DE102011052807A1

DE102011052807A1 - Anordnung und Verfahren zur Steuerung einer induktiven Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102011052807A1
Application number: DE102011052807A
Authority: DE
Inventors: Detlef Tenhagen; Peter Feldmann
Original assignee: Harting Electric GmbH and Co KG
Current assignee: Harting Electric Stiftung and Co KG
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2013023647A3; WO2013023647A2

Abstract

Es ist bekannt, elektrisch betriebene Fahrzeuge, z. B. Schienenfahrzuge induktiv zu speisen, nämlich über in den Fahrweg, z. B. in die Schienen, eingelassene Induktionsschleifen. Zur Vermeidung von Elektrosmog, insbesondere zum Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, sowie zur Energieeinsparung und zur Betriebssicherheit ist es dabei vorteilhaft, diese Induktionsschleifen genau dann zu betreiben, wenn sich das Fahrzeug direkt über der jeweiligen Induktionsschleife befindet. Dazu ist es bekannt, an dem Elektrofahrzeug einen Sender anzuordnen, der eine elektromagnetische Welle mit mindestens einer Trägerfrequenz aussendet. Zum exakten Ein- und Ausschalten der Induktionsschleife wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die elektromagnetische Welle direkt in die Induktionsschleife einkoppelt und dort einen elektrischen Effekt erzeugt, der mit einer an die Induktionsschleife angeschlossenen Auswerteinheit detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung einer induktiven Energieversorgungseinrichtung zur Speisung eines Antriebs mindestens eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines schienengebundenen Elektrofahrzeugs, wobei die Energieversorgungseinrichtung mehrere Zur Speisung des Antriebs des Elektrofahrzeugs vorgesehene Induktionsschleifen aufweist, und wobei die Anordnung mindestens einen am Elektrofahrzeug angeordneten Sender umfasst, der dazu geeignet ist, eine elektromagnetische Welle, welche mindestens eine Trägerfrequenz aufweist, auszusenden.
Dabei und im Folgenden bezeichnet der Begriff „Elektrofahrzeug” ein Fahrzeug, das einen elektrischen Antrieb aufweist.
Induktive Energieversorgungseinrichtungen werden zum Antrieb von Elektrofahrzeugen in Form einer Vielzahl von Induktionsschleifen beispielsweise im Schienenverkehr eingesetzt.
Stand der Technik
Es ist bekannt, den elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs induktiv zu speisen.
Die Druckschrift DE 44 05 907 A1 offenbart einen Antrieb von Straßenfahrzeugen mit Hilfe eines elektromagnetischen Wanderfelds (Linearmotor).
Die Druckschrift EP 1726084 B1 beschreibt die induktive Speisung einer Magnetschwebebahn.
Die Druckschrift DE 10 2003 172 20 A1 beschreibt ein Verfahren zur Feststellung der Präsenz eines Schienenfahrzeuges in einem Gleisabschnitt auf der Grundlage eines einen Gleiskreis bildenden Schwingkreises, in den ein Sender eine modulierte Prüfwechselspannung einspeist, wobei der Schwingkreis im Falle der Präsenz eines Schienenfahrzeuges verstimmt und die Amplitude der Prüfwechselspannung dementsprechend bedämpft wird. Dies wird von einem signalverarbeitenden Empfänger mit nachgeschaltetem Rechner registriert. Vom Sender generierte Zeitpunkte des Modulationswechsels werden dabei als Zeitbasis für die Signalverarbeitung durch den Empfänger und den Rechner verwendet.
Weiterhin sind beispielsweise von der Gesellschaft Bombardier Inc. bereits Prototypen von Straßenbahnsystemen und Eisenbahnsystemen bekannt, deren Elektrofahrzeuge über in die Straße bzw. in die Gleise integrierte Induktionsschleifen gespeist werden und dadurch ohne die optisch unschönen und in ihrem elektrischen Kontakt nicht immer zuverlässigen Oberleitungen auskommen. Diese induktive Energieübertragung ist wetterunabhängig und funktioniert dementsprechend besonders zuverlässig. Zum Ein- und Ausschalten der Energieversorgung über die jeweilige Induktionsschleife ist es bekannt, das entsprechende Fahrzeug mit einem Sender für elektromagnetische Wellen zu versehen und einen Empfänger in der Nähe der Induktionsschleife anzuordnen. Empfängt der Empfänger die elektromagnetische Welle mit einer Amplitude, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, dann wird die Energieversorgung über diese Induktionsschleife eingeschaltet. Sobald der Empfänger die elektromagnetische Welle nicht mehr, oder nur noch mit einer Amplitude, welche den vorgegebenen Wert unterschreitet, empfängt, wird die Energieversorgung über die jeweilige Induktionsschleife wieder ausgeschaltet.
Dabei ist die Genauigkeit dieses Ein- und Ausschaltens sehr wichtig, weil nur durch exaktes Ein- und Ausschalten gewährleistet werden kann, dass die Speisung über die einzelnen Induktionsschleifen ausschließlich dann erfolgt, wenn sich des Elektrofahrzeug über der jeweiligen Induktionsschleife befindet. Dies ist notwendig, um entsprechenden Elektrosmog zu vermeiden. insbesondere spielt dabei der Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, eine große Rolle.
