DE102011000363A1

DE102011000363A1 - Energieübertragungssysteme und -verfahren für mobile Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102011000363A1
Application number: DE102011000363A
Authority: DE
Inventors: Roger D. Melen; Takeshi Bessho
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota InfoTechnology Center Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota InfoTechnology Center Co Ltd
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2011-09-01
Also published as: JP2011160653A; US20110184842A1

Abstract

Ein Energie-Übertragungssystem umfasst eine Senderanordnung, einen Energie-Übertragungsregler, eine Empfängeranordnung und einen Lademodul. Die Senderanordnung ist in einer Straße eingebettet, und der Energie-Übertragungsregler ist mit der Senderanordnung gekoppelt. Die Empfängeranordnung und der Lademodul bilden Teile eines mobilen Fahrzeuges. Die Senderanordnung und die Empfängeranordnung umfassen jeweils eine Spulenvielzahl. Der Energie-Übertragungsregler schätzt eine mögliche Trajektorie des mobilen Fahrzeugs ab und aktiviert individuelle Spulen der Senderanordnung unter Nutzung dieser Positions-Einschätzung. Der Energie-Übertragungsregler variiert die Komponentenwerte des Resonanz-Schaltkreises des Senders während eines Übertragungszyklus, wie die Kapazitätswerte der Resonanzkoppelung. Der Lademodul verändert auch die Komponentenwerte des Resonanz-Schaltkreises der Spulen in der Empfängeranordnung, um die Senderanordnung zum Übertragen von Energie von der Senderanordnung an die Empfängeranordnung anzupassen. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Energieübertragung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Übertragen von Energie. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Übertragen von Energie von einer Straße auf ein sich bewegendes Fahrzeug.
Die Begriffe ”Straße” und ”Fahrzeug” sind in breitem Sinne zu verstehen. Alternativ können diese beiden Begriffe eine Bahn und ein sich bewegendes elektrisch angetriebenes System bezeichnen. Die Erfindung kann als Teil eines kleineren Systems genutzt werden, das für Innenraum-Nutzung ausgebildet ist, wobei die Straße oder der Weg als Bahn oder Rennbahn und das Fahrzeug als Cart oder als Scooter oder als Gabelstapler ausgebildet sein können.
Beschreibung des Standes der Technik
Fossiler Brennstoff wird zu einem Reststoff der Vergangenheit, und alternative Energiequellen leiten eine neue Ära des Nutzbarmachens, Speicherns und der Anwendung von Energie ein. Insbesondere im Kontext der Motorfahrzeuge werden die einst mittels Verbrennung von Benzin- oder Diesel-Kraftstoffen betriebenen Maschinen ersetzt durch Maschinen, welche mittels in Batterien im Fahrzeug gespeichertem elektrischen Strom laufen. Während dies Probleme, wie Verunreinigungen insbesondere durch Kohlenstoff-Emissionen, beseitigt, schafft es andere neue Probleme.
Eine solche Herausforderung besteht darin, eine Energiequelle, wie eine Batterie, für die spätere Nutzung zu füllen oder zu laden. Um heute eine Energiequelle zu laden, muss ein Energieübertragungs-Zentrum gefunden werden, im Ungewissen gelassen werden, was dort geschieht, und für die Energieübertragung angehalten werden. Ein spezielles Problem besteht darin, dass das Wiederaufladen der Leistungsquelle eines Elektro-Fahrzeuges oft mehr als zwei Stunden in Anspruch nimmt. Ein Beispiel für solch ein Energieübertragungs-Zentrum ist eine Tankstelle, die Benzin- oder Diesel-Kraftstoffe verkauft und abgibt. Doch haben die meisten Tankstellen nicht genügend Parkraum für Fahrzeuge, welche wieder aufgeladen werden sollen.
Zahlreiche vollelektrisch betriebene Fahrzeuge werden in Garagen aufgeladen, wo sie bei Nichtgebrauch abgestellt sind. Beispielsweise kann ein Energieauslass an einer Wand dazu benutzt werden, den Energiespeicher über eine Steckerverbindung wieder aufzuladen. Während dies für Fahrzeuge, die zum Pendelverkehr dienen, akzeptabel ist, ist die Nutzbarkeit für den Verkehr auf langen Distanzen begrenzt. Dies beschränkt oft die Brauchbarkeit von vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen auf Entfernungen von weniger als 160 km (100 Meilen).
Es wurden Versuche unternommen, Energie auf Fahrzeuge in Bewegung zu übertragen. Solche Versuche waren jedoch nicht effektiv. Ein spezielles Problem hier ist, dass Fahrzeuge Übertragungsspulen schnell überqueren. Hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten führen zu geringen Übertragungs-Zeitspannen. Wenngleich versucht wurde, Energieübertragungs-Zentren zu schaffen, welche für stationäre Objekte gut arbeiten, kann ein bewegliches Objekt durch solche Zentren nicht wieder aufgeladen werden.
Die potentielle Nutzung von elektrischen Systemen mit temporären Energiespeicher-Anwendungen ist umfassend beschrieben in "Electric Vehicles as a New Source of Power for Electric Utilities" von W. Kempton und Steven Letendre, 1997, Transportation Research 2(3), Seiten 157–175.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die Erfindung überwindet die Probleme des Standes der Technik bei Energieübertragungs-Systemen für in Bewegung befindliche (im Folgenden als ”mobil” bezeichnete) Fahrzeuge. Das System gemäß der Erfindung umfasst eine Sender-Anordung, einen Energie-Übertragungs-Regler, eine Empfängeranordnung und einen Lade-Modul. In einer Ausführung ist die Senderanordnung in eine Straße eingebettet, und der Energie-Übertragungs-Regler ist mit der nächst der Straße positionierten Senderanordnung gekoppelt. Die Empfängeranordnung und der Lade-Modul bilden Teile eines bewegten Fahrzeuges, wie eines Elektro-Autos. Die Senderanordnung und die Empfängeranordnung umfassen jeweils eine Spulenvielzahl. Der Energie-Übertragungs-Regler schätzt eine wahrscheinliche Trajektorie des bewegten Fahrzeuges im voraus und aktiviert individuelle Spulen der Senderanordnung unter Nutzung dieser Positions-Abschätzung. Der Energie-Übertragungs-Regler variiert die Komponentenwerte des Resonanzkreises des Senders während des Übertragungszyklus, wie die Kapazitätswerte der Resonanzkoppelung. Der Lade-Modul variiert auch die Komponentenwerte des Resonanz-Schaltkreises der Spulen in der Empfängeranordnung, um die Senderanordnung zum Übertragen von Energie von der Senderanordnung an die Empfängeranordnung anzupassen. Die Übertragungsfrequenz oder Spulenresonanzfrequenz (Induktanz oder Kapazitanz) werden sowohl für die Senderanordnung als auch für die Empfängeranordnung so eingestellt, dass ein maximaler Übertragungs-Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Witterungs- und Straßenverhältnissen erzielt wird. Die Besteinstellung variiert mit vielen Faktoren einschließlich des Spulen-Kopplungs-Koeffizienten. Der Kopplungs-Koeffizient wird unter Einsatz von Modellen variiert, welche die präzise Fahrzeug-Position auf der Straße abschätzen. Die Echtzeit-Einstellung der Resonanz-Komponenten schließt Fahrzeug-Positionsdaten ein, um den Übertragungs-Wirkungsgrad hoch zu treiben. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Energie-Übertragung.
Es ist festzuhalten, dass bei dem obigen System die Senderanordnung als in der Straße untergebracht und der Empfänger als im Fahrzeug angeordnet beschrieben sind. Andere Ausführungen können die Senderanordnung im Fahrzeug und die Empfängeranordnung in der Straße haben. Es ist auch möglich, dass die Straße und das Fahrzeug sowohl eine Senderanordnung als auch eine Empfängeranordnung zum Gestatten von Energieübertragung in beiden Richtungen unter Kontrolle des Energieübertragungs-Reglers umfassen. Gewisse Sender- und Empfänger-Komponenten, wie induktive Spulen, können für bidirektionale Sende- und Empfänger-Operationen im Fahrzeug und in der Straße genutzt werden, um Platz und Kosten zu sparen. Das bidirektionale Übertragen von Energie kann genutzt werden, um routinemäßig elektrische Energie in das Fahrzeug einzuspeisen, gelegentlich Energie aber auch von dem Fahrzeug in die Straße zu übertragen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist im Folgenden beispielhaft und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnung beschrieben.
1 ist ein Block-Diagramm oder Schema für ein Energieübertragungs-System gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 ist ein Schema für ein Energieübertragungs-System gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung.
3 ist ein Schema eines mobilen Fahrzeuges mit einer Empfängeranordung, einem Lade-Modul und einer Energiespeicher-Einheit gemäß einer Ausführung der Erfindung.
4A ist ein Schema für eine Senderanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
4B ist ein Schema einer Senderanordnung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
4C ist ein Schema einer Senderanordnung gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung.
5A ist ein Schema eines mobilen Fahrzeuges, einer Senderanordnung und verschiedener Trajektorien gemäß einer Ausführung der Erfindung.
5B bis 5D sind Schemata für eine Senderanordnung, eine Empfängeranordnung und verschiedene Trajektorien gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung.
6 ist ein Schema für eine Spule und ihre Schaltung in einer Senderanordnung und für eine entsprechende Spule und ihre Schaltung in einer Empfängeranordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
7 ist ein Schema für eine Spule und ihre Schaltung in einer Senderanordnung und für eine entsprechende Spule und ihre Schaltung in einer Empfängeranordnung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
8 ist ein Schema für einen Lade-Modul eines mobilen Fahrzeuges gemäß einer Ausführung der Erfindung.
9 ist eine Schema für einen Energieübertragungs-Regler gemäß einer Ausführung der Erfindung.
10 ist ein Schema für einen Ladungs-Regler des Energieübertragungs-Reglers gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Die 11A und 11B sind Flussdiagramme, welche ein Verfahren zur Energie-Übertragung gemäß einer Ausführung der Erfindung illustrieren.
Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungen der Erfindung lediglich zum Zwecke der Erläuterung. Es wird darauf hingewiesen, dass wo immer möglich ähnliche oder gleiche Bezugszahlen in den Figuren ähnliche oder gleiche Funktionalitäten bezeichnen können. Der Fachmann erkennt aus der nachfolgenden Abhandlung, dass alternative Ausführungen der gezeigten Strukturen und Verfahren angewendet werden können, ohne von den Grundprinzipien der beschriebenen Erfindung abzuweichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Systeme und Verfahren zum Übertragen von Energie auf mobile bzw. bewegte Systeme, insbesondere Fahrzeuge, werden offenbart. Ein mobiles Fahrzeug mit einer Energie-Speicher-Einheit nähert sich einer Energieübertragungs-Zone. Der Energieübertragungs-Regler erfasst das sich nähernde mobile Fahrzeug und berechnet eine vorauszusagende Trajektorie für das mobile Fahrzeug. Wenn das mobile Fahrzeug sich über eine Senderanordnung in einer Energie-Übertragungs-Zone bewegt, kalibriert der Energie-Übertragungs-Regler sich selbst zur wirkungsvollen Energie-Übertragung auf das mobile Fahrzeug. Das mobile Fahrzeug muss nicht anhalten, und der Nutzer des mobilen Fahrzeugs muss dieses zur Energieübertragung nicht in einen Auslass einstöpseln. Somit findet die Energieübertragung auf das mobile Fahrzeug nahtlos und automatisch statt, und der Nutzer des mobilen Fahrzeugs braucht dazu keinerlei Aktion einzuleiten.
In der folgenden Beschreibung sind zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezielle Details angeführt, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann ist jedoch deutlich, dass die Erfindung ohne solche spezifischen Details ausgeführt werden kann. Strukturen und Vorrichtungen können als Schemata dargestellt sein, um Unklarheit bei der Darstellung der Erfindung zu vermeiden.
Der Hinweis in der Beschreibung auf ”eine einzige Ausführung” oder ”eine Ausführung” bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, die in Bezug auf die Ausführung beschrieben ist, mindestens eine Ausführung der Erfindung betrifft. An verschiedenen Stellen der Beschreibung, an denen von ”in einer Ausführung” in der Beschreibung die Rede ist, ist nicht notwendig ein und dieselbe Ausführung gemeint.
Ferner wird ”einer”, ”eine” oder ”eines” dazu eingesetzt, Elemente und Komponenten dieser Ausführungen zu bezeichnen. Dies dient lediglich dazu, um ein allgemeines Gespür für die Erfindung zu vermitteln. Die Beschreibung sollte so gelesen werden, dass ”ein” oder ”wenigstens ein” im Singular auch eine Vielzahl einschließt, sofern nicht offensichtlich ist, dass anderes gemeint ist.
Einige Ausführungen können unter Verwendung der Ausdrücke ”gekoppelt” und ”verbunden” mit deren Derivaten beschrieben sein. Es versteht sich, dass diese Ausdrücke nicht als Synonyme füreinander stehen. Beispielsweise können einige Ausführungsbeispiele unter Verwendung des Ausdruckes ”verbunden” beschrieben sein, um anzuzeigen, dass zwei oder mehr Elemente direkt in physischem oder elektrischem Kontakt miteinander stehen. In einem anderen Beispiel können einige Ausführungen unter Verwendung des Ausdruckes ”gekoppelt” beschrieben sein, um anzuzeigen, dass zwei oder mehr Elemente in direktem physischen oder elektrischen Kontakt stehen. Der Ausdruck ”gekoppelt” kann jedoch auch bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente nicht in direktem physischen oder elektrischen Kontakt miteinander stehen, sondern vielmehr miteinander kooperieren oder zusammenwirken. In diesem Kontext sind die Ausführungen nicht eingeschränkt.
Die Ausdrücke ”umfasst”, ”umfassend”, ”schließt ein”, ”einschließend”, ”hat”, ”habend” oder beliebige Abwandlungen davon sollen eine nicht ausschließende Inklusion abdecken. Zum Beispiel sind ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung mit jeweils einer Liste von Elementen nicht notwendig auf nur diese Elemente beschränkt, sondern können auch andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder inhärent zu einem solchen Prozess, Verfahren, Gegenstand oder Vorrichtung gehören. Ferner bezieht sich ”oder” auf ein einschließendes und nicht auf ein ausschließendes ”oder”, falls nicht ausdrücklich das Gegenteil ausgesagt ist. Zum Beispiel kann eine Bedingung A oder B einer der folgenden Möglichkeiten genügen: A ist richtig (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist richtig (oder vorhanden) und sowohl A als auch B sind richtig (oder vorhanden).
Einige Abschnitte der Figurenbeschreibung sind durch Algorithmen und/oder symbolische Darstellungen von Operationen an Datenbits in einem Computerspeicher repräsentiert. Diese algorithmischen Beschreibungen und Präsentationen sind von Elektronik-Fachleuten angewendete Mittel, um die Substanz ihrer Arbeit anderen Fachleuten möglichst effektiv zu vermitteln. Ein Algorithmus ist hier und allgemein zu verstehen als eine in sich konsistente Folge von Schritten, die zu einem gewünschten Resultat führen. Diese Schritte sind solche, die physische Transformationen oder Manipulationen von physikalischen Größen fördern. Gewöhnlich, jedoch nicht notwendig, nehmen diese Größen die Gestalt elektrischer oder magnetischer Signale an, die gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen und anderweitig manipuliert werden können. Insbesondere aus Gründen allgemeinen Gebrauchs hat sich schon früh als zweckmäßig bewährt, sich auf diese Signale als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Buchstaben, Terme, Zahlen oder dgl. zu beziehen.
Es sollte jedoch bedacht werden, dass alle diese oder ähnliche Ausdrücke geeigneten physikalischen Größen zuzuordnen sind und nur zweckmäßige, diesen Größen zugeteilte Abzeichen darstellen. Wenn nicht spezifisch anders in der nachfolgenden Diskussion dargestellt, sollte durchgehend in dieser Beschreibung davon ausgegangen werden, dass Diskussionen unter Anwendung von Begriffen wie ”Verarbeiten” oder ”Berechnen” oder ”Bestimmen” oder ”Darstellen” und dgl. auf Agieren und Arbeiten eines Computer-Systems oder einer ähnlichen elektronischen Rechenvorrichtung abstellen, welche Daten, die als physikalische (elektronische) Größen in dem Computer-System-Registern und – Speichern enthalten sind, in andere Daten manipuliert und transformiert, die ähnlich als physikalische Größen repräsentierende Daten in den Computer-System-Speichern oder -Registern oder andere solche Informations-Speicher-Übertrager oder -Display-Vorrichtungen enthalten sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen von Operationen darin. Diese Vorrichtung kann speziell für die gewünschten Zwecke ausgelegt sein oder kann einen Allzweck-Computer umfassen, der selektiv von einem Computerprogramm, welches in dem Computer gespeichert ist, aktiviert oder rekonfiguriert wird. Solch ein Computerprogramm kann in einem computerlesbaren Speichermedium, wie z. B. jeder Art von Speicherscheiben einschließlich Floppy Disks, optischen Disks, CD-ROMS und magneto-optische Scheiben, nur lesbaren Speichern (ROMs), Random-Access-Speichern (RAMs), EPROMs, EEPROMs, magnetischen oder optischen Karten oder jeglicher Art von Medium, das zum Bewahren elektronischer Instruktionen, die jeweils an einen Computersystem-Bus angeschlossen sind, gespeichert werden.
Die hier beschriebenen Algorithmen und Displays sind nicht inhärent auf einem besonderen Computer oder eine andere Einrichtung bezogen. Es gibt verschiedene Allzweck-Computersysteme einschließlich eines Prozessors, eines Speichers, eines nicht flüchtigen Speichers, einer Eingabevorrichtung und einer Ausgabevorrichtung, die mit Programmen gemäß der hier offenbarten Lehre genutzt werden können, oder es kann sich als sinnvoll erweisen, eine spezialisiertere Vorrichtung herzustellen, um die verlangten Verfahrensschritte durchzuführen. Der erforderliche Aufbau verschiedener solcher Systeme wird in der nachfolgenden Beschreibung offenbart. Ferner ist die Erfindung nicht mit Bezug auf eine besondere Programmsprache beschrieben. Es sei betont, dass eine Vielzahl von Programmsprachen eingesetzt werden kann, um die Lehre der Erfindung wie beschrieben zu implementieren.
Energieübertragungs-System 100, 200
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine erste Ausführung eines Energieübertragungs-Systems 100 zeigt. Das Energieübertragungs-System 100 umfasst ein mobiles Fahrzeug 102, einen oder mehrere Ortungssensoren 104a, 104b, einen Energieübertragungs-Regler 106, optional ein GPS-System 108 und eine Senderanordnung 110. In dieser Ausführung ist gemäß den Prinzipien der Erfindung ein Energieübertragungs-System 100 längs einer kurvigen Straße 112 verlegt. Das Energieübertragungs-System 100 ist vorzugsweise an Stellen platziert, an welchen das mobile Fahrzeug 102 verringerte Geschwindigkeit hat. Insbesondere ergibt die verringerte Geschwindigkeit des mobilen Fahrzeugs 102 eine längere Übertragungszeit, was zu einer größeren übertragenen Energiemenge je Spule und zu weniger erforderlichen Übertragungsspulen je Meile führt.
Das mobile Fahrzeug 102 kann von jeglichem Fahrzeugtyp sein, der mit elektrischer Energie fährt. Das mobile Fahrzeug 102 hat verschiedene andere elektrische, mechanische und kommunikative Systeme, die für verschiedene Hybridfahrzeuge und vollelektrische Fahrzeuge, wie beispielsweise für das Prius-Automobil der Firma Toyota Company, erhältlich sind. Während die Erfindung nun im Kontext von Elektro-Fahrzeugen und Hybrid-Fahrzeugen beschrieben wird, erkennt der Fachmann, dass die Erfindung auch zur Energieübertragung an andere mobile Vorrichtungen nutzbar ist, wie z. B. an mobile Telefone, tragbare Elektronikgeräte, Roboter-Rollstühle, Fahrzeuge zum Bewegen persönlicher Ausrüstung (cyber mules), ”segway”-artige Fahrzeuge usw. Gemäß der Erfindung kann das mobile Fahrzeug 102 auch einen Lade-Modul 302, eine Energiespeichereinheit 304 und eine Empfängeranordnung 306 aufweisen (s. auch 3). Das mobile Fahrzeug 102 wird unten noch detaillierter mit Bezug auf die 3 und 8 beschrieben. Der Lade-Modul 302 bestimmt Position und Richtung des mobilen Fahrzeuges 102 und kann Information zu anderen Vorrichtungen senden. Die Empfängeranordnung 306 ist mit der Senderanordnung 110 koppelbar, um Energie in die Energiespeichereinheit 304 des mobilen Fahrzeuges 102 zu übertragen. Der Lade-Modul 302 ist zur Kommunikation mit den Ortungssensoren 104a, 104b, dem Energieübertragungs-Regler 106 und dem GPS-System 108 eingerichtet.
