DE102009033239A1

DE102009033239A1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

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Publication number: DE102009033239A1
Application number: DE102009033239A
Authority: DE
Inventors: Mathias Wechlin; Andrew Dr. Green
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Enrx Ipt De GmbH
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: US9203258B2; CN102474120A; RU2012101814A; ZA201109296B; DE102009033239C5; EP2454798A2; WO2011006842A3; BR112012000926A2; JP2012533280A; CN102474120B; WO2011006842A2; KR20120049264A; DE102009033239B4; KR101428696B1; US20120187773A1; CA2766957A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug, weist die stationäre Einheit mindestens zwei untereinander gleichartige Primärinduktivitäten auf, die unabhängig voneinander mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind. Vorzugsweise ist eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von untereinander gleichartigen Primärinduktivitäten vorgesehen, die in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet sind. Jeder Primärinduktivität ist entweder ein eigener Ausgang einer zentralen Stromversorgungseinheit oder eine eigene Stromversorgungseinheit zugeordnet. Die zentrale Stromversorgungseinheit bzw. die einzelnen Stromversorgungseinheiten sind mit einer zentralen Steuereinheit verbunden, welche die Einspeisung von Strömen in die einzelnen Primärinduktivitäten individuell steuert. Vorzugsweise weist das Fahrzeug mehrere untereinander gleichartige Sekundärinduktivitäten auf, deren Abmessungen und Anordnung so ausgelegt sind, dass in mindestens einer Position des Fahrzeugs eine gleichzeitige paarweise Überdeckung zwischen mehreren Sekundärinduktivitäten und Primärinduktivitäten besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen dienen der induktiven Ladung einer in einem Elektrofahrzeug eingebauten, wiederaufladbaren Batterie. Sie werden heute üblicherweise in einem 1:1 Verhältnis von Primär- und Sekundärseite gebaut. Da die beiden Seiten entsprechend aufeinander abgestimmt sind, kann nicht ohne weiteres eine völlig anders ausgelegte Sekundärseite zur Energieübertragung eingesetzt werden. Zumindest ist der Wirkungsgrad deutlich reduziert und es treten deutlich höhere Streufelder auf, wenn die Sekundärspule deutlich kleiner als die Primärspule ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für das induktive Laden von Fahrzeugen mit unterschiedlich großen Ladeleistungen an ein und derselben Ladestation zu schaffen, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und minimale Streuverluste auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung stellt zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug mindestens zwei untereinander gleichartige Primärinduktivitäten bereit, die unabhängig voneinander mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind. Ein Kerngedanke der Erfindung besteht somit in einer Modularisierung der Primärinduktivität, mit der zwangsläufig eine entsprechende Modularisierung der Sekundärinduktivität verbunden ist. Vorzugsweise ist eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von untereinander gleichartigen Primärinduktivitäten vorgesehen, die beispielsweise die Form einer rechteckigen Matrix haben kann. Alternativ zur klassischen Matrixform können aufeinanderfolgende Reihen jeweils in ihrer Längsrichtung um das halbe Rastermaß einer Reihe gegeneinander versetzt sein, um eine höhere Packungsdichte zu erzielen.
Im Interesse eines modularen Aufbaus des Gesamtsystems kann jeder Primärinduktivität eine eigene Stromversorgungseinheit zugeordnet sein, wobei alle Stromversorgungseinheiten mit einer gemeinsamen Steuereinheit verbunden sind, welche die von den Stromversorgungseinheiten in die einzelnen Primärinduktivitäten eingespeisten Ströme individuell steuert, insbesondere durch Aktivierung oder Deaktivierung der einzelnen Stromversorgungseinheiten. Alternativ hierzu kann auch eine zentrale Stromversorgungseinheit mit mehreren Ausgängen, an denen jeweils eine einzelne Primärinduktivität angeschlossen ist, vorgesehen sein. In diesem Fall werden die einzelnen Ausgänge von der Steuereinheit individuell gesteuert.
Die Entscheidung, welche Primärinduktivitäten zu bestromen sind, kann von der Steuereinheit anhand von Impedanz- oder Spannungsmessungen an den Primärinduktivitäten getroffen werden, durch welche die Präsenz einer Sekundärinduktivität im Bereich jeder einzelnen Primärinduktivität feststellbar ist. Hierzu ist die Stromversorgungseinheit mit einer entsprechenden Messeinrichtung ausgerüstet, wobei die Anwendung einer reinen Spannungsmessung zur Positionsdetektion der Sekundärinduktivitäten deren Bestromung voraussetzt.
