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Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere zum induktiven Aufladen eines Energiespeichers, ein Verfahren zur Steuerung eines Ladevorgangs und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Ein Akkumulator, wie er beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Kleingeräts verwendet werden kann, ist mittels eines entsprechenden Ladegeräts aufladbar. Der Akkumulator und das Ladegerät können mittels elektrischer Kontakte miteinander verbindbar sein oder es kann eine Anordnung von Induktionsspulen zur Übertragung elektrischer Energie vom Ladegerät zum Akkumulator verwendet werden. Der Akkumulator verfügt über eine erste Energiespule, die dazu eingerichtet ist, ein externes magnetisches Wechselfeld in einen Strom umzuwandeln, der nach entsprechender Aufbereitung zur Aufladung des Akkumulators verwendet wird. Das Ladegerät verfügt über eine korrespondierende zweite Induktionsspule und ist dazu eingerichtet, das elektrische Wechselfeld zu generieren, so dass die beiden Induktionsspulen nach Art eines Transformators miteinander gekoppelt sind.
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US 6,803,744 B1 zeigt ein Ladegerät mit einer Anordnung einer Vielzahl zweiter Induktionsspulen, um ein Ausrichten des Akkumulators mit der ersten Induktionsspule zu erleichtern. In einer Ausführungsform ist auch gezeigt, wie die Induktionsspulen relativ zueinander bewegt werden können, um eine verbesserte magnetische Kopplung zwischen den Induktionsspulen zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladeeinrichtung anzugeben, die eine weiter verbesserte magnetische Kopplung zwischen den Induktionsspulen bereitstellt. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Steuerung eines Ladevorgangs anzugeben.
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Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels einer Ladeeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1, eines Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 7 und eines Computerprogrammprodukts mit den Merkmalen von Anspruch 10. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung für einen aufladbaren Energiespeicher mit einer ersten Induktionsspule umfasst eine Kopplungsfläche zur Platzierung des ersten Energiespeichers, eine zweite Induktionsspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes im Bereich der Kopplungsfläche, um elektrische Energie zwischen den Induktionsspulen zu übertragen, und eine Richtungssteuerung zur Annäherung einer Ausrichtung des Feldes der zweiten Induktionsspule an eine Ausrichtung der ersten Induktionsspule.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere dann, wenn die Kopplungsfläche nicht wesentlich größer als die erste Induktionsspule ist, das Angleichen der Ausrichtung des magnetischen Feldes an die Ausrichtung der ersten Induktionsspule effektiver für eine Verbesserung der magnetischen Kopplung zwischen den Induktionsspulen sein kann, als eine relative Bewegung der Induktionsspulen zueinander hin.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst die Richtungssteuerung Schwenkmittel zur Einstellung einer Elevation und Drehmittel zur Einstellung eines Azimuth in der zweiten Induktionsspule bezüglich der Kopplungsfläche. Mittels eines solchen mechanischen Verschwenkens bzw. Drehens des der zweiten Induktionsspule kann eine schnelle, und genaue Änderung der Ausrichtung des Feldes der zweiten Induktionsspule erzielbar sein.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst die Richtungssteuerung mehrere unterschiedlich ausgerichtete Teilspulen, die dazu eingerichtet sind, magnetische Teilfelder zu erzeugen, die im Bereich der Kopplungsfläche zum magnetischen Feld überlagert sind. Auf diese Weise kann die Ausrichtung des magnetischen Feldes verändert werden, ohne eine mechanische Bewegung von Elementen der Ladeeinrichtung zu erfordern. Die Überlagerung der magnetischen Teilfelder kann dazu führen, dass das magnetische Feld im Bereich der ersten Induktionsspule verstärkt ist, wodurch eine übertragbare Energiemenge zwischen den Induktionsspulen gesteigert sein kann. Durch den Verzicht auf eine mechanische Kippvorrichtung kann ein Abstand zwischen den Induktionsspulen oder zwischen der zweiten Induktionsspule und der Fläche verringert sein, wodurch die magnetische Kopplung zwischen den Induktionsspulen weiter verbessert sein kann.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ladeeinrichtung zusätzlich eine Antriebseinrichtung zur Bewegung der zweiten Induktionsspule entlang der Kopplungsfläche derart, dass eine Position der zweiten Induktionsspule an eine Position der ersten Induktionsspule angenähert ist. So können die Vorteile der Annäherung der Positionen der Induktionsspulen mit den Vorteilen der Anpassung der Ausrichtungen der Induktionsspulen vereint werden. Durch die Kombination kann ein mechanischer Aufwand der Gesamtlösung geringer als die Summe der Aufwände für die beiden Einzellösungen sein. Dadurch können Herstellungs- und Wartungskosten verringerbar sein.