Die Ortungssensoren 104a, 104b sind nächst der Straße 112 positioniert. Wie gezeigt, kann der Ortungssensor 104a in Vorrichtungen auf der anderen Straßenseite, z. B. eine Lampe, integriert sein oder der Ortungssensor 104b kann in einer unabhängigen, für sich allein aufgestellten Vorrichtung integriert sein. Die Ortungssensoren 104a, 104b sind mittels Draht oder drahtlos mit dem Energieübertragungs-Regler 106 gekoppelt, wie dies durch die gestrichelten Linien in 1 angedeutet ist. In einer Ausführung sind die Ortungssensoren 104a, 104b zur Kommunikation mit dem mobilen Fahrzeug 102 befähigt und gekoppelt und empfangen lediglich Geschwindigkeits-, Richtungs- und Trajektorien-Information und senden diese zu dem Energieübertragungs-Regler 106. In einer anderen Ausführung bestimmen die Ortungssensoren 104a, 104b unabhängig die Geschwindigkeit, die Richtung und die Trajektorie des mobilen Fahrzeuges 102 und senden diese Werte zu dem Energieübertragungs-Regler 106.
Der Energieübertragungs-Regler 106 ist zur Kommunikation mit dem mobilen Fahrzeug 102, den Ortungssensoren 104a, 104b, dem GPS-System 108 und der Senderanordnung 110 gekoppelt. Der Energieübertragungs-Regler 106 liefert Energie zum Aktivieren der Senderanordnung 110. Der Energieübertragungs-Regler 106 kontrolliert die Aktivierung und die Resonanzparameter spezifischer Spulen in der Senderanordnung 106. Der Energieübertragungs-Regler 106 berechnet die Trajektorie und die Geschwindigkeit des mobilen Fahrzeuges 102 und bestimmt, welche Spulen in der Senderanordnung 110 wann zu aktivieren sind. Der Energieübertragungs-Regler 106 kontrolliert ferner die Resonanz-Parameter der Spulen der Senderanordnung 110, um maximale Energieübertragung zu schaffen. Der Energieübertragungs-Regler 106 nutzt Information bezüglich Standort, Richtung, Geschwindigkeit, Fahrzeugtyp, Resonanz-Parameter der Spulen der Empfängeranordnung 306 und andere Faktoren zum Ermitteln, warm die Senderanordnung 110 und die Resonanz-Parameter zu aktivieren sind. Der Energieübertragungs-Regler 106 ist im Folgenden detaillierter mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben.
Das GPS-System 108 ist von konventioneller Bauart und als Satellit in 1 dargestellt. Das GPS-System 108 umfasst Sender in mehreren Satelliten und einen Empfänger zum Empfangen und Triangulieren der Position einer Vorrichtung aus den Satelliten-Signalen. Das GPS-System 108 ist zur Kommunikation mit dem mobilen Fahrzeug 103 und dem Energieübertragungs-Regler 106 fähig, um Ortungs-Information zu liefern.
Die Senderanordnung 110 umfasst mehrere Spulen (s. 4 bis 7). Die Senderanordnung 110 ist zum Empfangen von Energie über den Energieübertragungs-Regler 106 gekoppelt. Die Senderanordnung 110 wird ferner durch Signale kontrolliert, die von dem Energieübertragungs-Regler 106 empfangen werden. Die Senderanordnung 110 ist unten mit Bezug auf die 4 bis 7 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 2 wird eine zweite Ausführung des Energieübertragungs-Systems 200 beschrieben. Diese Ausführung des Energieübertragungssystems 200 umfasst das mobile Fahrzeug 102, Ortungssensoren 104a, 104b, einen Energieübertragungs-Regler 106, optional ein GPS-System 108 und die Senderanordnung 110. Es werden gleiche Bezugszahlen zur Kennzeichnung der Komponenten des Systems 200 mit gleicher oder ähnlicher Funktionalität wie im System 100 benutzt.
In dieser Ausführung gemäß den Prinzipien der Erfindung ist das Energieübertragungs-System 200 unmittelbar vor einer Verkehrsampel 202 positioniert. Eine Stopplinie 204 entsprechend der Verkehrsampel 202 zeigt an, wo ein mobiles Fahrzeug vor der Verkehrsampel 202 anhalten sollte. Gemäß der Erfindung ist die Senderanordnung 110 in der Straße 206 unter der Oberfläche und in einem vorbestimmten Abstand vor der Stopplinie 204 positioniert. Beispielsweise ist die Senderanordnung 110 in einem Abstand von zwischen 10 bis 50 Fuß vor der Stopplinie 204 positioniert. Somit ist die Geschwindigkeit des mobilen Fahrzeuges 102 garantiert verringert, wenn dieses über die Senderanordnung 110 fährt. 2 zeigt auch eine alternative Position für die Ortungssensoren 104a, 104b. Im Gegensatz zu deren Positionen in 1 befinden sich die Positionen der Ortungssensoren 104a, 104b gemäß 2 auf der gleichen Straßenseite 106 im Abstand voneinander. Während die Platzierung der Senderanordnung 110 als vor der Verkehrsampel liegend beschrieben ist, erkennt der Fachmann, dass auch eine Vielzahl anderer Positionierungen möglich ist, sofern die Geschwindigkeit des Fahrzeuges 102 dort relativ niedrig ist, wie vor oder hinter Rampen, und dass die Senderanordnung 110 auch an solchen Stellen angeordnet sein kann.
Mobiles Fahrzeug 102
Unter Bezugnahme auf die 3 sei nun eine Ausführung des mobilen Fahrzeugs 102 beschrieben. Wie oben bemerkt, umfasst das mobile Fahrzeug 102 einen Lade-Modul, eine Energiespeicher-Einheit 304 und eine Empfängeranordnung 306. In einer Ausführung ist das mobile Fahrzeug 102 ein konventionelles Fahrzeug, wie ein vollelektrisches Fahrzeug oder ein hybrid-elektrisches Fahrzeug, welches mit einem Lade-Modul 302, einem Energiespeicher 304 und einer Empfängeranordnung 306 gemäß der Erfindung aufgerüstet ist.
Der Lade-Modul 302 steuert den Betrieb der Empfängeranordnung 306 und überträgt Energie aus der Empfängeranordnung 306 zu der Energiespeicher-Einheit 304. Der Lade-Modul 302 kommuniziert auch Information zu dem Energieübertragungs-Regler 106 zur Optimierung und Maximierung der von der Senderanordnung 110 zur Empfängeranordnung 306 übertragenen Energiemenge. Eine Ausführung des Lade-Moduls 302 ist unten anhand der 8 beschrieben. Der Lade-Modul 302 ist über die Signallinie oder -leitung 320 zum Empfangen von Energie aus der Empfängeranordnung 306 gekoppelt. Der Lade-Modul 302 ist über die Signallinie oder -leitung 322 zum Aussenden von Steuersignalen an die Empfängeranordnung 306 gekoppelt, insbesondere für Signale zum Spezifizieren eines oder mehrerer Resonanzparameter für die Spulen der Empfängeranordnung 306. Der Lade-Modul 302 ist ferner über eine Signallinie oder -leitung 324 zum Senden von Energie zur Energiespeicher-Einheit 304 gekoppelt.
Die Energiespeicher-Einheit 304 ist konventionell und in einer Ausführung eine Batteriebank mit zugehöriger Elektronik. In einer anderen Ausführung ist die Energiespeicher-Einheit 304 von der vorhandenen Batterie mit zugehöriger Elektronik gebildet, die in einem vollelektrischen Fahrzeug oder einem hybrid-elektrischen Fahrzeug vorhanden ist. Die Energiespeicher-Einheit 304 ist mit dem Lade-Modul 302 über die Signallinie 324 zum Empfangen von Energie gekoppelt, welche von der Empfänger-Einheit 306 stammt. In einer anderen Ausführung (nicht gezeigt) ist die Energiespeicher-Einheit 304 direkt mit dem Empfängeranordnung 306 zum Empfangen der erzeugten Energie gekoppelt.
Die Empfängeranordnung 306 besteht aus einer Spulenvielzahl. Die Empfängeranordnung 306 ist detaillierter unten anhand der 5 beschrieben. Die Empfängeranordnung 306 umfasst eine Spulenvielzahl, deren Spulen für die optimale Leistungsübertragung abstimmbar sind. In einer Ausführung werden die Eigenschaften der Spulen der Empfängeranordnung 306 auf diejenigen der entsprechenden Spulen der Sensoranordnung 100 abgestimmt. Beispielhafte Ausführungen der Spulen der Empfänger-Anordung 306 sind unten anhand der 6 und 7 erläutert. Die Empfängeranordnung 306 ist über die Signallinie 320 angeschlossen, um Energie zu dem Lade-Modul 302 zu liefern, und über die Signallinie 322, um Steuer- bzw. -Kontrollsignale aus dem Lade-Modul 302 zu empfangen.
Senderanordnung 110
Mit Bezug auf die 4A bis 5D sind verschiedene Ausführungen der Sensoranordnung 110 im Folgenden beschrieben. Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von anderen Konfigurationen für die Senderanordnung 110 möglich sind und dass diese besondere Anordnung nur beispielhaft ist. Jedoch hat die Senderanordnung 110 Gemeinsamkeiten wie folgt: 1) einen Vielzahl von Spulen; 2) die Spulen haben unterschiedliche Quer-Positionen über die Straße; und 3) jede Spule ist abstimmbar.
Unter Bezugnahme auf 4E ist eine erste Ausführung der Senderanordnung 110A beschrieben. 4A zeigt eine Draufsicht auf eine sehr grundsätzliche Ausführung der Senderanordnung 110A. Die Senderanordnung 110A umfasst eine Spulenvielzahl von Spulen 402A bis 402n. Die Spulen 402A bis 402n sind längs einer Querachse der Senderanordnung 110 im Abstand angeordnet. Bei dieser Ausführung ist die Senderanordnung 110A vorzugsweise so bemessen, dass sie gerade etwas kleiner als die Breite der Straße 112, 206 ist. Somit ist unabhängig von der Position des mobilen Fahrzeugs 102 auf der Straße 112, 206 mindestens eine Spule 402A bis 402n auf eine entsprechende Spule (nicht gezeigt) der Empfängeranordnung 306 ausgerichtet. Wenngleich nicht gezeigt, ist jede der Spulen 402A bis 402n mit dem Energieübertragungs-Regler 106 zur Aufnahme von Signalen gekoppelt, um die Spulen 402A bis 402n abzustimmen (zu tunen). Ferner sind in einer Ausführung die Spulen 402A bis 402n so bemessen, dass sie zu den Empfängerspulen passen. Beispielsweise betragen Breite und Länge der Spulen 402A bis 402n mindestens jeweils 30 Zoll und die Höhe der Spulenwicklung beträgt zwei Zoll, und der Spalt bzw. Abstand zwischen der Spulenplatzierung in der Straße und der Empfängeranordnung 306 im mobilen Fahrzeug 102 liegt im Bereich von 6 Zoll bis 18 Zoll. Die Platzierung der Senderspulen ist am besten so gestaltet, dass die Flussdichte durch die Empfängerspule maximiert wird. Ein Platzieren der Achsen der Senderspulen und der Empfängerspulen senkrecht zur Straßenoberfläche richten Flussdichten hoher Intensität in die Empfängerspulen. Diese Konfiguration garantiert, dass mindestens eine Spule ähnliche Größe hat und sorgfältig zum Erzielen eines größtmöglichen Kopplungs-Koeffizienten k und höchsten Wirkungsgrades der Energieübertragung ausgerichtet ist. Wenn bei dieser Ausführung das mobile Fahrzeug 102 über die Senderanordnung 110A fährt, werden nur eine oder nur wenige Spulen 402A bis 402n aktiviert, die auf die Empfängerspulen ausgerichtet sind. Dies ist besonders vorteilhaft, weil Energie gespart wird, während die Energieübertragung maximiert wird.