Die Anzahl der fahrzeugseitigen Sekundärinduktivitäten kann entsprechend dem Ladeleistungsbedarf eines Fahrzeugs zwischen einer einzigen und der Gesamtzahl der Primärinduktivitäten eines Ladestation variieren, wobei im Fall mehrerer Sekundärinduktivitäten diese so angeordnet sein sollten, dass durch eine geeignete Positionierung des Fahrzeugs eine gleichzeitige paarweise Überdeckung zwischen mehreren Sekundärinduktivitäten und Primärinduktivitäten herbeigeführt werden kann. Dies ist dann gewährleistet, wenn die Anordnung der Sekundärinduktivitäten zumindest mit einem Teilabschnitt der Anordnung der Primärinduktivitäten übereinstimmt.
Die Erfindung erlaubt das induktive Laden unterschiedlich großer Elektrofahrzeuge mit unterschiedlichem Leistungsbedarf und an diesen Leistungsbedarf jeweils angepasster Sekundärseite an einer für den Leistungsbedarf eines großen Fahrzeugs ausgelegten Ladestation ohne nennenswerte Verluste bei kleineren Fahrzeugen, die nicht die maximal mögliche Ladeleistung benötigen. Ferner stellt die Erfindung bei kleineren Fahrzeugen eine Vielzahl von gleichermaßen optimalen Ladepositionen bereit, schafft also eine gewisse Toleranz für die Positionierung kleinerer Fahrzeuge. Auch eröffnet die Erfindung auch die Möglichkeit, an einer Ladestation anstelle eines einzigen großen Fahrzeugs mehrere kleinere Fahrzeuge gleichzeitig zu laden.
Darüber hinaus sorgt die erfindungsgemäße Modularisierung für höhere Stückzahlen an kleineren Primär- und Sekundärinduktivitäten, was Kostenvorteile bei der Massenfertigung erbringt. Gleiches gilt sinngemäß auch für die Stromversorgungseinheiten, falls diese in die Modularisierung einbezogen werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Schaffung von Redundanz. So ist ein Laden mit reduzierter Laderate auch dann noch möglich, wenn ein Teil der Primär- und/oder Sekundärinduktivitäten und/oder Stromversorgungseinheiten defekt sein sollte, indem defekte Komponenten abgeschaltet und nur die noch intakten Komponenten benutzt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem in annähernd in Ladeposition befindlichen Elektrofahrzeug,
2 schematische Darstellungen verschieden großer Elektrofahrzeuge mit unterschiedlichen Sekundärspulenanordnungen,
3 die verschieden großen Elektrofahrzeuge von 3 jeweils in einer Ladeposition an einer erfindungsgemäßen Primärspulenanordnung,
4 mehrere Beispiele verschiedener matrixförmiger Primärspulenanordnungen,
5 eine Primärspulenanordnung mit versetzen und unterschiedlich langen Spulenreihen,
6 verschiedene Ladepositionen eines Fahrzeugs mit einer einzigen Sekundärspule an einer erfindungsgemäßen Primärspulenanordnung und
7 verschiedene Ladepositionen eines Fahrzeugs mit mehreren Sekundärspulen an einer anderen erfindungsgemäßen Primärspulenanordnung.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier untereinander gleichen Primärspulen 1 bis 4 in einer quadratischen Anordnung ist in 1 in der Draufsicht schematisch dargestellt. Über der Anordnung der Primärspulen 1 bis 4 befindet sich gerade ein zu ladendes Elektrofahrzeug 5, welches mit nur einer einzigen Sekundärspule 6 ausgerüstet ist. Die kreisförmige Grundfläche der Sekundärspule 6 ist in 1 zur Unterscheidung von derjenigen der Primärspulen 1 bis 4 schraffiert dargestellt. Diese Art der Darstellung liegt auch allen anderen Figuren zugrunde. Der Durchmesser der Sekundärspule 6 stimmt mit demjenigen der Primärspulen 1 bis 4 überein. Wie zu erkennen ist, überdeckt die Sekundärspule 6 die Primärspule 4 zu einem großen Teil, aber nicht vollkommen, während sie sich in einem Abstand von den übrigen Primärspulen 1 bis 3 befindet. Die Position des Fahrzeugs 5 ist also für eine Energieübertragung insgesamt gesehen nicht optimal, aber die Primärspule 4 ist von allen vorhandenen Primärspulen 1 bis 4 als einzige überhaupt dazu geeignet.