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Die Ladeeinrichtung kann eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Richtungssteuerung und/oder der Antriebseinrichtung umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die zweite Induktionsspule einer Bewegung der ersten Induktionsspule bezüglich der Kopplungsfläche folgen zu lassen.
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Dadurch kann ein Aufladevorgang in einer rauen Umgebung unterstützt sein, in der nicht garantiert werden kann, dass der aufladbare Energiespeicher bezüglich der Kopplungsfläche eine konstante Position bzw. Ausrichtung einnimmt. Derartige Bedingungen können insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, eines Schiffes oder eines anderen Verkehrsmittels herrschen.
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In einer Ausführungsform sind die Induktionsspulen zur Übertragung von Energie in beliebige Richtungen eingerichtet. So kann alternativ zur induktiven Energieversorgung des Energiespeichers auch eine induktive Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher ermöglicht sein.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines Ladevorgangs eines aufladbaren Energiespeichers mit einer ersten Induktionsspule mittels der beschriebenen Ladeeinrichtung umfasst Schritte des Bestimmens einer ersten zwischen den Induktionsspulen übertragbaren elektrischen Leistung, des Veränderns der Ausrichtung des magnetischen Feldes der zweiten Induktionsspule bezüglich der Ausrichtung der ersten Induktionsspule, des Bestimmens einer zweiten zwischen den Induktionsspulen übertragbaren elektrischen Leistung und des Veränderns der Ausrichtung des magnetischen Feldes der zweiten Induktionsspule auf der Basis des Vergleichs, um die zwischen den Induktionsspulen übertragbare elektrische Leistung zu maximieren.
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Durch das Verfahren kann eine sukzessive Annäherung der Ausrichtung des magnetischen Feldes der zweiten Induktionsspule an der ersten Induktionsspule durchgeführt werden, wobei ein rasch konvergierender Optimierungsalgorithmus verwendet werden kann, so dass eine optimale Ausrichtung schnell und sicher gefunden werden kann.
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Zusätzlich zur Ausrichtung des magnetischen Feldes kann auch eine Position der zweiten Induktionsspule bezüglich der ersten Induktionsspule verändert werden. Die Ausrichtung und die Position können in mehreren Durchläufen des Verfahrens nacheinander oder gleichzeitig verändert werden, um das schnelle Konvergieren des Optimierungsalgorithmus zu unterstützen.
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Ein Computerprogrammprodukt kann Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens umfassen, wobei das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine Ladeeinrichtung mit einem aufladbaren Energiespeicher;
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2 eine Richtungssteuerung für die Ladeeinrichtung aus 1;
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3 eine weitere Richtungssteuerung für die Ladeeinrichtung aus 1; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Ladeeinrichtung aus 1
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine Ladeeinrichtung 100 zum Aufladen eines aufladbaren Energiespeichers 105. Zur Erleichterung der Referenzierung ist ein kartesisches Koordinatensystem angegeben. Die Ladeeinrichtung 100 umfasst eine Kopplungsfläche 110, die nach Art einer Explosionszeichnung nach oben versetzt dargestellt ist.
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Der Energiespeicher 105 umfasst eine erste Induktionsspule 115, die mittels einer Steuereinrichtung 120 mit einer elektrischen Speichereinrichtung 125 verbunden ist. Die erste Induktionsspule 115 umfasst vorzugsweise einen vielfach kreisförmig gewundenen elektrischen Leiter. In Abhängigkeit eines die erste Induktionsspule 115 durchströmenden magnetischen Wechselfelds 130 stellt die erste Induktionsspule der Steuereinrichtung 120 einen elektrischen Wechselstrom bereit. Die Steuereinrichtung 120 richtet den Wechselstrom in einen Gleichstrom um und steuert ihn so, dass daraus die elektrische Speichereinrichtung 125 aufgeladen werden kann. Die Speichereinrichtung 125 kann einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschicht-Kondensator, oder einen Akkumulator, insbesondere einen Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Akkumulator umfassen.
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Die Kopplungsfläche 110 ist als ebenes Rechteck dargestellt, in anderen Ausführungsformen kann die Kopplungsfläche 110 jedoch auch anders geformt und insbesondere gekrümmt sein. Die Kopplungsfläche 110 ist auch nicht darauf beschränkt, im Wesentlichen senkrecht zur Schwerkraft angeordnet zu sein.