Unter Bezugnahme auf die 4B wird eine zweite Ausführung der Senderanordnung 110E beschrieben. 4B zeigt eine Draufsicht auf die Senderanordnung 110B. Diese zweite Ausführung der Senderanordnung 110B umfasst wiederum eine Spulenvielzahl von Spulen 402A bis 402n, und die Senderanordnung 110E ist vorzugsweise so bemessen, dass sie gerade geringfügig kleiner als die Breite der Straße 112, 206b ist. Während die Spulen 402A bis 402n längs einer Querachse der Senderanordnung 110E mit Abstand angeordnet sind, sind sie auch längs der Langsachse der Senderanordnung 110B mit Abstand angeordnet, so dass sie in einer Diagonalen von einer Ecke der Senderanordnung 110B zur anderen Ecke positioniert sind. Diese Konfiguration der Senderanordnung 110E ist insofern vorteilhaft, als sie für die Bewegung des mobilen Fahrzeuges 102 und für das Timing der Aktivierung individueller Spulen 402A bis 402n in der Senderanordnung 110B größere Flexibilität erzielt. Diese Ausführung hält sich die Waage zwischen Flexibilität der Anordnung einerseits und den Gesamtkosten der Senderanordnung 110B andererseits.
Unter Bezugnahme auf 4C ist eine dritte Ausführung der Senderanordnung 110C beschrieben. 4C stellt eine Draufsicht der Senderanordnung 110C dar. Diese dritte Ausführung der Senderanordnung 110C umfasst wiederum eine Spulenvielzahl 402A bis 402n*m, und die Senderanordnung 110C ist vorzugsweise so bemessen, dass sie gerade etwas kleiner als die Breite der Straße 112, 206 ist. Bei dieser Ausführung sind nxm Spulen 402A–402n*m in einem Gittermuster angeordnet. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft insofern, als beim Passieren des mobilen Fahrzeuges 102 der Senderanordnung 110C zahlreiche Spulen 402A–402n*m in Längsrichtung sequentiell aktiviert werden, um das Übertragen größerer Energiemenge zu ermöglichen. Beispielsweise wird eine Reihe von Spulen, wie die Spule 402b, 402 n+2, 402 2n+2, usw. seriell aktiviert, wobei jede Spule Energie auf die Empfängerspulen der Empfängeranordnung 306 überträgt. Während für das Beispiel angenommen ist, dass die Spulen auf eine Langsachse der Senderanordnung 110C ausgerichtet sind, können unterschiedliche Spulen-Spalten der Senderanordnung 110C entsprechend der Trajektorie des mobilen Fahrzeuges 102 über der Senderanordnung 110C aktiviert werden. Es ist zu verstehen, dass bei dieser Ausführung jede Spule abstimmbar ist, um an die Resonanz der Empfängerspulen der Empfängeranordnung 306 angepasst zu werden.
Unter Bezugnahme auf die 5A wird eine vierte Ausführung der Senderanordnung 110D beschrieben. 5A zeigt eine Draufsicht auf die Senderanordnung 110D, eine Straße 502 und das mobile Fahrzeug 102, welches auf der Straße 502 fährt. Diese dritte Ausführung der Senderanordnung 110D umfasst wiederum eine Spulenvielzahl von Spulen 402A bis 402D, und die Senderanordnung 110D ist vorzugsweise etwas kleiner als die Breite der Straße 112, 206 bemessen. Bei dieser Ausführung sind vier Spulen 402A bis 402D in einem besonderen Muster so angeordnet, dass sie die Breite der Straße abdecken. 5A zeigt mehrere mögliche Trajektorien T1, T2, T3 und T4, welche das Fahrzeug beim Überfahren der Senderanordnung 110D verfolgen könnte. Wie in 5A gezeigt, wird je nach der Trajektorie des mobilen Fahrzeuges 102 nur eine Spule zum Übertragen von Energie auf die Empfängeranordnung 306 (nicht gezeigt) aktiviert. Wenn z. B. das mobile Fahrzeug 102 der Trajektorie T1 folgt, wird Spule 1 (402A) zu einer für die Energieübertragung an die Empfängeranordnung 306 günstigen Zeitspanne aktiviert. In ähnlicher Weise wird beim Folgen des mobilen Fahrzeuges 102 der Trajektorie T2 die Spule 2 (402B) für eine zur Energieübertragung an die Empfängeranordnung 306 günstigen Zeitspanne aktiviert. In gleicher Weise werden die Spulen 3 (402C) bzw. 4 (402D) aktiviert, wenn das mobile Fahrzeug 102 der Trajektorie T3 bzw. der Trajektorie T4 folgt. 5A zeigt auch die Kopplung des Energieübertragungs-Reglers 106 mit der Senderanordnung 110D zum Breitstellen der Resonanzparameter für die Spulen 402A bis 402D.
Unter Bezugnahme auf die 5B bis 5D wird eine weitere Ausführung der Senderanordnung 110E beschrieben. Die 5B bis 5D zeigen Draufsichten auf die Senderanordnung 110E, die Straße 502 und die Empfängeranordnung 306 des mobilen Fahrzeuges 102 (nicht gezeigt), welches auf der Straße 502 fährt. Insbesondere bezeichnen in den 5B bis 5D gestrichelte Linien die Trajektorien der Empfängeranordnung 306 des über die Senderanordnung 110E fahrenden mobilen Fahrzeuges 102. Bei dieser Ausführung umfasst die Senderanordnung 110E Spulenzeilen. Obwohl nur drei Spulenzeilen gezeigt sind, versteht der Fachmann, dass dieses Muster auf eine beliebige Anzahl von Zeilen erweitert sein kann. Die ungeraden Zeilennummern (erste und dritte Zeile) sind aufeinander mit anderen ungeraden Zeilennummern ausgerichtet. In ähnlicher Weise können auch die Zeilen mit gerader Nummerierung mit anderen geradzahlig nummerierten Zeilen ausgerichtet sein. Die geradzahlig nummerierten Zeilen sind in Querrichtung geringfügig versetzt zu den ungeradzahlig nummerierten Zeilen der Spulen. Dies ist vorteilhaft, weil es gewährleistet, dass mindestens eine Spule genau auf die Spulen der Empfängeranordnung 306 ausgerichtet ist.
Wie in 5B gezeigt ist, ist die Empfängeranordnung 306 (und damit das mobile Fahrzeug 102) auf der linken Seite der Straße 502 positioniert. Wenn die Empfängeranordnung 306 somit über die Senderanordnung 110E fährt, sind die Spulen 510 der Empfängeranordnung 306 ausgerichtet auf die Spulen 504 der Senderanordnung 110E. Die Empfängeranordnung 306 umfasst sechs Spulen, die in 2 × 3-Anordnung arrangiert sind. Der Fachmann erkennt, dass die Empfängeranordnung 306 auch eine andere Konfiguration einer Empfänger-Spulenvielzahl in beliebiger Größe der Anordnung von der Fahrzeugfront bis zum Fahrzeugheck angeordnet sein kann, und zwar auch ein-dimensional. Der Energieübertragungs-Regler 106 aktiviert selektiv die gezeigten vier Spulen 504 der Senderanordnung 110E, wenn die Empfängeranordnung 306 sich über die Senderanordnung 110E bewegt. Wie unter Bezug auf die 6 und 7 detaillierter unten beschrieben ist, werden die Resonanzen der Spulen 504, 510 so abgestimmt, dass sie zur maximalen Energieübertragung angepasst sind.
Wie in 5C gezeigt ist, ist die Empfängeranordnung 306 auf der rechten Seite der Straße 502 positioniert. Wenn in diesem Fall die Empfängeranordnung 306 über die Senderanordnung 110E fährt, sind die Spulen 510 der Empfängeranordnung 306 auf die Spulen 506 der Senderanordnung 110E ausgerichtet. Der Energieübertragungs-Regler 106 aktiviert selektiv die gezeigten vier Spulen 506 der Senderanordnung 110E, wenn die Empfängeranordnung 306 über die Senderanordnung 110E sich bewegt.
Wie in 5D gezeigt ist, ist die Empfängeranordnung 306 nicht ganz auf der rechten Seite der Straße 502 positioniert. Wenn in diesem Fall die Empfängeranordnung 306 über den Senderanordnung 110E fährt, sind die Spulen 510 der Empfängeranordnung 306 auf die Spulen 506 der Senderanordnung 110E ausgerichtet. Der Energieübertragungs-Regler 106 aktiviert selektiv die gezeigten beiden Spulen 506 der Senderanordnung 110E, wenn die Empfängeranordnung 306 sich über die Senderanordnung 110E bewegt.
Aus den beispielhaften Ausführungen nach den 5B bis 5D erkennt der Fachmann, dass die Verwendung einer Spulenvielzahl quer und längs eine größere Energieübertragung ermöglicht, wobei das selektive Aktivieren der am besten aufeinander ausgerichteten Spulen eine Energieeinsparung erlaubt.
In einer Ausführung haben die Spulenanordnungen mit vier Wicklungen eines groß dimensionierten #00-Kupferdrahtes eine Abmessung von 30'' × 30''. Z. B. ist die Spulenbreite und -länge fünf mal so groß wie die Größe des Spaltes bzw. Abstandes. Kleine Spulenlängen und -breiten werden dann angewendet, wenn ein kleiner Abstand zwischen den Spulen akzeptiert werden kann. Kleine Spulen und Zwischenabstände ermöglichen ein- und zweidimensionale Anordnungen der Senderanordnungen 110 und Empfängeranordnung 306. In einer anderen Ausführung wird supraleitender Draht als Spulendraht eingesetzt, um Widerstandsverluste in den Spulen zu reduzieren, wobei der kritische Strom der Supraleiter nicht überschritten werden darf, wenn nicht Wirkungsgradverluste eintreten sollen. Niedrige kritische Ströme können die Leistungs-Kapazität der supraleitenden Drähte begrenzen. Ferner können die Frequenzen jeder Spule gleich gemacht werden, und die Phasen einzelner Senderspulen können so gesteuert werden, dass externe magnetische Felder additiv werden. Ströme in nahe gelegenen Drähten müssen in gleichen Richtungen fließen (d. h. mit umgekehrter Polarität in jeder zweiten Spule).