Die einzelnen Primärspulen 1 bis 4 sind jeweils mit einer eigenen Stromversorgungseinheit 7 bis 10 verbunden, die jeweils an eine Netzleitung 11 angeschlossen ist, aus der sie elektrische Leistung beziehen kann, um diese an die jeweils zugeordnete Primärspule 1 bis 4 abzugeben. Die Betriebsparameter (Spannung, Strom, Frequenz) der Einspeisung in die Primärspulen 1 bis 4 sind für die induktive Übertragung zu einer Sekundärspule 6 optimiert und weichen von den Betriebsparametern der Netzleitung 11 ab.
Die einzelnen Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 sind mit einer zentralen Steuereinheit 12 verbunden, deren Aufgabe es ist, die Bestromung der einzelnen Primärspulen 1 bis 4 durch die Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 bedarfsgerecht zu steuern. In dem gezeigten Beispiel bedeutet dies, dass nur die Primärspule 4 zu bestromen ist, während die anderen drei Primärspulen 1 bis 3 inaktiv bleiben. Dies geschieht über Steuerleitungen 13 bis 16, die auf Schalter 17 bis 20 wirken, mittels derer die Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 einzeln an eine Steuerspannungsleitung 21 angeschaltet werden können. Eine solche Anschaltung bewirkt die Aktivierung der jeweiligen Stromversorgungseinheit 7 bis 10 und in der Folge die Einspeisung von Strom in die zugeordnete Primärspule 1 bis 4. In dem dargestellten Beispiel wird von der Steuereinheit 12 nur auf der Steuerleitung 16 ein Schließsignal für den Schalter 20 ausgegeben, wodurch die Stromversorgungseinheit 10 zur Bestromung der Primärspule 4 aktiviert wird. Auf den übrigen Steuerleitungen 13 bis 15 werden keine Schließsignale ausgegeben, so dass die Schalter 17 bis 19 offen und die Stromversorgungseinheiten 7 bis 9 inaktiv bleiben.
Von den einzelnen Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 führen Signalleitungen 22 bis 25 zu der Steuereinheit 12. Über diese Signalleitungen 22 bis 25 geben in die Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 integrierte Impedanzmesseinrichtungen jeweils Messsignale an die Steuereinheit 12 ab, welche die Impedanzwerte der jeweils zugeordneten Primärspulen 1 bis 4 anzeigen. Diese Impedanzwerte werden durch die Präsenz einer Sekundärspule 6 im Bereich einer Primärspule 1 bis 4 beeinflusst, insbesondere wenn diese kurzgeschlossen ist, was in der Ankunftsphase des Fahrzeugs an der Primärspulenanordnung ohne weiteres zulässig ist, da in dieser Phase noch keine Energieübertragung stattfindet. In der in 1 dargestellten Situation wird nur der Impedanzwert der Primärspule 4 durch das Vorhandensein der Sekundärspule 6 verändert. Die Impedanzwerte der übrigen Primärspulen 1 bis 3 können allenfalls durch die Karosserie des Fahrzeugs 5 beeinflusst werden. Die dadurch verursachte Impedanzänderung hat bei geeigneter Systemauslegung ein wesentlich geringeres Ausmaß als die durch die Sekundärspule 6 verursachte Impedanzänderung der Primärspule 4.
Die Steuereinheit 12 enthält eine Auswertungseinheit, welche anhand der über die Signalleitungen 22 bis 25 eingehenden Messsignale die Verteilung der Impedanzwerte der einzelnen Primärspulen 1 bis 4 beobachtet und anhand eines Vergleichs mit einem Schwellwert feststellt, über welcher der Primärspulen 1 bis 4 sich eine Sekundärspule 6 befindet. In der in 1 dargestellten Situation ist dies nur die Primärspule 4, die folglich als einzige zur Bestromung ausgewählt wird. Würde sich das Elektrofahrzeug 5 weiter nach rechts bewegen und seine Sekundärspule 6 überwiegend mit der Primärspule 1 zur Deckung kommen, so würde diese ausgewählt und die zugeordnete Stromversorgungeseinheit 7 durch Schließen des Schalters 17 mittels eines Signals auf der Steuerleitung 13 aktiviert.
Alternativ zu dem vorausgehend vorgestellten Ausführungsbeispiel mit mehreren dezentralen Stromversorgungseinheiten 7 bis 10 könnte die Erfindung auch mit Hilfe einer einzigen zentralen Stromversorgungseinheit verwirklicht werden, die mehrere separat aktivierbare Ausgänge aufweist (Zone-Controller-Konzept oder Trafo).
