Gegenstand der Diplomarbeit ist es, ein ferngesteuertes Elektroauto kontaktlos aufzuladen.
Das Funktionsprinzip basiert auf der Energieübertragung eines Lufttransformators. Eine unter einer Oberfläche angebrachte Induktionsschleife erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, die am Fahrzeugboden montierte Aufnahmespule wandelt dieses wieder in elektrischen Strom um, der wiederum den Akkumulator des Elektromotors lädt.
Folgende Teilaufgaben beziehungsweise Entwicklungen waren dabei zu lösen:
• Vorbereitung
• Planung
• Layout-Entwicklung
• Mechanische Aufbau
• Gesamtintegration (Test und Problembehebung)
• Fertigstellung
• Messungen und Auswertungen des Modelaufbaus
• Dokumentation
Zusätzliches Augenmerk wurde auf die Kosten, einen hohen Gesamtwirkungsgrad und auf die Benutzerfreundlichkeit gelegt.
Das Elektroauto und die dazu gehörenden Komponenten sind funktionstüchtig.
Bei optimaler Lage des Autos zur Ladespule wird ein Wirkungsgrad von 54 % erreicht. Bei einer Verschiebung der Überdeckung der Spulen um 10 % konnte noch ein Wirkungsgrad von 49 % gemessen werden.
Die Ladezeit des Akkumulators beträgt ca. 3 Stunden.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
1.1 Stand der Technik
1.1.1 Powermat – Drahtlose Akkuladetechnik
2. GRUNDLAGEN
2.1 Elektromagnetismus
2.2 Magnetische Feldstärke
2.3 Übertragungsarten:
2.3.1 • Kapazitive Kopplung:
2.3.2 • Induktive Kopplung:
2.3.3 • Radiative Kopplung:
2.3.4 • Galvanische Kopplung:
2.4 Funktionsprinzip
2.5 Grundaufbau
3. EXPERIMENTE ZUM PRINZIP DER LUFTSPULEN ÜBERTRAGUNG
3.1 Ladespule
4. ENTWICKLUNG DER SCHALTUNG
4.1 Beschreibung der Dioden
4.2 Primärseite
4.2.1 Beschreibung der wichtigsten Bauteile:
4.3 Sekundärseite
5. TESTS
5.1 Spannungsverläufe bei Last und im Leerlauf
5.2 Deckungsgleichheit der Spulen
5.3 Ladekurve des RC-Auto
6. MECHANISCHER AUFBAU
7. SCHLUSSFOLGERUNGEN
7.1 Anpassung der Resonanzfrequenz
7.2 Automatische Positionierung der Sekundärspule
7.3 Änderung Geometrie der Spule
7.4 Adaptierung des entwickelten Modells für KFZ Elektroautos
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung und Realisierung eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung für ein ferngesteuertes Elektro-Modellauto. Dabei wird untersucht, wie mittels Induktion ausreichend Energie übertragen werden kann, um den Akkumulator des Modells effizient zu laden, wobei besonderes Augenmerk auf den Wirkungsgrad, die Kosten und die Benutzerfreundlichkeit gelegt wird.
- Induktive Energieübertragung mittels Lufttransformatoren
- Entwicklung von Primär- und Sekundärschwingkreisen
- Optimierung von Wirkungsgrad und Resonanzfrequenzen
- Konstruktion und Fertigung von Steuerungs- und Regelplatinen
- Integration der Technik in ein ferngesteuertes Elektro-Modellauto
Auszug aus dem Buch
4.2.1.2 MOSFET Treiber
Bei der folgenden Abbildung 4.9 handelt es sich um eine Treiberschaltung mit Bootstrapping.
Um den oberen Transistor in einer n-Kanal-Halbbrücke durchschalten zu können, muss zwischen dem Ausgang der Halbbrücke (Verbindungspunkt beider Leistungstransistoren) und dem Gate eine Spannung angelegt werden. Dies kann mit Hilfe einer Bootstrapping-Schaltung geschehen.