Bei einer anderen Ausführung sind die Spulen 402 der Senderanordnung 110 etwa zweimal so groß wie die Spulen 510 der Empfängeranordnung 306. Z. B. sind die Spulen 402 der Senderanordnung 110 zu etwa 2M × 2M und die Spulen 501 der Empfängeranordnung 306 zu etwa 1M × 1M bemessen. Dies ist besonders vorteilhaft deshalb, weil in den Straßenspulen 402 die Energieübertragungszeit um das Zweifache verlängert und die Lenktoleranz-Erfordernisse reduziert werden.
Resonanz-Steuerung bzw. -Kontrolle
Mit Bezug auf die 6 werden nun eine Spule L1 der Senderanordnung 110 und eine entsprechende Spule L2 der Empfängeranordnung 306 gemäß einer Ausführung der Erfindung beschrieben. Der Fachmann erkennt, dass in 6 nur eine Spule L1 der Senderanordnung 110 und eine entsprechende Spule L2 der Empfängeranordnung 306 zur Erleichterung des Verständnisses beschrieben sind, wenngleich die Anordnungen 110, 306 mehrere Spulen aufweisen, von denen eine oder mehrere zu einem gegebenen Zeitpunkt in Ladebeziehung stehen. Es versteht sich, dass jede Spule L1 in der Senderanordnung 110 ihr eigenes Sende-Spulensteuersignal über die Linie bzw. Leitung 608 und ein Sende-Resonanzsteuersignal über die Linie bzw. Leitung 606 von dem Energieübertragungs-Regler 106 erhält. Dies gestattet dem Energieübertragungs-Regler 106 das selektive Ein- und Abschalten der Spule L1 nach Wunsch und ein Abstimmen für maximale Energieübertragung zur entsprechenden Spule L2. In ähnlicher Weise erhält jede Spule L2 in der Empfängeranordnung 306 ihr eigenes Empfangsresonanz-Steuersignal über Linie bzw. Leitung 322 von dem Lade-Modul 302. Somit gestattet die Erfindung ein Abstimmen bzw. Tunen der Senderanordnung 110 sowie der Empfängeranordnung 306 zur Optimierung der Übertragungs-Energie unter verschiedenen Bedingungen.
Wie in 6 gezeigt ist, hat die Spule L1 einen zugehörigen Schaltkreis 602 mit einem variablen Kondensator C1, einem Widerstand R1 und einer Stromquelle 610 mit einstellbarer Frequenz. Gemäß der Erfindung werden die Resonanzparameter, Frequenz und Kapazitanz so in vorteilhafter Weise eingestellt, dass die Resonanz-Spulenkoppelung zwischen den Spulen L1, L2 die Energieübertragung optimiert. Zusätzlich steuert das Sendespulen-Steuersignal über Signalleitung 608 einen Schalter, so dass die Spule nur aktiviert wird, wenn sich die Empfängeranordnung 306 über die Senderanordnung 110 bewegt. Die Empfängeranordnung 306 und die Senderanordnung 110 sind durch einen Spalt oder Abstand voneinander getrennt, und die Straßenoberfläche ist durch die strichpunktierte Linie 620 gekennzeichnet. Die Spule L2 hat einen zugehörigen Schaltkreis 604 mit einem variierbaren Kondensator C2 und einem Widerstand R2. In ähnlicher Weise ist der zugehörige Schaltkreis 604 zur Aufnahme des Empfängerresonanz-Steuersignals über Signalleitung 322 gekoppelt. Dieses Signal variiert die Kapazitanz des Kondensators C2 und gestattet der Empfängeranordnung 306 eine Abstimmung auf die Senderanordnung 110. Die Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise die Abstandsgröße, die Frequenz der Stromquelle 610, die Zeitspanne, während welcher die Empfängeranordnung 306 und die Senderanordnung 110 resonanzgekoppelt sind, und die Kapazitanz-Werte, um die Energieübertragung zu optimieren. Basierend auf diesen Faktoren erzeugen der Energieübertragungs-Regler 106 und der Lade-Modul 302 ein Senderspulen-Steuersignal, das Senderresonanz-Steuersignal und das Empfängerresonanz-Steuersignal zum Empfangen präziser Werte für die Kondensatoren C1 und C2 trotz mit der Position des mobilen Fahrzeugs sich verändernder k-Werte bezüglich der Senderspule L1. Das Vorsehen der Resonanz-Kondensatoren (der oben beschriebenen Kondensatoren) in den ersten und zweiten Spulen-Schaltkreisen 602, 604 verbessert den Übertragungs-Wirkungsgrad durch Kompensations-Impedanz, die aufgrund parasitärer, primärer und sekundärer Induktanz verursacht wird. Durch Variieren der Kapazitanz-Werte der Kondensatoren C1 und C2 während der Energieübertragung werden die Resonanz-Phänomene optimiert, was den durchschnittlichen Wirkungsgrad der Übertragung verbessert. Diese Konfiguration gestattet die dynamische Variation der Resonanz-Parameter des Spulensystems und der Zeiten für jedes spezielle Überfahren von unter Energie stehenden Spulen. Insbesondere werden die Resonanz-Kapazitanzwerte während der Übertragungs-Intervalle verändert. Der effektive Lastwiderstand des Empfängerschaltkreises V-Last/I-Last wird ebenfalls während des Übertragungs-Intervalles variiert. Lokalisierung und Dauer des Übertragungs-Intervalles variiert mit der Trajektorie des mobilen Fahrzeuges 102 über ladenden Spulen.
Unter Bezugnahme auf die 7 wird eine zweite Ausführung der Spule L1 der Senderanordnung 110 entsprechend der Spule L2 der Empfängeranordnung 306 und deren zugeordneten Schaltkreises beschrieben. Bei dieser Ausführung umfasst die Senderanordnung 110 eine Stromquelle Vdd und zusätzlich einen Induktor Lcb. Die Empfängeranordnung 306 umfasst einen Leistungs-Konditionierer und eine wie gezeigt geschaltete Gleichrichter-Brücke.
Lade-Modul 302
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Ausführung des Lade-Moduls 302 beschrieben. Der Lade-Modul 302 umfasst einen Fahrzeuglade-Regler, einen Fahrzeuggenehmigungs-Modul 804, einen Standortanzeige-Modul 806, einen Fahrzeugkommunikations-Modul 808, einen Prozessor und Datenspeicher 810 und einen Energiespeicher-Modul 812.
Der Fahrzeuglade-Regler 802 empfängt Information und erzeugt ein Steuersignal, das über die Signalleitung 322 zur Empfängeranordnung 306 geleitet wird. Insbesondere erzeugt der Fahrzeuglade-Regler 802 das Empfängerresonanz-Steuersignal. Dieses Signal steuert einen oder mehrere Betriebsparameter der Spule L2. In einer Ausführung ist der Fahrzeuglade-Regler 802 ein Hardware-Regler mit einem Ausgang, der mit der Signalleitung 322 gekoppelt ist, und mit einem Eingang, der zum Empfang von Information aus dem Fahrzeug-Kommunikations-Modul 808 und dem Prozessor und Datenspeicher 810 gekoppelt ist. In einer anderen Ausführung ist der Fahrzeuglade-Regler 802 durch Software konfiguriert, die mittels des Prozessors und Datenspeichers 810 ausführbar ist, was den Prozessor zur Ausgabe des Empfängerresonanz-Steuersignals veranlasst. Der Fahrzeuglade-Regler 802 empfängt Information, wie Betriebsparameter der Senderanordnung 110, so dass die Resonanz-Parameter der Empfängerspule L2 zum Maximieren der Energieübertragung von der Senderanordnung 110 zur Empfängeranordnung 306 eingestellt werden kann. Die Schaltkreis-Resonanz-Parameter können durch Variieren der Schaltkreis-Kapazitanz, des Induktors oder der Betriebs-Frequenz eingestellt werden. Variable Kapazitanz-Werte können durch Nutzen elektrisch gesteuerter Halbleiter-Schalter erzielt werden, die in Reihe mit einer Bank verschiedener Festwert-Polypropylen-, Polystyrol- oder Mica-Kondensatoren niedrigen Verlustes angeordnet sind. Die Kondensatoren werden am wirkungsvollsten geschaltet, wenn die Spannungen über ihnen nahe Null sind.
Der Fahrzeuggenehmigungs-Modul stellt Software oder Routinen dar, die vom Prozessor 810 zum Bereitstellen von Genehmigungs-Information ausführbar sind. Bei einer Ausführung wird das Energie-Übertragungssystem 100 einem Nutzer gegen Kostenerstattung überlassen. Vor dem Nutzen des Systems 100 zur Energieübertragung ist jeder Nutzer aufgefordert, ein Konto einzurichten, und wenn dieses geschehen ist, wird dem Nutzer Genehmigungsinformation übermittelt. Diese Genehmigungsinformation kann dann mittels des mobilen Fahrzeuges 102 zusammen mit einer Anforderung von Energieübertragung von einer gegebenen Senderanordnng 110 und einem Energieübertragungs-Regler 106 übertragen werden. Der Fachmann erkennt, dass das System 100 auch einen Server (nicht gezeigt) umfassen kann, der mittels eines Netzwerkes (nicht gezeigt) an eine beliebige Anzahl von Energieübertragungs-Reglern 106 angeschlossen sein kann. Der Server wird dazu genutzt, die Nutzung des Systems zu verfolgen, Abrechnungen für den Gebrauch durch individuelle Nutzer zu erstellen und andere System- und Nutzungsinformation zu sammeln. Der Fahrzeuggenehmigungs-Modul 804 wird dazu genutzt, Genehmigungsinformation eines spezifischen Nutzer-Fahrzeuges zu speichern. Der Fahrzeuggenehmigungs-Modul 804 ist mit dem Fahrzeugkommunikations-Modul 808 gekoppelt, um die Genehmigungsinformation zu dem Energieübertragungs-Regler 106 weiter zu leiten.
Der Standortanzeige-Modul 806 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen des Standortes des mobilen Fahrzeuges 102. Bei einer Ausführung ist der Standortanzeige-Modul 806 ein GPS-Empfänger, der den Ort des mobilen Fahrzeuges 102 über Satelliten-Ortungssignale triangulieren kann. Bei einer anderen Ausführung bestimmt der Standortanzeige-Modul 806 den Standort durch Triangulieren aus einer Vielzahl von Funkturm-Signalen. Der Standortanzeige-Modul 806 gibt auch den Standort des mobilen Fahrzeuges 102 an den Fahrzeugkommunikations-Modul 808 weiter. Auf diese Weise wird der Standort des mobilen Fahrzeugs 102 mittels des Fahrzeugkommunikation-Moduls 808 zum Energieübertragungs-Regler 106 oder zu den Ortungssensoren 104 übertragen.