Vorausgehend war ein Elektrofahrzeug 5 mit nur einer einzigen Sekundärspule 6 angenommen worden. Die Erfindung zielt jedoch gerade darauf ab, an einer Ladestation verschieden große Fahrzeuge mit unterschiedlichem Leistungsbedarf laden zu können. Hierzu sind die unterschiedlich großen Fahrzeuge, wie in 2 veranschaulicht ist, mit einer unterschiedlichen Anzahl von Sekundärspulen auszurüsten. Neben einem kleinen Fahrzeug 5 mit einer einzigen Sekundärspule 6 rechts sind dort in der Mitte ein mittelgroßes Fahrzeug 5A mit vier Sekundärspulen in einer quadratischen Anordnung 6A sowie links ein großes Fahrzeug 5B mit acht Sekundärspulen in einer rechteckigen Anordnung 6B dargestellt. Bei dem kleinen Fahrzeug 5 kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen handeln, bei dem mittelgroßen Fahrzeug 5A um einen Kleintransporter oder Kleinbus und bei dem großen Fahrzeug 5B um einen Lastkraftwagen oder Omnibus. Die Fahrtrichtung der Fahrzeuge 5, 5A und 5B ist in 2 ebenso wie in 3 die Richtung nach oben.
3 zeigt die verschieden großen Fahrzeuge 5, 5A und 5B aus 2 über einer rechteckigen Anordnung 26 von acht Primärspulen. Analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder einzelnen Primärspule der Anordnung 26 eine eigene Stromversorgungseinheit zugeordnet, die in 3 und allen folgenden Figuren nicht mehr gezeigt ist, und es ist eine ebenfalls nicht mehr gezeigte zentrale Steuereinheit vorgesehen. Die Geometrie der Primärspulenanordnung 26 entspricht genau der Geometrie der Sekundärspulenanordnung 6B des großen Fahrzeugs 5B, und zwar sowohl hinsichtlich der Größe der einzelnen Spulen, als auch hinsichtlich ihrer Anzahl und ihrer Anordnung relativ zueinander.
Das große Fahrzeug 5B in 3 links befindet sich in einer nahezu optimalen Ladeposition, indem die Sekundärspulenanordnung 6B die Primärspulenanordnung 26 nahezu exakt überdeckt, d. h. jede einzelne Sekundärspule genau über einer Primärspule liegt. In diesem Fall werden alle Primärspulen der Anordnung 6B aktiviert und zum Laden der Batterie des Fahrzeugs 5B benutzt. Die Primärspulenanordnung 26 und die Sekundärspulenanordnung 6B sind so ausgelegt, dass eine ausreichend große Leistung übertragen werden kann, um die Batterie des großen Fahrzeugs 5B mit einer angemessenen Rate zu laden. Für das große Fahrzeug 5B gibt es in der dargestellten Fahrtrichtung nur eine einzige optimale Ladeposition, da nur in einer einzigen Position die vollständige Überdeckung der Sekundärspulenanordnung 6B mit der Primärspulenanordnung 26 gegeben ist. Bei der genau umgekehrten Fahrtrichtung gäbe es ebenfalls nur eine einzige optimale Ladeposition. Dies ist insofern nicht problematisch, als große Fahrzeuge wie Omnibusse oder Lastkraftwagen von speziell geschulten Fahrern mit entsprechender Fahrpraxis gefahren werden, denen beim Parken an einer Ladestation eine hinreichend genaue Positionierung ihres Fahrzeugs zuzutrauen ist.
In der Mitte von 3 befindet sich das mittelgroße Fahrzeug 5A ebenfalls in einer nahezu optimalen Ladeposition, indem die in diesem Fall vier Sekundärspulen umfassende Sekundärspulenanordnung 6B eine Hälfte der Primärspulenanordnung 26 nahezu exakt überdeckt, d. h. jede einzelne Sekundärspule genau über einer Primärspule besagter Hälfte liegt. In diesem Fall werden vier der acht Primärspulen der Anordnung 26, nämlich die in Fahrtrichtung vorderen vier in 3, aktiviert und zum Laden der Batterie des Fahrzeugs 5B benutzt. Die Primärspulenanordnung 26 und die Sekundärspulenanordnung 6A sind so ausgelegt, dass auch in diesem Fall eine ausreichend große Leistung übertragen werden kann, um die Batterie des mittelgroßen Fahrzeugs 5A mit einer angemessenen Rate zu laden.
