoperabilitätsdefinition gestalteten Systeme zur kontaktlosen Energieübertragung liegt darin begründet, dass bei den gegebenen verhältnismäßig großen Luftspalten der Koppelfaktor mit etwa 30 % nach wie vor klein ist. Damit bleibt die sekundäre Induktivität des Transformators, den die Feldplatten bilden, von der Streuinduktivität dominiert und Änderungen der Kopplung gehen nur relativ gering in diesen Wert ein. Damit bleibt die Abstimmung des Resonanzkreises relativ gut erhalten.

Sehr stark ändert sich jedoch die Kopplung, die um die Hälfte ansteigt. Bei gleichen Durchflutungen stiege die übertragene Leistung auch dem entsprechend an. Mittels Reduktion der primären Durchflutung (vgl. XV.4) kann dieser Effekt jedoch leicht kompensiert werden. Aufgrund der Fehlabstimmung des Resonanzkreises, der sich mit einer Absenkung der sekundären Durchflutung auswirkt, muss die primäre Durchflutung lediglich um 20 % abgesenkt werden.

Grundsätzlich bestätigt diese Untersuchung, dass interoperable Versorgungsgeräte ohne technologische Änderung als bodenebenes oder Aufbodensystem betrieben werden können und interoperabel ausgelegte Fahrzeuge wechselseitig auf beiden Installationsanordnungen geladen werden können. Dieses Verhalten ist nicht nur im Labor, sondern im Alltagsbetrieb bestätigt.


Seite 177 28.07.2017

7. Test Gesamtsystem StreetScooter/EAI/ifak

Um den induktiven Ladevorgang im Rahmen der Feldtestversuche (Standort: EAI Ilsenburg) besser bewerten zu können, ist im Testfeld Ilsenburg zusätzliche Messtechnik installiert (Abbildung 185), um die elektrischen Parameter sowohl primär- als auch sekundärseitig zu erfassen. Um die Vergleichbarkeit einzelner Versuche zu gewährleisten, ist die zusätzliche Erfassung der Außentemperatur und die des Sekundärsystems möglich.

Abbildung 185: Testfeld EAI GmbH

Die Messdaten können in dem Prozessleitsystem FlowChief aufgezeichnet, ausgewertet und überwacht werden. Dies hat den Vorteil der regelmäßigen Datensammlung, den Wegfall der provisorischen Aufbauten von Messgeräten im Außenbereich und beispielsweise einer zuverlässigen Messdatenerfassung im Hinblick auf die Weiterentwicklung und Optimierung des induktiven Ladesystems.

In einer weiteren Entwicklungsetappe soll die Energie zum Ladung über die Solaranlage (ca. 5,04 kWp) zur Verfügung gestellt werden. Dafür ist eine netzunabhängige Insellösung konzipiert worden. Im Testfeld ist ein entsprechender Schaltkasten mit den angeschlossenen Solarmodulen vorinstalliert. Es soll im Folgenden das Ladeverhalten im Inselbetrieb erforscht werden.

Abbildung 186: Übersicht FlowChief InterOp


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Abbildung 187: Aufzeichnung Ladevorgang B14-1

Die Abbildung 187 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Ladevorgangs des B14 – 1 über einen Zeitraum von ca. 4 Stunden.

Abbildung 188: Aufzeichnung Ladevorgang B14-1

Die Abbildung 188 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Ladevorgangs des B14 – 1 über einen Zeitraum von ca. 45 Minuten. Nach Erreichen der Ladeschlussspannung schaltet das System selbstständig ab (ca. 12 Uhr).


Seite 179 28.07.2017

Testfeld Bruchsal

Testfeld Berlin und Ilsenburg

Kreuztests in Bruchsal und Ilsenburg

Präsentationen auf der ECARTEC 2016 Eröffnung des Tower of Power in Wien mit INTEROP-

Technik durch Alois Stöger, Arbeits- und

Sozialminister Österreich

Wireless interoperable Power Transfer Test

Facility, "Öffentliche" Prüfung 210 mm incl.

ISO 15118 Kommunikation, Versailles 2017


Seite 180 28.07.2017

XVI. Literaturverzeichnis

Ergänzende Schlussberichte

siehe [1] - [6] Seite 2

Normen

[7] VDE-AR-E 2122-4-2, "Elektrische Ausruestung von Elektro-Strassenfahrzeugen Induktive Ladung von Elektrofahrzeugen", Teil 4-2 "Niedriger Leistungsbereich", March, 2011

[8] IEC 61980-1/Ed.1(CDV), “Electric vehicle wireless power transfer systems (WPT) - Part 1: General requirements”, 2013

[9] DIN IEC/TS 61980-3:2015-09, “Electric vehicle wireless power transfer systems (WPT) – Part 3: Specific requirements for the magnetic field wireless power transfer systems / Kontaktlose Energieübertragungssysteme (WPT) für Elektrofahrzeuge – Teil 3: Spezifische Anforderungen für die kontaktlosen Energieübertragungssysteme mit Magnetfeld”, 2015

[10] ISO/PAS 19363, „Electrically propelled road vehicles – Magnetic field wireless power transfer – Safety and interoperability requirements“, 2017

[11] SAE J2954 (TIR), „Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-In/ Electric Vehicles and Alignment Methodology“, nicht öffentlich

[12] ISO 15118-1, „Road vehicles – Vehicle to grid communication interface – Part 1: General information and use-case definition“, 2013

[13] ISO 15118-2, Road vehicles – Vehicle-to-Grid Communication Interface – Part 2: Network and application protocol requirements“, 2014

[14] 26. BImSchV, „Sechsundzwanzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissions-schutzgesetzes (Verordnung über elektromagnetische Felder)“, 11.11.2013

[15] ICNIRP Guidelines 1998, „ICNIRP guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz)“, HEALTH PHYSICS 74 (4):494‐522, 1998

[16] ICNIRP Guidelines 2010, „ICNIRP guidelines for limiting exposure to time varying electric and magnetic fields (1 Hz– 100 kHz)“, HEALTH PHYSICS 99(6):818‐836, 2010

[17] ISO 14117, „Active implantable medical devices – Electromagnetic compatibility – EMC test protocols for implantable – cardiac pacemakers, implantable cardioverter defibrillators and cardiac resynchronization devices“, 15.7.2012

[18] DIN EN ISO 12100, „Sicherheit von Maschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze – Risiko-beurteilung und Risikominderung“, März 2011

[19] DIN EN 62061, „Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und prorgrammierbarer elektronischer Steuerungssysteme“, September 2013

[20] DIN EN 61508-1, „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer / elektronischer / programmierbarer elektronischer Systeme – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“, Februar 2011

[21] ISO 26262, „Road vehicles – Functional safety“, 2011

[22] IEC CISPR 11, “Industrial, scientific and medical equipment – Radio-frequency disturbance characteristics – Limits and methods of measurement”, Edition 6.0, 6.2015

[23] ETSI EN 300 330-1, „Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment in the frequency range 9 kHz to 25 MHz and inductive loop systems in the frequency range 9 kHz to 30 MHz – Part 1: Technical characteristics and test methods“, V1.7.1, 2.2010

[24] „Funkanwendungen auf den ISM-Bändern“, Bundesnetzagentur

http://www.icnirp.de/documents/LFgdl.pdf

http://www.icnirp.de/documents/LFgdl.pdf


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Studien

[25] R. Guldimann, M. Meier, „Magnetfeld-Expositionen durch professionelle Induktionskochherde – Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz, Messerhebung an Gastroarbeitsplätzen“, Eidgenössisches Departement des Innern – Bundesamt für Gesundheit BAG, Schweiz, 2010

[26] D. Stunder, T. Seckler, K. Jagielski, „Studie zur Wirkung niederfrequenter magnetischer Felder in der Umwelt auf medizinische Implantate“, Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V., FAT Schriftenreihe 282, 2015

Wissenschaftliche Veröffentlichungen des InterOp-Projektes

[27] Faical Turki, Ulrich Reker, "Further Design Approaches of the Standardization: Inductive Charging of Electric Vehicles", 2nd International Electric Drives Production Conference and Exhibition, Nürnberg, 2012

[28] O. Simon, “Challenges for Interoperable Wire Less Charging. World of Energy Solutions”, Stuttgart, 1.10.2013

[29] Rathge, C.; Thamm, S.; Hoppe, A.: Systematically Design and Optimisation of Inductive Power Transmission Systems. 3rd International Conference Electric Drive Production E|DPC-2013, 29.-30.10.2013, Nürnberg, IEEE, 2013, ISBN 978-1-4799-1102-8

[30] Thamm, S.; Rathge, C.; Jumar, U.: A coil system optimisation for contactless inductive energy transmission. PCIM Europe, 14.-16.05.2013, Nürnberg, VDE Verlag, 2013, ISBN 978-3-8007-3505-1

[31] F. Turki, O. Simon, W. Schnurbusch, A. Hoppe, “A universal definition of the interoperability for cross-manufacturer contactless charging systems”, EDPC/E|TEV conference, Nuernberg, 2014

[32] O. Simon, T. Krempel, F. Turki, W. Schnurbusch, A. Hoppe, “Proposal of a power source definition to provide interoperable use of wireless power transfer systems”, IEEE International Electric Vehicle Conference 2014, 16.-19.12.2014, Florence, Italy, 2014

[33] Hoppe, A., “Neue Einsatzmöglichkeiten und Entwicklungstendenzen in der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung”,. 9. Fachveranstaltung Kontaktlose Energieübertragung Stand der Technik, 30.06. - 01.07.2014, Stuttgart, Universität Stuttgart, 2014

[34] Thamm, S.: On the Radiated Emissions of a Wireless Energy Transmission System for High Power Charging Applications. PCIM Europe, International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 20.-22.05.2014:386-392, Nürnberg, 2014, ISBN 978-3-8007-3603-4

[35] O. Simon, F. Turki, D. Doerflinger, A. Hoppe, “Field test results of interoperable electric vehicle wireless power transfer”, 18th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE’16, 06. - 08.09.2016, Karlsruhe, 2016

InterOp-Präsentationen

[36] Hoppe, A.: Neue Einsatzmöglichkeiten und Entwicklungstendenzen in der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung. 9. Fachveranstaltung Kontaktlose Energieübertragung Stand der Technik, 30.06. - 01.07.2014, Stuttgart, Universität Stuttgart, 2014

[37] Hoppe, A.: Sichere und normkonforme kontaktlose Energie- und Datenübertragung – Die elektromagnetische Verträglichkeit und weitere Normungsaspekte. 10. Fachveranstaltung Kontaktlose Energieübertragung Stand der Technik, 24.06.2015 - 25.06.2015, Stuttgart, Universität Stuttgart, 2015

[38] Hoppe, A.: Kombinierte kontaktlos induktive Energie- und Datenübertragung. 11. Tagung Induktive berührungslose Energieübertragung, 28.-29.06.2016, Stuttgart, Haus der Technik/Universität Stuttgart, 2016


Seite 182 28.07.2017

Allgemeine wissenschaftliche Veröffentlichungen

[39] J. Meins, R. Czainski, F. Turki, "Phase control of resonant power supply inverters", Proc of EPE ’05 conference, Dresden, 2005

[40] G. Bühler, "Systemverluste bei der berührungslosen induktiven Energieübertragung", ISBN: 978-3868531725, Dr. Hut ,2009

[41] J.T. Boys, C.-Y. Huang, G.A. Covic, "Single-Phase Unity Power-Factor Inductive Power Transfer System", Power Electronics Specialists Conference, IEEE, 2008

[42] A. Hunscher, T. Goetzmann, "Urban Charging Infrastructure Successfully Integrated by Inductive Charging Technology", EDPC conference, Nuernberg, 2012

[43] Kürschner, D.; Rathge, C.; Jumar, U.: Design methodology for high efficient inductive power transfer systems with high coil positioning flexibility. IEEE Transactions On Industrial Electronics 2011, ISSN: 0278-0046, DOI: 10.1109/TIE.2011.2181134

[44] Kürschner, D.: Methodischer Entwurf kontaktlos induktiver Energieübertragungssysteme. Shaker Verlag Aachen, 2010, ISBN: 978-3-8322-8897-6

[45] Rathge, C.; Hoppe, A.: Wireless Inductive Power and Data Transfer – Design, Opportunities, Chances and Limitations, E|TEV 2012, Nürnberg, 17.10.2012, Tagungsband auf CD ROM

[46] Budhia, M.; Boys, J.T.; Covic, G.A.; Chang-Yu Huan: Development of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging SystemsIEEE Transactions On Industrial Electronics 2011, ISSN: 0278-0046, DOI: 10.1109/TIE.2011.2179274

Messen / Pressemeldungen

4. Tag der Elektromobilität in Sachsen-Anhalt in Magdeburg (02.05.2015)

SPS IPC Drives 2015 in Nürnberg (24.-26.11.2015)

INTEROP Stand auf der eCarTec Messe in München 2016 http://motordialog.de/md-messe-spezial-ecartec-induktion/

INTEROP Feldtest bei Domino’s Pizza (vormals Joey’s) in Berlin http://ecomento.tv/2015/11/03/e-on-testet-induktives-laden-fuer-elektroautos-in-der-praxis/

E.On Mitteilung zur induktiven Ladetechnik http://www.elp.com/articles/2015/10/e-on-tests-inductive-charging-for-electric-vehicles-around-berlin.html

Internetseiten der Projektpartner http://www.erneuerbar-mobil.de/projekte/interop http://www.streetscooter.org/forschung http://www.german-e-cars.de/projekte/ https://www.innoz.de/de/interop-interoperables-induktives-laden

Ergebnisverwertung über die Nutzerorganisation WiPT http://wipt-charging.de

http://motordialog.de/md-messe-spezial-ecartec-induktion/

http://ecomento.tv/2015/11/03/e-on-testet-induktives-laden-fuer-elektroautos-in-der-praxis/

http://ecomento.tv/2015/11/03/e-on-testet-induktives-laden-fuer-elektroautos-in-der-praxis/

http://www.elp.com/articles/2015/10/e-on-tests-inductive-charging-for-electric-vehicles-around-berlin.html

http://www.elp.com/articles/2015/10/e-on-tests-inductive-charging-for-electric-vehicles-around-berlin.html

http://www.erneuerbar-mobil.de/projekte/interop

http://www.streetscooter.org/forschung

http://www.german-e-cars.de/projekte/

https://www.innoz.de/de/interop-interoperables-induktives-laden

http://wipt-charging.de/


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XVII. Nomenklatur

Deutsch Englisch Abkür-zung

Erläuterung

(Energie-) Versorgungs-station "Ladestation"

(WPT) supply site Gruppe von Versorgungseinheiten in der Regel mit einer zentralen

(Energie-)Versorgungsgerät "Ladeplatte"

supply device Stationäre Baugruppen zur Energieübertragung eines einzelnen Stellplatzes ggf. mit notwendiger Kommunikationstechnik

Fahrzeugkomponenten der kontaktlosen Energieversorgung

Produktbezeichnung der SEW

Gleichrichter charger Mobiles Gerät zur Wandlung der hochfrequenten Energie in Gleichstrom (inklusive Steuerungstechnik)

Abnehmer on board supply equipment

Alle mobilen Komponenten zur kontaktlosen Energieübertragung

Einspeisung power supply unit Stationärer Wechselrichter für die Erregung der Feldplatte

Stellplatz parking space Dedizierter Ort für ein Fahrzeug mit der Möglichkeit zur Energieübertragung

Parkplatz parking site Parkplatz im Sinne eines Platzes mit mehreren Stellplätzen

Energieübertragung "Ladung"

power transmission

Kontaktlose Energieübertragung Produktname: Kontaktlose Energieversorgung "Induktive Ladetechnik"

Wireless power transmission

WPT Grundsätzliche Technik der kontaktlosen Energieübertragung umfassend mobile und stationäre Komponenten

Mobile (Energie-) Übertragungstechnik

on board supply equipment

Mobile Baugroppen zur kontaktlosen Aufnahme von Energie

mobil mobile

stationär stationary

Elektrofahrzeug electrical vehicle EV

Energieübertragungsstation WPT supply site

Ablaufsteuerung process control Prozess der Koordination von Versorgungsgerät und Fahrzeug

Kommunikation communication Mittel zur Übertragung von Informationen zwischen mobilen und stationären Komponenten

Zuordnung pairing Prozess zur kommunikationstechnischen Zuordnung von Fahrzeug zum ihm zugeordneten Versorgungsgerät.

Plattenüberdeckung alignment Prüfung einer ausreichenden Überdeckung der Feldplatten, so dass die Voraussetzung zur Energieübertragung erfüllt sind

Initialisierung initialization Prozess der Kompatibilitätsprüfung zwischen Fahrzeug und Infrastruktur

Feldplatten (mobile …, stationäre ...) "Ladeplatte"

primary / secondary device "charging pads"

Platte im Sinne eines Gehäuses mit ggf. zusätzlichen Komponenten, die für die elektromagnetische Kopplung sorgt

Drahtloses Netzwerk wireless local network

WLN

Nahfeldkopplung pint to point link P2PL

Modem Technisches Gerät, welches die Funktion der Nahfeldkopplung umsetzt.

Fernfeldkommunikation far field communication

Kommunikation über das drahtlose Netzwerk (WLN)

Nahfeldkommunikation point to point communication

P2PC

Nahfeldsignal point to point signal

P2PS


Seite 184 28.07.2017

Verbindungsaufbau connection setup

Steuerungskommunikation command&control

V2S

Netzbetreiberdienste high level services

Dienste für den Datenaustausch von Fahrzeug und Netz gemäß der ISO/IEC 15118.

Netzbetreiberkommunikation high level communication

V2G Kommunikation bzw. Nachrichten für den Fahrzeug zu Netzbetreiber Datenaustausch welche die Netzbetreiberdienste gemäß ISO/IEC 15118 realisieren.

Interoperabilitätsdefinition definition of interoperability

Stationärer Kommunikationsknoten

supply equipment communication controller

SECC

Mobiler Kommunikationsknoten

electric vehicle communication controller

EVCC

Kommunikationsgerät (Zentrales-)

central communication unit

Zentrales Gerät einer Versorgungsstation für die Kommunikationsgeräte, z.B. für Anschluss von Telekommunikation zum Back-End der EVUs oder zu Diagnosezwecken

Stationäre Steuerung primary device communication controller

PDCC

Mobile Steuerung secondary device communication controller

SDCC

Nachricht telegram Bytefolge mit Informationen gemäß einem definierten Protokoll

Lastverteilung load leveling Gesteuertes aktivieren von elektrischen Verbrauchern zur Steuerung der Netzlast, in der Regel um Energiegewinnungsspitzen von grüner Energieerzeugung aufzunehmen.