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Die Ladeeinrichtung 100 umfasst eine zweite Induktionsspule 135, die auf einem ersten Wagen 140 angebracht ist, der in y-Richtung gegenüber einer ersten Schiene 145 in y-Richtung verschiebbar ist. Die erste Schiene 145 ist an einem zweiten Wagen 150 angebracht, der entlang einer zweiten Schiene 155 in x-Richtung verschiebbar ist. Durch entsprechendes Verfahren des ersten Wagens 140 und des zweiten Wagens 150 ist die zweite Induktionsspule 135 in der x-y-Ebene parallel zur Kontaktfläche 110 voll beweglich. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Induktionsspule 135 auch in anderer Weise als mittels der Wagen 140 und 150 bewegt werden, beispielsweise mittels einer polar orientierten Bewegungsvorrichtung.
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Die zweite Induktionsspule 135 ist mittels eines oder mehrerer Ausrichtungselemente 165 am ersten Wagen 140 angebracht, wobei die Ausrichtungselemente 165 ein Schwenken der zweiten Induktionsspule um die y-Achse und um die x-Achse erlauben.
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Die Bewegungen der Ausrichtungselemente 165, des ersten Wagens 140 und des zweiten Wagens 150 sind mittels einer Steuereinrichtung 160 steuerbar, die mit den entsprechenden Bewegungselementen verbunden ist. Die Steuereinrichtung 160 ist ferner dazu eingerichtet, die zweite Induktionsspule 135 derart anzusteuern, dass sie das magnetische Feld 130 im Bereich der Kopplungsfläche 110 erzeugt. Die Position und Ausrichtung des magnetischen Feldes bezüglich der Kopplungsfläche 110 und gegebenenfalls auch die Stärke des Magnetfeldes 130 können somit mittels der Steuereinrichtung 160 verändert werden. Dabei ist die Steuereinrichtung 160 dazu eingerichtet, die zweite Induktionsspule 135 derart zu bewegen, dass Position und Ausrichtung der zweiten Induktionsspule 135 im Sinne einer optimierten magnetischen Kopplung zwischen der ersten Induktionsspule 115 und der zweiten Induktionsspule 135 optimiert sind. Dazu sind die Induktionsspulen 115, 135 so anzuordnen, dass sie möglichst nahe aneinander liegen, während die erste Induktionsspule 115 senkrecht vom Magnetfeld 130 der zweiten Induktionsspule 135 durchströmt ist.
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2 zeigt eine Richtungssteuerung 200 für die Ladeeinrichtung 100 aus 1. Die Richtungssteuerung 200 stellt eine alternative Befestigung der zweiten Induktionsspule 135 am ersten Wagen 140 an der in 1 gezeigten Ausführungsform der Ladeeinrichtung 100 dar. Ein zusätzlich eingezeichnetes Koordinatensystem entspricht dem aus 1.
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Die Richtungssteuerung 200 umfasst eine Plattform 205 zur Anbringung am ersten Wagen 140. Die Plattform 205 umfasst einen oberen Abschnitt 210 und einen unteren Abschnitt 215, wobei der untere Abschnitt 215 zur Befestigung am ersten Wagen 140 eingerichtet ist, während der obere Abschnitt 210 die zweite Induktionsspule 135 trägt. Der obere Abschnitt 210 ist bezüglich des unteren Abschnitts 215 mittels einer ersten Antriebseinrichtung 220 um die z-Achse drehbar ausgeführt.
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Die zweite Induktionsspule 135 ist mittels einer zweiten Antriebseinrichtung 225 derart am oberen Abschnitt 210 der Plattform 205 angebracht, dass die zweite Induktionsspule 135 um eine Achse schwenkbar ist, die parallel zur x-y-Ebene verläuft und in der Darstellung von 2 der x-Achse entspricht. Wird der obere Abschnitt 210 gegenüber dem unteren Abschnitt 215 der Plattform um die z-Achse verdreht, so wird auch die Achse verdreht, um die die zweite Induktionsspule 135 schwenkbar ist. Mittels der ersten Antriebseinrichtung 220 kann somit ein Azimuth (Richtungswinkel), und mittels der zweiten Antriebseinrichtung 225 eine Elevation (Höhenwinkel) der zweiten Induktionsspule 135 verändert werden. Die Ausrichtung der zweiten Induktionsspule 135 bezüglich der x-y-Ebene kann so frei verstellbar sein. Mit der Ausrichtung der zweiten Induktionsspule verändert sich auch die Ausrichtung eines mittels der zweiten Induktionsspule 135 erzeugten Magnetfelds.
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3 zeigt eine weitere Richtungssteuerung 300 für die Ladeeinrichtung 100 aus 1. Wie auch die Ladeeinrichtung 200 aus 2 ist die Ladeeinrichtung 300 aus 3 dazu eingerichtet, eine alternative Befestigung der zweiten Induktionsspule 235 am ersten Wagen 140 der Ladeeinrichtung 100 aus 1 bereitzustellen und gleichzeitig eine Änderung der Ausrichtung des durch die zweite Induktionsspule 135 erzeugbaren Magnetfelds 130 zu ermöglichen. Ein angegebenes kartesisches Koordinatensystem entspricht den Koordinatensystemen der 1 und 2.