Wie aus 3 zu ersehen ist, entspricht die Sekundärspulenanordnung 6A des mittelgroßen Fahrzeugs 5A genau einer Hälfte der Sekundärspulenanordnung 6B des großen Fahrzeugs 5B. Daher gibt es für das mittelgroße Fahrzeug 5A mehrere optimale Ladepositionen. So könnte das mittelgroße Fahrzeug beispielsweise auch so stehen, dass seine Sekundärspulenanordnung 6B genau die mittleren vier oder die in Fahrtrichtung hinteren vier Primärspulen der Primärspulenanordnung 26 überdecken. Gleiches gilt für die genau umgekehrte Fahrtrichtung. Das mittelgroße Fahrzeug 5A könnte sogar in einer gegenüber der gezeigten um ±90° gedrehten Fahrtrichtung stehen. Auch dann gäbe es jeweils drei verschiedene optimale Ladepositionen mit jeweils exakter Überdeckung von vier Primärspulen der Primärspulenanordnung 26 durch die Sekundärspulenanordnung 6B. Anhand der zuvor erwähnten Impedanzmessung kann in jedem Fall festgestellt werden, welche Primärspulen der Primärspulenanordnung 26 in für eine Energieübertragung geeigneter Weise durch Sekundärspulen der Sekundärspulenanordnung 6B überdeckt werden, und es können gezielt die überdeckten Primärspulen bestromt und die nicht überdeckten inaktiv belassen werden.
In 3 rechts befindet sich das kleine Fahrzeug 5 ebenfalls in einer nahezu optimalen Ladeposition, indem die in diesem Fall einzige Sekundärspule 6 eine Primärspule der Primärspulenanordnung 26 nahezu exakt überdeckt. In diesem Fall wird nur eine einzige der acht Primärspulen der Anordnung 26, nämlich die in Fahrtrichtung an der vorderen rechten Ecke der Anordnung 26 gelegene, aktiviert und zum Laden der Batterie des Fahrzeugs 5benutzt. Die Primärspulenanordnung 26 und die Sekundärspule 6 sind so ausgelegt, dass auch in diesem Fall eine ausreichend große Leistung übertragen werden kann, um die Batterie des kleinen Fahrzeugs 5 mit einer angemessenen Rate zu laden.
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, gibt es für das kleine Fahrzeug eine große Anzahl von optimalen Ladepositionen, davon acht allein bei der in 3 dargestellten Fahrtrichtung, da die Sekundärspule 6 wahlweise mit jeder einzelnen Primärspule der Primärspulenanordnung 26 zur Deckung gebracht werden kann. Gleiches gilt für die genau umgekehrte sowie für eine um ±90° gedrehte Fahrtrichtung.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Primärspulenanordnungen können selbstverständlich unter Beibehaltung der durch die Erfindung erzielbaren Wirkung in weiten Grenzen variiert werden. Einige Beispiele für solche Variationen sind in den 4 und 5 zu sehen. Die in 4 auf der linken Seite dargestellten Primärspulenanordnungen 27 bis 31 sind streng rechteckig, während die auf der rechten Seite dargestellten Primärspulenanordnungen 27A bis 31A parallelogrammförmig bzw. näherungsweise rechteckig sind.
Die einfachste denkbare Anordnung 27 besteht aus nur zwei Primärspulen und erlaubt nur eine sehr grobe Abstufung der Übertragungsleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggröße in zwei Stufen. Die quadratische Anordnung 28 mit vier Spulen wurde bereits anhand 1 erläutert. Bei den Anordnungen 29 bis 31 handelt es sich um Erweiterungen, denen die Form einer Matrix aus Reihen und Spalten mit jeweils gleichen Abständen zwischen den einzelnen Reihen und zwischen den einzelnen Spalten zugrunde liegt.
Aufgrund der üblicherweise rechteckigen Grundfläche einer Fahrzeugkarosserie erscheint es als sinnvoll, eine zumindest annähernd rechteckige Spulenanordnung mit der längeren Seite in der vorgesehenen Fahrtrichtung eines zu ladenden Fahrzeugs auszurichten. Im Grenzfall könnte auch nur eine einzige Reihe von in der vorgesehenen Fahrtrichtung eines zu ladenden Fahrzeugs hintereinander angeordneten Spulen vorgesehen werden. In der Regel wird die Aufreihung von Primärspulen bei den heute erreichbaren Übertragungsleistungen von den vorhandenen Fahrzeuglängen bzw. dem nutzbaren Einbauraum für die Sekundärspulen begrenzt werden.