Ein Nachteil im derzeitigen Stand der Technik besteht darin, dass das automatische Ein- und Ausschalten der Induktionsschleifen nicht exakt genug erfolgt, um einen solchen Schutz zu gewährleiten.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, die dazu geeignet sind, die Genauigkeit des Ein- und Ausschaltens der Induktionsschleifen einer solchen induktiven Energieversorgungseinrichtung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens eine der Induktionsschleifen an eine Auswerteinheit angeschlossen ist, wobei die Auswerteinheit dazu geeignet ist, die elektromagnetische Welle zu detektieren.
Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die vom Sender ausgestrahlte elektromagnetische Welle in einer der Induktionsschleifen mindestens einen elektrischen Effekt erzeugt, der zum Einschalten einer der Induktionsschleifen, insbesondere derjenigen Induktionsschleife, in der der elektrische Effekt erzeugt wird, genutzt wird.
Dabei und im Folgenden bedeutet der Begriff „Einschalten der Induktionsschleife”, dass die Induktionsschleife beginnt, Energie zum Betrieb des Antriebs des Elektrofahrzeugs zu übertragen. Der Begriff „Ausschalten der Induktionsschleife” bedeutet, dass die Induktionsschleife diesen Energieübertragungsvorgang beendet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge, d. h. elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere elektrisch angetriebene Schienenfahrzuge, wobei die Energieversorgungseinrichtung dazu geeignet ist, die Elektrofahrzeuge induktiv zu speisen, nämlich über in den Fahrweg des jeweiligen Elektrofahrzeugs, insbesondere in die Schienen eingelassene Induktionsschleifen, die mit einem ausreichend großen Wechselstrom mit einer ausreichend hohen Frequenz betrieben werden. Zur Vermeidung von Elektrosmog, insbesondere zum Schutz von Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, sowie zur Betriebssicherheit und zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist es dabei vorteilhaft, diese Induktionsschleifen genau dann zu betreiben, wenn sich das Elektrofahrzeug insbesondere mit einer dafür vorgesehenen Energieempfangseinrichtung, welche beispielsweise in einer zum Elektrofahrzeug gehörenden Empfangsinduktionsschleife besteht, direkt über der eingeschalteten Induktionsschleife befindet, wodurch eine optimale Energieübertragung ermöglicht wird. Dabei werden die in dem Fahrweg des Elektrofahrzeugs angeordneten Induktionsschleifen durch das fahrende Elektrofahrzeug nacheinander ein- und ausgeschaltet.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die jeweilige Induktionsschleife dabei zusätzlich zur Funktion der Energieübertragung auch die Funktion eines Empfängers der elektromagnetischen Welle übernimmt, weil dadurch eine optimale geometrische Übereinstimmung und damit eine besonders exakte Lokalisierung des Elektrofahrzeugs, insbesondere dessen Empfangsinduktionsschleife über der einzuschaltenden Induktionsschleife, ermöglicht wird. Dadurch werden auch der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit der Energieversorgung verbessert, was jeweils einen zusätzlichen Vorteil darstellt.
Die Auswerteinheit kann elektrisch an die Induktionsschleife angeschlossen, d. h. elektrisch leitend mit der Induktionsschleife verbunden sein, wodurch eine robuste Signalübertragung zwischen der Induktionsschleife und der Auswerteinheit gewährleistet ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die Auswerteinheit induktiv an die Induktionsschleife angeschlossen, d. h. induktiv mit der Induktionsschleife gekoppelt sein, wodurch Gleichspannungssignale und/oder bestimmte Frequenzanteile unterdrückt werden können.
Die Induktionsschleife kann in Fahrrichtung des Elektrofahrzeugs eine Länge von 1 bis 20 m, bevorzugt 2 bis 16 m, insbesondere 4 bis 12 m, besonders bevorzugt 6 bis 10 m und in einer sehr besonders bevorzugten Ausgestaltung 8 m betragen, wodurch jeweils ein nach Individuellen Kriterien besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen dem Installationsaufwand und dem Wirkprinzip geschaffen werden kann.
Die elektromagnetische Welle kann beim Eintritt des Senders in einen geometrischen Bereich über der Induktionsschleife zu einem ersten Zeitpunkt in einen ersten Teilbereich der Induktionsschleife ein- und wieder auskoppeln und somit in der Induktionsschleife einen ersten elektrischen Effekt erzeugen. Danach kann die elektromagnetische Welle beim Austritt des Senders aus diesem geometrischen Bereich zu einem zweiten Zeitpunkt in einen zweiten Teilbereich der Induktionsschleife ein- und wieder auskoppeln und somit in der Induktionsschleife einen zweiten elektrischen Effekt erzeugen.
Die Induktionsschleife kann in ihren Abmessungen rechtwinklig zur Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs eine Breite aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle beträgt. Dabei und im Folgenden ist unter der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle die zur Trägerfrequenz dieser elektromagnetischen Welle gehörende Wellenlänge zu verstehen. Diese Abmessungen sind von besonderem Vorteil, weil der jeweilige elektrische Effekt dadurch besonders stark ausgeprägt ist und sich so von der Auswerteinheit besonders gut auswerten lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsschleife meanderförmig ausgeführt. Dann entstehen in der Induktionsschleife vorteilhafterweise mehr als zwei elektrische Effekte, die ausgewertet werden können.
Vorteilhafterweise ist ein Ausgang der Auswerteinheit über eine Übertragungsstrecke, insbesondere über eine Funkübertragungsstrecke, an ein Schaltelement, das zum Ein- und Ausschalten der Induktionsschleife vorgesehen ist, angeschlossen. Alternativ zur Funkübertragung kann es sich bei der Übertragungsstrecke auch um eine Signalleitung, beispielsweise um eine elektrische Signalleitung, handeln.