Verbundentwicklungspartner joined development partners

Technologiehersteller technology manufacturer

physikalischer Übertragungskanal

pysical layer

Verbrennungsmotor combustion engine

Präsensmelder vehicle detection

Technologieerkennung WPT detection Erkennung eines mit (interoperabler) kontaktloser Ladetechnik ausgestatteten Fahrzeugs

Anforderung request Anforderungs- und Antwortnachrichten

Antwort response Anforderungs- und Antwortnachrichten

Assoziierung association Verbindungsvorgang eines (WLAN) Clients and einen Accesspoint

Anbindung binding Prozess des Aufbaus einer Netzbetreiberkommunikation

Netzbetreiber grid operator

Versorgungsnetz grid

Fremdkörpererkennung foreign object detection

Positionsmessung position sensor Positionsmessung bis zur Erreichung der Plattenüberdeckung, Genauigkeit im Bereich unter einem Zentimeter, i.d.R. mit Reichweite von einigen zehn Zentimetern. Die Positionsmessung kann zur Unterstützung des Fahrers und der Einparkhilfe dienen.


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Sicherheitssteuerung safety control

Batteriemanagement battery management system

BMS Gerät zur Überwachung der Batterie und Bestimmung der Ladeleistung

Authentifizierungsgerät authentication unit

Gerät zur Ermittlung der Berechtigung zum Bezug von Energie

Anzeige display HMI

Elektrofahrzeug electrical vehicle EV

Einparkhilfe park assistant Gerät zur ggf. auch automatischen Unterstützung des Fahrers zum Einparken in einen Stellplatz. Typische Genauigkeit von zehn Zentimetern und Reichweite von einigen Metern. Dieses System ist nicht direkter Bestandteil des kontaktlosen Energieübertragungssystems.

Navigationssystem navigation system

System zur Unterstützung des Fahrers eine Route zu einem Stellplatz zu planen und zu führen.

Arbeitsfrequenz operating frequency

Arbeitsfrequenz des kontaktlosen Energieübertragungssystems bezüglich des magnetischen Wechselfeldes im Luftspalt

Erregung

eigensicher inherently safe Konstruktion die aufgrund ihrer Gestaltung Gefährdungsrisiken vermeidet.

Basisgrenzwert basic limit

abgeleiteter Grenzwert reference limit

Aktive Körperhilfsmittel active implants

bodeneben flush mounted

Aufboden on ground

Wertebereich range

Wicklungsschwerpunkt current linkage balance

Auf eine Windung konzentrierte Wicklungsanordnung

On Board Supply Equipment

Abnehmer

Wireless Supply Site

Kontaktlose Versorgungsstation

Electrical Vehicle

Infrastructure Communication

Interface (EVICI)

Infrastrukturseitige Kommunikations-Interface

Vehicle Communication Interface

(VCI) Fahrzeugseitige Kommunikations-schnittstelle

Electrical Vehicle

Communication Controller (EVCC)


Point to Point Link (P2PL)

Signal (P2PS) or

Communication (P2PC)

Nahfeld -kopplung (-signal,-kommunikation)

Secondary device

communication controller

(SDCC)

Mobile Steuerung

Secondary Device

Mobile Feldplatte

Power Transfer

Energieübertragung

Grid

Versorgungsnetz

Pairing & Safety Control

Zuordnungs- und Sicherheiststeuerung

Wireless Local

Network (WLN)

Drahtloses Netzwerk

Position Sensor (PS)

Positionsmessung

Position Sensoring

Positionsmessung

HMI

Supply

Equipment

Communication

Controller (SECC)


Mobile

Mobil

Stationary

Stationär

BMS

HMIDisplay

Anzeige

Battery Management

System (BMS)

Batteriemanagement

Battery

Batterie

Supply Device

Versorgungsgerät


Signal (P2PS) or




Positionsmesseinheit

Primary Device Communication

Controller (PDCC)

Stationäre Steuerung

Power Supply

Unit

Einspeisung

Primary device


Wireless Power Transfer System (WPT) - Kontakloses Energieübertragungssystem

Technical Components - Technische Komponenten

Auth.-Unit

Authentification Unit

Authentifizierungsgerät

EVU

Foreign Object

Detection (FOD)

Fremdkörper- Erkennung

Foreign Object

Detection

(FOD)

Fremdkörper- erkennung

Object Detection

Objekterkennung

Charger

Ladegerät

Electrical Vehicle (EV)

Elektrofahrzeug

Abbildung 189: Übersicht zur Nomenklatur

WiPT Technische Spezifikation

Interoperable kontaktlose Energieübertragung

Magnetkreis Spezifikation 95 003 00 15 Kontaktlose Energieübertragung Interoperabilitätsspezifikation Magnetkreis DE IPG4 15.07.15

Stand: 26.07.2017 TS_InterOp_Magnetkreis_007.docx Seite 1 / 16 SEW-EURODRIVE

Verbundforschungsprojekt: „Inductive Norm Test by Exchange in Real Operation“ InterOp

Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

Magnetkreis

Technische Spezifikation für den interoperablen Betrieb von kontaktloser Energieübertragung kleiner Leistung

(Interoperabilitätsdefinition)

Version 1.2





Änderungsverfolgung:

Versionskennungen werden für freigegebene Änderungsstände fortlaufend vergeben, sobald im Arbeitskreis eine konsolidierte Fassung verabschiedet wird. Bei Änderungseintragungen in eine vormals konsolidierte Fassung wird die Versionsnummer bei der ersten Änderung bis zur nächst folgenden Verabschiedung einmalig erhöht. Bei laufenden Änderungen wird vor einer neuen Verteilung des Dokumentes ein neues Datum in der Änderungsverfolgung eingetragen und die Dateinummer erhöht.

Datum Änderung Autor Version Datei

20.5.2014 Interoperabilitätsdefinition und Wicklungsschwerpunkt Simon _001

17.6.2014 Durchflutungsschwerpunkt _002

21.2.2015 Festlegung der Wicklungshöhe im Referenzsystem verabschiedet

Simon 1.0

_003

3.3.2015 Ergänzung Wicklungsverteilung Simon _004

7.4.2015 Titelblatt Simon 1.1 _005

24.7.‘17 Abschlussbericht des Gesamtvorhabens InterOp 1.2 _007

Dokumente zur Interoperabilitätsdefinition der kontaktlosen Energieübertragung:

• Technische Spezifikation, Interoperable kontaktlose Energieübertragung, Magnetkreis TS_InterOp_Magnetkreis_xxx.pdf

• Technische Spezifikation, Interoperable kontaktlose Energieübertragung, Kommunikation und Ablaufsteuerung TS_InterOp_V2S_Kommunikation_xxx.pdf

• Technische Spezifikation, Interoperable kontaktlose Energieübertragung, Nahfeldkopplung TS_InterOp_Nahfeldkopplung_xxx.pdf





Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Begriffsbestimmungen 4

2.1 Begriffsdefinitionen 4

2.1.1 Applikationsbestimmte Begriffe 4

2.1.2 Ladetechnologiebestimmte Begriffe 5

2.1.3 Herstellerbestimmte Begriffe 6

2.2 Parameterraum und Referenzdefinitionen 7

2.3 Referenzanordnung Fahrzeugunterboden 8

3 Interoperabilitätsdefinition 9

3.1 Magnetkreis 9

3.2 Quellendefinition 9

3.3 Steuerung 11

3.4 Resonanztopologie 11

4 Referenzspulensystem 12

5 Anhang 14

5.1 Durchflutungsschwerpunkt einer verteilten Wicklung 14





1 Einleitung Das vorliegende Dokument beschreibt die zwischen den Projektpartnern getroffenen Abstimmungen für die Auslegung des Magnetkreises der interoperablen kontaktlosen Ladetechnik. Hierbei werden Begrifflichkeiten definiert und geometrische Referenzwerte für die Simulationen definiert, die zur Herstellung der Vergleichbarkeit von Vorstudien zur Interoperabilitätsdefinition notwendig wurden. Abschließend wird die eigentliche Interoperabilitätsdefinition dokumentiert.

2 Begriffsbestimmungen

2.1 Begriffsdefinitionen

2.1.1 Applikationsbestimmte Begriffe

Plattenhöhe

Die Anwendung oder Applikation für die kontaktlose Ladetechnik ist ein Elektrofahrzeug. Für den Fahrzeughersteller, der diese Ladetechnik einsetzt, ist aus seiner Sicht geometrisch relevant, wie groß der Abstand zwischen der Oberfläche der Fahrbahn, auf der sich das Fahrzeug bewegt, und dem tiefsten Punkt der am Fahrzeug montierten mobilen Feldplatte ist. Da man in aller Regel aus technologischen Gründen bestrebt ist, die Feldplatte möglichst tief zu montieren, ist dieser Abstand häufig mit der sogenannten Bodenfreiheit des Fahrzeugs gleichzusetzen.

Für die Auslegung von Ladesystemen wird von einer minimale Plattenhöhe und einer maximalen Plattenhöhe ausgegangen. Außerdem von einer maximalen erweiterten Plattenhöhe bis zu der Ladesysteme mit ggf. eingeschränkten Eigenschaften betrieben werden.

http://autoautomobiles.narod.ru/autoautomobiles/renault/renault-5-3-door-supercinq-1986.gifP

latt

en

hö

he

(pla

te h

eig

ht)

Boden(ground)

Mobile Ladeplatte(mobile charging plate)

Abbildung 1: Definition Plattenhöhe

Nominale Plattenhöhe

Als nominale Plattenhöhe wird die Plattenhöhe bezeichnet, die sich beim Anbau an ein spezifisches Fahrzeug ergibt. Diese Höhe wird fahrzeugherstellerspezifisch angegeben und richtet sich an einem Fahrzeugzustand aus, bei dem auch die Bodenfreiheit vom Hersteller ermittelt und angegeben wird.

Plattenhöhentoleranz

Der Bereich der Plattenhöhentoleranz ist der Bereich innerhalb derer sich die Plattenhöhe nach Montage an einem spezifischen Fahrzeug ändern kann. Es handelt sich also um Änderungen der





Plattenhöhe, die während der Nutzung eines Fahrzeugs auftreten können. Es gibt eine positiven Toleranzwert, der vor allem durch Schneeauflage auf dem Boden entsteht, und einen negativen Toleranzwert, der vor allem durch Fahrzeugbeladung auftritt. Der Bereich der Plattenhöhentoleranz ist die Summe aus dem positiven und negativen Toleranzwert.

Boden / Fahrbahn(Ground)


Minimale Plattenhöhe

Nominalhöhe – Toleranz

Nominale Plattenhöhe

Nominalhöhe + Toleranz

Maximale Plattenhöhe

Toleranz- bereich

Abbildung 2: Plattenhöhentoleranz

2.1.2 Ladetechnologiebestimmte Begriffe

Feldplatte

Als Feldplatte wird die komplett in einem Gehäuse untergebrachte Anordnung aus Wicklung, Ferrit, Vergussmasse und sonstigen Elementen bezeichnet, über die kontaktlos Energie ein- oder ausgekoppelt wird. Der Begriff „Platte“ rührt daher, dass es sich in der Regel aber nicht notwendiger Weise um eine flächige technische Anordnung handelt. Ein kontaktloses Übertragungssystem beinhaltet eine stationäre bzw. bodenseitige Feldplatte und eine mobile bzw. fahrzeugseitige Feldplatte.

Plattendicke

(ähnlich Anwendungsregel, der Begriff Höhe ist bereits in anderem Zusammenhang verwendet.)

Unter Plattendicke versteht man die Bauhöhe der Feldplatte.

Plattenabstand

(gemäß Anwendungsregel)

Für den Ladetechnikhersteller ist aus geometrischer Sicht relevant, welchen Abstand die stationäre Feldplatte von der mobilen Feldplatte hat. Dieser Abstand wird als „Plattenabstand“ bezeichnet.






Stationäre Ladeplatte(stationary charging plate) P

lattenabst

and

(pla

te d

ista

nce

)

Abbildung 3: Definition Plattenabstand

Im Falle eines Bodeneinbaus der stationären Feldplatte sind somit die Größen Plattenhöhe und Plattenabstand identisch. Im Falle eines Bodenaufbaus der Feldplatte ist der minimale Plattenabstand um die Plattendicke geringer als die minimale Plattenhöhe.

Plattendicke


Stationäre Ladeplatte(stationary charging plate)

Abbildung 4: Definition Plattendicke

2.1.3 Herstellerbestimmte Begriffe Für vergleichende Untersuchungen verschiedener Spulenkonfigurationen mittels Simulationen, sind bezüglich des inneren Feldplattenaufbaus bestimmte Größen zu definieren und mit einheitlichen Referenzwerten anzusetzen.

Für abstandsabhängige vergleichende Untersuchungen wird der "Plattenabstand" als variable Größe herangezogen.

Schutzüberdeckung

(„Überdeckung“ gemäß Anwendungsregel)

Für ausreichenden mechanischen Schutz der Feldplatte z.B. vor Steinschlag wird eine minimale Gehäusedicke über die gesamte Fläche angesetzt. Bei flächigen Aufbauten ist diese dünnste Stelle über den Wicklungen, so dass diese Größe auch als "Kupferüberdeckung" bezeichnet werden könnte.

Ferritüberdeckung

Bei einer flächigen Anordnung des Ferrits liegt der Ferrit hinter der Kupferwicklung im Gehäuse. Die Entfernung der dem Kupfer zugewandten Seite Ferrits bis zur Gehäuseoberfläche wird als Ferritüberdeckung bezeichnet. Bei E-förmigen Ferritanordnungen ist in der Regel die Kupferwicklung in dem Ferrit eingebettet, in diesem Fall verringert sich die Ferritüberdeckung auf die Kupferüberdeckung.

Wicklungsabstand

Als minimaler Abstand zwischen Wicklung und Ferrit wird der Wicklungsabstand definiert.

Wicklungshöhe

Als Wicklungshöhe wird der Abstand der Mitte der Kupferwicklung von der Oberfläche des Ferrits bezeichnet.





Kupfe

rabst

and /

Luftsp

alt

Magnetis

cher

Abst

and /

F

err

itabst

and (

Refe

renz:

145

mm

)

Gehäuse

Pla

ttenabst

and

(Refe

renz:

135

mm

)

Ferritüberdeckung(Referenz: 5mm)

Wicklungsabstand(Referenz: 1mm)

Ferrit Wicklung

Stationäre Ladeplatte (stationary charging plate)

Mobile Ladeplatte (mobile charging plate)

Schutzüberdeckung(Referenz: 2mm)

Abbildung 5: Definition der Simulationsreferenzwerte für die Magnetkreisstudien

Die angegebenen Maße sind nicht Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition, sondern dienen lediglich als Referenzwerte für die Simulationen der vorausgegangenen Grundlagenuntersuchungen

Magnetischer Abstand

Als magnetischer Abstand wird der Abstand zwischen den aufeinander zugewandten Ferritoberflächen bezeichnet. Dieser Abstand ist maßgeblich für den magnetischen Widerstand der Anordnung und damit neben der Durchflutung der wesentlichste Faktor für die Ausbildung der Flussdichten. Der magnetische Abstand ergibt sich durch den Plattenabstand addiert mit der zweifachen Ferritüberdeckung.

Kupferabstand

Als Kupferabstand wird der Abstand zwischen den aufeinander zugewandten Oberflächen der Kupferwicklungen bezeichnet.

2.2 Parameterraum und Referenzdefinitionen Der Parameterraum für die im vorigen Kapitel benannten Größen wird soweit möglich an die Spezifikationen der Anwendungsregel (AR) für induktives Laden VDE-AR-E 2122-4-2 des DKE mit Stand vom Januar 2011 ausgerichtet. Soweit dort keine Spezifikationen festgelegt sind, sind diese zwischen den Technologiepartnern aus InterOp als Konsenskriterien festgehalten worden.

Da einige vergleichende Untersuchungen an den Magnetkreisen aus Aufwandsgründen keine Betrachtung über den gesamten Wertebereich zulassen, werden ergänzend sogenannte Referenzwerte für jede Größe definiert.





Größe Wertebereich Referenzwert

Plattenhöhe 100 mm – 170 mm (AR) 135 mm

Erweiterte Plattenhöhe – 210 mm

Plattenhöhentoleranz -15 mm – +15 mm

Nominale Plattenhöhe 115 mm – 155 mm 135 mm

Schutzüberdeckung 2 mm

Wicklungsabstand 1 mm

Ferritüberdeckung 5 mm

Magnetischer Abstand 145 mm

Die kursiv dargestellten Werte sind nicht Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition, sondern dienen lediglich als Referenzwerte für die Simulationen der vorausgegangenen Grundlagenuntersuchungen.

Tabelle 1: Referenzwerte für die Systemauslegung und Simulationsstudien

Der Wertebereich der Plattenhöhe ergibt sich aus dem Wertebereich der AR bezüglich des Plattenabstandes bei Bodeneinbau.

Der Referenzwert der Plattenhöhe ergibt sich aus der Mitte dieses Wertebereichs.

Der Wertebereich der Nominalen Plattenhöhe ergibt sich aus dem Wertebereich der Plattenhöhe abzüglich der einzukalkulierenden Toleranz. Laut AR ist außerhalb des Wertebereiches der Plattenhöhe Schutzziel und Effizienz nicht mehr zu garantieren, d.h. die Plattenhöhentoleranz ist in diesem Bereich eingeschlossen.

Der Referenzwert für den magnetischen Abstand ergibt sich aus dem Referenzwert für den Plattenabstand zuzüglich des zweifachen Referenzwertes für die Ferritüberdeckung.

2.3 Referenzanordnung Fahrzeugunterboden Um die Einflüsse von Fahrzeugen auf die magnetischen Felder und die Erreichbarkeit des Raumes zwischen den Feldplatten auf eine wissenschaftlich vergleichbare Basis zu stellen, wird an dieser Stelle eine Referenzanordnung zur Nachbildung des Einflusses eines Fahrzeugunterbodens definiert.