Wird am Steuereingang eine Spannung angelegt, so wird der untere Leistungstransistor (langsam) durchgeschaltet. Gleichzeitig wird die Gate-Spannung des oberen Leistungstransistors über den Bipolar Transistor und den unteren Leistungstransistor kurzgeschlossen. Am Ausgang der Halbbrücke liegt somit Massepotenzial an, wodurch sich der Kondensator über die Diode auflädt. Wird nun der Steuereingang mit Masse verbunden sperrt nicht nur der untere Leistungstransistor, sondern auch der Bipolar Transistor, wodurch sich die Gate-Kapazität des oberen Leistungstransistors über den Widerstand auflädt, zunächst aus der Versorgungsspannung. Wenn die Ausgangsspannung steigt, durch eine induktive Last oder weil der obere Leistungstransistor zu leiten beginnt, pflanzt sich dieser Spannungshub über den Kondensator fort, die Diode sperrt und das Potenzial für die Versorgung des Gates steigt wie gewünscht über das der Versorgungsspannung an.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Vorstellung des Projekts zur kontaktlosen Ladung eines Modellautos mittels Induktion sowie Definition der Zielsetzung hinsichtlich Leistung und Ladezeit.
2. GRUNDLAGEN: Erläuterung der physikalischen Prinzipien des Elektromagnetismus und der magnetischen Feldstärke sowie eine Übersicht verschiedener Kopplungsarten für die Energieübertragung.
3. EXPERIMENTE ZUM PRINZIP DER LUFTSPULEN ÜBERTRAGUNG: Dokumentation der ersten praktischen Versuche mit einem Lufttransformator zur Demonstration der kontaktlosen Energieübertragung.
4. ENTWICKLUNG DER SCHALTUNG: Beschreibung des technischen Aufbaus von Primär- und Sekundärseite, inklusive Bauteilauswahl wie Dioden, MOSFETs und Treiberschaltungen.
5. TESTS: Detaillierte Darstellung der Messreihen zu Spannungsverläufen, Wirkungsgraden in Abhängigkeit von der Spulenpositionierung und der Ladekurve des Modells.
6. MECHANISCHER AUFBAU: Erläuterung der mechanischen Konstruktion zur Halterung und Positionierung der Komponenten sowie der Integration des Systems in das RC-Auto.
7. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Zusammenfassung der Ergebnisse hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten sowie ein Ausblick auf zukünftige Anwendungsgebiete und Optimierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Induktive Energieübertragung, Lufttransformator, Schwingkreis, Resonanzfrequenz, Modellauto, MOSFET, Wirkungsgrad, Bootstrapping, Treiberschaltung, kontaktloses Laden, Magnetfeld, Induktion, Elektronik, Leistungselektronik, Ladespule.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Systems, um ein ferngesteuertes Elektro-Modellauto kontaktlos und somit kabellos aufzuladen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die induktive Energieübertragung über Lufttransformatoren, der Aufbau von Schwingkreisen zur Resonanzoptimierung sowie die Entwicklung der entsprechenden Leistungselektronik.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, durch Anfahren einer definierten Parkfläche eine Leistung von mindestens 2 Watt kontaktlos zu übertragen, um den Akkumulator des Modellautos ohne manuelle Kabelverbindung zu laden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert theoretische Grundlagen zur elektromagnetischen Induktion mit empirischen Versuchsreihen, bei denen Oszilloskope und Multimeter zur Vermessung von Spannungen, Strömen und Wirkungsgraden eingesetzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Entwicklung der Primär- und Sekundärschaltungen, die Auswahl geeigneter Bauteile (Dioden, MOSFET-Treiber), den mechanischen Aufbau sowie die systematische Testphase unter verschiedenen Bedingungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie induktive Energieübertragung, Lufttransformator, Resonanzfrequenz, Wirkungsgrad und kontaktloses Laden beschreiben.
Welchen Wirkungsgrad konnte das Team bei optimaler Ausrichtung erreichen?
Bei einer optimalen Lage des Autos zur Ladespule konnte ein Wirkungsgrad von 54 % gemessen werden.
Wie lange dauert der Ladevorgang des Akkumulators?
Der Ladevorgang des Akkumulators im Modellauto benötigt in der realisierten Konfiguration ca. 3 Stunden.
- Arbeit zitieren
- Ingo Hatzmann (Autor:in), Thomas Schloffer (Autor:in), 2013, Das kabellose Laden eines E-Modellautos. Grundlagen und Experimente, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/214555