Insbesondere kann der Ausgang der Auswerteinheit über die Übertragungsstrecke, insbesondere über die Signalleitung, an einen speziellen Einschalteingang des Schaltelements angeschlossen sein. Weiterhin kann das Schaltelement einen zusätzlichen Ausschalteingang aufweisen. An diesen Ausschalteingang kann beispielsweise eine zweite Auswerteinheit, welche zu einer benachbarten Induktionsschleife gehört, über eine zweite Übertragungsstrecke angeschlossen sein. Dies hat den Vorteil, dass die Induktionsschleife automatisch ausgeschaltet wird, sobald die benachbarte Induktionsschleife eingeschaltet wird.
Das Schaltelement kann einerseits mit einer Stromversorgung, die zur Speisung der Induktionsschleife vorgesehen ist, elektrisch leitend verbunden sein. Andererseits kann das Schaltelement über einen sogenannten Frequenzumrichter an die Induktionsschleife angeschlossen sein. Durch ein über die Übertragungsstrecke von der Auswerteinheit an das Schaltelement übertragenes Schaltsignal kann somit die elektrische Verbindung zwischen der Stromversorgung und der Induktionsschleife durch das Schaltelement geschlossen oder geöffnet werden, um die Induktionsschleife ein- oder auszuschalten.
Mit anderen Worten kann der Frequenzumrichter einerseits über das Schaltelement an die Stromversorgungseinrichtung angeschlossen sein und kann andererseits elektrisch leitend mit der Induktionsschleife verbunden sein und die Induktionsschleife durch Schließen des Schaltelements mit einem ausreichend hochfrequenten Wechselstrom versorgen, um so die induktive Energieübertragung zwischen der Induktionsschleife und dem Elektrofahrzeug zu gewährleisten.
Der Frequenzumrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er aus dem Strom der Stromversorgung, welcher in Form eines Wechselstroms mit beispielsweise 16,3 Hz vorliegen kann, zur Ermöglichung der induktiven Energieübertragung einen Wechselstrom mit einer zur induktiven Energieübertragung ausreichend hohen Frequenz, die beispielsweise im Bereich von 30 bis 45 KHz liegt, erzeugt.
Zum Einschalten der Induktionsschleife kann über das Schaltelement somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Stromquelle und dem Frequenzumrichter hergestellt werden. Zum Ausschalten der Induktionsschleife kann diese elektrisch leitende Verbindung durch das Schaltelement wieder unterbrochen werden. Ein erforderliches Schaltsignal zum Einschalten kann das Schaltelement über die erste Übertragungsstrecke von der Auswerteinheit erhalten.
Dieses Schaltsignal zum Einschalten kann die Auswerteinheit insbesondere durch Auswerten des zweiten elektrischen Effekts erzeugen. Dies hat gegenüber der Verwendung des ersten elektrischen Effekts den Vorteil, dass ein vorne am Elektrofahrzeug angebrachter Sender die Induktionsschleife bei vollständiger Überdeckung der Induktionsschleife durch das Elektrofahrzeug einschaltet.
In einer anderen Ausgestaltung kann der erste elektrische Effekt der benachbarten Induktionsschleife zum Einschalten der Induktionsschleife genutzt werden. Auch dies hat den Vorteil, dass ein vorne am Elektrofahrzeug angebrachter Sender die Induktionsschleife bei vollständiger Überdeckung der Induktionsschleife durch das Elektrofahrzeug einschaltet.
Alternativ dazu kann die Auswerteinheit auch einen weiteren Ausgang besitzen, der an den Ausschalteingang des Schaltelements angeschlossen ist. Dann kann der erste elektrische Effekt in der Induktionsschleife zum Einschalten und der zweite elektrische Effekt in der Induktionsschleife zum Ausschalten dieser Induktionsschleife verwendet werden. Dann kann auch ein Schaltsignal der Auswerteinheit, welches durch die Auswertung des zweiten elektrischen Effekts der Induktionsschleife entsteht, dazu genutzt werden, ein zweites Schaltelement, nämlich das Schaltelement der benachbarten Induktionsschleife, über dessen Einschalteingang zu schließen und damit die benachbarte Induktionsschleife einzuschalten.
Um eine besonders große Sicherheit des korrekten Einschaltens zu gewährleisten, ist folgendes Verfahren vorteilhaft: Es müssen sowohl der erste als auch der zweite elektrische Effekt detektiert werden, damit die Induktionsschleife eingeschaltet wird. Dazu wird zunächst der erste elektrische Effekt detektiert. Eine Information über diese erfolgte Detektion des ersten elektrischen Effekts kann beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Speicherbaustein für einen bestimmten Zeitraum vorgehalten werden. Daraufhin wird der zweite elektrische Effekt detektiert und gleichzeitig mit dieser Detektion des zweiten elektrischen Effekts wird in Abhängigkeit von der zuvor erfolgten Detektion des ersten elektrischen Effekts die Induktionsschleife eingeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders hohe Sicherheit gegen Fehldetektionen existiert. Auch ist dies besonders vorteilhaft, falls der Sender in Fahrtrichtung vorne am Elektrofahrzeug angebracht ist, weil das Elektrofahrzeug die Induktionsschleife bei deren Einschalten dann vollständig überdeckt.