Pla

tte

na

bst

an

d1

35

mm

(pla

te d

ista

nce

)

Fahrzeugbreite1600 mm

(vehicle width)

Fahrzeuglänge2400 mm

(vehicle length)

Abkantung50*50 mm

HalberPlattenabstand

67,5 mm

Referenzmesspunkt für das Streufeld

Messabstand200 mm

Montage-höhe

20 mm

Abbildung 6: Referenzwerte für die Feldverteilungsanalyse

3 Interoperabilitätsdefinition Zur Gewährleistung von interoperablen Auslegungen von kontaktlosen Ladesystemen, werden die wesentlichen technischen Parameter einer primären Feldplatte in einer Interoperabilitätsdefinition im Sinne einer definierten Energiequelle festgeschrieben. Auf diese Art und Weise bleibt die Auslegung von Sekundärsystemen möglichst flexibel.

3.1 Magnetkreis Für die Auslegung eines Ladesystems bestehend aus Primär- und Sekundärseite, ist die Kenntnis des magnetischen Widerstandes und der primärseitigen Durchflutung von entscheidender Relevanz. Aus diesem Grund werden die flussleitenden Elemente, die grundsätzliche Windungsanordnung und der Stellbereich der Primärdurchflutung der Quellenseite angegeben.

1. Die Primärseite enthält eine Flussführungsschicht, die als flächige, quadratische Schicht mit einer Fläche von 800 mm * 800 mm mit hoher Permeabilität (z.B. Ferrit) ausgeführt ist.

2. Für bodenintegriert installierte Ladesysteme beträgt die Ferritüberdeckung, d.h. die Tiefe der Flussführungsschicht unter der Fahrbahnoberfläche, 30-40 mm. Das Referenzsystem ist mit einer Tiefe des Flussleitelementes von 40 mm ausgeführt, die Mitte der Kupferwicklung besitzt einen Abstand von 20 mm von der Ferritoberfläche.

3. Die Spule bzw. Wicklungsanordnung ist eine "Doppelflachanordnung". Diese unterteilt die Ferritfläche in eine in Fahrtrichtung gesehen vordere und hintere Hälfte. Auf jeder Hälfte befindet sich eine koplanare Wicklungsanordnung mit rechteckförmiger Außenkontur mit ggf. mehreren Windungen, welche komplett mit Ferrit hinterlegt ist. Die Zählpfeilrichtung in der vorderen Teilwicklung wird im Uhrzeigersinn, die Zählpfeilrichtung in der hinteren Teilwicklung gegen den Urzeigersinn definiert. In beiden Teilwicklungen wird ein Strom mit gleicher Amplitude in Zählpfeilrichtung eingeprägt, so dass eine magnetisch symmetrische bipolare Anordnung entsteht, die bei positivem Strom einen Nordpol in der hinteren und einen Südpol in der vorderen Wicklungshälfte ausbildet (Abbildung 7).

3.2 Quellendefinition 4. Als Durchflutung wird die Summe der Ströme bezeichnet, die die Strecke A-B kreuzen. Die

Punkte A, und B liegen in der Mitte der beiden Teilflächen und bilden das Zentrum der jeweiligen Teilwicklungen. Die Einspeisung bildet durch aktive oder passive Maßnahmen eine gesteuerte Stromquelle, die eine Nenndurchflutung von Ө = 120 Aeff erzeugt.





5. Die flussorientierten Wicklungsschwerpunte in x-Richtung liegen ausgehend vom Plattenmittelpunkt bei den inneren Wicklungen bei Rx1

*=60 mm und bei den äußeren Wicklungen bei Rx2

*=360 mm. In y-Richtung liegt der Wicklungsschwerpunkt bei Ry

*=360 mm, ausgehend von einem Zentrumspunkt, der ein Viertel der Diagonalen der Feldplatte markiert. (Toleranz ±20 mm?)

6. Für Einfachsysteme (bei denen nicht durch Kommunikation andere Kennwerte vereinbart werden) sollte der Anstieg der Durchflutung den Wert von 250 Aeff/sec nicht unterschreiten. Diese Forderung soll beim Großsignalverhalten gelten.

7. Die Stromquelle wird typischerweise so gesteuert, dass sich eine primäre Netzanschlussleistung von 3,3kW +-10% ergibt.

8. Als Sekundärkreis wird ein auf die Arbeitsfrequenz abgeglichener Parallelschwingkreis empfohlen.

Im Rahmen von InterOp wird zudem festgelegt:

9. Der Einbauraum beträgt 1000 mm*1000 mm (Schachtgröße).

Einbauraum 1000*1000 mm

BA

Ferritfläche 800*800 mm

Wickelfenster

Außenwindung

Fahrtrichtung


Ferritüberdeckung(30-) 40 mm

Wicklungshöhe20 mm

Abbildung 7: Geometrie der Interoperabilitätsdefinition des Magnetkreises





Abbildung 8: Resonanzkreisempfehlung der Interoperabilitätsdefinition

3.3 Steuerung Die Einspeisung bildet zusammen mit der Feldplatte und der Resonanztopologie eine gesteuerte Stromquelle.

Zur Erreichung der gewünschten Ladeleistung wird die Durchflutung linear erhöht, bis die Ladeleistung erreicht ist.

3.4 Resonanztopologie Die Resonanztopologie ist nicht Bestandteil der Interoperabilitätsdefinition. Die Interoperabilitätsdefinition wurde bewusst als reine Schnittstellendefinition für die im Luftspalt relevanten Feldgrößen aufgestellt. Auf diese Weise ergeben sich keinerlei Vorgaben für die gerätetechnische Umsetzung, so dass die Definition auch für ggf. zukünftige neuere Technologien und andersartige Umsetzungen langfristig offen und anwendbar bleibt.

Für heute bekannte gerätetechnische Umsetzungen wird daher nur eine Empfehlung für den sekundärseitigen Resonanzkreis als Parallelschwingkreis gegeben. Die Primärseite kann mit heutiger spannungsgeführter Wechselrichtertechnologie in Verbindung mit einem Gyrator als Stromquelle ausgeführt werden, wobei vorteilhaft der primären Wicklung ein Serienschwingkreis vorangestellt wird.





4 Referenzspulensystem Die exakte geometrische Wicklungsanordnung für das Referenzsystem ist in der folgenden Abbildung wiedergegeben.

74

98

123

144

160

189

200

40

0

20

0

80 11

0

13

2

15

1

16

4

17

8

19

0

20

0

42

78

10

6

13

0

14

8

16

5

18

1

19

3

200

400

Direction of Travel X

Y

175

Abbildung 9: Wicklungsverteilung des primären Referenzsystems

Die Abbildung 10 zeigt die relative Durchflutungsdichte j' des Referenzspulensystems für die Primärseite. Bei der relativen Durchflutungsdichte ist die Durchflutungsdichte j auf die gesamte Durchflutung der dargestellten Wicklung (in Abbildung 10 bezogen auf die Durchflutung der vorderen Halbwicklung) dargestellt.

Θ=′ )()(

rjrj





-0,015

-0,01

-0,005

0

0,005

0,01

0,015

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Re

lati

ve

Du

rch

flu

tun

gsd

ich

te

j' /

1/m

m

Lage in x-Richtung / mm

(bei y=0)

Wicklungsverteilung des primären

Referenzspulensystems

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Rela

tive

Dur

chflu

tung

sdic

hte

j' /

1/m

m

Lage in y-Richtung / mm

(bei x=0)

Abbildung 10: Relative Durchflutungsdichte des primären Referenzspulensystems

Idealisiert kann diese Verteilung durch Geraden gemäß Abbildung 11 beschrieben werden.

r / mmRx1

*

j’(r) / 1/mm

200

400

Rx2*

275

A

0,01

0,016

0 60

360

Abbildung 11: Idealisierte Durchflutungsdichte des primären Referenzmagnetkreises

Mit diesen Werten ergibt sich ein flussorientierter Wicklungsschwerpunt der inneren Wicklung von Rx1

*=60 mm und der äußeren Wicklung von Rx2*=360 mm





5 Anhang

5.1 Durchflutungsschwerpunkt einer verteilten Wicklung Der Durchflutungsschwerpunkt einer Wicklung wird als Kennwert für flächig verteilte Wicklungen eingeführt. Auf diese Weise kann auf eine exakte Definition einer verteilten Wicklung verzichtet werden und die Designfreiheit für Hersteller bestehen bleiben, ohne die Interoperabilität unzulässig negativ zu beeinflussen.

Der Durchflutungsschwerpunkt beschreibt den Radius R* einer einzelnen Windung, welche unter nachfolgenden idealisierten Bedingungen den selben Fluss Φ erzeugt wie eine gegebene verteilte Wicklung, welche durch eine Funktion der Durchflutungsdichte j über dem Radius r definiert ist, wenn die konzentrierte und die verteilte Wicklung die gleiche Durchflutung Θ aufweisen.

Für die hier vorliegende Definition wird idealisiert von einer kreisförmigen Wicklungen ausgegangen, welche sich zwischen zwei hochpermeablen unendlich ausgedehnten Flächen in einem als klein annehmbaren Abstand a befindet (gleichartig kann eine quadratische oder rechteckförmige Wicklung angesetzt werden).

Eine derartige konzentrierte Wicklung weist den Fluss

2*

02

Raπµ Θ=Φ

auf.

Mit der in Abbildung 12 beispielhaft dargestellten Durchflutungsdichte j einer flächig verteilten Wicklung kann der Fluss der Wicklung aus infinitesimal kleinen Durchflutungselementen äquivalent ermittelt werden.

drrjra

dra

d

)(2

2

2

0

2

0

πµ

πµ=

Θ=Φ

Damit ergibt sich durch Integration der gesamte Fluss zu

∫=Φ drrjra

)(2

2

0

πµ

Durch Gleichsetzung mit dem Fluss einer konzentrierten Windung ergibt sich der Durchflutungsschwerpunkt zu

∫Θ= drrjrR )(1 2*

wobei ∫=Θ drrj )( die Gesamtdurchflutung definiert.





5.2 Durchflutungsschwerpunkt einer dreieckig verteilten Wicklung

rr1 r2

j(r)

Θ

Θ

R*

dΘ

dr

j(r)

0

12

2

rr −Θ

Abbildung 12: Durchflutungsdichte j(r) einer flächig verteilten Wicklungsanordnung

Wendet man diese Definition des Durchflutungsschwerpunkt R* auf die dreieckförmige Wicklungsverteilung bzw. Durchflutungsverteilung von Abbildung 12 an, so erhält man mit der dort gegebenen Durchflutungsverteilung

( )212

12)(rr

rrrj −

−Φ= für 21 rrr <<

folgendes Ergebnis.

( )∫ −−= 2

1

2

12

12* 2

r

r

drrr

rrrR

632

2

112

2

2* rrrrR ++=





5.3 Durchflutungsschwerpunkt einer rechteckig verteilten Wicklung

rr1 r2

j(r)

Θ

Θ

R*dr

j(r)

0

12 rr −Θ dΘ

Abbildung 13: Durchflutungsdichte j(r) einer flächig verteilten Wicklungsanordnung

3

2

112

2

2* rrrrR

++=



Nahfeldkopplung - Signal Spezifikation 95 005 00 15 Kontaktlose Energieübertragung Interoperabilitätsspezifikation Nahfeldkopplung Signal DE IPG4 15.07.15

Stand: 26.07.2017 TS_InterOp_Nahfeldkopplung_Signal_008.docx Seite 1 / 9



Nahfeldkopplung Signalisierung P2PS



Version 1.1








7.4.2015 Entwurf Grundzüge zur Realisierung einer Nahfeldkommunikation auf induktiver Basis gemäß der Diskussion auf dem Verbundtreffen am 26.11.2014

Reker Rabe Simon

1.0 _001

23.6.2015 Festlegung von P2PS als interoperablen Arbeitspunkt Konferenz _002

2.7.2015 Entwurf Anpassschaltung WebKo _003

Schnitt Referenzsystem _004

Zeitverhalten P2PS WebKo _005

21.7.‘15 Dokumentenverwaltung Simon _006

22.7.‘15 Spezifikation Signalauswertung Simon _007





• Technische Spezifikation, Interoperable kontaktlose Energieübertragung, Nahfeldkopplung - Signal TS_InterOp_Nahfeldkopplung_Signal_xxx.pdf





Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Technische Festlegungen 4

2.1 Anforderungen 4

2.1.1 Generell 4

2.1.2 Reichweite 4

2.2 Technische Daten 5

2.2.1 Modulation und Kopplergeometrie 5

2.2.2 Anpassschaltung 7

3 Zeitverhalten 8

3.1 Sender 8

3.2 Empfänger 9

4 Anhang Fehler! Textmarke nicht definiert.

4.1 Vorerfahrungen mit induktiver Nahfeldkopplung Fehler! Textmarke nicht definiert.





1 Einleitung

Eine für das kontaktlose Laden von Elektrofahrzeugen vorgesehene Einrichtung besteht aus einer Versorgungsstation auf Seiten der Infrastruktur bzw. Straße und einem Abnehmer am Fahrzeug. Sowohl die Versorgungsstation als auch der Abnehmer am Fahrzeug besitzen als Bestandteil eine Feldplatte, die als stationäre Feldplatte an der Versorgungsstation und als mobile Feldplatte am Fahrzeug bezeichnet werden.

Mittels magnetischer Felder kann Energie von der stationären zur mobilen Feldplatte übertragen werden, sobald diese ausreichend nah zueinander angeordnet sind.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die stationäre Feldplatte permanent magnetisch erregt wird und damit eine Leistungsübertragung entsteht, sobald ein Fahrzeug über der Feldplatte zum Stehen kommt und eine Energieaufnahme zulässt. Dieses Vorgehen ist jedoch aus mehreren Gründen unerwünscht. Im Fall dass sich kein Abnehmer über der stationären Feldplatte befindet, führt eine permanente Erregung zu unerwünschten Verlusten und es entsteht über der Feldplatte ein für Personen zugänglicher Bereich mit magnetischen Feldern.

Um die Erregung zielgerichtet nur dann einzuschalten, wenn sich auch ein Abnehmer über der stationären Feldplatte befindet, ist neben der energetischen Kopplung der Feldplatten zusätzlich eine Nahfeldkopplung zwischen Abnehmer und Versorgungsstation notwendig. Neben der Tatsache der zielgerichteten Aktivierung, dient diese Signalisierung auch als einer von zwei Abschaltpfaden für die Sicherheitsbewertung. Der zweite Pfad ist die Unterbrechung der Energieübertragung im Leistungskreis durch die Sekundärseite (Kurzschluss der sekundären Feldplatte), wobei diese Unterbrechung auf der Primärseite detektiert wird und ebenfalls zu einer Abschaltung der Erregung führt. Um eine sichere Zuordnung von Abnehmer bzw. Fahrzeug zum ihm zugeordneten Versorgungsgerät sicherzustellen, muss diese Signalisierung über eine reichweitenbegrenzte Technologie erfolgen. Dabei ist sicherzustellen, dass eine ausreichende Plattenüberdeckung erreicht werden kann und damit keine Aktivierung eines benachbarten Versorgungsgerätes möglich ist.

Die Verwendung einer Kommunikationsschnittstelle im eigentlichen Sinn einer Datenübertragung für diesen Zweck hat jedoch erhebliche Vorteile, da z.B. zusätzliche Informationen für den Verbindungsaufbau der Fernfeldverbindung und technische Zusatzoptionen zur Optimierung oder Leistungserweiterung der Energieübertragung übermittelt werden können. Die Signalisierung muss daher derart spezifiziert werden, dass eine Nahfeldkommunikation zukünftig nicht ausgeschlossen ist. Der interoperable Arbeitspunkt beinhaltet ausschließlich die Nahfeldsignalisierung.

Dieses Dokument definiert für das Projekt InterOp die physikalische Ebene für diese reichweitenbegrenzte Nahfeldkopplung, um auf möglichst einfache Weise eine Signalisierung interoperabel realisieren zu können.

2 Technische Festlegungen

2.1 Anforderungen

2.1.1 Generell

Der Einsatz von verfügbaren Freifunk-Techniken ist auf Grund der nicht beschränkbaren Reichweite für die vorliegende Aufgabenstellung nicht geeignet. Alternativ kann die Nutzung von Übertragungsverfahren auf induktiver Basis die gegebenen Anforderungen erfüllen.

2.1.2 Reichweite

Neben der Funktion der Aktivierung der Energieübertragung auf der Infrastrukturseite auf Veranlassung des Fahrzeugs, muss die Nahfeldkopplung zusätzlich die Funktion der Überprüfung einer ausreichenden Plattenüberdeckung erfüllen.





Die Anforderung des maximal erlaubten Querversatzes für einen noch als sicher eingestuften Betriebs der kontaktlosen Energieübertragung wurde innerhalb der InterOp-Gefährdungsanalyse untersucht und festgelegt. Der mindestens notwendige Querversatz ergibt sich aus den Interoperabilitätskriterien.


Δx/y Querversatz 10 15 cm Reichweite der Nahfeldkopplung

Tabelle 1: Reichweitenanforderung der Nahfeldkopplung

2.2 Technische Daten

2.2.1 Modulation und Kopplergeometrie

Der Kanal der Nahfeldkopplung wird gemäß den folgenden technischen Parametern aufgebaut. Angelehnt an die Vorgehensweise bei der Magnetkreisdefinition wird auch im Fall der Nahfeldkopplung die Eigenschaft des primären Kopplers definiert, für die Sekundärseite lediglich eine Referenzauslegung dargestellt.

Diese Vorgehensweise erlaubt es, dass z.B. die Reichweite der Nahfeldkopplung bei Querversatz durch den Hersteller den Gegebenheiten des sekundärseitigen Magnetkreises angepasst werden kann.

Definition Referenzbedingungen

Größe des Kopplers

stationär 200 x 200 mm

mobil ~ 200 x 200 mm 200 x 200 mm

Geometrie Quadratspule

Windungszahl 5

Lage über Ferrit 28 mm

Trägerfrequenz 2,0 MHz

Reichweite

h gemäß Interoperabilitätsanforderung

x,y max. 15 cm

Durchflutung 0,5 A (vgl. Anmerkung 1)

Lage der Spule zentrisch in der EbeneStationär zwischen Ferrit & Spule ?