Der Fahrzeugkommunikation-Modul 808 ist eine Kommunikationsvorrichtung zum Kommunizieren mit anderen Fahrzeugen, mit dem Energieübertragungs-Regler 106 und anderen stationären oder sich bewegenden Objekten. In einer Ausführung ist der Fahrzeugkommunikations-Modul 808 ein WI-FI-Transceiver, der zum Senden von Datenpaketen eines TCP/IP-Formates eingerichtet ist. In anderen Ausführungen ist der Fahrzeugkommunikations-Modul 808 ein Satellit-Transceiver, ein mobiler Kommunikations-Transceiver oder ein Infrarot-Transceiver. Der Fahrzeugkommunikations-Modul 808 kann Kommunikation mit dem Energieübertragungs-Regler 106 herstellen und Information bezüglich des Energieübertragungs-Prozesses senden. Der Fahrzeugkommunikation-Modul 808 ist an den Fahrzeuglade-Regler 802, den Fahrzeuggenehmigungs-Modul 804, den Standortanzeige-Modul 806 und den Prozessor und Datenspeicher 810 angeschlossen.
Der Prozessor und Datenspeicher 810 ist konventioneller Bauart und wird dazu eingesetzt, viele unten anhand der 11A und 11B beschriebene Operationen durchzuführen, die auf die Energieübertragung zwischen der Senderanordnung 110 und der Empfängeranordnung 306 bezogen sind. In einer Ausführung umfasst der Datenspeicher 810 Informationen bezüglich zum Beispiel Fahrzeugtyp und Abstand von der Empfängeranordnung 306. In bestimmten Ausführungen werden der Prozessor und der Datenspeicher 810 dazu eingesetzt, Operationen gemäß den Modulen 802, 804, 806 und 808 durchzuführen. Der Prozessor und Datenspeicher 810 wird auch dazu genutzt, die von FahrzeugLade-Regler 802 gesendeten und ausgegebenen Resonanzparameter zu bestimmen.
Der Energiespeicher-Modul 812 hat einen Eingang und einen Ausgang. Er ist dazu eingerichtet, die erzeugte Energie von der Empfängeranordnung 306 zur Energiespeichereinheit 304 zu übertragen. Der Energiespeicher-Modul 812 hat einen Eingang, der über die Signalleitung 320 zum Empfangen von Energie gekoppelt ist, welche von der Empfängeranordnung 306 stammt. In einer Ausführung umfasst der Energiespeicher-Modul 812 das Konditionieren der Leistung und gibt sämtliche empfangene Leistung über eine Signalleitung 324 zur Energiespeichereinheit 304 aus.
Energieübertragungs-Regler 106
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Ausführung des Energieübertragungs-Reglers 106 beschrieben. Der Energieübertragungs-Regler 106 umfasst einen Lade-Regler 902, einen Abrechnungs-Modul 904, einen Kommunikations-Modul 906 und einen Prozessor und Speicher 908. Der Energieübertragungs-Regler 106 ist ferner dazu geschaltet, Informationen aus einem Verkehrsinformations-Modul 992, aus einem Verkehrsregel-Modul 994 und aus dem mobilen Fahrzeug 102 zu empfangen.
Der Lade-Regler 902 aktiviert ausgewählte Spulen der Senderanordnung 110 und setzt die Resonanzparameter für die ausgewählten Spulen. Eine Ausführung des Lade-Reglers 902 ist im Einzelnen unten mit Bezug auf die 10 beschrieben. Wie in 9 gezeigt ist, hat der Lade-Regler 902 einen Ausgang, der mit der Signalleitung 606 gekoppelt ist, um das Senderresonanz-Steuersignal bereitzustellen. Dieses Signal stellt die Parameter bereit, welche die Resonanz-Eigenschaften, einer Spule der Senderanordnung 110 steuern. Der Lade-Regler 902 hat auch einen Ausgang, der mit der Signalleitung 608 verbunden ist, um das Senderspulensteuersignal bereitzustellen. Dieses Signal steuert, welche spezielle Spule der Senderanordnung 110 wann ein- und abgeschaltet werden soll. Der Lade-Regler 902 ist auch zum Empfangen von Informationen von dem Kommunikations-Modul 906, dem Abrechnungs-Modul 904 und dem Prozessor und Datenspeicher 908 gekoppelt. Zahlreiche unterschiedliche Eingange dieser Komponenten 904, 906 und 908 sind vorgesehen, um zu bestimmen, welche Spulen wann aktiviert werden sollen, und um die Resonanzparameter zu bestimmen, die während der Aktivierung der Spulen benutzt werden sollen.
Der Abrechnungs-Modul 904 besteht aus Software und Routinen, die mittels des Prozessors 908 ausführbar sind. Der Abrechnungs-Modul 904 ist zum Empfangen von Genehmigungsinformationen vom Kommunikations-Modul 906 geschaltet. Der Abrechnungs-Modul 904 empfängt Genehmigungs-Informationen und sendet in Antwort darauf ein Signal an den Lade-Regler 902 mit der Anzeige, dass für ein spezielles mobiles Fahrzeug 102 die Aktivierung der Senderanordnung 110 zugelassen ist. Der Abrechnungs-Modul 904 interagiert ferner mit dem Lade-Regler 902 zum Bestimmen der Energiemenge, die an die mobile Vorrichtung 102 übertragen wurde, und speichert diese Information. Bei einer Ausführung umfasst der Abrechnungs-Modul 904 eine Abrechnungs-Datenbasis (nicht gezeigt), von der Rechnungen erzeugt werden können, welche die zu einem speziellen mobilen Fahrzeug 102 übertragene Energiemenge während der vergangenen Zeitspanne wiedergibt. Wie oben angegeben, ist der Abrechnungs-Modul 904 an einen Server angeschlossen, der eine Rechnung erzeugt und diese zusammen mit der Genehmigungs-Information zu einem speziellen Nutzer sendet. In einer abgewandelten Ausführung hat der Nutzer seine Kreditkarten-Nummer oder eine andere Abrechnungs-Information, wie eine Bankkonto-Nummer übermittelt, und die Gebühren für jede Energieübertragung werden automatisch unter Verwendung solcher Abrechnungs-Informationen abgerechnet und saldiert. Der Abrechnungs-Modul 904 ist mit dem Anzeige-Modul 906 zur Interaktion mit Finanz-Systemen Dritter zum Abrechnen oder zu anderem Weiterverarbeiten gekoppelt.
Der Kommunikation-Modul 906 ist eine Kommunikationsvorrichtung ähnlich derjenigen, die oben anhand des Kommunikations-Moduls 808 des Fahrzeuges beschrieben ist. Der Kommunikation-Modul 906 gestattet dem Energieübertragungs-Regler 106 das Kommunizieren mit mobilen Fahrzeugen 102, mit dem Verkehrsinformations-Modul 992, dem Verkehrsregel-Modul 994 und anderen Computer-Systemen (nicht gezeigt). Bei einer Ausführung ist der Kommunikations-Modul 906 ein WI-FI-Transceiver, welcher Datenpakete unter Verwendung eines TCP/IP-Formates versenden kann. In anderen Ausführungen ist der Kommunikations-Modul 906 ein Satellit-Transceiver, ein mobiler Kommunikations-Transceiver oder ein Infrarot-Transceiver. Der Kommunikations-Modul 906 ist ferner zum Bereitstellen von Informationen an den Lade-Regler 902, den Abrechnungs-Modul 904 und den Prozessor und Speicher 908 geschaltet.
Der Prozessor und Speicher 908 sind von konventioneller Bauart. Sie werden dazu benutzt, Operationen des Energieübertragungs-Reglers 106 durchzuführen. Der Betrieb des Prozessors und Speichers 908 ist besser mit Bezug auf die 11A und 11B unten verständlich. Der Prozessor und Speicher 908 sind an den Kommunikation-Modul 906, den Abrechnungs-Modul 904 und den Lade-Regler 902 angeschlossen. Der Prozessor und Speicher 908 führen die Routinen gemäß der Erfindung durch und der Speicher 908 speichert Informationen, die von anderen Komponenten genutzt werden.
Der Verkehrsinformations-Modul 992 ist ein anderes System, das Informationen über die Verkehrs-Situation bereitstellt. Der Verkehrsinformation-Modul 992 stellt spezielle Informationen bezüglich der allgemeinen Verkehrsbedingungen ebenso wie der Verkehrsbedingungen nahe dem Energieübertragungs-Regler 106 bereit. Zum Beispiel stellt der Echtzeit-Verkehrsinformations-Modul 992 Daten ähnlich denjenigen bereit, die öffentlich erhältlich aus Datensystemen sind, wie aus 511.org. Der Verkehrsinformations-Modul 992 stellt Informationen betreffend normalen Verkehrsfluss und Geschwindigkeit, Stauverkehr und -ursachen sowie andere Informationen bereit, welche die Geschwindigkeit, mit der das mobile Fahrzeug 102 den Energieübertragungs-Regler 106 überfahren könnte, beeinträchtigen durfte. Diese Information wird von dem Prozessor und Speicher 908 dazu genutzt, verbesserte Informationen dazu bereitzustellen, wann die Senderanordnung 110 zu aktivieren und zu deaktivieren ist. Der Verkehrsinformations-Modul 992 ist zur Kommunikation mit dem Kommunikations-Modul 906 des Energieübertragungs-Reglers 106 eingerichtet.
Der Verkehrsregel-Modul 994 ist ein anderes System, das Informationen bezüglich spezifischer Verkehrsregelmechanismen bereitstellt. Unter Verwendung des oben anhand der 2 beschriebenen Beispiels sendet der Verkehrsregel-Modul 994 Informationen bezüglich des Status der Ampel 202 an den Energieübertragungs-Regler 106. Diese Information wird von dem Lade-Regler 902 dazu genutzt, spezielle Zeiten zu bestimmen, zu welchen die Senderanordnung 110 zu aktivieren und zu deaktivieren ist. Beispielsweise signalisiert der Verkehrsregel-Modul 994 dem Energieübertragungs-Regler 106, wann die Ampel 202 von Grün auf Rot springt. In Kenntnis dessen, dass das mobile Fahrzeug 102 vor der Verkehrsampel bremsen wird, wird dem Lade-Regler 902 genehmigt, die Aktivierungs-/Deaktivierungs-Zeitpunkte und die Resonanzparameter gemäß den zukünftigen Verkehrsbedingungen zu verändern. Der Verkehrsregel-Modul 994 ist zur Kommunikation mit dem Lade-Regler 902 über den Kommunikations-Modul 906 des Energieübertragungs-Reglers 106 eingerichtet.