Letztlich ist es sinnvoll, die endgültige Konfiguration je nach den individuellen Gegebenheiten, beispielsweise den Abmessungen des Elektrofahrzeugs und der geeigneten Position des Senders am Elektrofahrzeug, festzulegen.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermöglichung der Auswertung vorteilhafterweise einen Frequenzgenerator aufweisen. Dieser Frequenzgenerator kann ein sinusförmiges Signal generieren, das die Trägerfrequenz f₀ der elektromagnetischen Welle aufweist. Durch Zusammenmischen des elektrischen Effekts und des Signals des Frequenzgenerators entsteht unter Verwendung zumindest eines elektronischen Bauteils, welches eine nichtlineare Kennlinie aufweist, ein Messsignal, das keine Trägerfrequenz mehr aufweist, und sich dadurch besonders gut zur Detektion eignet.
Die Auswerteinheit kann sowohl analoge als auch digitale Komponenten umfassen, nämlich einen Eingangsverstärker, insbesondere handelt es sich dabei um einen Differenzverstärker, besonders bevorzugt um einen Operationsverstärker, einen Gleichrichter, der Bestandteil des Eingangsverstärkers sein kann, einen Bandpassfilter, der ebenfalls Bestandteil des Eingangsverstärkers sein kann, mindestens ein, bevorzugt zwei Differenzierglieder, einen Komparator, insbesondere einen Schmidt-Trigger, und ein Logik-Baustein, bei dem es sich insbesondere um einen „TTL”(Transistor-Transistor-Logik)-Baustein, einen „ECL”(Emmitter-Coupled-Logic)-Logik-Baustein oder um einen „CMOS”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Logik-Baustein handeln kann.
Insbesondere kann mit einer solchen Auswerteinheit robust und genau der Zeitpunkt detektiert werden, an dem der Sender den ersten, bzw. den zweiten Teilbereich der Induktionsschleife überschreitet. Dazu kann beispielsweise das Maximum einer Hüllkurve des dazugehörigen ersten bzw. des zweiten elektrischen Effekts durch Detektion des Nulldurchgangs dessen erster Ableitung, d. h. des Ausgangssignals des ersten Differenzierglieds bei gleichzeitiger negativer Flanke durch den Schmidt-Trigger detektiert werden. Alternativ dazu kann der Nulldurchgang der zweiten Ableitung, z. B. mit positiver oder negativer Flanke, durch den Schmidt-Trigger ausgewertet werden, wodurch eine geringfügige zeitliche Verschiebung des Einschaltens der Induktionsschleife erreicht werden kann, um so den Zeitpunkt des Einschaltens der Induktionsschleife, beispielsweise zur verbesserten Energieübertragung, zu optimieren. Beide Auswertverfahren haben als Nulldurchgangsdetektionen insbesondere den Vorteil, dass sie Amplitudenunabhängig funktionieren, also nicht auf einen bestimmten Signalpegel angewiesen sind.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Sender eine stark begrenzte und dadurch gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise sehr genau definierte Reichweite besitzt, weil dadurch der geometrische Bezug zu der einzuschaltenden Induktionsschleife sehr genau gegeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die mindestens eine Trägerfrequenz im „High Frequency”(HF)-Bereich, im „Very High Frequency”(VHF)-Bereich und/oder im „Ultra High Frequency”(UHF)-Bereich. Dabei erstreckt sich der HF-Bereich von 3 MHz bis 30 MHz, der VHF-Bereich von 30 MHz bis 300 MHz und der UHF Bereich von 300 MHz bis 3 GHz.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Sender die Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle während des Sendevorgangs in definierten Zeitintervallen umschalten, d. h. in verschiedenen Zeitintervallen unterschiedliche Trägerfrequenzen verwenden, so dass durch die dadurch entstehenden zeitlichen Frequenzsprünge eine Kodierung entsteht, die über die entsprechend ausgeführte Auswerteinheit unter Verwendung eines dazugehörigen Frequenzdemodulators detektiert werden kann und die somit eine unverwechselbare Zuordnung des Sendes und des Elektrofahrzeugs ermöglicht. Dieses Frequenzmuster kann eine entsprechende Verschlüsselung in Form eines sogenannten „Frequency Hopping Keys” beinhalten. Dieser Frequency Hopping Key kann sowohl im Sender als auch in der Auswerteinheit hinterlegt sein, um das Einschalten der Induktionsschleife von der Übereinstimmung des Frequency Hopping Keys des Senders und eines entsprechenden in der Auswerteinheit hinterlegten Frequency Hopping Keys abhängig zu machen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch sichergestellt werden kann, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge mit der Energie der zu ihrer Speisung vorgesehenen Induktionsschleife versorgt werden. Dadurch kann auch ein unbeabsichtigtes Einschalten einer Induktionsschleife durch ein Elektrofahrzeug, das beispielsweise auf einem benachbarten Gleis fährt, ausgeschlossen werden. Weiterhin kann die Energieversorgungseinrichtung so vor unberechtigter Energieentnahme geschützt werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn es sich bei dem Sender, der am Elektrofahrzeug angeordnet ist, um einen „Radio Frequency Identification Device”-(RFID)-Reader handelt, wie er beispielsweise in der ETSI EN 302 208-1 und der ETSI EN 302 208-2 beschrieben wird, weil solche RFID-Reader bereits standardisiert und auf dem Markt verfügbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich mehrere geeignete RFID-Transponder, beispielsweise RFID-Transponder, welche einen integrierten Sensorausgang aufweisen, in und/oder zwischen den Induktionsschleifen angeordnet und können bei der Verwendung von RFID-Readern beispielsweise für die Identifizierung des richtigen Gleises sorgen und/oder über ihren Sensorausgang die Identifikation des Elektrofahrzeugs beispielsweise an die Auswerteinheit übermitteln. Weiterhin können diese RFID-Transponder auch redundant zur bereits beschriebenen Detektion der elektromagnetischen Welle durch die Empfangseinheit genutzt werden, indem sowohl die Auswertung des elektrischen Effektes als auch ein Signal des jeweiligen RFID-Transponders zum Einschalten der Induktionsschleife notwendig ist. Der RFID-Transponder kann durch einen speziellen Code geschützt, d. h. mit einem Passwort oder einem Code vom berechtigten RFID-Reader geschaltet werden, um die Betriebssicherheit zu erhöhen und/oder Sabotage zu verhindern und/oder um sicherzustellen, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge die entsprechende Energieversorgung erhalten. Letzteres kann auch für Bezahldienste insbesondere im Individualverkehr genutzt werden, indem die Berechtigung zur Energieversorgung von der entsprechenden Bezahlung abhängig ist. Auch kann dadurch die Energieversorgungseinrichtung vor unberechtigter Energieentnahme geschützt werden.