Mobil zwischen Ferrit & Spule ?Güte des Schwingkreises max. 10Anmerkung 1: Bei positioniertem Fahrzeug darf eine H-Feldstärke von -5 dBµA/m in 10 m Entfernung nicht überschritten werden (ETSI EN 300 330-1)





Abbildung 1: Platzierung des Nahfeldkopplers im Referenzsystem

Die Speisung der Koppelspule wird durch einen Serienresonanzkreis unterstützt.

Für wissenschaftlich vergleichbare Versuchsreihen wird die Sekundärseite identisch zur Primärseite angeordnet, jedoch mit einer Ferritfläche von 400*400 mm (Referenzsystem Nahfeldkopplung).

Die Demodulation eines Signalempfängers muss daher derart realisiert sein, dass ein phasenmoduliertes analoges Eingangssignal die Signalerkennung nicht negativ beeinflusst.





I

RX

B

TX

U3

Abbildung 2: Schematische Geometrie des primären und sekundären Nahfeldkopplers

Abbildung 3: Signalverlauf (schematisch)

2.2.2 Anpassschaltung

Abbildung 5 zeigt die an der Nahfeldkopplungsspule angeschlossene Anpassschaltung. Die Signalübertragung wird hierbei durch einen Resonanzkreis unterstützt.

Auf Empfangsseite ist der dargestellte Treiber hochohmig, so dass der Abschlusswiderstand die Dämpfung des Resonanzkreises bestimmt.

Auf Senderseite arbeitet der Treiber als Spannungsquelle, so dass der Schwingreis in seiner Dämpfung im Wesentlichen durch den Innenwiderstand des Treibers bestimmt wird.





25 µH500 Ω

220 pF10 Ω330 pF

Abbildung 4: Anpassschaltung

3 Zeitverhalten

3.1 Sender Auf Senderseite arbeitet der Treiber als Spannungsquelle, so dass der Schwingreis in seiner Dämpfung im Wesentlichen durch den Innenwiderstand des Treibers bestimmt wird.

Der Signalsender erzeugt eine (während der Senderaktivierung) nicht modulierte Trägerfrequenz gemäß der Definition des physikalischen Übertragungskanals der Nahfeldkopplung. Das Signal kann zeitlich dauerhaft erzeugt werden, oder aber mit konstanter oder variabler Periode pulsweitenmoduliert erzeugt werden. Entscheidend ist lediglich die Erzeugung einer ausreichenden Signalisierungsdichte, d.h. ausreichend aufsummierte Zeit mit Signalaktivierung innerhalb einer definierten Zeitspanne (Signalzeitspanne).

Signal

tSig1

tSpan

tSig2 tSig3 tSig4

1

0t

tact

tSig3a

Abbildung 5: Beispielhafte Signalsequenz

In dem in Abbildung 6 dargestellten beispielhaften Signalverlauf mit unterschiedlichen Signallängen und unterschiedlichen Tastperiodenzeiten ergibt sich die zum Zeitpunkt tact ermittelbare Signaldicht dSig zu (tSig2+tSig3a)/tSpan.

Der Signalverlauf ist dabei zu 1 definiert, wenn die Trägerfrequenz gesendet wird und zu 0, wenn keine Sendung stattfindet.






tSig Signaldauer 1 5 ms (Minimale) Signaldauer



20 % Signaldichte bei inaktiver Erregung


33 % Signaldichte bei aktiver Erregung

Tabelle 2: Technische Daten des Signalsenders der Nahfeldkopplung

3.2 Empfänger

Der Signalempfänger arbeitet mit einem Demodulator auf der Eingangsseite, welcher eine Frequenzselektivität für die Trägerfrequenz aufweist. Zur Begrenzung der Empfangsreichweite wird das demodulierte analoge Eingangssignal über einen Komparator in seiner Amplitude ausgewertet.

Im Signalempfänger ist der Signalverlauf (gemäß dem Beispiel aus Abbildung 6) zu 1 definiert, wenn die Trägerfrequenz vom Demodulator mit ausreichender Amplitude erkannt wird, und zu 0, wenn keine Trägerfrequenz detektiert wird.

Die Realisierung des Demodulators muss derart erfolgen, dass auch ein phasenmoduliertes analoges Eingangssignal detektiert wird, d.h. im Sinne dieses Dokumentes als vorhandenes Signal erkannt werden kann.

Die Auswertung der Signaldichte kann mittels eines einfachen Verzögerungsglieds erster Ordnung (PT1) erfolgen. Für diese Referenzimplementierung sind in den technischen Daten typische Kennwerte angegeben.


tSig Data transmission rate

1 5 ms (Minimale) Signaldauer



20 21 % Signaldichte bei inaktiver Erregung


30 33 % Signaldichte bei aktiver Erregung

τDEv Density evaluation time constant

100 ms Zeitkonstanter der PT1 Signaldichtenauswertung

hDEvU/L Hyteresis level up/low

23 28 % Hystereseschwellen für die PT1 Signaldichtenauswertung

Tabelle 3: Technische Daten des Signalempfängers der Nahfeldkopplung



Kommunikation und Ablaufsteuerung Spezifikation 95 004 00 15 Kontaktlose Energieübertragung Interoperabilitätsspezifikation Kommunikation DE IPG4 21.07.15

Stand: 26.07.2017 TS_InterOp_V2S_Kommunikation_006.docx Seite 1 / 57



Kommunikation und

Ablaufsteuerung



Version 1.2








27.05.2014 Entwurf Treier

12.11.2014 Abschnitt „Reduzierte Testumsetzung“ Simon

14.11.2014 Subabschnitt „Serielle Schnittstelle“/Padding Bytes in V2S-Nachrichten

Schiebol

16.02.2015 P2PC-Nachrichten ergänzt, „V2S_LocalCompatibilityCheck“ ergänzt, Dateiname: TS_InterOp_V2S_Kommunikation_xxx.pdf. Verabschiedet

Schiebol 1.0

_001

30.03.2015 Zustandsautomat mit Signal, ergänzender Text aus dem Vorgängerdokument, neue binäre Formatierung für den „LocalCompatibilityCheck“, Sequenzdiagramme

Simon 1.1 _002

20.04.2015 Korrekturen Simon _003

Korrekturen Zustandsübergangsbedingungen Simon / Bester

_004

21.07.2015 Dokumentenverwaltung Simon _005





• Technische Spezifikation, Interoperable kontaktlose Energieübertragung, Nahfeldkopplung TS_InterOp_Nahfeldkopplung_xxx.pdf





Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 5

2 Systembeschreibung 5

2.1 Differenzierungsmodell 5

2.2 Systemaufbau 6

2.3 Schichtenkonzept der Steuerungskommunikation 7

2.4 Applikationsschicht 7

2.4.1 Ablaufsteuerung 7

2.5 Dienstschicht 8

2.5.1 Verbindliche Dienste 8

2.5.1.1 Plattenüberdeckungsdienst 8

2.5.1.2 Prozessdatendienst 8

2.5.1.3 Nachrichtendienst 8

2.5.2 Optionale Dienste 8

2.5.2.1 Präsensmelder 8

2.5.2.2 Datentunnel 8

3 Protokolle des Nachrichtendienstes 9

3.1 Sequenzdiagramme 9

3.2 Protokoll der Fernfeldkommunikation 14

3.2.1 V2GTP Nachrichten-Struktur 14

3.2.2 SDP-Nachrichten 18

3.2.2.1 SDP-Request 18

3.2.2.2 SDP-Response 19

3.2.3 Vehicle to Grid-Nachrichten 20

3.2.3.1 (V2G) SessionSetupReq 20

3.2.3.2 (V2G) SessionSetupRes 21

3.2.3.3 (V2G) SessionStopReq 21

3.2.3.4 (V2G) SessionStopRes 22

3.2.4 V2S-Nachrichten 23

3.2.4.1 V2S-Nachrichten-Aufbau 23

3.2.4.2 V2S-Nachrichten-Definitionen 24

3.2.5 V2S ResponseCode 27

3.2.6 Message-ID für die binären V2G und V2S-Nachrichten 27

3.2.7 4.5 Timeout –Definitionen 28

3.3 Protokoll der Nahfeldkommunikation 29





3.3.1 P2PC-Nachrichten-Definitionen 29

3.3.1.1 P2PC_StateReq 29

3.3.1.2 P2PC_StateRes 30

3.3.1.3 P2PC_LocalCompatibilityCheckReq 31

3.3.1.4 P2PC_LocalCompatibilityCheckRes 32

3.3.1.5 P2PC_WirelessLocalNetworkReq 32

3.3.1.6 P2PC_WirelessLocalNetworkRes 33

3.4 Zahlen und Typenformate in binärer Kodierung 35

3.5 Reduzierte Testumsetzung 35

3.5.1 Kabelgebundene Ethernet Kommunikation 35

3.5.2 Relevante Nachricht 35

3.5.3 Steuerung über den Zustandsautomaten 35

3.5.4 Serielle Schnittstelle 36

3.5.4.1 Erweiterte V2GTP-Nachrichtenstruktur 36

4 Ablaufsteuerung 37

4.1 Einleitung 37

4.2 Übersicht der Informations- und Kommandozustände der Ablaufsteuerung 39

4.3 Mobile Übergangsbedingungen 41

4.4 Stationäre Übergangsbedingungen 43

4.5 Ausgangssignale 45

4.6 Mobile Zustands-Kodierung 46

4.7 Stationäre Zustands-Kodierung 48

4.8 Anwendungen der Ablaufsteuerung (Use-Cases) 49

4.8.1 Einschalten mit bedingter Energieanforderung 49

4.8.2 Ladeunterbrechung bei bedingtem Laden 50

4.8.3 Wiedereinschalten bei unterbrochener bedingter Ladung 51

4.8.4 Einschalten mit Ladeanforderung (Zwangsladen) 52

4.8.5 Ladeabbruch bei "Bedingten Laden" oder "Laden" 53

5 Glossar 54





1 Einleitung

Eine für die kontaktlose Energieübertragung auf Elektrofahrzeuge vorgesehene Einrichtung besteht aus einem Versorgungsgerät auf Seiten der Infrastruktur bzw. Straße und einem Abnehmer am Fahrzeug. Sowohl das Versorgungsgerät als auch der Abnehmer am Fahrzeug besitzen als Bestandteil eine Feldplatte, die als stationäre Feldplatte am Versorgungsgerät und als mobile Feldplatte am Fahrzeug bezeichnet werden.

Mittels magnetischer Felder kann Energie von der stationären zur mobilen Feldplatte übertragen werden, sobald diese ausreichend nah zueinander angeordnet sind.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die stationäre Ladeplatte permanent magnetisch erregt wird und damit eine Energieübertragung entsteht, sobald ein Fahrzeug über der Feldplatte zum Stehen kommt. Dieses Vorgehen ist jedoch aus mehreren Gründen unerwünscht. Im Fall dass sich kein Abnehmer über der stationären Feldplatte befindet, führt eine permanente Erregung zu unerwünschten Verlusten und es entsteht über der Feldplatte ein für Personen zugänglicher Bereich mit magnetischen Feldern.

Um die Erregung zielgerichtet nur dann einzuschalten, wenn sich auch ein Abnehmer über der stationären Feldplatte befindet, ist neben der energetischen Kopplung der Feldplatten zusätzlich eine Kommunikation zwischen Versorgungsgerät und Abnehmer notwendig. Der Begriff "Kommunikation" sei an dieser Stelle im weiteren Sinne zu verstehen, da es sich im einfachsten Fall lediglich um eine Detektion der Gegenseite im Sinne eines einfachen binären Signals handeln kann. Neben der einfachen Möglichkeit, eine Existenz des Abnehmers dadurch festzustellen, dass bei einer erregten stationären Feldplatte ein Energiefluss zustande kommt, ist daher ein weiterer irgendwie gearteter Mechanismus notwendig ist, der die Anwesenheit der Gegenseite feststellt.

Die Verwendung einer Kommunikationsschnittstelle im eigentlichen Sinn, das heißt der Übertragung von Daten in Form von Nachrichten, hat für diesen Zweck jedoch erhebliche Vorteile, da z.B. zusätzliche Steuerungsoptionen für einen optimierten Energieübertragungsvorgang oder die Übertragung von Abrechnungsdaten mit abgedeckt werden können.

Aufgrund der Vielfältigkeit von Informationsinhalten, die über eine solche Schnittstelle übertragen werden können, werden diese in zwei Klassen aufgeteilt.

Die Steuerungskommunikation (command&control communication or vehicle to supply device (V2S) communication) umfasst Informationsinhalte, welche aus technischen Gründen zur Erlangung einer Energieübertragung notwendig sind oder diese technisch optimieren.

Die Netzbetreiberkommunikation (high level communication or vehicle to grid (V2G) communication) umfasst Informationsinhalte, welche über den eigentlichen Energieübertragungsvorgang hinausgehen und damit ergänzende Funktionalitäten ermöglichen. Dazu gehören beispielsweise die Fahrzeugidentifikation für Abrechnungszwecke und die Abstimmung komplexer Energieübertragungskurven zum Zwecke einer Lastverteilung.

2 Systembeschreibung

Die Kommunikation kann über mehrere Kanäle erfolgen, welche auf verschiedenen physikalischen Kanälen (physical layer) beruhen. Dies gilt sowohl für die Steuerungs- als auch für die Netzbetreiberkommunikation. Gegebenenfalls kann Steuerungs- und Netzbetreiberkommunikation auch auf unterschiedlichen Kanälen erfolgen. Steuerungskommunikationsinhalte müssen vollständig auf einem Übertragungskanal abgebildet sein, Netzbetreiberkommunikation könnte grundsätzlich in verschiedenen Funktionseinheiten sortiert auch auf verschiedene Kanäle verteilt werden.

2.1 Differenzierungsmodell Der zu erwartende breite Einsatz der kontaktlosen Energieübertragungstechnik über verschiedene Fahrzeugmodellklassen auf der einen Seite und verschiedene Infrastrukturklassen, von der privaten





Anwendung bis zum öffentlichen Parkplatz, auf der anderen Seite, erfordert das Angebot verschiedener Produkte mit differenzierbaren Merkmalen, die auch eine entsprechend gestaffelte Preisgestaltung ermöglichen.

Da die Grundfunktion der Energieübertragung immer erfüllt sein muss, können differenzierende Merkmale nur bezüglich Anwenderkomfort und Zusatzfunktionen umgesetzt werden. Diese differenzierenden Merkmale schlagen sich auch in der Definition der Steuerungskommunikation nieder, da hierdurch bestimmt wird, welche Bestandteile bindend oder optional sind.

Mögliche verschiedene Komfortklassen könnten wie folgt gegeben sein:

• Minimallösung

Die Minimallösung dient der Abdeckung kostensensitiver Anwendungen der kontaktlosen Ladetechnik wobei preisgünstig eine Lösung mit geringem Komfort angestrebt ist. Hierbei wird eine kostengünstige Lösung ohne Positionierhilfe oder automatische Abrechnungsoption (d.h. ohne Netzbetreiberdienste) angestrebt. Öffentliches abrechnungsgesteuertes Laden wäre hierbei nur über eine manuelle Identifizierung (Münzeinwurf, Smartphone, etc.) möglich.

Weiterhin dient diese Lösung als Rückfallebene im Fehlerfall, um eine einheitliche Grundfunktion jederzeit gewährleisten zu können.

• Standardlösung

Die Standardlösung ergänzt Komfortoptionen wie z.B. die Unterstützung der Positionierung, wodurch der Einparkvorgang erleichtert wird, und einen Wechsel zu höheren Übertragungsleistungen.

• Infrastrukturlösung

Die Infrastrukturlösung ergänzt Funktionen zur übergeordneten Netzbetreiberkommunikation z.B. für Abrechnungszwecke.

• Luxuslösung

Mit Hilfe von ergänzenden Kommunikationsfunktionen können Zusatznutzen für den Komfort des Anwenders geschaffen werden. Beispielhaft die fernbediente Aktivierung einer Innenraumheizung oder ähnliches.

Die Definition der Kommunikationsschnittstelle muss berücksichtigen, dass diese verschiedenen Qualitätsstufen einerseits realisierbar werden, andererseits auch untereinander kompatibel bleiben. Ein Fahrzeug mit Minimallösung muss auf einer Luxuslösung ebenso Energie beziehen können, als auch ein Fahrzeug mit Luxusausführung auf einer Versorgungsstation in Minimalausführung, wenn dann auch ohne Komfortunterstützung.

2.2 Systemaufbau Der Systemaufbau der Kommunikation richtet sich weitestgehend nach dem comedy draft der IEC 61980-2 unter Anwendung des Annex A. Dort nicht beschriebene Umsetzungsdetails wurden im Sinne des Normenentwurfs ergänzt.

Für das Projekt InterOp haben sich die Technologiehersteller für ein zweikanaliges Konzept entschieden. Zwingend ist eine Nahfeldkopplung vorgesehen, die optional durch eine Fernfeldkommunikation ergänzt werden kann. Die Nahfeldkopplung wird entweder als Kommunikation oder als Signal untereinander kompatibel ausgeführt. Die Fernfeldkommunikation kann nur bei Verwendung der Nahfeldkommunikation unterstützt werden. Hintergrund hierfür ist die Tatsache, dass die Zuordnung zwischen der zum Fahrzeug gehörigen Versorgungsgerät zum zentralen stationären Kommunikationsknoten ausschließlich nach dem Verfahren über die Nahfeldkommunikation ungesetzt wird. Trotzdem werden strukturell alternative Verfahren z.B. die Zuordnung über das Nahfeldsignal berücksichtigt.





Bei Verwendung der Fernfeldkommunikation kann das Fahrzeug frei entscheiden, welchen Kanal es für die Steuerungskommunikation verwendet.

Die Steuerungskommunikation über das Fernfeld ist derart aufgebaut, dass ein paralleler Betrieb einer Netzbetreiberkommunikation gemäß der ISO/IEC 15118 ohne Änderungen der dortigen Definitionen (abgesehen vom physikalischen Übertragungskanal) stattfinden kann.