Die korrespondierenden Anordnungen 27A bis 31A auf der rechten Seite von 4 unterscheiden sich von denjenigen auf der linken Seite jeweils dadurch, dass aufeinanderfolgende Reihen in Reihenlängsrichtung um das halbe Rastermaß einer Reihe gegeneinander versetzt sind. Wie insbesondere ein Vergleich der Anordnungen 30 und 30A sowie 31 und 31A erweist, lässt sich durch diesen Versatz eine höhere Packungsdichte der Primärspulen erzielen, d. h. eine gegebene Anzahl von Primärspulen gegebenen Durchmessers auf einer kleineren Fläche unterbringen.
Die Primärspulenanordnung 32 gemäß 5 entspricht hinsichtlich des Versatzes aufeinanderfolgender Reihen den Anordnungen 27A bis 31A, hat jedoch insgesamt keine annähernd rechteckige oder parallelogrammartige Form, sondern eine hexagonale Form mit insgesamt sechs Symmetrieachsen.
Die vorausgehend bereits anhand von 3 erwähnte Positionstoleranz der erfindungsgemäßen Primärspulenanordnung gegenüber Fahrzeugen mit weniger Sekundärspulen verdeutlichen die in den 6 und 7 gezeigten Beispiele. Hierbei geht 6 von der bereits 3 rechts zugrundeliegenden Situation aus, dass ein Elektrofahrzeug 5 mit nur einer einzigen Sekundärspule 6 an einer Ladestation mit einer rechteckigen Anordnung 26 von acht Primärspulen geladen werden soll, wobei die vorgesehene Fahrtrichtung des Fahrzeugs 5 die Richtung nach oben ist.
In der ganz links dargestellten Fahrzeugposition liegt die Sekundärspule 6 über der in Fahrtrichtung vordersten Primärspule der linken Spalte. In der rechts daneben als nächstes dargestellten Fahrzeugposition liegt die Sekundärspule 6 über der zweiten Primärspule von hinten in der linken Spalte. In der rechts daneben als nächstes dargestellten Fahrzeugposition liegt die Sekundärspule 6 über der zweiten Primärspule von vorne in der rechten Spalte. In der ganz rechts dargestellten Fahrzeugposition liegt die Sekundärspule 6 schließlich über der in Fahrtrichtung vordersten Primärspule der rechten Spalte, wobei das Fahrzeug 5 nicht genau in der vorgesehenen Fahrtrichtung, sondern leicht schräg dazu steht. Es besteht somit in der 6 zugrundeliegenden Situation eine Positionstoleranz sowohl in Fahrtrichtung, als auch quer zur Fahrtrichtung, als auch hinsichtlich einer Schrägstellung des Fahrzeugs zur vorgesehenen Fahrtrichtung.
Für die Funktionsfähigkeit der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass die Grundflächen der Primärspulen und der Sekundärspulen wie in den 1 bis 6 übereinstimmen. Ein Beispiel für die Situation, dass ein Fahrzeug mit Sekundärspulen kleinerer Grundfläche an einer Ladestation mit Primärspulen größerer Grundfläche geladen werden soll, zeigt 7. Das dort dargestellte Fahrzeug 5C weist eine durch Schraffur gekennzeichnete Sekundärspulenanordnung 6C auf, die aus zwei in Fahrtrichtung (in 7 nach oben) hintereinander liegenden Reihen zu je drei Sekundärspulen besteht. Die Primärspulenanordnung 33 besteht aus insgesamt 17 Primärspulen, die in sieben Reihen in Fahrtrichtung hintereinander liegen, wobei die Reihen abwechselnd jeweils um ein halbes Reihenrastermaß seitlich versetzt und unterschiedlich lang sind.
Auf der linken Seite von 7 steht das Fahrzeug 5C in der vorgesehenen Fahrtrichtung, doch die Sekundärspulen der Sekundärspulenanordnung 6C liegen nur teilweise über Primärspulen, teilweise aber genau über Zwischenräumen zwischen verschiedenen Primärspulen. In diesem Fall werden nur diejenigen Primärspulen bestromt, über denen sich zumindest annähernd Sekundärspulen befinden. Dies sind hier nur die beiden vorderen Primärspulen der mittleren Spalte der Primärspulenanordnung 33, über denen sich die beiden mittleren Sekundärspulen zum überwiegenden Teil und die beiden rechten Sekundärspulen jeweils etwa zur Hälfte befinden. Die bestromten Primärspulen sind in 7 durch eine größere Strichstärke gekennzeichnet. Die beiden linken Sekundärspulen befinden sich annähernd mittig über Zwischenräumen zwischen Primärspulen. Bei einer gleichphasigen Speisung der jeweils umgebenden Primärspulen würden sich deren Felder im Bereich der dazwischenliegenden Sekundärspulen zwar konstruktiv überlagern, doch wäre hier mit großen Streuverlusten zu rechnen, weshalb eine Bestromung dieser Primärspulen nicht als sinnvoll erscheint.