Weiterhin kann, beispielsweise in der Auswerteinheit oder in dem Schaltelement, ein Zeitglied angeordnet sein, durch welches sichergestellt wird, dass die Induktionsschleife nicht länger als einen festzulegenden Zeitraum eingeschaltet bleibt. Dies ist vorteilhaft, um etwaige Detektionsfehler auszugleichen und so für eine erhöhte Sicherheit zum Schutz gefährdeter Personen, insbesondere Personen, die einen Herzschrittmacher besitzen, zu sorgen.
Die Induktionsschleifen und die optionalen RFID-Transponder sowie weitere oben genannte Bestandteile der Anordnung können in Fertigbauteile, insbesondere in Fertigbauteile aus Beton, integriert sein, was den Vorteil der einfachen Konstruktion hat. Die Fertigbauteile brauchen dann lediglich in dem gewünschten Fahrweg verlegt zu werden. Gegebenenfalls können dann Schienen darauf verlegt werden. Alternativ dazu können auch die Schienen bereits in die Fertigbauteile integriert sein. Ein solches Fertigbauteil kann in der vorgesehenen Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs beispielsweise eine Länge zwischen 1 und 20 m, bevorzugt zwischen 2 bis 16 m, insbesondere zwischen 4 bis 12 m, besonders bevorzugt zwischen 6 bis 10 m und in einer sehr besonders bevorzugten Ausführung eine Länge von 8 m besitzen, wodurch jeweils ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der einfachen Handhabbarkeit und dem Wunsch nach einer Verringerung der Herstellungskosten individuell entsprochen werden kann.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 eine induktive Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge mit einer dazugehörigen Anordnung zu deren Steuerung,
2 ein Blockschaltbild einer dazugehörigen Auswerteinheit,
3a den zeitlichen Spannungsverlauf eines Messsignals an einem Eingang der Auswerteinheit,
3b einen zeitlichen Spannungsverlauf des Messsignals an einem Ausgang eines ersten Differenzierglieds der Auswerteinheit,
3c den zeitlichen Spannungsverlauf des Messsignals an einem Ausgang eines zweiten Differenzierglieds der Auswerteinheit,
3d den zeitlichen Spannungsverlauf des Messignals an einem Ausgang eines Schmidt-Triggers,
3e den zeitlichen Spannungsverlauf eines Ausgangssignals eines darauffolgenden Logikbausteins.
1 stellt eine Anordnung zur Steuerung einer induktiven Energieversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge dar. Diese Anordnung umfasst mehrere zur Speisung eines Antriebs eines Elektrofahrzeugs 1 vorgesehene Induktionsschleifen 2, 2', ... insbesondere eine erste Induktionsschleife 2 und eine dazu benachbarte zweite Induktionsschleife 2 sowie weitere nicht in der Zeichnung dargestellte Induktionsschleifen, welche im Fahrweg des Elektrofahrzeugs angeordnet sind, und mindestens einen vorne am Elektrofahrzeug 1 angeordneten Sender 3, der eine elektromagnetische Welle 4 aussendet.
Die erste Induktionsschleife 2 ist elektrisch leitend mit einem Eingang einer ersten Auswerteinheit 5 verbunden. Weiterhin weist die erste Auswerteinheit 5 einen Ausgang auf, der über eine erste Übertragungsstrecke 6, die beispielsweise in einer ersten Signalleitung bestehen kann, in Verbindung mit einem ersten Schaltelement 7 steht. Insbesondere ist die erste Auswerteinheit 5 über die erste Signalleitung an einen ersten Einschalteingang 71 des ersten Schaltelements 7 angschlossen. Über das erste Schaltelement 7 ist eine Stromquelle 10, beispielsweise ein Kraftwerk, über einen ersten Frequenzumrichter 8 an die erste Induktionsschleife 2 angeschlossen, so dass das erste Schaltelement 7 im geschlossenen Zustand die Stromquelle 10 elektrisch leitend mit dem ersten Frequenzumrichter 8 verbindet.
Über das erste Schaltelement 7 kann die erste Auswerteinheit 5 somit die erste Induktionsschleife 2 einschalten.