2.3 Schichtenkonzept der Steuerungskommunikation Die Steuerungskommunikation umfasst alle Informationsinhalte, welche zur technischen Herstellung einer Leistungsübertragung zwischen Versorgungsgerät und Abnehmer entweder erforderlich sind oder zur technischen Optimierung des Vorgangs dienen. Dazu gehören auch Inhalte zur Herstellung der Sicherheit der Energieübertragung. Eine Fahrzeugidentifikation (im Sinne der Identitätserkennung, nicht im Sinne der neutralen Fahrzeugerkennung) gehört beispielsweise nicht dazu, da für den technischen Vorgang der Energieübertragung die Identität des zu versorgenden Fahrzeugs nicht notwendig ist, sondern die Identität vielmehr für die Fragen der Abrechnung und damit nicht für das Versorgungsgerät, sondern für den Netzbetreiber von Nutzen ist.

Die Steuerungskommunikation wird konsequent auf Basis eines Schichtenmodells definiert, wodurch sichergestellt ist, dass auch tiefer liegende Elemente wie z.B. die physikalische Schicht ausgetauscht werden können ohne überlagerte Steuerungsfunktionen, die auf diese Schicht aufbauen, verändern zu müssen.

2.4 Applikationsschicht Die Applikationsschicht beschreibt den logischen Ablauf innerhalb der Steuergeräte für das Versorgungsgerät und den Abnehmer. Dazu gehören das Erkennen eines Abnehmers, ggf. die Initiierung von Abfragen über die Komfortklasse des Abnehmers oder dessen technische Ausprägung und der Aufbau sowie die Überwachung des Leistungsflusses. Die Applikationsschicht wird aus Gründen der Übersichtlichkeit in mehrere einzeln beschreibbare modulare Teilelemente zerlegt, insbesondere weil verschiedene Komfortklassen nur einige dieser Module benötigen.

Zur Umsetzung ihrer Funktionen greift die Applikationsschicht auf definierte lokale Sensoren oder Aktoren und Dienste der Steuerungskommunikation zu.

2.4.1 Ablaufsteuerung

Die Ablaufsteuerung definiert den grundlegenden Ablauf zur Initiierung der Leistungsübertragung in Form einer neutralen Automatenbeschreibung. Die in dieser allgemeinen technischen Spezifikation definierten Zustände des Ladesteuerungsautomaten sind auf solche begrenzt, die den interaktiven Ablauf zwischen der Steuerung des Versorgungsgerätes und der Steuerung des Abnehmers beeinflussen. Damit stellen alle hier beschriebenen Zustände eigentlich Ausgangsgrößen eines irgendwie gearteten herstellerspezifischen Automaten dar, in dessen Ausführung der Hersteller völlig frei und nicht an die Interoperabilitätsdefinition gebunden ist. Der Hersteller muss bei seiner Implementierung lediglich dafür sorgen, dass er Ausgangsgrößen definiert und generiert, welche den in der Interoperabilitätsdefinition enthaltenen „Zuständen“ entsprechen und deren typische Sequenz den beschriebenen Übergangsbedingungen folgen.

Die Koordination zwischen Versorgungsgerät und Abnehmer erfolgt dadurch, dass die Zustände (bzw. Ausgangsgrößen) der einen Seite der jeweils gegenüberliegenden Seite als Eingangsgrößen dienen.

Zustände des fahrzeugseitigen Ladesteuerungsautomaten sind zudem dadurch gekennzeichnet, dass diese direkt oder indirekt dem Fahrer zur Anzeige gebracht werden und dessen Verhalten beeinflussen (z.B. Anzeige eines Pfeils zur Positionierungshilfe, Anzeige der begonnen Energieübertragung, etc.).





Konkrete herstellerspezifische Umsetzungen dieses Automaten können weitere Zustände enthalten, jedoch darf der Umfang der Ausgangsgrößen nicht über diese Spezifikation hinaus erweitert werden, da dann nicht sichergestellt wäre, dass jede Gegenseite diese Zustände bzw. Ausgangsgrößen interpretieren kann.

Eine Zustandsautomatenimplementierung sollte derart gestaltet werden, dass auch unerwartete Zustände bzw. Ausgangsgrößen (auch Kommandozustände genannt) der Gegenseite, immer zu einem sinnvollen Verhalten führen.

2.5 Dienstschicht Die Dienstschicht bestimmt, mit welchen Mitteln die Applikationsschicht über den Weg der Kommunikation auf Informationen der jeweiligen Gegenseite zugreifen kann. Verbindliche Dienste müssen auf allen den physikalischen Übertragungsschichten zugeordneten Protokollen umgesetzt sein.

2.5.1 Verbindliche Dienste

2.5.1.1 Plattenüberdeckungsdienst

Der Dienst der Plattenüberdeckung (alignment detection) liefert einen booleschen Wert, der anzeigt, dass sich die gegenüberliegende Ladeplatte in einer Position befindet, die das Einschalten der Leistungsübertragung erlaubt. Dieser Dienst wird indirekt über die Ablaufsteuerung zur Verfügung gestellt.

2.5.1.2 Prozessdatendienst

Der Prozessdatendienst sorgt für eine gespiegelte Abbildung eines Datenbereichs der stationären Seite in der mobilen Seite und umgekehrt. Hier wird dieser Dienst durch einen zyklischen Datenaustausch über den Nachrichtendienst realisiert.

In die Klasse der Prozessdaten gehören der Zustand der Ablaufsteuerung und aktuell geforderte oder gemessene Übertragungsleistungen.

2.5.1.3 Nachrichtendienst

Der Nachrichtendienst dient dem Austausch von Informationen in einmaliger oder nicht streng zyklischer Art und Weise. Vielmals folgen verschiedene Nachrichten einer vorgegebenen Sequenz.

2.5.2 Optionale Dienste

2.5.2.1 Präsensmelder

Der Dienst des Präsensmelders (vehicle detection) liefert eine Anwesenheitserkennung von Fahrzeugen allgemeiner Art auf der primären Feldplatte, seien diese elektrische Fahrzeuge oder Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor liefert einen booleschen Wert, der anzeigt, dass eine eindeutig zugeordnete Kommunikation zu einer gegenüberliegenden Ladeplatte besteht. Dieser Dienst kann indirekt über die Ablaufsteuerung zur Verfügung gestellt werden (vgl. IEC 61980-2, Zustand „Occupied“).

2.5.2.2 Datentunnel

Der Datentunnel ermöglicht die Übertragung von Datenblöcken mit verschiedenen bekannten, aber auf eine Maximalgröße beschränkten, Längen auf verschiedene Ausgangsports.

Dieser Datentunnel kann, sofern er implementiert ist, für Nachrichteninhalte der Datenkommunikation verwendet werden. Fehlt diese Implementierung, so muss für diese Dateninhalte der für die Datenkommunikation vorgesehene Kommunikationskanal verwendet werden.





3 Protokolle des Nachrichtendienstes Dieser Abschnitt beschreibt den Nachrichtenaufbau für die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Versorgungsgerät. Dabei werden die Nachrichten definiert, welche für die Kommunikation vornehmlich über ein drahtloses Netzwerk (WLN) vorgesehen sind und, soweit dort vorhanden, den Nachrichtendefinitionen der ISO/IEC 15118-2 entsprechen oder, sofern dort nicht vorhanden, diesen angelehnt sind.

Die hier vorgestellten Nachrichten stellen die nötigen Steuerungsnachrichten (Command&control) dar, um ein Fahrzeug kontaktlos mit Energie zu versorgen und sind auf diese Funktion beschränkt.

Bezüglich des drahtlosen Netzwerks werden für die Suche der Verbindungsschnittstelle die Service-Discovery-Protocol-Nachrichten (SDP) nötig und für den Verbindungsaufbau die entsprechend vorhandenen ISO/IEC 15118-2 (Vehicle to grid communication - V2G-Nachrichten). Die spezifisch für die kontaktlose Technik zusätzlichen Nachrichten werden als „vehicle to supply (V2S)“ Nachrichten bezeichnet.

Darüber hinaus sind auch die Nachrichten für die Nahfeldkopplung als „point to point communication (P2PC)“ Nachrichten definiert.

Die Protokollschicht bestimmt, in welcher Form die für die interoperable kontaktlose Ladetechnik definierten Dienste auf verschiedenen physikalischen Kanälen bzw. Übertragungstechnologien (z.B. Infrarot basierte Serielle Schnittstelle) oder auf bestehenden Protokolldefinitionen zu diversen bestehenden physikalischen Übertragungstechnologien (z.B. TCP/IP über WLAN) abgebildet werden. Da die Dienstschicht bereits von einer Punkt zu Punkt Übertragung in der Regel basierend auf Bytehaufen ausgeht, gehört hierzu auch die Verfahrensweise zum Aufbau einer Punkt zu Punkt Verbindung, wenn es sich beim zu Grunde liegenden Protokoll der gewählten physikalischen Übertragungstechnik um eine adressierbare Datenübertragung auf einem Bus oder in einem Netzwerk handelt.

3.1 Sequenzdiagramme Die Sequenzdiagramme beschreiben den kommunikationstechnischen Vorgang, welcher sich ergibt, wenn ein Fahrzeug ein Versorgungsgerät erreicht, eine Energieübertragung aktiviert und später das Versorgungsgerät wieder verlässt. Eine grundsätzliche Übersicht über die verschiedenen Phasen liefert Abbildung 1 in der Form verschiedener Aktivitäten.





Abbildung 1: Kommunikationstechnische Struktur eines Energieübertragungsvorgangs





Die Telegrammfolge innerhalb der einzelnen Aktivitäten zeigen die folgenden Abbildungen.

Abbildung 2: Sequenz der Nachrichtenfolge zur Unterstützung des Verbindungsaufbaus des Fernfeldes und der Zuordnung

Abbildung 3: Sequenz der Initialisierung einer Nachrichtenübertragung über das Fernfeld





Abbildung 4: Sequenz der Nachrichtenfolge zur Unterstützung des Zuordnungsvorgangs (Diese Sequenz wird im InterOp-Projekt nicht benötigt und ist lediglich zur Korrelation mit den Normenentwürfen IEC 61980 und ISO/IEC 15118 aufgeführt.)





Abbildung 5: Sequenz der Nachrichtenfolge zur Initialisierung des Energieübertragungsvorgangs

Abbildung 6: Sequenz zur Ablaufsteuerung des Energieübertragungsvorgangs





Abbildung 7: Sequenz zur Beendigung einer Nachrichtenübertragung über das Fernfeld

3.2 Protokoll der Fernfeldkommunikation Das Protokoll der Fernfeldkommunikation basiert auf dem TCP/IP Protokoll.

• Die Übertragung erfolgt nachrichtenorientiert, wobei jeder Nachricht zwischen dem fahrzeugseitigen mobilen Kommunikationsknoten (EVCC) und dem infrastrukturseitigen stationären Kommunikationsknoten (SECC) durch eine eindeutige ID gekennzeichnet ist. • Nachrichten IDs müssen der Interoperabilitätsdefinition entsprechen. • Alle Nachrichten werden basierend auf einer sequenziellen, nachrichtenabhängigen Darstellungsform (Serialisierung) zwischen den Systemen ausgetauscht. Die für die Steuerungskommunikation notwendigen Nachrichten werden als binäre Kodierung serialisiert. • Zahlenwerte werden wie bei Netzwerkprotokollen üblich in Big-Endian Network Byte Folge übertragen. • Beim Verbindungsaufbau wird vom SECC eine sogenannte Session-ID für die anstehende Kommunikation vorgegeben, die bei jeder Nachricht zur Ladesteuerung immer mit gesendet werden muss. • Der EVCC schickt Anforderungsnachrichten (Request) an den SECC, daraufhin antwortet der SECC mit einer entsprechenden Antwortnachricht (Response). In der Regel werden Nachrichtenpaare in diesem synchronen Prinzip abgearbeitet.

3.2.1 V2GTP Nachrichten-Struktur

Gemäß der Norm ISO/IEC 15118 werden Nachrichten gemäß dem dort definierten Vehicle to Grid Transport Protocol (V2GTP) versendet. Das V2GTP stellt eine mit IPV6 adressierte TCP- oder UDP-Nachricht auf den Port 15118 (dezimal) entsprechend folgender Definition dar.





Vehicle-to-Grid-Transport-Protocol (V2GTP)

Der Payload-Type spezifiziert den Payload-Inhalt. Die Kodierung der verschiedenen Payload-Typen ist in Tabelle 1 zu sehen. Diese Tabelle wurde für die kontaktlose Ladetechnik um die "Vehicle to Wireless Supply (V2S)" Payload-Typen erweitert (rot markiert). V2S-Nachrichten werden entweder binär kodiert übertragen, als komprimierte XML-Nachricht im EXI Format oder als XML-Textformat übertragen. Zur Wahrung der Interoperabilität ist die Implementierung der binären Kodierung bindend, die XML-Formate sind optional.

Payload type value Payload type name 0x0000 - 0x8000 Reserved 0x8001 EXI encoded V2G Message 0x8002 - 0x80FF Reserved 0x8100 Binary encoded V2S message 0x8101 (EXI encoded V2S message) 0x8102 (XML encoded V2S message) 0x8103 - 0x8FFF Reserved 0x9000 SDP request message 0x9001 SDP response message 0x9002 - 0x9FFF Reserved 0xA000 - 0xFFFF Manufactor specific use





Element-Name Typ Bedeutung Protocol Version

Byte Identifies the protocol version of V2GTP messages. 0x 01: V2GTP Version 1 0x 00, 0x02-0xFF: reserved by document

Inverse Protocol Version

Byte Contains the bit-wise inverse value of the protocol version which is used in conjunction with the V2GTP protocol version as a protocol verification pattern to ensure that a correctly formatted V2GTP message is received . Equals the <Protocol_Version> XOR 0xFF 0x FE: V2GTP Version 1

Abbildung 8: Baumstruktur des V2GTP mit den zugehörigen Payload-Typen.

Bei der binären Kodierung von V2S-Nachrichten oder binär kodierten V2G-Standardnachrichten für den Kommunikationsaufbau wird das binäre Format gemäß Tabelle 1 mit einem spezifischen InterOp-Header gewählt (vgl. auch 3.2.4.1).





InterOp-Nachrichten (binäre Kodierung)

Byte 0 1 2-3 4-7 8-9 10-11 12 13 14-15 16-17 18-…

Size 1 1 2 4 2 2 1 1 2 2

Bedeutung

Prot

ocol

Ver

sion

Inve

rse

Prot

ocol

Ver

sion

Payl

oad

Type

Payl

oad

Leng

th

Sess

ion

ID

Supp

ly U

nit I

D

Stat

e Fl

ags

Rese

rved

Mes

sage

ID

Resp

onse

Cod

e

Mes

sage

Con

tent

Wert (Hex)-big endian-

01 FE 8100 00

die hinterlegten Elemente sind abhängig von der Message ID

InterOp-Header InterOp-Message BodyDatenpaketname V2GTP-Header

Payload

Tabelle 1: Binäres Format der InterOp-Nachrichten bzw. der V2S oder V2G-Nachrichten





• Message ID (vgl. 3.2.6)

Innerhalb des Systems eindeutige Nachrichtennummer, die den Inhalt des Nachrichtendatenpakets bestimmt. Nachrichten-IDs sind in allgemein bindende und herstellerspezifische Nachrichten unterteilt.

• Size in Byte

Anzahl von Bytes des Nachrichten-Nutzdaten Paketes (InterOp-Message Body)

• Session ID

Eindeutige Nummer für einen Ladevorgang, wird von der SECC vergeben. Vor einer Vergabe ist die Session ID=0x00.

• Supply Unit ID

Nummer des Parkplatzes mit zugehörigem Versorgungsgerät bzw. dessen Kommunikationsknotens (primary device communication controller PDCC) an die die Nachricht gerichtet ist, bzw. von der die Nachricht kommt. Die Nummer wird durch den Zuordnungsvorgang bestimmt. Vor einer Zuordnung ist der Wert SupplyUnitID=0x00.

• State Flags

Zustandskodierung des aktuellen Zustandes der Ablaufsteuerung des jeweiligen Senders, entweder des PDCC oder des SDCC gemäß Abschnitt 4.6.

• Nachrichtennutzdatenpaket (InterOp-Message Body)

Eigentlicher Dateninhalt einer Nachricht. Zahlen und Parameter-Werte sind in big-endian codiert. Jedes Nutzdatenpaket beginnt mit der MessageID (vgl. 3.2.6). Bei Antwortnachrichten folgt grundsätzlich der ResponseCode (vgl. 3.15).

3.2.2 SDP-Nachrichten

Die "SECC Discovery Protocol (SDP)"-Nachrichten sind nötig, um die Adresse des "Supply Equipment Communication Controlers (SECC)" herauszufinden, damit nachfolgend adressierte Nachrichtenübermittlungen stattfinden können. Dafür sendet das Fahrzeug eine Discovery-Request-Nachricht als UDP Multicast an den Port 15118 (dezimal) von einem Port im dynamischen Portbereich (0xC000-0xFFFF). Die Infrastruktur antwortet dann mit einer Discovery-Response-Nachricht als UDP Unicast auf die IP-Adresse und Portnummer, von der die Anfrage kam.

3.2.2.1 SDP-Request

Abbildung 9: SDP-Request - Nachricht (XML-Darstellung)





Element-Name Typ Bedeutung Security Byte 0x 00 = secured with TLS

0x 01-0x0F = reserved 0x 10 = No transport layer security (Standard für V2S) 0x 11-0xFF = reserved

TransportProtocol Byte 0x 00= TCP (Standard) 0x 01-0x0F = reserved 0x 10 = reserved for UDP 0x 11-0xFF = reserved

Darstellung des Payload-Inhalts der SDP-Request-Nachricht in binärer Kodierung.

SDP-Request (Binäre Kodierung) V2GTP-Payload Byte-No 0 1

Security Transport Protocol

3.2.2.2 SDP-Response

Abbildung 10: SDP-Response - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung SECC_IPv6Address Byte[16] Beinhaltet die IPv6-Adresse der Infrastruktur SECC_Port uint16 Beinhaltet die Portnummer. Security 0x 00 = secured with TLS

0x 01-0x0F = reserved 0x 10 = No transport layer security (Standard für V2S) 0x 11-0xFF = reserved

TransportProtocol 0x 00= TCP (Standard) 0x 01-0x0F = reserved 0x 10 = reserved for UDP 0x 11-0xFF = reserved





Der binäre Payload-Inhalt der SDP-Response-Nachricht:

SDP-Response (Binäre Kodierung) V2GTP-Payload Byte-No 0-15 16-17 18 19 SECC_IPv6Address SECC_Port Security Transport

Protocol

3.2.3 Vehicle to Grid-Nachrichten

Bei den in diesem Abschnitt gelisteten Nachrichten, handelt es sich um Nachrichten, die bestimmten Diensten der ISO/IEC 15118 zugeordnet sind und welche für die reine Steuerung der kontaktlosen Energieübertragung ohne „high level services“ benötigt werden. Diese Nachrichten werden in der originalen Form übernommen, sind aber zur vereinfachten Umsetzbarkeit um eine binäre Kodierung ergänzt worden.