In der Mitte von 7 steht das Fahrzeug 5C ebenfalls in der vorgesehenen Fahrtrichtung, doch in diesem Fall liegen die vier äußeren Sekundärspulen der Sekundärspulenanordnung 6C an der linken und an der rechten Längsseite des Fahrzeugs 5C jeweils über Primärspulen der Primärspulenanordnung 33, während die beiden mittleren Sekundärspulen jeweils genau zwischen zwei Primärspulen liegen. In diesem Fall sind somit vier von Sekundärspulen überdeckte Primärspulen zu bestromen, die ebenfalls anhand der Strichstärke kenntlich gemacht sind.
Auf der rechten Seite von 7 steht das Fahrzeug 5C deutlich schräg zur vorgesehenen Fahrtrichtung. Dennoch liegen in diesem Fall fünf der sechs Sekundärspulen jeweils über einer Primärspule, so dass fünf Primärspulen bestromt und die Batterie des Fahrzeugs 5C mit einer relativ hohen Rate geladen werden kann. Lediglich die Sekundärspule an der vorderen linken Ecke der Sekundärspulenanordnung 6C liegt genau zwischen zwei Primärspulen und kann daher durch die Primärspulenanordnung 33 nicht mit einem starken magnetischen Wechselfeld beaufschlagt werden.
Wenn ein Fahrzeug zum Laden über die Primärspulenanordnung einer erfindungsgemäßen Ladestation gefahren wird, kann die Positionierung des Fahrzeugs für den Ladevorgang zusätzlich zu der vorausgehend bereits erwähnten Impedanzmessung durch weitere Sensoren, z. B. auf der Basis von Radar, Ultraschall, Infrarot, Lichtschranken, sowie durch eine drahtlose Kommunikation zwischen dem sich annähernden Fahrzeug und der Steuereinheit der Ladestation unterstützt werden. Insbesondere kann hierbei eine Identifikation der Art des Fahrzeugs hinsichtlich der Anzahl und Anordnung der Sekundärinduktivitäten erfolgen, aus der sich eine oder mehrere optimale Positionen für den Ladevorgang ergeben, in die das Fahrzeug mit Hilfe der Impedanzmessung und ggf. zusätzlicher Sensorik manövriert werden sollte.
Hier ist es auch denkbar, die Sekundärspulen in der Ankunftsphase des Fahrzeugs zur Erzeugung eines eigenen Magnetfeldes aus der Fahrzeugbatterie zu bestromen, um die Detektion ihrer Positionen durch die Ladestation zu erleichtern. Die Einzelheiten der Manövrierung des Fahrzeugs sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Es versteht sich dass die Ladung der Batterie eines großen Fahrzeugs mit einer hohen Laderate die Bereitstellung einer relativ hohen Gesamt-Anschlussleistung erfordert. Bei kleineren Fahrzeugen ermöglicht diese hohe Anschlussleistung eine vergleichsweise schnelle Ladung der Batterie. Auf diese Weise kann eine kurze Standzeit eines Fahrzeugs an einer erfindungsgemäßen Ladestation durch eine höhere Ladeleistung ausgeglichen werden.
So ist beispielsweise in Wohngebieten in den meisten Garagen für Personenkraftwagen nur ein einphasiger Netzanschluss (230 V/10 A) verfügbar, mit dem eine Ladeleistung von ca. 2 kW erreichbar ist. In einer solchen Garage kann daher eine einzelne Primärspule eingebaut werden, die von einer für diese Leistung ausgelegten Stromversorgungseinheit gespeist wird. Über Nacht wird ein Fahrzeug mit dieser Leistung über einen längeren Zeitraum geladen. Tagsüber besteht die Möglichkeit, dasselbe Fahrzeug beispielsweise auf einem Firmenparkplatz aufzuladen, wo für eine Ladestation ohne weiteres ein dreiphasiger Anschluss (400 V/16 A) mit ca. 6 kW Übertragungsleistung vorgesehen werden kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das Fahrzeug mit zwei oder mehr Sekundärspulen ausgerüstet ist, von denen bei der Ladung in der häuslichen Garage nur eine einzige benutzt wird, während bei der kürzer andauernden Ladung auf dem Firmenparkplatz zwei oder mehr Sekundärspulen benutzt werden.