Weiterhin besitzt das erste Schaltelement 7 einen ersten Ausschalteingang 72. Der erste Ausschalteingang 72 ist über eine zweite Übertragungsstrecke 6' an eine zweite Auswerteinheit 5', welche zu der zweiten Induktionsschleife 2' gehört, angeschlossen.
Die zweite Induktionsschleife 2' ist elektrisch leitend mit einem Eingang der zweiten Auswerteinheit 5' verbunden. Weiterhin weist die zweite Auswerteinheit 5' einen Ausgang auf, der über die zweite Übertragungsstrecke 6', die beispielsweise in einer zweiten Signalleitung bestehen kann, in Verbindung mit einem zweiten Leistungsschaltelement 7' steht. Insbesondere ist die zweite Auswerteinheit 5' über die zweite Signalleitung an einen zweiten Einschalteingang 71' des zweiten Schaltelements 7' angeschlossen. Über das zweite Schaltelement 7' ist die Stromquelle 10 über einen zweiten Frequenzumrichter 8' an die zweite Induktionsschleife 2' angeschlossen, so dass das zweite Schaltelement 7' im geschlossenen Zustand die Stromquelle 10 elektrisch leitend mit dem zweiten Frequenzumrichter 8' verbindet.
Dadurch kann die zweite Auswerteinheit 5 mit einem einzigen Signal über die zweite Übertragungsstrecke 6' sowohl die erste Induktionsschleife 2 aus- und gleichzeitig die zweite Induktionsschleife 2' einschalten.
Sobald das Elektrofahrzeug 1 mit seinem Sender 3 einen ersten Teilbereich 21 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet, wird in der ersten Induktionsschleife 2 ein erster elektrischer Effekt erzeugt und von der Auswerteinheit 5 ausgewertet. Diese Detektion kann beispielsweise in einem nicht in der Zeichnung dargestellten Speichersegment für einen bestimmten Zeitraum vorgehalten werden.
Sobald das Elektrofahrzeug 1 mit seinem Sender 3 einen zweiten Teilbereich 22 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet, wird in der ersten Induktionsschleife 2 ein zweiter elektrischer Effekt erzeugt. Dieser wird von der Auswerteinheit 5 ebenfalls ausgewertet. In Abhängigkeit von der zuvor erfolgten Detektion des ersten elektrischen Effekts wird als Folge des zweiten elektrischen Effekts durch die Auswerteinheit 5 über die erste Übertragungsstrecke 6 ein Schaltsignal an den Einschalteingang 71 des Schaltelements 7 übertragen, das Schaltelement 7 wird daraufhin geschlossen und die erste Induktionsschleife 2 wird dadurch eingeschaltet.
Zum Ausschalten der ersten Induktionsschleife 2 wird ein zweites Schaltsignal, das in gleicher Weise von der zweiten Auswerteinheit 5' generiert wird und das dazu vorgesehen ist, über die zweite Übertragungsstrecke 6' das zweite Schaltelement 7' über dessen Einschalteingang 71' zu schließen um somit die zweite Induktionsschleife 2' einzuschalten, gleichzeitig verwendet, um das erste Schaltelement 7 über den ersten Ausschalteingang 72 zu öffnen und somit die erste Induktionsschleife 2 auszuschalten.
Ebenso weist das zweite Schaltelement 7' einen zweiten Ausschalteingang 72' auf, der in gleicher Weise durch Verwendung einer in der Zeichnung nicht dargestellten dritten Induktionsschleife und einer dazugehörigen dritten Auswerteinheit zum Ausschalten der zweiten Induktionsschleife 2' genutzt werden kann.
Optional kann das Schaltelement 7 ein Zeitglied besitzen, durch welches sichergestellt wird, dass die Induktionsschleife 2 nicht länger als einen festzulegenden Zeitraum eingeschaltet bleibt. Falls das Schaltsignal am Ausschalteingang 72 ausbleibt, wird die Induktionsschleife 2 nach einem festzulegendem Zeitraum vom Schaftelement 7 ausgeschaltet.
Weiterhin ist jeweils ein Frequenzgenerator 9, 9', ... vorgesehen, der letztlich dazu dient, am Eingang der jeweiligen Auswerteinheit 5, 5', ... ein geeignetes Messsignal U_IN zur Verfügung zu stellen, das frei von der Trägerfrequenz f₀ ist.
Der jeweilige Frequenzumrichter 8, 8, ... ermöglicht durch die Erzeugung eines entsprechend hochfrequenten Wechselstroms, der eine Frequenz besitzt, die beispielsweise im Bereich von 30 bis 45 KHz liegt, eine induktive Energieübertragung zwischen der jeweiligen Induktionsschleife 2, 2', ... und dem Elektrofahrzeug 1.
Die Induktionsschleife 2 weist in ihren Abmessungen eine Breite B rechtwinklig zur Fahrtrichtung des Elektrofahrzeugs 1 auf. Diese Breite B beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle 4.
Weiterhin sind zwischen den Induktionsschleifen RFID-Transponder 11, 11', ... angeordnet. Diese können den Sender 3, bei dem es sich um einen RFID-Reader handelt, identifizieren und somit dafür sorgen, dass nur berechtigte Elektrofahrzeuge 1 eine entsprechende Energieversorgung erhalten.