Unter Bezug auf 10 ist nun der Lade-Regler 902 des Energieübertragungs-Reglers 106 detaillierter beschrieben. Der Lade-Regler 902 umfasst einen Zugangsgenehmigungs-Modul 1002, einen Standortbestimmungs-Modul 1004, einen Trajektorienvoraussage-Modul 1006, einen Spulenleistungs-Management-Modul 1008, einen Spulenabstimm-Modul 1010 und einen Sicherheits-Modul 1012.
Der Zugangsgenehmigungs-Modul 1002 ist zum Empfangen von Genehmigungs-Informationen vom mobilen Fahrzeug 102 gekoppelt. Der Zugangsgenehmigungs-Modul 1002 ist ferner an der Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 gekoppelt, um ein Genehmigungssignal auszugeben, das dem Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 das Aktivieren der Senderanordnung 110 gestattet. Bei einer Ausführung ist der Zugangsgenehmigungs-Modul 1002 von Software und Routinen gebildet, die mittels des Prozessors 908 ausführbar sind. Der Genehmigungs-Modul 1002 umfasst eine Datenbasis autorisierter Nutzer oder ist an einen Server und an ein Netzwerk wie oben beschrieben angeschlossen, um empfangene Genehmigungs-Informationen zu validieren.
Der Standortbestimmungs-Modul 1004 ist mittels des Kommunikations-Modules 906 an die Ortungssensoren 104A, 104B und an das mobile Fahrzeug 102 angeschlossen. Der Standortbestimmungs-Modul 1004 empfängt Information, die zum Berechnen des Standortes des mobilen Fahrzeuges 102 genutzt werden kann. Bei einer Ausführung empfängt der Standortbestimmungs-Modul 1004 Echtzeit-Information von dem mobilen Fahrzeug 102, und diese Information wird mittels der Ortungssensoren 104A, 104B validiert. Bei einer Ausführung erzeugt der Standortbestimmungs-Modul 1004 Standort-Werte für das mobile Fahrzeug 102 und gibt diese an den Trajektorienvoraussage-Modul 1006 aus.
Der Trajektorienvoraussage-Modul 1006 ist mit dem Standortbestimmungs-Modul 1004 gekoppelt. Der Trajektorienvoraussage-Modul 1006 empfängt Standort-Information für das mobile Fahrzeug 102 von dem Standortbestimmungs-Modul 1004. Der Trajektorienvoraussage-Modul 1006 nutzt die Standort-Information für das mobile Fahrzeug 102 zum Bestimmen einer zukünftigen Bahn des mobilen Fahrzeuges 102. Insbesondere bestimmt der Trajektorienvoraussage-Modul 106, wie oben anhand der 5 beschrieben, welche Spulen 402 der Senderanordnung 110D das mobile Fahrzeug 102 passieren wird, sowie die genaue Zeitspanne, über welche die Empfängeranordnung 306 Resonanz-Koppelung mit der Transmitteranordnung 110D ist. Der Trajektorienvoraussage-Modul 1006 hat einen mit dem Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 gekoppelten Ausgang, um Informationen dazu bereitzustellen, welche Spulen 402 wann zu aktivieren sind.
Der Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 ist zum Empfangen von Timing-Information von dem Trajektorienvoraussage-Modul 1006 gekoppelt. Der Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 steuert, warm welche Spulen 402 zu aktivieren sind. Der Leistungsmanagement-Modul 1008 erzeugt ein Senderspulen-Steuersignal und gibt dieses an die Senderanordnung 110 über die Signalleitung 608 aus. Wenngleich nur eine einzige Signalleitung 608 gezeigt ist, erkennt der Fachmann, dass der Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 jede beliebige eine oder mehrere Spulen 402 der Sendeanordnung 110 ansignalisieren kann, zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv zu werden.
Der Spulenabstimm-Modul 1010 ist mit dem Kommunikation-Modul 906 und dem Prozessor und Speicher 908 zum Empfangen von Informationen bezüglich des mobilen Fahrzeuges 102 und seiner Empfängeranordnung 306 gekoppelt. Wie oben bemerkt ist, werden die Spulen 402 der Senderanordnung 110 zum Optimieren der Energieübertragung auf die Spulen der Empfängeranordnung 306 abgestimmt. Der Spulenabstimm-Modul 1010 gibt ein Steuersignal über die Signalleitung 606 aus, das zu den individuellen Spulen 402 der Sendeanordnung 110 gesendet wird. Bei einer Ausführung modifiziert der Spulenabstimm-Modul 1010 die Feldintensität und die Frequenz, bei welcher die Spulen 402 resonant sind. Zum Beispiel kann eine Frequenz von 10 MHz genutzt werden, um die Spulen 402 der Sendeanordnung 110 zu betätigen. Bei einer anderen Ausführung stimmt der Spulenabstimm-Modul 1010 die innewohnenden Schaltungs-Transfer-Parameter so ein, dass die primären und sekundären Recktanzen der Resonanz-Kondensatoren parasitäre Induktanz der Spulen 402, 510 abgleicht. Bei einer anderen Ausführung stellt der Spulenabstimm-Modul 1010 die Frequenz und die Kapazitanz des Sender-Schaltkreises 602 und des Empfänger-Schaltkreises 604 so ein, dass die Energieübertragung optimiert wird, und stellt ferner die Schaltkreise 602, 604 basierend auf dem Fahrzeug-Typ und einem Schätzwert für den Abstand bzw. Spalt zwischen den Spulen L1 der Senderanordnung 110 und den Spulen L2 der Empfängeranordnung 306 ein.
Der Sicherheits-Modul 1012 ist zum Empfangen von Informationen von dem Trajektorienvoraussage-Modul 1006 sowie von anderen Sensoren (nicht gezeigt) geschaltet, welche die Anwesenheit von menschlichen oder anderen Objekten in der Nähe der Senderanordnung 110 erfassen. Der Sicherheits-Modul 1012 bestimmt aus diesen Eingängen, ob Objekte in der Nähe der Senderanordnung 110 vorhanden sind, welche durch das Aktivieren der Senderanordnung 110 geschädigt werden könnten. Wenn dies der Fall ist, gibt der Sicherheits-Modul 1012 ein Steuersignal an den Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 zum Stillsetzen des Aktivierens aller Spulen 402 der Senderanordnung 110 aus. Der Ausgang des Sicherheits-Moduls 1012 ist an den Spulenleistungsmanagement-Modul 1008 angeschlossen.
Verfahren
Unter Bezug auf die 11A und 11B ist ein Verfahren zum Energieübertragen gemäß einer Ausführung der Erfindung beschrieben. Das Verfahren beginnt damit, dass der Energieübertragungs-Regler 106 im Schritt 1102 eine Zugangsanfrage von einem mobilen Fahrzeug 102 erhält. In einer Ausführung umfasst die Zugangsanfrage Informationen bezüglich des Typs des mobilen Fahrzeuges 102, Genehmigungsinformationen und andere Informationen, welche die Resonanz-Koppelung zwischen der Senderanordnung 110 und der Empfängeranordnung 306 des mobilen Fahrzeuges 102 beeinflussen. Bei einer Ausführung wird die Zugangsanfrage von dem mobilen Fahrzeug 102 zum Energieübertragungs-Regler 106 drahtlos übertragen, wenn sich das Fahrzeug dem Energieübertragungs-Regler 106 nähert. Dann bestimmt das Verfahren im Schritt 1104, ob das mobile Fahrzeug 112 zum Empfangen einer Energieübertragung autorisiert ist. Falls nicht, schreitet das Verfahren zum Schritt 1106 weiter, in welchem der Energieübertragungs-Regler 106 eine Mitteilung an das mobile Fahrzeug 102 sendet, die anzeigt, dass das Fahrzeug nicht autorisiert ist. Das mobile Fahrzeug 102 kann in Antwort darauf eine Mitteilung an den Nutzer ausgeben, die anzeigt, dass ein Laden nicht genehmigt wird, oder die Mitteilung kann komplett ignoriert werden. Nach Schritt 1106 ist das Verfahren abgeschlossen und endet.
Wenn andererseits das mobile Fahrzeug 102 sich im Schritt 1104 als autorisiert herausstellt, bestimmt der Energieübertragungs-Regler 106 im Schritt 1108 den Fahrzeugtyp des Anfragers sowie andere Informationen. Dies kann über einen drahtlosen Datenaustausch zwischen dem Energieübertragungs-Regler 106 und dem Lade-Modul 302 des mobilen Fahrzeuges 102 geschehen. Beispielsweise kann das mobile Fahrzeug 102 eine Identifikation des Fahrzeugtyps bereitstellen, worauf der Energieübertragungs-Regler 106 eine Schätzung des Abstandes zwischen der Senderanordnung 110 und der Empfängeranordnung 306 abgibt. Die Kommunikation zwischen dem mobilen Fahrzeug 102 kann ferner Informationen bezüglich der speziellen Eigenschaften der Empfängeranordnung 306 sowie darüber liefern, welche Attribute der Empfängeranordnung abstimmbar sind. Dieser Informations-Austausch kann sowohl von dem Lade-Regler 902 als auch von dem Lade-Modul 302 zur Optimierung der Energieübertragung zwischen den beiden Anordnungen 110, 306 genutzt werden. Als nächstes bestimmt der Energieübertragungs-Regler 106 im Schritt 1110 den Standort des mobilen Fahrzeuges 102. Wie oben bemerkt, kann dieser Standort entweder unter Nutzen von Ausgaben aus den Ortungssensoren 104A, 104B mittels des Energieübertragungs-Reglers 106 berechnet werden, oder er kann von dem mobilen Fahrzeug 102 unter Nutzung eines GPS-Systems ermittelt werden. Darauf schätzt der Energieübertragungs-Regler 106 die Trajektorie des mobilen Fahrzeuges 102 im Schritt 1112 voraus. Basierend auf dieser Trajektorie und dem Timing bestimmt der Energieübertragungs-Regler 106 im Schritt 1114 die zu aktivierenden Spulen 402. Als nächstes bestimmt das Verfahren im Schritt 1116, ob gesichert ist, dass die Energieübertragungsspulen 402 eingeschaltet werden können. Da die Energieübertragungsspulen 402 hohe Frequenz und hohe Leistung haben können, werden sie stillgesetzt, wenn Menschen oder andere Lebewesen sich in der Nähe der Übertragungsanordnung 110 aufhalten und durch die Aktivierung der Energieübertragung geschädigt werden könnten. Wenn nicht sicher ist, die Energieübertragungsspulen einzuschalten, springt das Verfahren auf Schritt 1106 zurück und sendet eine Fehlermitteilung. Wenn jedoch die Aktivierung der Energieübertragungsspulen gesichert ist, schreitet das Verfahren zu Schritt 1118 fort, in welchem der Standort des mobilen Fahrzeuges 102 erneut bestimmt und aufdatiert wird. Dann werden die Spulenparameter basierend auf dem aufdatierten Standort im Schritt 1120 neu eingestellt. Darauf schaltet der Energieübertragungs-Regler 106 sequentiell im Schritt 1122 die Spulen ein und aus, wenn sich das mobile Fahrzeug 102 über die Spulen bewegt. Schließlich bestimmt das Verfahren im Schritt 1124 die zum mobilen Fahrzeug 102 übertragene Energiemenge und datiert die Abrechnungsbasis im Schritt 1126 auf.