Auf der Basis dieses Konzeptes können auch Schnelllade-Elektrotankstellen betrieben werden. Sind Fahrzeuge mit mehreren Sekundärspulen ausgerüstet, so wird zu Hause und im Alltagsbetrieb meistens nur eine einzige Sekundärspule benutzt. Wenn aber möglichst schnell eine große Menge Energie überragen werden soll, dann werden mehrere Sekundärspulen benutzt.
Soweit hier von Primär- und Sekundärspulen die Rede ist, sind allgemein gekoppelte Induktivitäten gemeint, bei denen es sich nicht zwingend um Spulen klassischer Bauform handeln muss. So kann beispielsweise ihre Grundfläche eine andere als die den Ausführungsbeispielen zugrundeliegende Kreisform haben und die Windungen brauchen nicht schraubenförmig zu verlaufen, sondern können auch planar geführt sein. Die genaue Auslegung der Form der Induktivitäten liegt im fachmännischen Ermessen.

Claims

Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug (5), dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Einheit mindestens zwei untereinander gleichartige Primärinduktivitäten (1–4) aufweist, die unabhängig voneinander mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Einheit eine regelmäßige zweidimensionale Anordnung (26–32; 27A–31A) einer Vielzahl von untereinander gleichartigen Primärinduktivitäten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktivitäten in Form einer rechteckigen Matrix (26–31) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (27A–31A; 32) der Primärinduktivitäten die Form mehrerer Reihen mit jeweils gleichem Rastermaß innerhalb der Reihen und gleichem Reihenabstand hat, und dass aufeinanderfolgende Reihen jeweils in ihrer Längsrichtung um das halbe Rastermaß einer Reihe gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Primärinduktivität (1–4) entweder ein eigener Ausgang einer zentralen Stromversorgungseinheit oder eine eigene Stromversorgungseinheit (7–10) zugeordnet ist, und dass die zentrale Stromversorgungseinheit bzw. die einzelnen Stromversorgungseinheiten (7–10) mit einer zentralen Steuereinheit (12) verbunden ist bzw. sind, welche die Einspeisung von Strömen in die einzelnen Primärinduktivitäten (1–4) individuell steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Ausgänge der zentralen Stromversorgungseinheit bzw. die einzelnen Stromversorgungseinheiten (7–10) durch die Steuereinheit (12) individuell aktivierbar oder deaktivierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Stromversorgungseinheit eine Messeinrichtung aufweist bzw. die einzelnen Stromversorgungseinheiten (7–10) jeweils eine Messeinrichtung aufweisen, durch welche an jeder Primärinduktivität (1–4) entweder deren Impedanz oder eine induzierte Spannung messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Verteilung der gemessenen Impedanzwerte oder Spannungswerte der einzelnen Primärinduktivitäten (1–4) innerhalb der stationären Einheit aufweist, und dass die Auswertungseinheit (12) die Bestromung der Primärinduktivitäten (1–4) in Abhängigkeit von der ermittelten Verteilung der Impedanz- bzw. Spannungswerte steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) die Bestromung einer Primärinduktivität (1–4) nur dann bewirkt, wenn ein von der Messeinrichtung gemessener Impedanzwert um ein vorbestimmtes Mindestmaß von einem Referenzwert abweicht bzw. ein von der Messeinrichtung gemessener Spannungswert eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (5; 5A; 5B; 5C) mindestens eine Sekundärinduktivität aufweist, deren Abmessungen so ausgelegt sind, dass in mindestens einer Position des Fahrzeugs (5; 5A; 5B; 5C) eine Überdeckung zwischen mindestens einer Sekundärinduktivität des Fahrzeugs (5A; 5B; 5C) und mindestens einer Primärinduktivitäten der stationären Einheit besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (5A; 5B; 5C) mehrere untereinander gleichartige Sekundärinduktivitäten aufweist, deren Abmessungen und Anordnung so ausgelegt sind, dass in mindestens einer Position des Fahrzeugs (5A; 5B; 5C) eine gleichzeitige paarweise Überdeckung zwischen mehreren Sekundärinduktivitäten des Fahrzeugs (5A; 5B; 5C) und Primärinduktivitäten der stationären Einheit besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärinduktivitäten zumindest annähernd die gleichen Grundflächen wie die Primärinduktivitäten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärinduktivitäten kleinere Grundflächen als die Primärinduktivitäten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (6A; 6B) der Sekundärinduktivitäten zumindest mit einem Teilabschnitt der Anordnung (26) der Primärinduktivitäten übereinstimmt.