2 stellt die Auswerteinheit 5 als Blockschaltbild dar. Diese umfasst einen eingangsseitigen Differenzverstärker 51, bevorzugt einen Operationsverstärker mit einem integrierten Gleichrichter, sowie einen, im vorliegenden Fall separaten Bandpassfilter 511, ein erstes Differenzierglied 52, ein zweites Differenzierglied 53, einen Schmidt-Trigger 54, und einen Logikbaustein 55, insbesondere kann es sich dabei um einen „TTL”(Transistor-Transistor-Logik)-Baustein, einen „ECL”(Emmitter-Coupled-Logic)-Logik-Baustein oder einen „CMOS”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Logik-Baustein handeln. Weiterhin umfasst die Auswerteinheit 5 einen Auswahlschalter 56, der es ermöglicht, wahlweise einen Ausgang des ersten Differenzierglieds 52 oder einen Ausgang des zweiten Differenzierglieds 53 auf einen Eingang des Schmidt-Triggers 54 zu schalten.
Der Differenzverstärker 51 weist einen Eingang auf, der gleichzeitig den Eingang der Auswerteinheit 5 darstellt. Weiterhin weist der Differenzverstärker einen Ausgang auf, der an einen Eingang des Bandpassfilters 511 angeschlossen ist; Der Bandpassfilters 511 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des ersten Differenzierglieds 52 angeschlossen ist; das erste Differenzierglied 52 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des zweiten Differenzierglieds 53 angeschlossen ist; der Ausgang des ersten Differenzierglieds 52 ist zusätzlich an einen ersten Eingang des Auswahlschalters 56 angeschlossen; der Ausgang des zweiten Differenzierglieds 53 ist an einen zweiten Eingang des Auswahlschalters 56 angeschlossen; der Ausgangswahlschalter 56 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des Schmidttriggers 54 angeschlossen ist. Der Schmidttrigger 54 weist einen Ausgang auf, der an einen Eingang des Logikbausteins 55 angeschlossen ist. Der Logikbaustein 55 weist einen Ausgang auf, der gleichzeitig den Ausgang der Auswerteinheit 5 darstellt.
Das Messsignal durchläuft wie im Folgenden beschrieben die Auswerteinheit 5 und liegt dementsprechend als Schaltsignal an dem Ausgang der Auswerteinheit 5 vor:
Am Eingang des Differenzverstärkers 51 liegt das Messignal in Form des Spannungsverlaufs des Eingangssignals U_in vor, der, gegebenenfalls um einen möglicherweise vorhandenen Gleichstromanteil reduziert, in 3a dargestellt ist. Der Spannungsverlauf dieses Eingangssignals U_in verläuft in Form der Hüllkurve des jeweils auszuwertenden ersten bzw. zweiten elektrischen Effekts, welcher durch das Annähern, Überschreiten und Entfernen des Senders 3 zu dem ersten Teibereich 21 bzw. zweiten Teilbereich 22 der ersten Induktionsschleife 2 entsteht. Dabei ist der Zeitpunkt des Überschreitens des ersten 21 bzw. zweiten Teilbereichs 22 als t₀ bezeichnet.
Der Differenzverstärker 51 dient dazu, einen möglicherweise vorhandenen Gleichstromanteil des Messignals zu reduzieren sowie das Messsignal gegebenenfalls zur weiteren Verarbeitung auf einen geeigneten Arbeitspegel zu verstärken und gegebenenfalls über einen in den Differenzverstärker 51 integrierten Gleichrichter gleichzurichten.
Die beiden Differenzierglieder 52 und 53 dienen dazu, eine erste und eine zweite Ableitung des Messsignals zu bilden, wodurch ein Signalverlauf entsteht, der in 3b bzw. 3c dargestellt ist. Spätestens nach dem ersten Differenzierglied 52 und insbesondere nach dem zweiten Differenzierglied 53 weist das Messsignal keinen Gleichspannungsanteil mehr auf.
In einer ersten Schalterstellung, in welcher der Auswahlschalter 56 den Ausgang des ersten Differenzierglieds 52 mit dem Eingang des Schmidttriggers elektrisch leitend verbindet, kann der Schmidt-Trigger 54 den Nulldurchgang des Ausgangssignals U₁ des ersten Differenzierglieds 52 mit gleichzeitiger negativer Flanke auswerten. Dies ermöglicht jeweils eine besonders genaue Detektion des Zeitpunkts t₀, an dem der Sender 3 den ersten Teilbereich 21 bzw. den zweiten Teilbereich 22 der ersten Induktionsschleife 2 überschreitet. in einer zweiten Schalterstellung, in welcher der Auswahlschalter 56 den Ausgang des zweiten Differenzierglieds 52 mit dem Eingang des Schmidt-Triggers elektrisch leitend verbindet, in der kann der Schmidt-Trigger 54 auch einen der Nulldurchgänge des Ausgangssignal U₂ des zweiten Differenzierglieds 53 mit positiver oder negativer Flanke auswerten, und somit je nach Bedarf einen gegenüber t₀ vorgezogenen Zeitpunkt t₁ oder verzögerten Zeitpunkt t₂ detektieren.
Der Schmidt-Trigger 54 erzeugt an seinem Ausgang im Falle der Auswertung des Nulldurchgangs zum Zeitpunkt t₀ einen Spannungsverlauf, der in 3d dargestellt ist.