3.2.3.1 (V2G) SessionSetupReq

Diese Nachricht dient der Generierung einer Session ID. Die Funktionalität dieser Nachricht ist identisch mit der entsprechenden Nachricht aus der ISO/IEC 15118. Im Falle einer parallelen Implementierung von V2S-Funktionalitäten und V2G-Funktionalitäten kann die Nachricht entweder in binärer Kodierung oder in EXI-Codierung versendet werden. Die Nachricht kann aber auch ggf. (unabhängig voneinander) in beiden Kodierungsformen gesendet werden. In einem solchen Fall wird durch die zuerst eintreffende Anfrage eine Session-ID generiert und bei der danach eintreffenden Anfrage die bereits generierte Session-ID zurückgegeben. Dadurch ist sichergestellt, dass sowohl die Steuerungskommunikation als auch die Netzbetreiberkommunikation mit derselben Session-ID arbeiten.

Abbildung 11: Session Setup Request - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung EVCC_ID Byte[6] EVCC_ID

INTEROP: EVCC_ID ist die MAC-Adresse des EVCC In dieser Nachricht wird im Header die SessionID und die SupplyUnitID zu Null gesetzt. SessionSetupReq (Binäre Kodierung) Body Byte-No 0-1 2-7 MessageID

0x0000 EVCC_ID





3.2.3.2 (V2G) SessionSetupRes

Abbildung 12: Session Setup Response - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung ResponseCode uint16 Siehe 3.15 SECC_ID Byte[6] SECC_ID

INTEROP: SECC_ID ist die MAC-Adresse des SECC SessionID ist eine eindeutige Identifizierung, gültig nur für diesen einen Ladeprozess, muss in allen nachfolgenden Nachrichten mit angegeben werden; ist auch Bestandteil der jeweiligen Nachricht-Kodierung (siehe INTEROP Nachrichten-Codec), ab empfang SessionSetupRes() ungleich 0x00 SECC_ID ist die MAC-Adresse des SECC

Ab hier gibt es im Nachrichten-Kopf eine gültige SessionID.

SessionSetupRes (Binäre Kodierung) V2S-Body Byte-No 0-1 2-3 4-9 MessageID

0x0001 Response-Code

SECC_ID

3.2.3.3 (V2G) SessionStopReq

Abbildung 13: Session Stop Request - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung ChargingSession uint16 Absicht des Verbindungs-Abbaus

Enumeration: - Terminate - Pause





SessionStopReq (Binäre Kodierung) V2S-Body Byte-No 0-1 2-3 MessageID

0x000C ChargingSession 0x00 Terminate 0x01 Pause

3.2.3.4 (V2G) SessionStopRes

Abbildung 14: Session Stop Response -Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung ResponseCode uint16 Siehe 3.15 SessionStopRes (Binäre Kodierung) V2S-Body Byte-No 0-1 2-3 MessageID

0x000D ResponseCode





3.2.4 V2S-Nachrichten

3.2.4.1 V2S-Nachrichten-Aufbau

Die "Vehicle to Supply Device(V2S)"-Nachrichten sind äquivalent zu den "Vehicle to Grid (V2G)"-Nachrichten aus der ISO/IEC 15118 in Header und Body aufgeteilt. Der Header wird bei jeder V2S-Nachricht mitgeschickt. Der Body ändert sich je nach Nachrichtentyp.

Abbildung 15: Baumstruktur der V2S-Nachrichten

Der Nachrichten-Kopf beinhaltet folgende Daten: Element-Name Typ Bedeutung SessionID uint16 Die SessionID ist 0 solange noch keine gültige Session

erstellt wurde. SupplyUnitID uint16 Die SupplyUnitID ist 0 solange noch keine Zuordnung

(Pairing) stattgefunden hat. StateFlags Byte Die StateFlags beinhalten den Zustand der jeweiligen

System-Komponente (EV oder EVSE). Eine genauere Beschreibung der State-Flags befindet sich in die Kapitel 4.7.

In der binären Kodierung hat der Nachrichten-Kopf hat die Länge von 6 Bytes (Um ein Alignment auf "short" zu erreichen, wird ein unbelegtes Byte ergänzt.).

V2S-Nachricht (Binäre Kodierung) V2GTP-Payload V2S-Header V2S-Body Byte-No 0-1 2-3 4 5 6-n SessionID SupplyUnitID StateFlags Reserved

(0x00)

Der Nachrichten-Hauptteil (Body) enthält den spezifischen Nachrichteninhalt. Je nach Nachrichtentyp kann der Inhalt variieren. Die verschiedenen Typen sind im Folgenden aufgelistet.





Abbildung 16: V2S-Nachrichtentypen

3.2.4.2 V2S-Nachrichten-Definitionen

Im Folgenden werden alle im Body einer V2S-Nachricht zur Verfügung stehenden Nachrichtentypen beschrieben.

3.2.4.2.1 V2S_StateReq

Abbildung 17: V2S State Request - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung OperatingModeID Byte Ausgewählter Arbeitspunkt PowerReq uint16 Geforderte Lade-Leistung PowerIn uint16 Aktuelle Lade-Leistung Ist der OperatingModeID gleich Null so ist der Default-Arbeitspunkt ausgewählt: Ladeleistung 3KW. V2S_StateReq (Binäre Kodierung) V2S-Body Byte-No 0-1 2 3 4-5 6-7 MessageID

0x0008 Operating ModeID

Reserved PowerReq PowerIn





3.2.4.2.2 V2S_StateRes

Abbildung 18: V2S State Response - Nachricht (XML-Darstellung)

Element-Name Typ Bedeutung ResponseCode Uint16 Siehe 3.15 OperatingModeID Byte Ausgewählter Arbeitspunkt PowerRef uint16 Geforderte Lade-Leistung PowerOut uint16 Aktive Lade-Leistung PowerLim uint16 Maximal erlaubte Lade-Leistung

3.2.4.2.3 V2S_LocalCompatibilityCheckReq

Abbildung 19: V2S Local Compatibility Check Request -Nachricht (XML-Darstellung)

V2S_StateRes (Binäre Kodierung) V2S-Body Byte-No

0-1 2-3 4 5 5-6 7-8 9-10

MessageID 0x0009

ResponseCode Operating ModeID

Res. PowerRef PowerOut PowerLim





Element-Name Typ Bedeutung

OperMode (0..n) Betriebs-Modus OperMode [0..n] uint16 Spulen-Typ - OperationModeID uint16 Spulen-Typ - MaxPower uint16 Maximale Ladeleistung - MinPower uint16 Minimale Ladeleistung - Frequency uint16 Arbeitsfrequenz

OperMode (Binäre Kodierung) V2S-Body

Byte-No

0-1 2-3 4-5 6-7 8-9

Oper ModeID

CoilType MaxPower MinPower Frequency

V2S-LocalCompatibilityCheckReq (Binäre Kodierung) V2S-Body

Byte-No

0-1 2-3 4-13 ...

MessageID 0x001C

ListLen OperMode[0] OperMode[...]

3.2.4.2.4 V2S_LocalCompatibilityCheckRes

Abbildung 20: V2S Local Compatibility Check Response -Nachricht (XML-Darstellung)






ResponseCode Siehe 3.15 OperMode [0..n] Betriebs-Modus - OperationModeID uint16 Spulen-Typ - CoilType uint16 Spulen-Typ - MaxPower uint16 Maximale Ladeleistung - MinPower uint16 Minimale Ladeleistung - Frequency uint16 Arbeitsfrequenz

V2S- LocalCompatibilityCheckRes (Binäre Kodierung) V2S-Body

Byte-No

0-1 2-3 4-5 6-15 ...

MessageID 0x001D

ResponseCode ListLen OperMode[0] OperMode[...]

Format "OperMode" vgl. 3.2.4.2.3

3.2.5 V2S ResponseCode

Die Antworten der Nachrichten beinhalten einen Fehlercode. Der ResponseCode kann folgende Werte annehmen: Response Code Code Bedeutung

OK 0 FAILED -1 Unspezifischer Fehler FAILED_UnknownSession -2 Unbekannte Session ID FAILED_PDCC -3 Nachricht konnte nicht an PDCC weitergeleitet werden FAILED_UnknownMessage -4

3.2.6 Message-ID für die binären V2G und V2S-Nachrichten

Aufbau der Message-ID für die binären V2S-Nachrichten Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10 Bit9

Bit8

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

Coding Version SECC-Flag

Content Type





Element-Name Bedeutung

Message-Type 00b: V2S-Request (Anfrage vom Fahrzeug zur Infrastruktur) 01b: V2S-Response (Antwort von Infrastruktur zum Fahrzeug) 10b: V2S-Demand (Anfrage von Infrastruktur zu Fahrzeug) 11b: V2S-Acknowledge (Antwort von Fahrzeug zur Infrastruktur)

Message-Number 0..1023 (512-1023 reserved for customer specific use) SECC-Flag 0b: Nachricht von/zu PDCC

1b: Nachricht von/zu SECC V2G-Def-Version 0..16 V2S-Message Coding

Version SECC-Flag

Content Type V2S_ MessageID

V2S_SessionSetupReq 0 1 0

00b 0x0800 V2S_SessionSetupRes 0 1 01b 0x0801 V2S_PDCC_DiscoveryReq 0 1 1

00b 0x0804

V2S_PDCC_DiscoveryRes 0 1 01b 0x0805 V2S_StateReq 0 0 2 00b 0x0008 V2S_StateReq 0 0 01b 0x0009 V2S_TerminateSessionReq 0 1 3

00b 0x080C

V2S_TerminateSessionRes 0 1 01b 0x080D

3.2.7 Timeout –Definitionen

Die folgenden allgemeingültige Timeout-Definition gelten immer dann, wenn keine nachrichtenspezifischen Timeouts definiert sind. Timeout Bezeichnung Timeout

[ms] Bemerkung

TOREQRES

1.000

Maximale Zeitspanne die zwischen einem EVCC-Request und einem SECC-Response liegen darf. Bei Überschreitung: Abbruch des Ladevorgangs

Nachrichtenbezogene Timeout Definitionen. Timeout Bezeichnung Timeout

[ms] Bemerkung

TOHEARTBEAT

100 Maximale Zeitspanne zwischen den zyklischen State request und response Nachrichten; siehe Sequenzdiagramm „Power transmission“ (Abbildung 6)





3.3 Protokoll der Nahfeldkommunikation Hier werden die Point-to-Point-Nachrichten (P2PC) vorgestellt. Sie stellen die nötige, direkte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur dar. Der Nachrichtenkanal ist hier ein direkter und räumlich eingeschränkter z.B. Induktive Datenübertragung per Nahfeldkommunikation.

3.3.1 P2PC-Nachrichten-Definitionen

3.3.1.1 P2PC_StateReq

Die Nachrichten V2S_StateReq und P2PC_StateReq haben die gleichen wesentlichen Inhalte.

Abbildung 21: P2PC State Request - Nachricht (XML-Darstellung)


SDCCState Byte Die StateFlags beinhalten den Zustand des Fahrzeugs (EV). Eine genauere Beschreibung der State-Flags befindet sich in die Kapitel X.

OperationModeID Byte Ausgewählter Arbeitspunkt PowerRef uint16 Geforderte Lade-Leistung PowerInt uint16 Aktuelle Lade-Leistung

P2PC_StateReq (Binäre Kodierung) P2PC-Message

Byte-No 0-1 2 3 4-5 6-7 MessageID

0x0008 SDCCState

OperatingModeID

PowerRef PowerIn





3.3.1.2 P2PC_StateRes

Die Nachrichten V2S_StateRes und P2PC_StateRes die gleichen wesentlichen Inhalte.

Abbildung 22: P2PC State Response - Nachricht (XML-Darstellung)


PDCCState Byte Die StateFlags beinhalten den Zustand der Infrastruktur (EVSE). Eine genauere Beschreibung der State-Flags befindet sich in die Kapitel X.

OperationModeID Byte Ausgewählter Arbeitspunkt PowerRef uint16 Geforderte Lade-Leistung PowerOut uint16 Aktive Lade-Leistung PowerLim uint16 Maximal erlaubte Lade-Leistung

P2PC_StateRes (Binäre Kodierung) P2PC-Message

Byte-No 0-1 2 3 4-5 6-7 8-9 MessageID

0x0009 PDCCState

OperatingModeID PowerRef PowerOut PowerLim





3.3.1.3 P2PC_LocalCompatibilityCheckReq

Abbildung 23: P2PC Local Compatibility Check - Nachricht (XML-Darstellung)


ResponseCode Siehe 3.15 OperMode [0..n] Betriebs-Modus - OperationModeID uint16 Spulen-Typ - CoilType uint16 Spulen-Typ - MaxPower uint16 Maximale Ladeleistung - MinPower uint16 Minimale Ladeleistung - Frequency uint16 Arbeitsfrequenz

P2PC_LocalCompatibilityCheckReq (Binäre Kodierung) P2PC-Message

Byte-No

0-1 4-5 6-15 ...

MessageID 0x0110







3.3.1.4 P2PC_LocalCompatibilityCheckRes

Abbildung 24: P2PC Local Compatibility Check Response - Nachricht (XML-Darstellung)


OperMode [0..n] Betriebs-Modus - OperationModeID uint16 Spulen-Typ - CoilType uint16 Spulen-Typ - MaxPower uint16 Maximale Ladeleistung - MinPower uint16 Minimale Ladeleistung - Frequency uint16 Arbeitsfrequenz

P2PC_LocalCompatibilityCheckRes (Binäre Kodierung) P2PC-Message

Byte-No

0-1 4-5 6-15 ...

MessageID 0x0111



3.3.1.5 P2PC_WirelessLocalNetworkReq

Abbildung 25: P2PC WLN Request - Nachricht (XML-Darstellung)






ChannelType Byte Bevorzugter Kanal 0x00: NoChannel 0x01: P2PC 0x02: WLAN

P2PC_WirelessLocalNetworkReq(BinäreKodierung)

Byte-

No

P2PC-Message

0-1 2 MessageID 0x0220

ChannelType

3.3.1.6 P2PC_WirelessLocalNetworkRes

Abbildung 26: P2PC WLN Response - Nachricht (XML-Darstellung)






ChannelType Byte Bevorzugter Kanal 0x00: NoChannel 0x01: P2PC 0x02: WLAN

ChannelData Byte[65] Wenn als ChannelType 0x02 angegeben wurde so sollen hier die WLAN-Verbindungsdaten angehängt werden. WLANChannelData: - SupplyUnitID: uint16 - SSID: Byte[32] - KEY: Byte[32]

P2PC_WirelessLocalNetworkRes (Binäre Kodierung)

Byte-No P2PC-Message 0-1 2 3 4-n

MessageID 0x0221

ChannelType res ChannelData





3.4 Zahlen und Typenformate in binärer Kodierung Integer Zahlentypen werden im "Big-Endian"-Format übertragen, d.h. das höherwertige Byte zuerst bzw. in der niedrigsten Byte-Nummer. IP-Adressen werden äquivalent im "Big-Endian"-Format übertragen.

3.5 Reduzierte Testumsetzung

3.5.1 Kabelgebundene Ethernet Kommunikation

• IPV6 Stack • IP-Adressen: Infrastruktur 0xfe80::3957:57f4:4d7a:0eb7 Port: 15118 (dezimal) Fahrzeug 0xfe80::020c:29ff:fe77:18d9 Port: 15118 (dezimal) • Session: 0 • SupplyUnitID: 1

3.5.2 Relevante Nachricht

Es wird alleinig die V2S_StateReq und V2S_StateRes Nachricht zyklisch ausgetauscht. Dieses Nachrichtenpaar wird als UDP-Nachricht verschickt. • OperationModeID 0 für 3,3 kW InterOp Spulensystem

• Alle Leistungsgrößen werden mit null belegt, d.h. diese bleiben unausgewertet.

3.5.3 Steuerung über den Zustandsautomaten

Durch Vorhandensein der kabelgebundenen Verbindung wird angenommen, dass • Suche nach einer Kommunikation ist abgeschlossen • Pairing wird als abgeschlossen betrachtet, da eine SupplyUnitID fest angenommen und

übergeben wird. • Feinpositionierung wird für einen reinen Kommunikationstest ebenfalls als positiv abgeschlossen angenommen. • Ladevorbereitungen werden als abgeschlossen angenommen

Damit landet Fahrzeug und Infrastruktur im Zustand „Ladeanforderung“. Das Fahrzeug wechselt manuell veranlasst zum Zustand „Laden“ und aktiviert damit die Infrastruktur. Eine Deaktivierung (Stoppen) des Ladevorgangs kann durch das Fahrzeug veranlasst werden, indem es in den Zustand „Ladeanforderung“ zurückschaltet.





3.5.4 Serielle Schnittstelle

3.5.4.1 Erweiterte V2GTP-Nachrichtenstruktur

Die V2GTP-Nachrichtenstruktur wird um das Element „ModemInformation“ erweitert um Zustandsinformationen des Modems zur Nahfeldkommunikation zu übertragen. Dieser Erweiterung ist nicht konform zur ISO/IEC 15118.

V2GTP-NachrichtModem

Information

Abbildung 27: Erweiterte V2GTP-Nachricht

Darstellung der ModemInformation in binärer Kodierung

ModemInformation Byte-No 0-3

ModemState

Element-Name Typ Bedeutung ModemState Byte[4] b0:0/0x0001 = Online/Offline

Gibt an ob eine Verbindung zur Gegenseite vorhanden ist. b0:4/0x0010 = Connected Wird dann gesetzt wenn von der Gegenseite zyklische Daten empfangen werden





4 Ablaufsteuerung

4.1 Einleitung Mit der folgenden Beschreibung wird die Koordination von Versorgungsgerät und Fahrzeug zu Aufbau eines Ladevorgangs bzw. zu dessen gesamtheitlicher Steuerung definiert.

