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Prof. Dr. Christian Dick

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Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Institut für Automatisierungstechnik (IA)

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Forschungsprojekt IFEC 2015: “High-efficiency Wireless Charging System for Electric Vehicles”

Zum sechsten Mal in Folge nahm ein studentisches Team der TH Köln am internationalen Wettbewerb IEEE International Future Energy Challenge (IFEC) erfolgreich teil. Der Wettbewerb hatte zum Ziel bei einer Leistung von 500W ein „High-efficiency Wireless Charging System for Electric Vehicles and Other Applications” darzustellen und im Wettbewerb unter Beweis zu stellen.

Es sollte sowohl aus dem einphasigen 230V/50Hz als auch aus dem 115V/60Hz Netz Leistung bei geringen Netzrückwirkungen bezogen werden können, ferner sollte ein Luftspalt von 15cm  überbrückt werden um schließlich eine Batterie variabler Spannung zu speisen.

Hardwareaufbauten „berührungslose Energieübertragung“Berührungsloses Laden von Elektroautos: Primär- und Sekundärseitige Leistungselektronik mit Transformator bei 15cm Luftspalt (Bild: C. Dick, TH Köln)

Auf einen Blick

Kategorie Beschreibung
Forschungsprojekt High-efficiency Wireless Charging System for Electric Vehicles and Other Applications 
Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian Dick 
Fakultät Fakultät Informations- Medien und Elektrotechnik 
Institut Institut für Automatisierungstechnik 
Beteiligte Christian Dick, Patrick Deck, Andreas Krause, Patrick Littau, Henrik Dörmann, David Wiegand, Anil Bayzat, Danny Abbing, Johannes Cordes, Tobias Hirche 
Fördermittelgeber PSMA, IEEE, FH Köln, Infineon Technology AG, Vacuumschmelze GmbH & Co.KG, Ferroxcube, Ferrite.de 
Laufzeit 10/2014 bis 07/2015 

Es wurde eine dreistufige Topologie gewählt. Eine PFC-Stufe realisiert die Netzgleichrichtung mit Leistungsfaktorkorrektur. Schließlich erfolgt der Transfer der Leistung über den 15cm Luftspalt  über den Transformator eines resonanten Wandlers. Der Gleichrichter des Resonanzkreises ist mit aktiv betriebenen MOSFET‘s ausgeführt und ein nachgeschalteter Tiefsetzsteller speist die Batterie.


Die Optimierungsgrößen Kosten, Effizienz und Langlebigkeit wurden im März 2015 im Rahmen der APEC Conference und im Finale im Juli 2015 in der University of Michigan-Dearborn von einer internationalen Jury in Ohio bewertet. Bei den zusätzlichen vergleichenden experimentellen Vermessungen des Systems im Finale trat leider ein Defekt auf.

Power Factor Correction (PFC)

PFC SchaltungGleichrichterschaltung zur Netzanbindung mit hohem Leistungsfaktor (Bild: C. Dick, TH Köln)

Die gewählte und abgebildete Toplologie als PFC-Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur arbeitet mit zwei schnell taktenden SiC MOSFET‘s, welche gegen zwei ebenfalls in SiC Technologie ausgeführte Dioden takten. Dabei ist in Abhängigkeit der Netzhalbschwingung nur einer der beiden Hochsetzsteller aktiv, im jeweils anderen Hochsetzsteller ist der MOSFET für eine Netzhalbschwingung durchgehend eingeschaltet.

Die FPGA-basierte Regelung des Systems erlaubt eine digital organisierte Stromtoleranzbandregelung, welche eine lastpunktabhängige Schaltfrequenz zur Folge hat. Die  übergeordnete Regelschleife stellt die Spannung 𝑉_DC in einem weiten Wertebereich ein, um den nachgeschalteten Resonanzwandler im bestmöglichen Betriebspunkt zu halten (siehe auch Steuerungskonzept mit Tiefsetzsteller).

Spannungen und geregelter Netzstrom der PFC SchaltungSpannungen und geregelter Netzstrom der PFC Schaltung (Bild: C. Dick, TH Köln)

Die saubere und sichere Netzankopplung über einen Vorladewiderstand funktioniert bei intern mitlaufender  PLL für 50Hz bzw. 60Hz einwandfrei.

Resonanter DC-DC Wandler

Resonanzwandler mit 15cm-Luftspalt TrafoResonanzwandler mit primär- und sekundärseitigen resonanten Abstimmung des Resonanzkreises (Bild: C. Dick, TH Köln)

Die galvanische Trennung über den großen Luftspalt  von 15 cm wurde mit einem Transformator ausgeführt. Eisenbasiertes, nanokristallines Material der Firma Vacuumschmelze GmbH & Co. KG dient sowohl als Abschirmung aber auch als flussführendes Element im Transformator schwacher Kopplung. Eine Optimierung erfolgte auf Basis des Gütefaktors 𝑘∙𝑄.

Der Trafo ist Teil eines resonanten DC-DC Wandlers, welcher bei Resonanzfrequenz mit einem Tastgrad von 50% taktet. Bei einer Verschiebung der Transformatorplatten ändert sich die schwache Kopplung des Trafos stark, die Arbeitsfrequenz hingegen ist auf Basis der Eigeninduktivitäten in erster Näherung unabhängig von der Verschiebung der Trafoplatten. Ein zusätzlicher induktiver Lastkreis sichert das Soft-Switching der Eingangsbrücke.

Spannungen und Ströme des ResonanzwandlersSpannungen und Ströme des Resonanzwandlers (Bild: C. Dick, TH Köln)

Steuerungskonzept mit Tiefsetzsteller zum optimalen Betrieb des schwach gekoppelten Transformators

Für einen effizienzoptimalen Betrieb des Systems ist es essentiell, dass  im Transformator keine Blindleistung transferiert. Der optimale Leistungspunkt wird erreicht bei:

  • Resonanter Abstimmung der Primär- als auch der Sekundärseite (s.o.)
  • Lastanpassung

Mit Hilfe eines nachgeschalteten, gewöhnlichen Tiefsetzstellers wird die Lastanpassung realisiert. Regelungsseitig folgt der Tiefsetzsteller folglich einem konstanten Sollwert für die Eingangsimpedanz im Zwischenkreis 𝑉_𝐷𝐶2.

Sekundärseitige LeistungselektronikSchaltung sekundärseitig des Transformators: Sekundärer Resonanzkondensator, aktiver Gleichrichter, Tiefsetzsteller zur Lastanpassung sowie Controller (Bild: C. Dick, TH Köln)

Die Regelung der Leistung erfolgt von der Primärseite. Je größer die PFC die primärseitige Zwischenkreis-spannung 𝑉_𝐷𝐶1  einstellt, desto mehr Leistung wird übertragen. Es konnte eine Systemeffizienz > 80% dargestellt werden.

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