Der TTL-Baustein 55 passt dieses Signal an die Erfordernisse der Schalteinrichtung 7 an und gibt es an den Ausgang der Auswerteinheit 5 als Schaltsignal U_OUT weiter, das in 3e dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrofahrzeug
2, 2', ...: erste/zweite/...Induktionsschleife
21: erster Teilbereich der ersten Induktionsschleife
22: zweiter Teilbereich der ersten Induktionsschlefe
3: Sender
4: elektromagnetische Welle
5, 5', ...: erste/zweite/...Auswerteinheit
51: Differenzverstärker mit integriertem Gleichrichter
511: Bandpassfilter
52: erstes Differenzierglied
53: zweites Differenzierglied
54: Schmidt-Trigger
55: Logikbaustein
56: Auswahlschalter
6, 6': erste/zweite/...Übertragungsstrecke
7, 7', ...: erstes/zweites/...Schaltelement
71, 71': Einschalteingang des ersten/zweiten Schaltelements
72, 72': Ausschalteingang des ersten/zweiten Schaltelements
8, 8', ...: erster/zweiter/...Frequenzumrichter
9, 9', ...: erster/zweiter/...Frequenzgenerator
10: Stromquelle
11, 11', ...: RFID-Transponder

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 Patentliteratur

DE 4405907 A1 [0005]
EP 1726084 B1 [0006]
DE 10200317220 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ETSI EN 302 208-1 [0041]
ETSI EN 302 208-2 [0041]

Claims

Anordnung zur Steuerung einer induktiven Energieversorgungseinrichtung zur Speisung eines Antriebs mindestens eines Elektrofahrzeugs (1), insbesondere eines schienengebundenen Elektrofahrzeugs, wobei die Energieversorgungseinrichtung mehrere zur Speisung des Antriebs des Elektrofahrzeugs (1) vorgesehene Induktionsschleifen (2) aufweist, und wobei die Anordnung mindestens einen am Elektrofahrzeug (1) angeordneten Sender (3) umfasst, der dazu geeignet ist, eine elektromagnetische Welle (4), welche mindestens eine Trägerfrequenz aufweist, auszusenden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Induktionsschleifen (2) an eine Auswerteinheit (5) angeschlossen ist, wobei die Auswerteinheit (5) dazu geeignet ist, die elektromagnetische Welle (4) zu detektieren.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) mit der jeweiligen Auswerteinheit (5) elektrisch leitend verbunden oder induktiv an die Auswerteinheit (5) gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschleife (2) meanderförmig ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschliefe eine Breite (B) aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle (4) beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (5) mindestens ein, bevorzugt zwei Differenzierglieder (52, 53) und einen Komparator, bevorzugt einen Schmidt-Trigger (54), aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (5) einen Ausgang aufweist, der über eine Übertragungsstrecke (6) an ein Schaltelement (7), angeschlossen und dadurch in der Lage ist, die Induktionsschleife (2) über dieses Schaltelement (7) einzuschalten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle (4) im „High Frequency”(HF)-Bereich und/oder im „Very High Frequency”(VHF)-Bereich und/oder im „Ultra High Frequency”(UHF)-Bereich liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sender (3) um einen „Radio Frequency Identification Device”(RFID)-Reader handelt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder zwischen den Induktionsschleifen (2) RFID-Transponder (11) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sender (3) ausgestrahlte elektromagnetische Welle (4) in einer der Induktionsschleifen (2) mindestens einen elektrischen Effekt erzeugt, der zum Einschalten einer der Induktionsschleifen (2, 2', ...), insbesondere derjenigen Induktionsschleife (2), in der der elektrische Effekt erzeugt wird, genutzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Welle (4) zum Erzeugen des elektrischen Effekts (2) in einen Teilbereich (21, 22) der Induktionsschleife (2) ein- und wieder auskoppelt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Effekt eine Hüllkurve besitzt und dass die Auswerteinheit (5) eingangsseitig ein Eingangssignal (U_in) empfängt, das die Form der Nullkurve des elektrischen Effekts besitzt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektion des elektrischen Effekts an einer ersten, zweiten oder dritten Ableitung des Eingangssignals (U_in) insbesondere des mittels eines Differenzverstärkes (51) verstärkten Eingangssignals (U_in) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des elektrischen Effekts an der ersten oder zweiten Ableitung des Eingangssignals (U_in), bevorzugt an einem Ausgangssignal (U₁) des ersten Differenzierglieds (52) oder an einem Ausgangssignal (U₂) des zweiten Differenzierglieds (53), in Form einer Nulldurchgangsdetektion, insbesondere mit gleichzeitiger Auswertung einer negativen Flankensteilheit, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Detektion der elektromagnetischen Welle (4) das Schaltelement (7) geschlossen wird, wodurch die Induktionsschleife (2) eingeschaltet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sender (3) ausgestrahlte elektromagnetische Welle (4) in einer der Induktionsschleifen (2) zwei elektrische Effekte, nämlich einen ersten und einen zweiten elektrischen Effekt, erzeugt, die beide detektiert werden müssen, damit diese Induktionsschleife (2) eingeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Detektieren des ersten elektrischen Effekts; – Detektieren des zweiten elektrischen Effekts; – Einschalten der Induktionsschleife (2) zum Zeitpunkt der Detektion des zweiten elektrischen Effekts.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) die Trägerfrequenz der elektromagnetischen Welle (4) in definierten Zeitintervallen gemäß einer festzulegenden Kodierung umschaltet, wodurch das Elektrofahrzeug (1), beispielsweise von der Auswerteinheit (5), identifiziert werden kann.