Das Versorgungsgerät und das Fahrzeug übermitteln ihre jeweiligen definierten Zustände an das korrespondierende Gegensystem und wechseln (normalerweise) die Zustände gemäß den Übergangsbedingungen dieser Definition. Die Zustände des Versorgungsgerätes dienen einer definierten interoperablen Information des Fahrzeuges, hingegen fungieren die sogenannten Zustände des Fahrzeuges als Kommandozustände, d.h. als Befehle an das Versorgungsgerät.

Die Theorie von Zustandsmaschinen beschreibt, in welcher Weise Zustände eines Systems in Abhängigkeit von auf das System wirkenden Eingangsgrößen wechseln. Für eine Interoperabilitätsbeschreibung müssen daher vom Prinzip her wirkende Eingangsgrößen für die schnittstellenrelevanten d.h. allgemein definierten und übermittelten Zustände definiert werden. Diese Zustände sind nicht notwendiger Weise tatsächliche Zustände im realisierten System, sondern sind diesbezüglich in Wirklichkeit als Ausgangsgrößen des tatsächlich implementierten Zustandsautomaten zu interpretieren. Im Begriff Kommandozustand, welches vom Fahrzeug an das Versorgungsgerät zur Steuerung des Ablaufs gesendet wird, wird diese Eigenschaft sichtbar. Daher handelt es sich bei der hier gegebenen Zustandsautomatenbeschreibung nur um eine qualitative Beschreibung des Flusses der Ausgangsgrößen.

Da die kontaktlose Energieübertragung aus zwei Abläufen (Zustandsautomaten) besteht, der des Versorgungsgerätes und der des Fahrzeuges, müssen diese Abläufe und damit die Zustandsautomatenbeschreibung für eine korrekte Funktion des Gesamtsystems miteinander koordiniert werden. Diese Koordination findet dadurch statt, dass der (Kommando-)zustand des Fahrzeuges als Eingangsgröße für das Versorgungsgerät verwendet wird, und andererseits der Zustand des Versorgungsgerätes entsprechend als Eingangsgröße des fahrzeugseitigen Ablaufes (vgl. Abbildung 28).

Die Eingangssignale sind als qualitative logische Signale ggf. ohne physikalische oder programmtechnische Existenz zu verstehen. Diese Eingangssignale werden unterschieden in durch die Energieübertragungstechnik intern generierte Eingangssignale und in Eingangssignale, die von äußeren Einflüssen generiert werden, wie z.B. durch den Nutzer oder durch externe technische Komponenten wie das Batteriemanagementsystem (BMS).

Durch Energieübertragungstechnik intern generierte Eingänge

Kommunikation

Diese Eingangsgröße kennzeichnet, ob eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Versorgungsgerät aufgebaut worden ist. Die Kommunikation gilt als aufgebaut, wenn eine versendete Nachricht erfolgreich beantwortet wurde. Sie gilt als unterbrochen, wenn entweder eine Nachricht zum Abbruch der Kommunikation gesendet wurde, oder eine Nachricht (ggf. mehrfach) nicht beantwortet wurde.

Zuordnung

Dieses Eingangssignal kennzeichnet einen erfolgreich abgeschlossenen Vorgang einer Zuordnung. Nach diesem Prozess wird die Kommunikationsverbindung kontinuierlich durch eine strikt periodische Kommunikation (heard beat) überwacht. Die Zuordnung gilt als unterbrochen, wenn die Kommunikation abbricht.





SDCC

(Teil-) System-Aktivierung

Freigabe EVU(Load Leveling)

Identifikation erfüllt

Freigabe Anschlussleistung(Load Balancing)

Kommunikation

Zuordnung

Plattenüberdeckung

Ladevoraussetzungen erfüllt(Bremse, Zündung, Batterie nicht voll)

(Teil-) System-Bereitschaft

Energiefluss erkannt

PDCC

(Teil-) System-Bereitschaft

Kommunikation

Zuordnung

Plattenüberdeckung

Bedingtes Laden erlaubt


(Teil-) System-Aktivierung

Freigabe Energiefluss

OutOfService

OutOfService

Lade-Aktivierung Lade-Bereitschaft

Stat

e

Stat

e

Charging

Sign

al

>=1

>=1

>=1

Abbildung 28: Eingangsgrößen der Ablaufsteuerung gemäß der Zustandsautomatenbeschreibung

Plattenüberdeckung

Dieser Eingang signalisiert eine ausreichende Überdeckung von primärer und sekundärer Feldplatte. Die initiale Erkennung und die dauerhafte Überwachung der Überdeckung mögen auf unterschiedlichen Technologien beruhen, liefern insgesamt aber diese binäre Information. Der hier beschriebene Ablauf ermöglicht die Prüfung der Plattenüberdeckung sowohl fahrzeugseitig als auch infrastrukturseitig. Die Seite ohne physikalische oder logische Prüfung der Plattenüberdeckung setzt





das eigene Eingangssignal positiv, wenn der Zustand der Gegenseite auf eine Feststellung der Plattenüberdeckung schließen lässt.

Durch Nutzer oder externe Geräte generierte Eingangssignale

Ladevoraussetzungen

Dieser Eingang wird durch den Nutzer aktiviert, indem er das Fahrzeug in einen für die Energieübertragung erlaubten Zustand versetzt. Dieser Zustand wird durch den Hersteller definiert und mag typischer Weise die Voraussetzung einer angezogenen Handbremse und einer deaktivierten Zündung haben. Ggf. mag der Hersteller auch vorschreiben, dass der Nutzer die Energieübertragung durch einen Schalter aktiviert.

Auch die Meldung des BMS über einen erwünschten Ladevorgang ist Bestandteil der Ladevoraussetzung.

Die Beschreibung der weiteren Eingangssignale erfolgt im Abschnitt 5.

4.2 Übersicht der Informations- und Kommandozustände der Ablaufsteuerung Die Ablaufsteuerung im InterOp-Projekt deckt die Zustände des Normenentwurfs der IEC 61980-2 vollständig ab, ist jedoch um weitere Zustände erweitert.

Die wichtigste Erweiterung dient der Umsetzung einer Lastverteilungsfunktionalität (load-leveling) auch für einfache Ladestationen ohne komplexe Kommunikationsmittel. Hierbei kann der Netzbetreiber bzw. das Energieversorgungsunternehmen (EVU) dem Versorgungsgerät eine binäre Information zur Verfügung stellen (z.B. über die Rundsteuertechnik), um den Vorgang der Energieübertragung zu aktivieren. Diese Funktion wird nur bei Fahrzeugen umgesetzt, welche eine bedingte Energieübertragung zulassen. Dies schließt eine Tiefentladung von Batterien aus, da das Fahrzeug letztendlich die Hoheit über die Energieübertragung behält.

Eine zweite wesentliche Erweiterung besteht darin, dass das Versorgungsgerät eine „Identifizierung“ vom Fahrer verlangen kann. Hierdurch kann dem Fahrer diese Anforderung zur Anzeige gebracht werden. Unter dem Begriff „Identifizierung“ fällt in diesem Fall auch die neutrale Bereitstellung einer Bezahlung z.B. über einen Münzautomaten oder die Freischaltung per smart phone etc.





Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)

Information der Ladestation zur

Ladebereitschaft

Kontinuierliche Kommunikation zur Ladestation

Bedingte-

Anforderung

(Ready)


LadebereitschaftSuche(Standby)

Suche nach einer Kommunikations-

verbindung

Suche(Standby)

Suche nach einer Kommunikations-

verbindung

Zuordnung(Pairing)

Eingabe des Zielparkplatzes

Positionieren bis zur Ladeplatten-

überdeckung

Prüfen der Parkposition

Zuordnung(Pairing)

Eingabe der Fahrzeugposition

Ladebereitschaft

(Ready)

Warten auf Ladeanforderung

Warten auf Voraussetzungen

zum Laden

Laden(Charging)

Identifikation(Identification)

Prüfung der Identifizierung

Laden(Charging)


Identifikation(Identification)

Eingabe der Identifizierungs-

daten

Ladebestätigung

Ladeanforderung

(Ready)

Ggf.AnforderungIdentifikation

Kommunikationsgerätmeldet Kontakt

(Online)

Kommunikationsgerätmeldet Punkt zu Punkt

Verbindung

Fahrer hat das Fahrzeug zur Ladung vorbereitet(Zündung aus, Handbremse an)

Ladung beenden

Ggf. Identifikation

Feinpositionierung

(AwaitingAlignment)

Feinpositionierung

(AwaitingAlignment)

Ladevorbereitung

(Idle)

Keine Prioritäts-Ladung: EVU unterbricht Ladung

Lade-Aktivierungerkannt

EVU gibt Ladung frei

&& Überwachung

aktiv

Ladung aktivieren

EVU unterbricht

Ladung

ab X Sek nach Entritt: Ladeleistung kontrollieren, sonst Fehler

X-Sek nach Eintritt: Energiefluss noch aktiv ->Freigabe Leistung ausschalten

2 3 51

4

6 7

89

1 2 3

4

5 6 7

Fehler(Error)

Warten auf Fehler-Reset

10

Fehler(Error)

Warten auf Fehler-Reset

10

mobil

stationär

ab X Sek nach Entritt: Ladeleistung kontrollieren, sonst -> Fehler

Positions-Sensormeldet Ladeposition

Keine Kommunikation

AußerBetrieb(OutOfService)11

AußerBetrieb(OutOfService)11

Keine Kommunikation

X Sek nach Entritt : Energiefluss besteht noch -> Fehler

5T

5T

7T

9T

7T

Freigabe der Ladeleistung


Abbruch der Ladeanforderung

Ladung aktivieren

Laden unterbrechen


Ladebereitschaft

6T

8T

Abbildung 29: Übersicht der Ablaufsteuerung mit Informations- und Kommandozuständen





4.3 Mobile Übergangsbedingungen

Ausgangszustand

(Mobil)

Übergangsbedingung Folgezustand (Mobil-)

Suche (1) Kommunikation vorhanden 2

OutOfService 11

Zuordnung (2) Zuordnung 3

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Feinpositionierung (3) Plattenüberdeckung && Stationär-State!=4 5

Plattenüberdeckung && Stationär-State==4 4

/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Identifikation (4) Stationär-State>=5 5

OutOfService 11

Ladevorbereitung (5T) /Energiefluss erkannt 5

Energiefluss erkannt && Timer abgelaufen 10

Ladevorbereitung (5) Ladevoraussetzung erfüllt

&& /Bedingtes Laden erlaubt

6

Ladevoraussetzung erfüllt &&


8

Stationär-State==4 4

/Plattenüberdeckung 3

/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Ladeanforderung (6T) /Energiefluss erkannt 6


Ladeanforderung (6) Stationär-State == 6 && (Teil-)System aktiviert && Lade-Aktivierung

7T

/Ladevoraussetzungen erfüllt 5


/ Zuordnung 2

/Kommunikation 1





Bedingtes Laden erlaubt 8

OutOfService 11

Laden (7T) Energiefluss erkannt 7

/Energiefluss erkannt && Timer abgelaufen 10

Laden (7) /Energiefluss erkannt 10

/Ladevoraussetzung erfüllt || /(Teil-)System aktiviert

5T


/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

Bedingtes Laden erlaubt 9

OutOfService 11

/Lade-Aktivierung 6T

Bedingte Ladeanforderung (8T)

/Energiefluss erkannt 8


Bedingte Ladeanforderung (8)

Stationär-State == 6 && (Teil-)System aktiviert && Lade-Aktivierung

9T

/Ladevoraussetzungen erfüllt 5


/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

/Bedingtes Laden erlaubt 5

OutOfService 11

Bedingtes Laden (9T) Energiefluss erkannt 9


Bedingtes Laden (9) /Energiefluss erkannt 10

Stationär-State==5 8T

/Bedingtes Laden erlaubt 7

/Ladevoraussetzungen erfüllt || /(Teil-)System aktiviert

5T


/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

OutOfService 11

/Lade-Aktivierung 8T

Error (10) /Kommunikation 1





OutOfService 11

4.4 Stationäre Übergangsbedingungen

Ausgangszustand

(Stationär)

Übergangsbedingung Folgezustand (Stationär-)

Suche (1) Kommunikation vorhanden 2

OutOfService 11

Zuordnung (2) Zuordnung 3

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Feinpositionierung (3) Plattenüberdeckung && Identifikation erfüllt 5

Plattenüberdeckung && /Identifikation erfüllt 4

/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Identifikation (4) Identifikation erfüllt 5

OutOfService 11

Ladeunterbrechung (5T)

Timer abgelaufen 5

Ladeunterbrechung (5) Mobil-State==6 && (Teil-)Systeme aktiviert 6

Mobil-State==8 && (Teil-)Systeme aktiviert

&& Freigabe EVU

&& Freigabe Anschlussleistung

6


/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

OutOfService 11

Ladebereitschaft (6) Mobil-State==7

|| Mobil-State==9T

7T


/Pairing 2

/Kommunikation 1

/EVU-Freigabe || /Anschlussleistungs-Freigabe 5

OutOfService 11





Laden (7T) Energiefluss erkannt 7


Laden (7) /Energiefluss erkannt 10

Mobile-State==5 || Mobile-State == 6

|| Mobile-State == 8

6


/Zuordnung 2

/Kommunikation 1

/EVU-Freigabe || /Anschlussleistungs-Freigabe 5T

OutOfService 11

Error (10) /Kommunikation 1

OutOfService 11





4.5 Ausgangssignale

Die Ausgangs-Signale sind abhängig von bestimmten Systemzuständen, die sich aus einer eindeutigen Kombination eines mobilen Zustands und eines stationären Zustands ergeben (&-Verknüpfung).

Ausgangs-Signal Ein (="1")

Mobil-State Stationär-State

Freigabe Energiefluss Ladevorbereitung (5T) Laden (7T,7)

Laden (7T,7) Laden (7T, 7)

Laden (7T, 7) Ladeunterbrechung (5T)

Bedingtes Laden (9T,9) Laden (7T,7)

Bedingtes Laden (9T,9) Ladeunterbrechung (5T)

Stationäre

(Teil-)Systeme Aktivierung

- 1 Ladebereitschaft (6)

- 1 Laden (7T, 7)


Ladeanforderung (6) Ladeunterbrechung (5)

Bedingte Ladeanforderung (8) Ladeunterbrechung (5)

Bedingtes Laden (9) Ladeunterbrechung (5T)

Mobile

(Teil-)System Aktivierung

Ladeanforderung (6) Ladebereitschaft (6)

Laden (7T,7) Ladebereitschaft (6)

Laden (7T,7) Laden (7T,7)


Bedingte Ladeanforderung (8) Ladebereitschaft (6)

Bedingtes Laden (9T,9) Ladebereitschaft (6)

Bedingtes Laden (9T,9) Laden (7T,7)

Bei allen anderen System-Zuständen sind die Ausgangs-Signale ="0".

1 Don’t Care





4.6 Mobile Zustands-Kodierung

Nr. Zustand

Statusflags

Zust

ands-

Kodie

rung

Term

inate

Sess

ion

Bedin

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2 Zuordnung -

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-

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-

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3 Feinpositionierung -

0

-

0

0 0 0 0 0 1

0x01

4 Identifikation -

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1

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5 Ladevorbereitung -

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-

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0 0 0 0 1 1

0x03

6 Ladeanforderung -

0

0 0 0 0 1 1 1

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8 Bedingte Ladeanforderung -

0

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7 Laden -

0

0 0 0 1 1 1 1

0x0F

9 Bedingtes Laden -

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1 0 0 1 1 1 1

0x4F

10 Error -

0

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1

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11 OutOfService -

0

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1

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0

-

0

0

0x20

Keine Zustandsübertragung (Zustand wird über WLN übermittelt)

0xFF





Die erste Zeile stellt eine Zustands-Kodierung zum Lesen dar (Ausmaskierung mit Don’t Care-Stellen). Die zweite Zeile stellt die Zustands-Kodierung zum Schreiben dar (Ausgabe).





4.7 Stationäre Zustands-Kodierung

Nr. Zustand

Statusflags

Zust

ands-

Kodie

rung

(Sta

te F

lags)

Term

inate

Sess

ion

Bedin

gte

s Laden

OutO

fServ

ice

Identif

icatio

nD

em

and

Pow

er

Tra

nsm

issi

on

Pow

er

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nm

ent

Opera

tional

1 Suche -

1

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2 Zuordnung -

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-

0

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0

-

0

-

0

0

0x00

3 Feinpositionierung -

0

-

0

0 0 0 0 0 1

0x01

4 Identifikation -

0

-

0

0

1

-

0

-

0

-

1

-

1

0x13

5 Ladeunterbrechung -

0

-

0

0 0 0 0 1 1

0x03

6 Ladebereitschaft -

0

0 0 0 0 1 1 1

0x07

7 Laden -

0

0 0 0 1 1 1 1

0x0F

10 Error -

0

-

0

1

-

0

-

0

-

0

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0

1

0x21

11 OutOfService -

0

-

0

1

-

0

-

0

-

0

-

0

0

0x20

Keine Zustandsübertragung (Zustand wird über WLN übermittelt)

0xFF

Die erste Zeile stellt eine Zustands-Kodierung zum Lesen dar (Ausmaskierung mit Don’t Care-Stellen). Die zweite Zeile stellt die Zustands-Kodierung zum Schreiben dar (Ausgabe).





4.8 Anwendungen der Ablaufsteuerung (Use-Cases)

4.8.1 Einschalten mit bedingter Energieanforderung

Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)


Ladebereitschaft



Ladebereitschaft

Bedingte-

Anforderung

(Ready)

Ladebereitschaft

(Ready)



zum Laden

Laden(Charging)

Laden(Charging)

Ladeanforderung

(Ready)Ladevorbereitung

(Idle)


5 6 7

89

5 6 7

mobil

stationär

5T

5T

7T

9T

7T




42

3

1

6T


Ladebereitschaft


8T

Abbildung 30: Zustandsfolge für den Use-Case einer bedingten Energieübertragung

Anfangs-Situation: Infrastruktur in "Ladeunterbrechung", Fahrzeug in "Ladevorbereitung" 1. Fahrzeug erfüllt alle Lade-Voraussetzungen und bedingtes Laden ist erlaubt.

Fahrzeug geht in den Zustand "Bedingte Anforderung (8)". 2. Die Infrastruktur erkennt den Zustandswechsel des Fahrzeugs und aktiviert seine (Teil-)Systeme aus dem

Energiesparmodus. Sind alle System aktiviert und es liegt eine Freigab der Anschlussleistung und des EVUs vor geht die Infrastruktur in den Zustand "Ladebereitschaft(6)".

