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