Die vorangehende Beschreibung der Ausführungen der Erfindung sind zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung bestimmt. Sie ist nicht als erschöpfend oder als einschränkend auf den wörtlich offenbarten Inhalt zu verstehen. Viele Abwandlungen und Modifikationen sind im Lichte der oben gegebenen Lehre möglich. Der Schutzbereich der Erfindung ist nicht auf diese detaillierte Beschreibung beschränkt, sondern vielmehr nur durch die Patentansprüche dieser Anmeldung definiert. Wie dem Fachmann geläufig ist, kann die Erfindung in anderen speziellen Ausgestaltungen ohne Abweichen von ihren Grundprinzipien ausgeführt werden. Die spezielle Benennung und Unterteilung von -Modulen, Routinen, Merkmalen, Attributen, Methodologien und Aspekten sind nicht zwingend oder signifikant, und die Mechanismen oder Merkmale, welche die Erfindung implementieren können unterschiedliche Benennungen, Unterteilungen und/oder Formate haben. Wie ferner dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist, können die -Module, Routinen, Merkmale, Attribute, Methodologien und andere Aspekte der Erfindung als Software, Hardware, Firmware oder eine Kombination dieser drei implementiert werden. Wo immer eine Komponente der Erfindung, von welcher ein Beispiel ein -Modul ist, als Software implementiert wird, kann die Komponente als Einzel-Programm, als Teil eines größeren Programms, als Vielzahl getrennter Programme, als eine statische oder dynamisch verknüpfte Bibliothek, als ein herunterzuladendes-Modul, als ein Vorrichtungs-Treiber und/oder als jede andere, jetzt oder in Zukunft dem Fachmann im Gebiet der Computer-Programmierung bekannte oder bekannt werdende Art und Weise implementiert werden. Ferner ist die Erfindung in keiner Weise beschränkt auf die Implementierung in einer speziellen Programmiersprache oder für ein spezifisches Betriebssystem. Somit ist die beschriebene Offenbarung der Erfindung nur als erläuternd und nicht als den Schutzbereich der Erfindung einschränkend zu verstehen, der allein durch die Patentansprüche bestimmt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Electric Vehicles as a New Source of Power for Electric Utilities” von W. Kempton und Steven Letendre, 1997, Transportation Research 2(3), Seiten 157–175 [0007]

Claims

System zum Übertragen elektrischer Energie auf Fahrzeuge, umfassend: eine Senderanordnung mit einer Spulenvielzahl, welche quer über eine Straße verteilt angeordnet ist, wobei jede Spule der Spulenvielzahl selektiv betätigbar und abstimmbar ist; einen Energieübertragungs-Regler, der mit der Senderanordnung gekoppelt ist und ein Spulenleistungs-Management-Modul sowie ein Trajektorien-Voraussage-Modul aufweist, wobei der Trajektorien-Voraussage-Modul eine Trajektorie für ein mobiles bzw. bewegtes Fahrzeug bestimmt und der Spulenleistung-Management-Modul selektiv eine oder mehrere Spulen der Spulenvielzahl aktiviert, wenn das mobile Fahrzeug in Resonanzkoppelung mit einer oder mehreren Spulen sich befindet, der Trajektorien-Voraussage-Modul gekoppelt ist, um Trajektorien-Information zu liefern, und der Spulenleistungs-Management-Modul mit der Spulenvielzahl gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Senderanordnung mindestens zwei Spulenspalten und zwei Spulenzeilen aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Energieübertragungs-Regler einen Zugangsgenehmigungs-Regler umfasst, der zum Empfangen von Genehmigungsinformation ausgehend von dem mobilen Fahrzeug geschaltet ist, wobei der Zugangsgenehmigungs-Modul mit dem Spulenleistungs-Management-Modul gekoppelt ist, um ein Genehmigungssignal bereitzustellen, welches den Spulenleistungs-Management-Modul dazu veranlasst, die Senderanordnung zu aktivieren, wenn die empfangene Genehmigungsinformation validiert wird.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Energieübertragungs-Regler einen Ortungsmodul zum Bestimmen des Standortes des mobilen Fahrzeuges umfasst, wobei ein Ausgang des Ortungs-Moduls mit dem Trajektorien-Voraussage-Modul gekoppelt ist, um die Ortungsinformation bereitzustellen.
System nach Anspruch 4, umfassend einen Ortungs-Sensor zum Erfassen eines Standortes des mobilen Fahrzeuges, wobei der Ortungs-Sensor mit dem Ortungs-Modul gekoppelt ist.
System nach Anspruch 4 oder 5, umfassend einen Kommunikations-Modul, der in Kommunikation mit dem mobilen Fahrzeug steht, um Echtzeit-Ortungsinformation von dem mobilen Fahrzeug zu empfangen, wobei der Kommunikations-Modul mit dem Ortungs-Modul gekoppelt ist, um die Echtzeit-Ortungsinformation bereitzustellen.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Trajektorien-Voraussage-Modul Positionsinformation für das mobile Fahrzeug empfängt, die Positionsinformation für das mobile Fahrzeug dazu nutzt, eine zukünftige Bahn des mobilen Fahrzeugs und diejenigen Spulen der Spulenvielzahl der Senderanordnung zu bestimmen, welche das mobile Fahrzeug passieren wird, sowie eine genaue Zeitspanne, während welcher die Empfängeranordnung des mobilen Fahrzeuges sich in Resonanz-Kopplung mit der Senderanordnung befindet.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Energie-Übertragungs-Regler einen Spulenabstimm-Modul umfasst, welcher mit der Spulenvielzahl der Senderanordnung gekoppelt ist, um ein Sender-Resonanzsteuersignal bereitzustellen.
System nach Anspruch 8, bei dem der Spulenabstimm-Modul mit dem Kommunikations-Modul gekoppelt ist, um Information betreffend das mobile Fahrzeug und dessen Empfängeranordnung zu erhalten, wobei der Spulenabstimm-Modul die Feldintensität, Frequenz, Kapazitanz oder Induktanz verändert, um die Energie-Übertragung von der Senderanordnung zu optimieren.
System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Spulenabstimm-Modul innewohnende Schaltkreis-Übertragungsparameter so justiert, dass die Recktanz der primären und sekundären Resonanz-Kondensatoren eine parasitäre Induktanz der Spulenvielzahl der Senderanordnung ausgleicht.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das mobile Fahrzeug eine Empfängeranordnung mit einer Spulenvielzahl umfasst und die Spulen der Empfängeranordnung etwa die Hälfte des Gebiets der Spulen der Senderanordnung überdecken.
System nach Anspruch 11, bei dem die Spulenvielzahl der Senderanordnung etwa zwei mal zwei Meter und die Spulenvielzahl der Empfängeranordnung etwa ein mal ein Meter überdeckt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche umfassend ein Sicherheitsmodul zur Aufnahme von Information von dem Trajektorien-Voraussage-Modul und von einem weiteren Sensor, der ein Objekt in der Nähe der Senderanordnung erfasst, wobei der Sicherheitsmodul zum Abschalten des Spulenleistungs-Management-Moduls in Antwort auf das Erfassen des Objektes und einer Trajektorie des mobilen Fahrzeuges über der Senderanordnung dient.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das mobile Fahrzeug einen Fahrzeuglade-Regler und eine Empfängeranordnung mit einer Spulenvielzahl hat, wobei der Fahrzeuglade-Regler ein Empfänger-Resonanz-Steuersignal zum Steuern von Betriebsparametern mindestens einer Spule der Spulenvielzahl erzeugt.
System nach Anspruch 14, bei dem das Empfänger-Resonanz-Steuersignal einen Kapazitätswert für zugeordnete Schaltkreise mindestens einer Spule der Spulenvielzahl spezifiziert.
Verfahren zum Übertragen elektrischer Leistung auf Fahrzeuge, umfassend: Empfangen einer Zugangs-Genehmigungsanfrage eines mobilen Fahrzeugs an einen Energie-Übertragungsregler; Voraussagen einer Trajektorie für das mobile Fahrzeug; Bestimmen einer Spule einer Senderanordnung zum aktiviert werden, und zwar basierend auf der Trajektorie für das mobile Fahrzeug; Abstimmen von Spulenparametern basierend auf dem Standort des mobilen Fahrzeugs; und Aktivieren der Spule, wenn das mobile Fahrzeug sich über die Spule bewegt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Zugangs-Genehmigungsanfrage eine Genehmigungs-Information beinhaltet und der Energieübertragungs-Regler vor Aktivieren der Spule bestimmt, ob das mobile Fahrzeug zu einer Energieübertragung autorisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der Fahrzeug-Typ des mobilen Fahrzeuges und andere Resonanzparameter bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das Voraussagen einer Trajektorie für das mobile Fahrzeug das Bestimmen des Standortes des mobilen Fahrzeuges einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem bestimmt wird, ob es gesichert ist, die Spule zu aktivieren, und bei dem der Schritt des Aktivierens der Spule nur dann durchgeführt wird, wenn das Aktivieren der Spule gesichert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Justieren der Spulenparameter einschließt, dass die Frequenz, die Kapazitanz, die Induktanz, die Spulenspannungs-Amplitude, die Spulenstrom-Amplitude oder die Feldintensität zugehöriger Schaltkreise für eine Spule der Senderanordnung modifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem das mobile Fahrzeug eine Empfängeranordnung mit einer Vielzahl von Spulen umfasst und dass das Justieren der Spulenparameter einschließt, dass die Frequenz, die Kapazitanz, die Induktanz, die Spulenspannungs-Amplitude, die Spulenstrom-Amplitude oder die Feldintensität zugehöriger Schaltkreise für eine Spule der Empfängeranordnung modifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei dem das Justieren der Spulenparameter einschließt, dass angrenzende Schaltkreis-Übertragungsparameter so eingestellt werden, dass die Recktanz der primären und sekundären Resonanz-Kondensatoren eine parasitäre Induktanz der Spulenvielzahl der Senderanordnung ausgleicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23 umfassend das Bestimmen einer auf das mobile Fahrzeug zu übertragenden Energiemenge und Aktualisieren eines Abrechnungs-Moduls mit der übertragenen Energiemenge.