3. Das Fahrzeug erkennt die Ladebereitschaft der Infrastruktur und aktiviert alle seine (Teil-)Systeme sind diese alle bereit geht es in den Zustand "Bedingtes Laden (9T)"

4. Die Infrastruktur erkennt das aktivierte Fahrzeug anhand des mobilen Zustandes und geht jetzt in den Zustand "Laden (7T)" und gibt die Energie frei.

5. Das Fahrzeug erkennt ankommende Ladeenergie und geht in den Zustand "Bedingtes Laden (9)". 6. Auch die Infrastruktur erkennt abgenommene Ladeenergie und geht in den Zustand "Laden (7)". End-Situation: Infrastruktur in "Laden (7)", Fahrzeug in "Bedingtes Laden (9)"





Hinweis: Sollte das Fahrzeug nach der Zeit x nach Eintritt in den Zustand "Bedingtes Laden (9)" keine ankommende Ladeenergie messen, so geht das Fahrzeug in einen Fehlerzustand. Ebenso muss die Infrastruktur nach der Zeit x nach Eintritt in den Zustand "Laden (7)" erkennen dass Ladeleistung abgenommen wird. Ist dies nicht der Fall geht auch die Infrastruktur in einen Fehlerzustand. Diese Zeitbedingungen sind mit den Zwischenzuständen mit der Kennung "T" deutlich gemacht.

4.8.2 Ladeunterbrechung bei bedingtem Laden

Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)


Ladebereitschaft



Ladebereitschaft

Bedingte-

Anforderung

(Ready)

Ladebereitschaft

(Ready)



zum Laden

Laden(Charging)

Laden(Charging)

Ladeanforderung


(Idle)


5 6 7

8 9

5 6 7

mobil

stationär

5T

5T

7T

9T

7T




1

2

3

6T


Ladebereitschaft


8T

Abbildung 31: Zustandsfolge für den Use-Case einer Unterbrechung bei bedingter Übertragung

Anfangs-Situation: Infrastruktur in "Laden (7)", Fahrzeug in "Bedingtes Laden (9)" 1. Das EVU will Aufgrund von Load-Leveling das Laden unterbrechen.

Die Infrastruktur erkennt den Fahrzeug-Zustand "Bedingtes Laden (9)" und springt in den Zustand "Ladeunterbrechung (5T)". Es wird aber erst mal noch Leistung übertragen.

2. Das Fahrzeug erkennt den Infrastrukturzustand und springt in "Bedingte Ladeanforderung (8T)". Da der Leistungsfluss von der Infrastruktur schon unterbrochen wurde, folgt direkt der Zustand "Bedingte Ladeanforderung (8)".

3. Also Folge schaltet die Infrastruktur die Leistung ab und geht in den Zustand "Ladeunterbrechung (5)" und bleibt hier.

Hinweis: Sollte das Fahrzeug nicht reagieren und die Infrastruktur erkennt dies im Zustand "Ladeunterbrechung (5T)" so wird die Leistungsübertragung nach der Zeit x automatisch abgeschaltet, und in den Zustand "Ladeunterbrechung (5) " übergegangen.





End-Situation: Infrastruktur in "Ladeunterbrechung (5)", Fahrzeug in "Bedingte Ladeanforderung (8)" Das Fahrzeug entscheidet mit dem Eingangs-Signal "Bedingtes Laden erlaubt" ob das EVU den Ladevorgang zwecks Lastverteilung des Energieversorgungsnetzes unterbrechen darf oder nicht. Auch ein Wechsel zum Zwangsladen ist wegen dem Erreichen eines kritischen Batteriestandes denkbar. Ebenso ist aber auch ein Wechsel zum Bedingten Laden wegen Erreichen eines Mindestladestandes denkbar.

4.8.3 Wiedereinschalten bei unterbrochener bedingter Ladung

Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)


Ladebereitschaft



Ladebereitschaft

Bedingte-

Anforderung

(Ready)

Ladebereitschaft

(Ready)



zum Laden

Laden(Charging)

Laden(Charging)

Ladeanforderung


(Idle)


5 6 7

89

5 6 7

mobil

stationär

5T

5T

7T

9T

7T




1

2

3

6T



Ladebereitschaft

8T

Abbildung 32: Zustandsfolge für den Use-Case einer Wiederaufnahme einer bedingten Übertragung

Anfangs-Situation: Infrastruktur in "Ladeunterbrechung (5)", Fahrzeug in "Bedingte Ladeanforderung (8)" 1. Das EVU lässt nun wieder eine Ladung zu (Eingangs-Signal: EVU-Freigabe = "1"). Auch die alle

Infrastruktur-Systeme sind aktiv, somit ergibt sich ein Zustandsübergang zu "Ladebereitschaft (6)". 2. Das Fahrzeug erkennt die wiederhergestellte Ladebereitschaft der Infrastruktur und aktiviert alle seine (Teil-

Systeme). Sind diese alle bereit geht es in den Zustand "Laden (9T)" 3. Die Infrastruktur erkennt das aktivierte Fahrzeug anhand des mobilen Zustandes und geht jetzt in den

Zustand "Laden (7T)" und gibt die Energie frei. 4. Das Fahrzeug erkennt ankommende Ladeenergie und geht in den Zustand "Bedingtes Laden (9)". 5. Auch die Infrastruktur erkennt abgenommene Ladeenergie und geht in den Zustand "Laden (7)".





End-Situation: Infrastruktur in "Laden (7)", Fahrzeug in "Bedingtes Laden (9)"

4.8.4 Einschalten mit Ladeanforderung (Zwangsladen)

Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)


Ladebereitschaft



Ladebereitschaft

Bedingte-

Anforderung

(Ready)

Ladebereitschaft

(Ready)



zum Laden

Laden(Charging)

Laden(Charging)

Ladeanforderung


(Idle)


5 6 7

89

5 6 7

mobil

stationär

5T

5T

7T

9T

7T




42

31

6T



Ladebereitschaft

8T

Abbildung 33: Zustandsfolge für den Use-Case einer zwingenden Energieübertragung

Anfangs-Situation: Infrastruktur in "Ladeunterbrechung", Fahrzeug in "Ladevorbereitung" 1. Fahrzeug erfüllt alle Lade-Voraussetzungen und kein bedingtes Laden ist erlaubt.

Fahrzeug geht in den Zustand "Anforderung (6)". 2. Die Infrastruktur erkennt den Zustandswechsel des Fahrzeugs und aktiviert seine (Teil-)Systeme aus dem

Energiesparmodus. Sind alle System aktiviert und es liegt eine Freigabe der Anschlussleistung vor geht die Infrastruktur in den Zustand "Ladebereitschaft(6)".

3. Das Fahrzeug erkennt die Ladebereitschaft der Infrastruktur und aktiviert alle seine (Teil-)Systeme. Sind diese zur Lade-Aktivierung bereit geht das Fahrzeug in den Zustand "Laden (7T)" (und überträgt den Zustand (7) ).

4. Die Infrastruktur erkennt das aktivierte Fahrzeug anhand des mobilen Zustandes und geht jetzt in den Zustand "Laden (7T)" und gibt die Energie frei.

5. Das Fahrzeug erkennt ankommende Ladeenergie und geht in den Zustand "Laden (7)". 6. Auch die Infrastruktur erkennt abgenommene Ladeenergie und geht in den Zustand "Laden (7)". End-Situation: Infrastruktur in "Laden (7)", Fahrzeug in "Laden (7)"





Hinweis: Das EVU kann hier den Ladezustand nicht unterbrechen.

4.8.5 Ladeabbruch bei "Bedingten Laden" oder "Laden"

Bedingtes-

Laden(Charging)

Ladeunter-

brechung(Idle)


Ladebereitschaft



Ladebereitschaft

Bedingte-

Anforderung

(Ready)

Ladebereitschaft

(Ready)



zum Laden

Laden(Charging)

Laden(Charging)

Ladeanforderung


(Idle)


5 6 7

89

5 6 7

mobil

stationär

5T

5T

7T

9T

7T




1

2

3

6T



Ladebereitschaft

3

8T

Abbildung 34: Zustandsfolge für den Use-Case eines Abbruchs der Energieübertragung

Anfangs-Situation: Infrastruktur in "Laden", Fahrzeug in "Bedingtes Laden" oder "Laden" 1. Das Fahrzeug möchte die Ladung abbrechen. Dies kann aus mehreren Gründen geschehen:

z.B. Batterie voll, Zündschlüssel gedreht, Fahrer drückt auf "Laden abbrechen" auf dem Display. Das Fahrzeug signalisiert diesen Ladeabbruch mit einem Übergang in den Zustand "Ladevorbereitung (5T)" oder „Ladeanforderung (6T)“

2. Die Infrastruktur erkennt den Ladeabbruch des Fahrzeugs und geht in den Zustand "Ladebereitschaft (6)". 3. Es fließt nun keine Ladeenergie mehr. Das Fahrzeug erkennt dies und geht in den Zustand

"Ladeunterbrechung (5)" respektive „Ladeanforderung (6)“. End-Situation: Infrastruktur in "Ladebereitschaft", Fahrzeug in "Ladevorbereitung" Hinweis: Sollte das Fahrzeug nach der Zeit x nach Eintritt in den Zustand "Ladevorbereitung (5)" noch ankommende Ladenergie messen, so nimmt das Fahrzeug eine Zwangstrennung vor und geht in einen Fehlerzustand.





5 Glossar

On Board Supply Equipment

Abnehmer

Wireless Supply Site

Kontaktlose Versorgungsstation

Electrical Vehicle

Infrastructure Communication

Interface (EVICI)

Infrastrukturseitige Kommunikations-Interface

Vehicle Communication Interface

(VCI) Fahrzeugseitige Kommunikations-schnittstelle

Electrical Vehicle

Communication Controller (EVCC)



Signal (P2PS) or



Secondary device

communication controller

(SDCC)

Mobile Steuerung

Secondary Device

Mobile Feldplatte

Power Transfer

Energieübertragung

Grid

Versorgungsnetz

Pairing & Safety Control

Zuordnungs- und Sicherheiststeuerung

Wireless Local

Network (WLN)

Drahtloses Netzwerk


Positionsmessung

Position Sensoring

Positionsmessung

HMI

Supply

Equipment

Communication

Controller (SECC)


Mobile

Mobil

Stationary

Stationär

BMS

HMIDisplay

Anzeige

Battery Management

System (BMS)

Batteriemanagement

Battery

Batterie

Supply Device

Versorgungsgerät


Signal (P2PS) or




Positionsmesseinheit

Primary Device Communication

Controller (PDCC)

Stationäre Steuerung

Power Supply

Unit

Einspeisung

Primary device


Wireless Power Transfer System (WPT) - Kontakloses Energieübertragungssystem

Technical Components - Technische Komponenten

Auth.-Unit

Authentification Unit

Authentifizierungsgerät

EVU

Foreign Object

Detection (FOD)

Fremdkörper- Erkennung

Foreign Object

Detection

(FOD)

Fremdkörper- erkennung

Object Detection

Objekterkennung

Charger

Ladegerät

Electrical Vehicle (EV)

Elektrofahrzeug

Abbildung 35: Begriffe der Komponenten eines kontaktlosen Energieübertragungssystems

Allgemeine Begriffe

SDCC Mobiler Kommunikationsknoten (Fahrzeug) Secondary Device Communication Controller

PDCC Stationärer Kommunikationsknoten des Versorgungsgerätes

Primary Device Communication Controller

Anbindung Prozess des Aufbaus einer Netzbetreiberkommunikation

binding

Assoziierung Verbindungsvorgang eines (WLAN) Clients and einen Accesspoint

assoziation

Zustände

Suche Zustand, bei dem die Ladesteuerung nach einer Kommunikationsverbindung zum gegenüberliegenden Kommunikations-Einheit sucht.

Standby

Zuordnung Warten auf eine eindeutige Zuordnung des Fahrzeugs zu einem Ladeplatz. Eine Zuordnung

Pairing





kann von der mobilen und/oder stationären Seite gemeldet werden. Die Gegenseite quittiert dann nur.

Feinpositionierung Zustand, in dem auf eine gültige Ladeposition der Positions-Überwachung gewartet wird. Die Positions-Überwachung kann auf der mobilen oder stationären Seite sein. Die Gegenseite quittiert dann nur.

AwaitingAlignment

Identifikation Ist für den Ladevorgang eine Identifikation nötig kann diese vom Fahrer/Fahrzeug eingefordert werden (siehe Eingangs-Signal "Identifikation").

Identification

Ladevorbereitung Zustand, der signalisiert dass das Fahrzeug einige Vorbedingungen zum Laden erfüllt hat (Kommunikation/Zuordnung/Position), aber noch nicht alle nötigen Voraussetzungen erfüllt sind.

(Siehe Eingangs-Signal "Ladevoraussetzungen")

Idle

(Bedingte-) Ladeanforderung

Das Fahrzeug signalisiert den Ladwunsch. Nun sind auch alle fahrzeugseitigen Voraussetzungen (siehe Eingangs-Signal "Ladevoraussetzungen") zum Laden erfüllt. Außerdem zeigt die "Bedingte" Ladeanforderung dass die Ladung unterbrochen werden kann (siehe Eingangs-Signal: "Bedingtes Laden erlaubt").

Ready

(Bedingtes-)

Laden

Fahrzeug bzw. stationäres Ladeeinheit befinden sich in der Energiefluss-Phase. Das Bedingte Laden kann durch das EVU bzw. Anschlussleistungs-Management unterbrochen werden kann (siehe Eingangs-Signal: "Bedingtes Laden erlaubt")

Charging

Ladeunterbrechung

Zeigt dass das Laden unterbrochen wurde bzw. noch keine Freigabe vom EVU/Anschlussleistung erfolgte.

Idle

Ladebereitschaft Signalisiert dass die stationäre Ladeeinheit betriebsbereit und aktiv ist. Alle Teil-Systeme wurden aus dem Energiespar-Modus geweckt.

Ready

Fehler Zustand, der ein Fehler-Ereignis oder eine länger anliegende Fehler-Ursache erfasst. Der Fehler kann zurückgesetzt werden, z.B. vom System selbst (z.B. nach Zeit x) oder vom Fahrer.

Error

Außer-Betrieb Zustand bei dem ein nicht-rücksetzbarer Fehler anliegt.

OutOfService

Eingangs-Signale





Kommunikation Eine Kommunikation zu dem gegenüberliegenden Communication-Controller wird bestätigt.

Communication Established

Zuordnung Eine eindeutige Zuordnung des Fahrzeugs zu einer Ladestelle wurde hergestellt ("1").

Pairing Established

Plattenüberdeckung

Die Positions-Überwachung meldet mit einer "1" eine gültige Ladeposition.

Ist auf einer Seite (mobil oder stationär) keine Überwachungseinheit, so kann diese Seite dieses Eingangssignal aus dem Zustand der Gegenseite ableiten.

Aligment Confirmed

Ladevoraussetzung erfüllt

Signalisiert mit "1" dass alle fahrzeugseitigen Ladevoraussetzungen erfüllt sind. Dies kann eine &-Verknüpfung aus verschiedenen Einzel-Signalen sein: z.B. Zündschlüssel gezogen, Handbremse angezogen, Batterie ist nicht voll, etc..

Power On Signal

(Teil-)System-Aktivierung

Einzelne Komponenten (Teile) des stationären bzw. mobilen Ladesystems können in einen Energiesparmodus versetzt werden.

(Nicht zu verwechseln mit dem SLEEP-Modus.)

(Teil-)System-Bereitschaft

Wird eine Bereitschaft gemeldet, sind alle Systeme wieder aktiv und ladebereit.

Lade-Aktivierung Das Fahrzeug fordert Leistung von der stationären Ladeeinheit an. Wird dieses Signal gesetzt, sind in der Regel alle Ladevoraussetzung erfüllt und alle Systeme aktiviert.


Stationär-Seite kontrolliert zur Energiefluss-Phase die tatsächlich abgegebene Ladeleistung.

Die Mobilseite kontrolliert zur Energiefluss-Phase die tatsächlich empfangene Ladeleistung.

Bei einer zu großen Differenz zu der geforderten Leistung wird eine Fehlermeldung abgesetzt.

Freigabe Energiefluss

Mit einer "1" wird die Einspeisung (SupplyUnit) die Ladeenergie freigeben.

Freigabe EVU Will das EVU Spitzenlasen des Energieversorgungsnetzes reduzieren, hat es die Möglichkeit den Ladevorgang zu unterbrechen. Wird dieser Konfigurationseingang nicht unterstütz, kann er auf "1" gesetzt werden.

Load-Leveling





Freigabe Anschlussleistung

Ist die Anschlussleistung an einem Parkplatz begrenzt, kann eine lokale Steuerung den Ladevorgang des einzelnen Fahrzeugs unterbrechen. Wird dieser Konfigurationseingang nicht unterstütz, kann er auf "1" gesetzt werden.

Load-Balancing

Identifikation erfüllt Eine externe Komponente prüft die Identifikation für die Abrechnung, dies kann eine automatisierte Vertragsprüfung oder eine vom Fahrer vorgenommener Münzeinwurf sein.

Wurde eine erfolgreiche Identifikation durchgeführt wird dies durch eine "1" am Eingang kenntlich gemacht. Wird keine Identifikation gefordert kann dieser Eingang immer auf "1" gelegt werden.


Darf der Ladevorgang durch das EVU unterbrochen werden um eine Lastverteilung des Energieversorgungsnetzes zu ermöglichen,

wird dies durch eine "1" kenntlich gemacht.

Befindet sich z.B. der Batteriestand in einem kritischen Bereich kann eine Unterbrechung des Ladevorgangs durch eine "0" an diesem Eingangs-Signal unterbunden werden.

OutOfService Ist ein (Teil-)System dauerhaft nicht funktionsfähig wird dies durch eine "1" am Eingangs-Signal deutlich gemacht.

OutOfService

„T“-Erweiterung Schaltet die Zustandsmaschinen in einen Zustand mit einer „T“-Erweiterung hat dieser Zustand einen zusätzliche, zeitabhängige Ein- oder Ausgangsbedingung.

kommunikation und ladesteuerung - erneuerbar mobil · bei domino's pizza service (vormals...

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