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Die Richtungssteuerung 300 umfasst eine Plattform 305 entsprechend der Plattform 205, wobei die Plattform 305 jedoch starr ausgeführt ist. An der Oberseite der Plattform 305 sind Teilspulen 310 bis 320 angeordnet, deren Ausrichtungen voneinander verschieden sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die drei Teilspulen 310 bis 320 derart aufeinander zu geneigt, dass sich Achsen, die jeweils senkrecht durch die einzelnen Teilspulen 310 bis 320 verlaufen, oberhalb der Plattform 305 in einem Punkt auf der z-Achse schneiden. In anderen Ausführungsformen können die Teilspulen 310 bis 320 auch andere relative Ausrichtungen bzw. Anordnungen aufweisen.
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Jede der Teilspulen 310 bis 320 ist dazu eingerichtet, ein magnetisches Teilfeld zu erzeugen, wobei sich die erzeugten Teilfelder im Bereich der nicht dargestellten Kopplungsfläche 110 oberhalb der Plattform 305 zum Magnetfeld 130 überlagern. Je nach relativer Ausrichtung der Teilspulen 310 bis 320 und der relativen Stärken der erzeugten magnetischen Teilfelder verläuft das Magnetfeld 130 im Bereich der Kopplungsfläche 110 in einer vorbestimmbaren Ausrichtung bezüglich der x-y-Ebene.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Steuerung der Ladeeinrichtung 100 aus 1.
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In einem Schritt 405 wird eine erste zwischen den Induktionsspulen 115 und 135 übertragbare elektrische Leistung bestimmt. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Steuereinrichtung 160 eine Wechselspannung an die zweite Induktionsspule 135 bereitstellt, die daraufhin ein magnetisches Wechselfeld 130 im Bereich der Kopplungsfläche 110 erzeugt, so dass das Wechselfeld 130 von der ersten Induktionsspule 115 aufgenommen und in einen elektrischen Strom zurück verwandelt werden kann. Eine sich dabei ergebende Stromstärke durch die zweite Induktionsspule 165 gibt einen Hinweis auf die erste übertragbare Leistung.
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In einem folgenden Schritt 410 werden eine veränderte Ausrichtung und/oder eine veränderte Position der zweiten Induktionsspule 135 bestimmt. Die bestimmte Ausrichtung und/oder Position werden in einem nachfolgenden Schritt 415 durch Ansteuern der Wagen 140 und 150 bzw. der Antriebseinrichtungen 220, 225 oder der Teilspulen 310 bis 320 umgesetzt.
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In einem folgenden Schritt 420 wird analog zum Schritt 405 eine zweite übertragbare Leistung zwischen den Induktionsspulen 115 und 135 bestimmt. In einem Schritt 425 wird die erste mit der zweiten bestimmten Leistung verglichen. Ist die erste Leistung um ein vorbestimmtes Maß kleiner als die zweite Leistung, so fährt das Verfahren 400 mit einem Schritt 430 fort, andernfalls fährt es mit einem Schritt 435 fort. Das Maß kann vorbestimmt werden, um eine Empfindlichkeit des Verfahrens 400 zu beeinflussen. Für eine maximale Empfindlichkeit und damit eine maximale Optimierung der Position der zweiten Induktionsspule 135 und der Ausrichtung ihres Magnetfelds 130 jeweils bezüglich der ersten Induktionsspule 115 kann das Maß auf Null gesetzt werden.
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Im Schritt 430 wird die im Schritt 405 bestimmte erste Leistung auf den Wert der im Schritt 420 bestimmten zweiten Leistung gesetzt. Dieser Schritt erfolgt dann, wenn die veränderte Ausrichtung und/oder Position der Schritte 410 und 415 eine Erhöhung der übertragbaren Leistung erbracht haben. Anschließend kann das Verfahren mit dem Schritt 410 fortfahren, um eine weitere Verbesserung der übertragbaren Leistung zu bewirken.
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Der Schritt 435 wird ausgeführt, falls die Veränderung der Ausrichtung und/oder Position der Schritte 410 und 415 eine Verringerung der übertragbaren Leistung erbracht haben. In diesem Fall werden die veränderte Ausrichtung und/oder Position rückgängig gemacht und das Verfahren 400 fährt mit dem Schritt 410 fort, um durch eine andere Veränderung in den Schritten 415 und 420 eine Erhöhung der übertragbaren Leistung zu bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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